Evidence for the Epoxide‐Diol Pathway in the Biotransformation of Mephenytoin

Summary: A dihydrodiol metabolite of mephenytoin (5‐dihydroxy‐cyclohexadienyl)‐5‐ethyl‐3‐methylhydantoin and other mono‐ and dihydrox‐ylated and N‐demethylated metabolites were identified in urine from a male epileptic patient receiving therapy with mephenytoin (300 mg/day). Metabolites, extracted from urine before and after enzymatic hydrolysis, were de‐rivatized with a trimethylsilyl reagent and analyzed by combined gas chromatography and mass spectrometry. Two previously unreported metabolites were characterized: 5‐ethyl‐5‐(di‐hydroxyphenyl)‐3‐methylhydantoin and 5‐ethyl‐5‐(hydroxy‐methoxy‐phenyO‐S‐methylhydantoin. The structures of several other metabolites were confirmed: N‐demethylmephenytoin, 5‐ethyl‐5‐hydroxyphenylhydantoin, 5‐ethyl‐5‐hydroxyphenyl‐3‐methylhydantoin and mephenytoin dihyrodiol. The dihydrodiol metabolite was of special interest since it was probably produced via an epoxide intermediate, 5‐(epoxy‐cyclohexadienyl)‐5‐ethyl‐3‐methylhydantoin. Previous reports have demonstrated that epoxides of this structural class are extremely reactive compounds, capable of alkylating biologic macromolecules. Covalent binding of the mephenytoin epoxide to macromolecules may be an important factor in the production of adverse and sometimes fatal side effects observed in patients receiving long‐term therapy with mephenytoin. RÉSUMÉ Un métabolite dihydrodiol de la méphénytoïne (5‐dihydroxycyclohéxadiényl)‐5 ethyl‐3‐methylhydan‐toi'ne ainsi que d'autres metabolites mono‐ et di‐hydro‐xyiés et N‐demethylés ont ete identifies dans les urines d'un patient epileptique traite par la mephenytoine (300 mg/jour). Ces metabolites extraits de 1'urine avant et apres hydrolyse enzymatique ont été transformes en derives trimethylsilyies et analyses par chromatographic en phase gazeuse couplee a un spectrometre de masse. On a caracterise deux metabolites non connus jusqu'a present: 5‐ethyl‐5‐(di‐hy‐droxyphenyl)‐3‐methylhydantoi'ne. Les structures de plusieurs autres metabolites ont ete confirmees: N‐dimethyl mephenytoine, 5‐éthyl‐5‐hydroxyphenylhy‐dantoi'ne, 5‐ethyl‐5‐hydroxyphenyl‐3‐methylhydan‐toi'ne et la mephenytoi'ne‐dihydrodiol. Le metabolite dihydrodiol etait particulierement interessant car etant probablement produit par l'intermediaire d'un epoxyde, la 5‐epoxy‐cyclohexadienyl)‐5‐ethyl‐3‐méthylhydantoïne. Des travaux anterieurs ont demon‐tre que les epoxydes de cette famille structurale sont des corps extremement reactifs, pouvant alkyler des macromolecules biologiques. La liaison covalente de la méphenytoïne‐epoxyde aux macromolecules peut etre un facteur important dans la survenue d'ef‐fets adverses parfois mortels que Ton peut observer chez des patients traités au long cours par la méphenytoïne. RESUMEN Se identificó un metabolito dihidrodiol (el 5‐hidroxi‐cicloexadienil‐5‐etil‐3‐metilhidantoina) asi como otros metabolitos mono y dihidroxilados y N‐demetilados en la orina de un vardn que recibia 300 mg de mefenitoina diariamente. Los metabolitos, extraidos de la orina antes y despuós de hidrólisis enzimatica, fueron separados por medio de un reactivo trimetil‐silil y analizados con cromatografia de gases y es‐pectrometia de masa. Se individualizaron dos metabolitos que no habian sido descritos con anterioridad: el 5‐etil‐5‐(dihidroxifenil)‐3‐metilhidantoina y el 5‐etil‐5‐(hidroximetoxifenil)‐3‐metilhidantoi'na. Al mismo tiempo, se confirmd la estructura de varios otros metabolitos: el N‐demetil mefenitoina, el 5‐etil‐5‐hidroxifenilhidantoina, el 5‐etil‐5‐hidroxifenil‐3‐metilhidantoina y el dihidrodiol de mefenitoina. El metabolito dihidrodiol fue de interns especial ya que, probablemente, se produce via un intermediario epdxido, el 5‐(epoxiciclohexadienil)‐5‐etil‐3‐metil‐hidantoina.,. Informes previos han demonstrado que epdxidos de esta clase estructural son compuestos extremadamente reactivos, capaces de alkilar ma‐cromoieculas biolbgicas. La union covalente de la mefenitoina transformada en epoxido con macromoie‐culas puede ser un factor importante en la producción de efectos secundarios (incluso a veces fatales) en pacientes que reciben mefenitoina durante un tiempo prolongado. ZUSAMMENFASSUNG Ein Dihydrodiolmetabolit des Mephenytoin (5‐Dihydroxycyclohexadienyl)‐5‐Aethyl‐3‐Methylhy‐dantoin und andere mono‐ und di‐hydroxylierte und N‐demethylierte Metaboliten wurden im Urin eines mannlichen epileptischen Patienten gefunden, der mit 300 mg Mephenytoin pro Tag behandelt wurde. Metaboliten aus dem Urin vor und nach enzymati‐scher Hydrolyse wurden als Trimethylsilylverbindungen mit Gaschromatographie und Massenspektrometrie analysiert. Zwei vorher unbekannte Metaboliten wurden charakterisiert: 5‐Aethyl‐5‐(Di‐Hydroxyphenyl)‐3‐Methylhydantoin und 5‐Aethyl‐5‐(Hydroxy‐Me‐thoxy‐Phenyl)‐3‐Methylhydantoin. Die Strukturen mehrerer anderer Metabolite wurden bestatigt: N‐Demethyl Mephenytoin, 5‐Aethyl‐5‐Hydroxyphenyl‐hydantoin, 5‐Aethyl‐5‐Hydroxyphenyl‐3‐Methyl‐hydantoin und Mephenytoin Dihydrodiol. Die Dihy‐dro‐Diol‐Metabolite interessierten besonders, da sie wahrscheinlich iiber ein Epoxyd‐Intermediarprodukt: 5‐(Epoxy‐Cyclohexadienyl)‐5‐Aethyl‐3‐Methylhydan‐toin gebildet werden. Frühere Berichte haben gezeigt, daß Epoxyde dieser Strukturklasse stark reaktive Stoffe darstellen, die fahig sind, biologische Ma‐kromolekule zu alkylieren. Die kovalente Bindung von Mephenytoin Epoxyd zu Makromolekiilen kann ein wichtiger Faktor fur die Verursachung unerwiinschter und gelegentlich fataler Nebenwirkungen sein, die bei Patienten beobachtet werden, die unter einer Langzeittherapie mit Mephenytoin stehen.