Contribution of human esterases to the metabolism of selected new psychoactive substances

Abstract

The aim of this study was to investigate the role of human carboxylesterases (hCES) in the metabolism of selected new psychoactive substances from the class of synthetic cannabinoids. An initial activity screening was conducted incubating synthetic cannabinoids with different structural characteristics with each out of the three most significant hCES isoforms for human drug metabolism, by name hCES1b, hCES1c, and hCES2, to assess their contribution to the synthetic cannabinoids’ metabolism. Furthermore, incubations without enzymes were performed as negative controls to elucidate non-enzymatical ester hydrolysis. Kinetic studies were performed for those isoforms, which were shown to significantly contribute to the metabolic transformation. All samples were analyzed using a liquid chromatography-linear ion trap mass spectrometry system. Results showed that hCES only hydrolyzed the ester bond of synthetic cannabinoids with an amide linker and a terminal ester bond to a significant amount. Furthermore, only SC with a valine-derived structural element, such as MMB-4en-PICA, MMB-FUBINACA, and MMB-CHMICA, and additionally 5F-MPhP-PICA were sufficiently hydrolyzed in order to perform kinetic studies. SC which contained a tert-leucine-derived structural element and SC with a terminal amide instead of a terminal ester bond showed only very low hydrolysis rates or no metabolite formation at all. In conclusion, kinetic studies could not be performed for SC of these classes. In summary, the current study showed that hCES, especially isoforms hCES1b and hCES1c, may play a significant role in the in vivo metabolism of SC with a terminal ester bond and a valine-derived structural element. Additionally, the results of conducted kinetic studies implicate that the molecular weight of the substrate has an impact on its affinity to the respective isoform of hCES1. hCES1c shows higher affinity for larger SC and hCES1b to smaller SC. For instance, in kinetic studies with hCES1b MMB-CHMICA (370 g/mol) showed a higher hydrolysis rate than the heavier substrate 5F-MPhP-PICA (411 g/mol), but further studies are needed to confirm this finding. Finally, hCES-catalyzed hydrolysis of the amide linker may to play a minor role in the in vivo metabolism of SC.

Das Ziel dieser Studie war es, die Bedeutung von humanen Carboxylesterasen (hCES) für den Metabolismus ausgewählter synthetischer Cannabinoide (SC) mit verschiedenen strukturellen Eigenschaften zu erforschen. Zuerst wurde ein Aktivitätsscreening durchgeführt, bei dem die synthetischen Cannabinoide mit den drei für den menschlichen Fremdstoffmetabolismus wichtigsten hCES Isoformen (hCES1b, hCES1c, hCES2) inkubiert wurden. Enzymkinetiken wurden für die Isoformen erstellt, die eine signifikante Hydrolyseaktivität zeigten. Alle Proben wurden mithilfe eines Ionenfallen-Massenspektrometers, welches an einen Flüssigchromatographen gekoppelt war, analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass nur die Hydrolyse des Esters bei SC mit Amidlinker und terminaler Estergruppe stark von hCES katalysiert wird. Eine ausreichend starke Hydrolyseaktivität für die Anfertigung von Enzymkinetiken wurde bei 5F-MPhP-PICA und bei SC festgestellt, die ein von der Aminosäure Valin abgeleitetes Strukturmotiv enthielten, so wie es bei MMB-4en-PICA, MMB-FUBINACA und MMB-CHMICA der Fall ist. Im Gegensatz dazu wurden SC mit einem von tert-Leucin abgeleiteten Substrukturelement und SC ohne terminale Estergruppe aber mit Amidlinker kaum hydrolysiert, sodass keine Kinetikstudien durchgeführt werden konnten. Es lässt sich schlussfolgern, dass hCES, vor allem die hCES1-Isoformen, eine signifikante Rolle im in vivo Metabolismus von SC spielen könnte, welche eine terminale Estergruppe und ein von Valin abgeleitetes Strukturmotiv besitzen. Des Weiteren implizieren die durchgeführten kinetischen Studien, dass das Molekulargewicht des Substrates für die Affinität zu der entsprechenden hCES Isoform von Bedeutung sein könnte, da hCES1c eine stärkere Affinität zu schweren SC aufweist, wohingegen hCES1b stärkere Affinitäten zu leichten SC zeigt. Zum Beispiel waren die in Kinetikstudien mit hCES1b ermittelten Hydrolyseraten für MMB-CHMICA (370 g/mol) höher als für 5F-MPhP-PICA (411 g/mol). Um diese Ergebnisse zu bestätigen sollten allerdings weitere Studien durchführt werden. Eine untergeordnete Rolle scheinen hCES in der Hydrolyse des Amidlinkers der SC zu spielen.