Die Pharmakokinetik als Teilgebiet der Pharmakologie beschreibt die Kinetik der Konzentrationsverläufe von Verbindungen im Körper. Im engeren Sinne sind dies Pharmaka, im allgemeinen Sinne aber sind darunter beliebige Substrate des Stoffwechsels, Nährstoffe oder Metabolite zu verstehen. Pharmakokinetik behandelt die quantitative Analyse der Verteilung und Umsetzung von Pharmaka im Organismus und in seinen Kompartimenten durch experimentelle Bestimmung des zeitlichen Verlaufs der Konzentrationsänderung dc/dt in Abhängigkeit von der Dosis D und der Art der Applikation, sowie die Simulation des zeitlichen und räumlichen Ablaufs dieser Prozesse durch Reaktionsmodelle und Reaktionsgleichungen. Sie gibt damit Auskunft nicht nur über das Pharmakon selbst, sondern auch über die Funktion der an der Verteilung und Umsetzung beteiligten Organe. Gegenüber der Pharmakokinetik betrachtet die Pharmakologie als eine alte, klassische Disziplin der Medizin die qualitativen Eigenschaften von Pharmaka, nämlich die Art ihrer Wirkung W als Funktion der Dosis D. Das Grundexperiment des Pharmakologen ist die Ermittlung der Dosis-Wirkungs-Beziehung. Aus beiden Ansätzen resultiert schließlich die Pharmakodynamik als Beschreibung des zeitlichen Verlaufs der Wirkung als Funktion der Dosis
Pharmakologie: W = f(D)
Pharmakokinetik: dc/dt = f(c,t,...)
Pharmakodynamik: dW/dt = f(D,t)
Der Begriff Pharmakokinetik wurde von Friedrich Hartmut Dost geprägt und durch sein Lehrbuch „Grundlagen der Pharmakokinetik", Thieme, Stuttgart 1968, weltweit bekannt. Prof. Dr. med. F. Dost, geboren 1910 in Dresden, gestorben 1985 in Gießen, war Kinderarzt und Leiter der Kinderklinik 1951-1959 der Charité Berlin, 1960-1975 der Kinderklinik der Justus-Liebig-Universität Gießen.
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Abbildung 2-1: Pharmakologie: Wirkung als Funktion der Dosis, W vs D |
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Abbildung 2-2: Pharmakokinetik: Konzentration als Funktion der Zeit, c vs t |
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Abbildung 2-3: Pharmakodynamik: Wirkung als Funktion der Zeit, W vs t |
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Abbildung 2-4: Der Organismus als black box |
Im Sinne der Pharmakokinetik kann der Körper zunächst als „black box" betrachtet werden, in den über Eingänge auf verschiedene Weise Substanzen eingebracht werden können, der über Ausgänge auf verschiedene Weise Produkte abgibt, und in dessen Teilbereichen (Kompartimenten) Umsetzungen, Verteilungen und Steuerungen erfolgen, aus denen schließlich die Konzentrationsverläufe c(t) und Wirkungen W(c, t) resultieren. Der Verlauf der Konzentrationen resultiert aus dem Zusammenwirken der Arten der Zuflüsse (Invasion), der Abflüsse (Elimination), der Art der Umsetzung nach verschiedenen Reaktionsordnungen einschließlich von Wechselwirkungen wie Rückkopplungen und Schalterfunktionen (Abbildung 2-4).
Diesen generellen Modellansatz können wir für pharmakokinetische Analysen in einige hier wesentliche anatomische und physiologische Kompartimente und Transportgebiete mit Ein- und Ausgängen und mit ihren gegenseitigen Grenzen und Beziehungen aufschlüsseln. Alle diese Kompartimente stehen über das gemeinsame Blutgefäßsystem und das Blut als Transportvehikel in Verbindung.
Wir verstehen heute den lebenden Organismus als ein offenes, energiedissipatives System, das seine komplexe Organisation und seine Funktionen in einem Fließgleichgewicht (steady state) unter ständigem Austausch von Materie, Information und Energie mit der Umwelt fernab vom thermischen Gleichgewicht aufrechterhält. Die Betrachtung des Organismus als ein offenes System, auf das die mathematischen Gesetzmäßigkeiten der Reaktionskinetik, insbesondere des Fließgleichgewichts (s. 5.3), der heterogenen Katalyse und fraktaler Strukturierung (s. 9.2) angewendet werden können, ist erst spät in die Medizin eingegangen (s. 3.2 Lit: 8, 9, 10).
Die in der Vorlesung genutzten Beispiele und Methoden der mathematischen Beschreibung pharmakokinetischer Prozesse gehen weit über den engeren Rahmen der Anwendung auf „Pharmaka" hinaus und schließen insbesondere biologisch relevante Wachstumsprozesse mit ein und zeigen Entsprechungen und analoge Fragestellungen in verwandten Gebieten auf, wie z. B. in der
Chemie: Massenwirkungsgesetz, Reaktionskinetik, Zerfallsreihen
Biochemie: Enzymkinetik, Folgereaktionen, Gerinnungskaskade, Antigen-Antikörper-Kinetik
Physiologie: Stoffwechselbilanzen, Isotopenmethoden, Rhythmen, Strahlenschutz
Klinische Labordiagnostik: Organfunktionstests, Clearance-Verfahren, Belastungstests
Biologie: Räuber-Beute-Systeme, Kooperativität, Chaos und Ordnung, Fraktale Strukturen
Epidemiologie: Wachstumsprozesse, Populationsentwicklung und -wechselwirkung, Altern
Ingenieur-Wissenschaften: Biotechnologie, Bioreaktoren, Zellkulturen, künstliche Organe,
Reaktion und Transport, Mischungsverhalten,
Steuer- und Regeltechnik: Schwingungsverhalten, Materialermüdung,
