Stereoselectivity of the Arene Epoxide Pathway of Mephenytoin Hydroxylation in Man

Summary: Stereoselective metabolism of mephenytoin has been investigated in four normal subjects by comparing urinary recoveries of hydroxylated metabolites after administration of racemic RS ‐mephenytoin (1.4 mmol/day) and R ‐mephenytoin (0.7 mmol/day) on separate occasions. Gas chromatography‐mass spectrometry was employed to measure the urinary recovery of 3‐methyl‐5‐(4‐hydroxyphenyl)‐5‐ethylhydantoin (4‐OH‐M) and mephenytoin catechol, methylcatechol, and dihydrodiol metabolites. Following a single oral dose of racemic mephenytoin, 4‐OH‐M, mephenytoin catechol, and methylcatechol metabolites were identified in urine mainly as conjugates, whereas the dihydrodiol metabolite was recovered mainly in its unconjugated form. Urinary elimination of each metabolite was similar on days 1 and 10 of chronic racemic mephenytoin administration. Following R ‐mephenytoin administration, urinary recoveries of hydroxylated metabolites were five to 10 times smaller than after administration of the racemic drug. This implies substrate‐stereoselective hydroxylation of the S ‐enantiomer of mephenytoin. In one subject with a genetic deficiency of aromatic mephenytoin hydroxylation deficiency, the excretion of each hydroxylated mephenytoin metabolite after RS ‐mephenytoin administration was decreased to 5–15% of the values found in the four extensively hydroxylating study volunteers. The impaired formation of hydroxylated mephenytoin metabolites in genetic hydroxylation deficiency, in conjunction with stereoselective hydroxylation of S ‐mephenytoin via an extensive NIH shift in normal man, is consistent with the hypothesis that the formation of the S ‐mephenytoin arene oxide is under genetic control and represents the initial enzymatic reaction of stereoselective aromatic mephenytoin hydroxylation. The formation of this potentially reactive metabolite of S ‐mephenytoin may have implications in mephenytoin‐induced toxicity. RÉSUMÉ Le métabolisme stéréoselective de la mephenytoine a été analysé dans 4 volontaires normaux en comparant ľélimination urinarie des métabolites hydroxylés de la mephenytoine aprés ľ administration perorale ď une part de la RS ‐mephenytoine racémique (1.4 mmoi/jour) et ď autre part de la R ‐mephenytoine seule (0.7 mmol/jour). La chromatographic en phase gazeuse combiné avec la spectroscopic de masse a été utilisée pour la détermination de la 3‐methyl‐5‐(4‐hydroxyphenyl)‐5‐ethylhydantoine (4‐OH‐M) et des meatabolites catechols, methyl‐catéchols et dihydrodiols de la mephenytoine. Après une dose perorale de la mephenytoine racemique la 4‐OH‐M et las métabolites catéchols et methyl‐catéchols ont été eliminés en forme conjugée (sous forme de glucuronides) et le métabolite dihydrodiol a été retrouvé sous forme non‐conjugeae. Ľélimination urinaire de ces métabolites était la même au début (jour 1) et à la fin (jour 10) de ľ administration journalière de la mephenytoine racémique. Après ľ administration de la R ‐mephenytoine seule ľélimination urinaire des metabolites hydroxylées était 5 à 10 fois moins im‐portante compareé aux résuitats obtenus après la mephenytoine racémique. Ces données signifient une hydroxylation stéréoselective de la S ‐mephenytoine chez ľ homme. Dans un volontaire avec une déficience génétique pour ľ hydroxylation aromatique de la mephenytoine, ľélimination de chacun de ces métabolites hydroxylés après ľ administration de la mephenytoine racémique était à 5–15% seulement des valeurs trouvées dans 4 individus avec une hydroxylation aromatique normale. La formation réduite de tous ces métabolites hydroxylés dans le cas de la déficience génétique en combinaison avec ľ hydroxylation stéréoselective de la S ‐mephenytoine accompagniee ď un NIH‐shift prononcé indique que la formation de ľ arene‐oxide de la S ‐mephenytoine est sous contrôle génétique et représente la première réaction enzymatique de ľ hydroxylation aromatique de lá mephenytoine chez ľ homme. La présence de ce métabolite de la S ‐mephenytoine qui possède une reaactivité chimique prononçée pourrait expliquer les signes de toxicité rencontrées dans certain cas après ľ administration prolongée de la mephenytoine. RESUMEN Se ha investigado el metabolismo estereoselectivo de la me‐fenitoina en cuatro voluntarios mediante la comparación de metabolites hidroxilados recuperados do la orina tras la administration de R/S ‐mefenitoina (1.4 mmol/día) y R ‐mefenitoina (0.7 mmol/día) en diferentes ocasiones. Para determinar en orina 3‐metil‐5‐(4‐hidroxifenil)‐5‐etilhidantoina (4‐OH‐M) y catecol me‐fenitoina, y los metabolitos metil‐catecol y dihidrodiol se em‐plearon cromatografia de gases‐espectrometria de masas. Trans una dosis oral única de mefenitoina racémica, se identificaron en orina metabolitos 4‐OH‐M, catecol mefenitoina y metil‐catecol principalmente como conjugados mientras el metabolito dihidrodiol fué recuperado principalmente en su forma no‐conjugada. La eliminación diaria de cada metabolito fué similar el primer y decimo días de administración continuada de mefeni‐toina racémica. Tras la administracion de R ‐mefenitoina la recuperateón de metabolitos hidroxilados en la orina fué de 5 a 10 veces menor que tras la administración de la droga racémica. Esto implica una hidroxilación estereoselectiva del 5‐enantiomero de la mefenitoina. En un sujeto con una deficiencia genética de hidroxilación de mefenitoina aromática la excretión de cada metabolito de mefenitoina hidroxilada tras la administratión de R/S mefenitoina estaba disminuida el 5–15% de los valores hallados en los 4 voluntaries. La afectación de la formatión de metabolitos de mefenitoina hidroxilada en la deficiencia genética de hidroxilación y la hidroxilación estereoselectiva de la S ‐mefenitoina via una NIH‐transferencia en el hombre normal es consistente con la hipótesis de que la formatión de óxido S ‐mefenitoina esta bajo control genético y representa la reactión enzimática initial de la hidroxilación estereoselective de la mefenitoina aromatica en el hombre. La formatión de metabolito potencialmente reactivo de la S ‐mefenitoina puede tener implicaciones en la toxicidad inducida por mefenitoina. ZUSAMMENFASSUNG Der stereoselektive Metabolismus von Mephenytoin wurde an 4 Probanden untersucht indem die Urinausscheidung von hy‐droxylierten Mephenytoin‐Metaboliten gemessen wurde nach getrennter Verabreichung von razemischem RS ‐Mephenytoin (1.4 mmol/Tag) und R‐Mephenytoin (0.7 mmol/Tag). Die Urinausscheidung von 3‐Methyl‐5‐(4‐Hydroxyphenyl)‐5‐Aethylhy‐dantoin (4‐OH‐M) und von den Mephenytoin Katechol‐, Methyl‐Katechol‐ und Dihydrodiol‐Metaboliten wurde mittels Gaschro‐matographie‐Massenspektroskopie bestimmt. Nach peroraler Verabreichung einer Einzeldosis von razemischem Mephenytoin wurden 4‐OH‐M und die Mephenytoin Katechol‐ und Methylkatechol‐Metaboliten hauptsächlich als Konjugate der Glukuronsäure ausgeschieden; der Mephenytoin Dihydrodiol‐Metabolit dagegen lag vorwiegend in freier Form vor. Die 24‐Std‐Urinaus‐scheidung der Metaboliten am 1 und am 10. Tag nach chronischer Mephenytoin‐Verabreichung war unverändert. Nach Verabreichung von R ‐Mephenytoin war die Urinausscheidung der hydroxylierten Mephenytoin‐Metabolite 5 bis 10 mal kleiner als bei der Verabreichung der razemischen Form. Folglich wird das S‐ Enantiomer von Mephenytoin substrat‐stereoselektiv hydroxyliert. In einem Probanden mit bek annter genetischen Hydroxylierungsdefizienz für Mephenytoin betrug die Ausscheidung aller hydroxylierten Mephenytoin‐Metabolite nach Verabreichung von RS‐Mephenytoin nur 5–15% der Werte, die bei den 4 normal hydroxylierenden Studien‐Teilnehmern gefunden worden waren. Die eingeschrankte Entstehung von hydroxylierten Mephenytoin‐Metaboliten im Falle der genetisch bestimmten Hydroxylierungs‐Defizienz kombiniert mit der stereoselektiven Hydroxylierung von S ‐Mephenytoin mit ausge‐pragtem NIH‐Shift bei normalen Probanden deutet darauf hin, dass die Bildung des S ‐Mephenytoin Aren‐Oxids genetisch determiniert ist und wahrscheinlich den ersten enzymatischen Schritt darstellt bei der stereoselektiven aromatischen Mephenytoin‐Hydroxylierung. Die Entstehung des wahrscheinlich sehr reaktionsfahigen metabolischen Zwischenprodukts von S ‐Mephenytoin könnte eine Erklärungsmöglichkeit sein für die gelegentlich beobachtete Mephenytoin‐Toxizität.