Herbal drugs of abuse Glaucium flavum and Sceletium tortuosum : metabolism and toxicological detectability of their alkaloids glaucine, mesembrine and mesembrenone studied in rat urine and human liver preparations using GC-MS, LC-MS, LC-HR-MSn, and NMR

Abstract

The Glaucium flavum alkaloid glaucine and the Sceletium tortuosum alkaloids mesembrine and mesembrenone are ingredients of so-called herbal highs, which were often sold via the internet or head shops as legal drugs of abuse. Concerning the pharmacokinetic properties of such compounds e.g. the metabolic fate, only few data was available. In the context of the present dissertation, the metabolism and the toxicological detection of the alkaloids were therefore investigated by different analytical techniques, such as GC-MS and LC-HR-MSn. Glaucine was mainly O- and N-dealkylated in rats and further conjugated to glucuronides or sulfates. The phase I metabolites were synthesized and further in vitro experiments with HLM confirmed the formation of the metabolites in humans. The following CYP isoforms were mainly involved in these reactions: 1A2, 2C19, 2D6, 3A4, and 3A5. The kinetic profiles of all metabolite formations followed classic Michaelis-Menten behavior. The Km values were between 25-140 µM and the Vmax values between 0.10 - 1.92 pmol/min/pmol. Toxicological detection should be focused on the demethyl-dehydro metabolites and the corresponding glucuronides and/or sulfates. Mesembrine and mesembrenone were also extensively metabolized in rat. The main metabolic pathway is a combination of demethylation and reduction of the keto function. The phenolic metabolites were partly excreted as glucuronides or sulfates. The phase I metabolites could also be found in human liver preparations. Demethylation of mesembrine was catalyzed by following CYPs: 1A2, 2B6, 2C19, 2D6, and 3A4 and the demethylation of mesembrenone by 2C9, 2C19, 2D6, and 3A4. The main analytical targets for the toxicological detection were the demethyl-dehydro metabolites and in case of LC-MSn, the corresponding glucuronides and/or sulfates.

Das Glaucium flavum-Alkaloid Glaucine und die beiden Alkaloide Mesembrin und Mesembrenon vorkommend in Sceletium tortuosum sind Bestandteile von sogenannten „herbal highs“ die über das Internet oder in „head shops“ als legale Drogen verkauft werden. Hinsichtlich der pharmakokinetischen Eigenschaften solcher Substanzen wie z.B. deren Metabolismus, sind nur wenige Daten verfügbar. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden deshalb der Metabolismus und die Nachweisbarkeit der Alkaloide mittels verschiedenster analytischen Techniken, wie z.B. GC-MS und LC-HR-MSn untersucht. Glaucin wurde in der Ratte hauptsächlich zu vier Phase-I-Metaboliten O- und N-desalkyliert und anschließend zu Glucuronide oder Sulfaten konjugiert. Die Phase-I-Metaboliten wurden synthetisiert und deren Struktur mittels NMR-Techniken aufgeklärt. Weitere in-vitro-Experimente mit HLM bestätigten die Bildung der Metaboliten im Menschen. Folgende CYP-Isoformen waren an den Reaktionen beteiligt: 1A2, 2C19, 2D6, 3A4 und 3A5. Die resultierenden Km Werte lagen zwischen 25 - 140 µM und die Vmax Werte zwischen 0.1 - 1.9 pmol/min/pmol. Der analytische Fokus für die Nachweisbarkeit sollte auf den demethylierten Metaboliten und auf den zugehörigen Glucuroniden und/oder Sulfaten. Mesembrin und Mesembrenon wurden von der Ratte stark metabolisiert. Beide Alkaloide werden hauptsächlich demethyliert und reduziert. Alle phenolischen Metaboliten werden teilweise als Glucuronide oder Sulfate ausgeschieden. Die Phase-I-Metaboliten konnten in in-vitro-Experimenten mit humanen Leberpräparationen belegt werden. Die Demethylierungen des Mesembrins wurden durch folgende CYP-Isoformen katalysiert 1A2, 2B6, 2C19, 2D6 und 3A4 und die des Mesembrenons durch 2C9, 2C19, 2D6 und 3A4. Der analytische Fokus für die Nachweisbarkeit sollte auf den demethylierten und reduzierten Metaboliten liegen und auf den zugehörigen Glucuroniden und/oder Sulfaten.