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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von Formulierungen zum
Verbessern der Sauerstoffabgabe an Gewebe und Organe, wie die Haut.
Therapeutische Anwendungen des Verfahrens werden ebenfalls beschrieben.
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HINTERGRUND
UND STAND DER TECHNIK
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Die
Haut spielt vielfältige
Rollen beim Schutz vor Umwelt-Insulten. Die Exposition gegenüber der
Umwelt führt
zur fortschreitenden Verschlechterung der Haut, die zunächst kosmetischer
Art ist, aber auch zu Erkankungen im Endstadium, wie aktinischer
Keratose und Hautkrebs, führen
kann. Nachfolgend wird zwar speziell auf die Haut eingegangen, doch
versteht sich, dass die Anmerkungen auf Organe und Gewebe im allgemeinen
anwendbar sind.
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Die
Gesundheit der Haut sowie anderer Gewebe und Organe hängt von
der Versorgung von Zellbestandteilen, die ein Teil davon sind, mit
zahlreichen essenziellen Nährstoffen,
insbesondere Sauerstoff, sowie von der wirksamen Abfuhr von Abfallprodukten,
wie Kohlendioxid, und anderen metabolischen Endprodukten ab. Eine
optimale Sauerstoffversorgung ist erforderlich, um metabolische
Pfade zu unterstützen,
die u. a. die Zellmechanismen fördern,
welche zur Beständigkeit
gegen Hautverschlechterung führen.
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Die
Abgabe von Sauerstoff über
den Blutkreislauf erfolgt distal zur Abgabe an die meisten anderen Organe.
Ferner ist die oberste lebende Hautschicht, d. h. die „Epidermis", nicht-vaskulär. Damit
besteht für
die oberen Hautschichten ein hohes Risiko einer unzureichenden Sauerstoffaufnahme.
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Die
Haut ist ein komplexes Organsystem, das aus mehreren Schichten besteht.
Die oberste Schicht oder die "Stratum
corneum"-Schicht
besteht aus nicht lebendem Material, das vorwiegend von der terminalen Differenzierung
epidermaler Keratinozyten stammt, und bildet eine Schutzbarriere
für die
darunter liegenden Hautbestandteile. Die Epidermis enthält eine
Reihe von Zelltypen, wobei die Keratinocyten jedoch der Haupt-Zelltyp
sind. Dermale Fibroblasten sind in eine Matrix eingebettet, die
aus Collagen, Elastin, Proteoglycanen und anderen extrazellulären Matrixmolekülen besteht.
In der Dermis sind Blutkapillaren vorzufinden, aber die Epidermis
ist nicht-vaskulär.
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Wenn
der Mensch altert, erfolgen fortschreitend nachteilige Veränderungen
im Aussehen der Haut. Die anfänglichen
Veränderungen
sind der Verlust der glatten Hauttextur und das Auftreten von Altersflecken, gefolgt
von Veränderungen
der Elastizität,
die zum Auftreten von Hautfalten führen. Das Alter, in dem diese Veränderungen
auftreten, und die Rate des Übergangs
von einem Stadium zum nächsten
sind von einem Individuum zum anderen sehr unterschiedlich. Beim
normalen Alterungsprozess werden sowohl die Epidermis als auch die
Dermis mit einer Verringerung der Zellzahlen und des Bindegewebes
dünner,
was zum Auftreten von Fältchen
führt.
Ultraviolett (UV)-Strahlung
von der Sonne verursacht Lichtschädigung, welche die Hautverschlechterung
beschleunigt. Im Gegensatz zum Dünnerwerden,
das bei sonnengeschützter
Haut zu beobachten ist, hat lichtgeschädigte Haut ein verdicktes und
raues Aussehen mit tieferer Hautfaltenbildung, die im dermalen Gewebe
auftritt. Die Lichtschädigung
verursacht auch eine Verschlechterung im Endstadium, einschließlich prämaligner
Läsionen,
die als aktinische Keratose und Hautkrebs bezeichnet werden.
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Zwingendes
Beweismaterial weist nun darauf hin, dass oxidativer Stress, der
als anormale Akkumulation von reaktiven Sauerstoffspezies (nachfolgend
ROS) definiert ist, an der Pathophysiologie von Hautverschlechterung
beteiligt ist. Zu ROS gehören
u. a. Superoxide, das Hydroxylradikal, Wasserstoffperoxid, Singlettsauerstoff,
Stickoxid, Peroxynitrit und Hypochlorit, siehe z. B. Simonian, et
al., Ann. Rev. Pharmacol. Toxicol. 36:83-106 (1996), das hier durch
Bezugnahme aufgenommen wird. Alle Zellen sind während des normalen Ablaufs
des Energiemetabolismus über
Umwelt-Exposition und/oder Immunüberwachung
ROS ausgesetzt. Wenn gleich ROS an normalen Zellsignalpfaden beteiligt
sind, stört
ein Anstieg von ROS bei oxidativem Stress die Signalpfade, was häufig zum
Zelltod durch Apoptose oder Nekrose führt. Somit ist es wahrscheinlich,
dass ROS an der Verringerung der Zellenzahl beteiligt sind, die
auch bei sonnengeschützter
Haut im Laufe der Zeit zu beobachten ist.
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Die
Exposition gegenüber
Ultraviolettstrahlen des Sonnenlichtes ist eine Hauptquelle für oxidativen Stress
der Haut. Zwei Hauptziele der Schädigung durch ROS in der Haut
sind DNA und Proteine. Die DNA-Schädigung ist insofern von besonderem
Interesse, als eine nicht behobene Schädigung zum Verlust von Hautzellen
und zu einer veränderten
Funktion von Zellen führen
kann, die genotoxischen Stress überleben.
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Während sich
manche Hautveränderungen
während
der Alterung nicht vermeiden lassen, ist die Hautverschlechterung
in einem frühen
Alter zu einem Großteil
vermeidbar. Hautzellen enthalten eine Reihe von Schutzmechanismen
zur Vermeidung und Reparatur der ROS-Schädigung von DNA und Protein.
Beispielsweise spielen eine Reihe von intrazellulären Molelülen, einschließlich Glutathion
und der antioxidierenden Vitamine C und E Schlüsselrollen bei der Reinigung
von ROS, bevor diese mit zellulären
Makromolekülen
reagieren können.
Tatsächlich
sind die antioxidierenden Vitamine bereits zur Vermeidung von Hautverschlechterung
zur Anwendung gekommen, da sie Bestandteile zahlreicher Hautcremes
sind. Zudem enthalten die Zellen komplexe Mechanismen zur Wahrung
der genomischen Unversehrtheit. Von besonderem Interesse sind hier die
zunehmenden Anzeichen für
die Beteiligung von DNA-Reparaturmechanismen
zur Wahrung der genomischen Unversehrtheit von Organen und Geweben,
die z. B. durch ROS verursachtem, genotoxischen Stress unterliegen,
einschließlich
der Haut.
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Die
Abgabe von Sauerstoff ist für
eine angemessene Pflege der Zellenergie-Metabolismuspfade wichtig, was wiederum
zur Linderung der hier erörterten
Probleme von Bedeutung ist. Es ist erwünscht, über ein Verfahren zu verfügen, mit
dem die Sauerstoffabgabe an ein Gewebe oder Organ, wie die Haut,
verbessert werden kann. Somit ist ein Ziel der Erfindung ein Verfahren
zum Verbessern der Sauerstoffabgabe an Gewebe und Organe, wie die
Haut. Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung sind Zusammensetzungen,
die zum Erreichen dieses Ziels geeignet sind. Wiederum ein weiterer
Aspekt der Erfindung ist die Behandlung von Zuständen, bei denen eine verbesserte
Oxygenierung erforderlich ist, mittels Anwendung der Verfahren und
Zusammensetzungen der Erfindung.
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Wie
diese Aspekte der Erfindung verwirklicht werden, ergibt sich aus
der nachfolgenden Beschreibung.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
die Haut im Querschnitt, in Kombination mit einer Darstellung des
Abgabesystems der Erfindung.
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2 stellt
Daten dar, die erfindungsgemäß mittels
Verwendung eines transkutanen Sauerstoffmonitors gewonnen wurden.
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3 zeigt
Ergebnisse eines weiteren Experimentes, bei dem der transkutane
Sauerstoffmonitor verwendet wird.
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4 gibt
Daten eines Experimentes wieder, das zeigt, dass Niacinester zu
Niacin umgewandelt werden, um die Hautoxygenierung zu verbessern.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
hier beschriebene Erfindung beinhaltete verschiedene Formulierungen,
welche die Abgabe von Sauerstoff an Gewebe und Organe, wie die Haut,
verbessern sollen. Die Zusammensetzungen sind so formuliert, dass
sie sich in einer Schicht, wie der Stratum corneum-Schicht der Haut,
rasch verteilen, mit einer Rate, die eine anhaltende Abgabe eines
oder mehrerer aktiver Agenzien, beispielsweise an die Epidermis,
in anhaltender Weise und in einer Konzentration gestattet, die eine
Gefäßerweiterung
bewirkt. Infolge der Gefäßerweiterung
nimmt die Durchblutung zu, wodurch sich die Sauerstoffspannung in
der Dermis erhöht,
was wiederum den Energiemetabolismus sowohl in epidermalen Fibroblasten
als auch in epidermalen Keratinocyten, wenn die Haut beteiligt ist,
und anderen parallelen Zelltypen, wenn Gewebe und/oder Organe beteiligt
sind, unterstützt.
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Die
hoch lipophile Natur des Stratum corneum gibt vor, dass das gewünschte Sauerstoff-verstärkende Agens
ausreichend lipophil sein muss, um sich vom Spenderkompartiment,
das z. B. eine Hautcreme oder -lotion sein kann, wirksam im Stratum
corneum zu verteilen. Dies erfordert die Herstellung eines eigenen
lipophilen Agens der nachfolgend näher beschriebenen Art. Zum
Diffundieren aus dem Stratum corneum in die Epidermis ist es auch
erforderlich, dass das Agens ausreichend lipophil sein sollte, um
sich rasch von der Creme oder Lotion im Stratum corneum zu verteilen.
Als Beispiele sind hier Niacinester zu nennen. Lipophile Derivate von
Niacinestern können
hergestellt werden, und diese werden nach Diffusion aus dem Straum
corneum in die Epidermis zu aktiven Niacinestern umgewandelt; allerdings
können
auch andere Materialien verwendet werden. Die Lipophilität des Agens
sollte es ihm ermöglichen,
z. B. zu einer Hautcreme oder -lotion formuliert zu werden, und
die Esterbindung sollte in diesen Formulierungen sehr stabil sein,
beispielsweise gegenüber
chemischer Hydrolyse unter wässrigen
Bedingungen.
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Die
nachfolgenden Experimente schildern die Erfindung in weiteren Einzelheiten;
sie sollten jedoch in keiner Weise als die Erfindung einschränkend verstanden
werden.
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BEISPIEL 1
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Nikotinsäureester
wurden gemäß Serial
No. 09/452,617, die am 1. Dezember 1999 eingereicht wurde, synthetisiert.
Kurz gesagt: Nikotinoylchlorid wurde mit Triethylamin (TEA), Dimethylaminopyridin
(DMAP) und verschiedenen Alkylalkoholen unter Stickstoff kombiniert.
Aus der Synthese resultierende Ester wurden mittels Silicagel-Säulenchromatographie
getrennt und mittels üblicher Verfahren
in HCl-Salze zur weiteren Reinigung umgewandelt. Die Reinheit wurde
mittels Dünnschichtchromatographie
und 1H-NMR bestätigt.
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Die
Poct/w-Werte dieser Verbindungen wurden
gemäß Harnisch,
et al., J. Chromatog. 282:315-332 (1983) bestimmt. Diese Druckschrift
beschreibt auch die nachfolgend beschriebene Bestimmung von „log P"-Werten.
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BEISPIEL 2
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Dieses
Beispiel geht näher
auf die erste von zwei Gruppen von Experimenten ein, die zur Bestimmung der
Gefäß erweiternden
Wirkung von Alkylniacinestern dienen. Formulierungen wurden durch
Kombinieren der oben erwähnten
Alkylester in einer Hautlotion in Konzentrationen von 0,1 % und
1,0% hergestellt. Die Lotionen wurden bei menschlichen Freiwilligen
topisch auf die Haut an der Vorderseite eines Unterarms aufgebracht. Die
Gefäßerweiterung
wurde visuell, d.h. durch Beobachten einer Rötung oder des Fehlens einer
solchen an der Applikationsstelle, bestimmt. Dabei wurden sowohl
das Einsetzen als auch die Dauer der Gefäßerweiterung bestimmt.
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Die
Ergebnisse für
die getesteten Ester sind in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben.
Diese Tabelle enthält
die Lipophilität
der getesteten Verbindungen in log P-Werten gemäß Harnisch, et al., wie oben,
sowie die Ergebnisse visueller Beobachtung.
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Es
ist ersichtlich, dass kurzkettige Alkylester, d.h. solche mit 8
Kohlenstoffatomen in der Alkylkette, bereits in Konzentrationen
von 0,1 % eine Gefäßerweiterung
bewirkten, während
C9- und C10-Alkylester in 1.0%-Formulierungen
eine Gefäßerweiterung
bewirkten. Die längerkettigen
Ester, d.h. solche mit C12 oder mehr, riefen in keiner der beiden
Konzentrationen eine Gefäßerweiterung
hervor.
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Einsetzen
und Dauer der Gefäßerweiterung
wurden erneut mittels visueller Bestimmung für C2-, C6-, und C8-Alkylester
bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben. Es ist zu
beachten, dass die für
die C9- und C11-Verbindungen
angegebenen log P-Werte von einer Kurve experimentell bestimmter
Werte für
andere Verbindungen abgeleitet sind. Die C8-Verbindung ergab die
längste
Wirkung. Daher sind Niacinester mit log P-Werten von weniger als
6,0 bevorzugt. Am bevorzugtesten sind Ester mit log P-Werten im
Bereich von etwa 4,5 bis etwa 5,5. Tabelle
1: Eigenschaften von Niacinestern
Tabelle
2: Gefäßerweiterungseigenschaften
ausgewählter
Niacinester
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BEISPIEL 3
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Die
in Tabelle 1 angegebenen Experimente zeigen Verbindungen, die nach
topischer Verabreichung eine anhaltende Gefäßerweiterung bieten; allerdings
zeigen sie nicht, ob die gefäßerweiternde
Wirkung mit einer höheren
Freisetzung von Sauerstoff in das Hautgewebe einhergeht. Um diese
Frage zu untersuchen, wurde der Sauerstoffgehalt von Haut, auf die
der oben erwähnte
Octylester aufgebracht worden war, direkt unter Verwendung eines
Sauerstoffmonitors bestimmt. Die 1 %ige Formulierung des Octylesters
wurde 30 Minuten auf der Haut angewandt. Nach diesem 30-minütigen Zeitraum
wurde die Haut mit Seife und Wasser gereinigt, mit einem Alkoholbausch
abgewischt, und ein Tropfen entionisiertes Wasser wurde auf die
Oberfläche
des Sensors vor dessen Anbringen an der Vorderseite der Unterarme
der Freiwilligen aufgebracht. Die transkutanen Werte wurden laufend
aufgezeichnet und von dem Instrument gespeichert. Der Monitor mißt den relativen Sauerstoffgehalt,
da die Temperatur, bei welcher der Monitor arbeitet, die Sauerstoffdurchlässigkeit
des Stratum corneum doch beeinflusst, siehe z. B. Martin, Resp.
Care 35:577-589 (1990). Der Sensor wurde in Intervallen von 4 Stunden
oder bei jeder Veränderung
der Sensortemperatur geeicht.
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Die
Ergebnisse einer Gruppe von Experimenten sind in 2 dargestellt.
Der Monitor wurde bei einer Temperatur von 40°C betrieben. Die Werte sind
sowohl für
eine Kontrolle als auch für
die hier beschriebene Formulierung angegeben.
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Der
erste, hohe Wert ist repräsentativ
für die
Sauerstoffspannung der Luft in der Monitorsonde zum Anwendungszeitpunkt
und fällt
dann rasch auf einen sehr niedrigen Wert ab, was auf einen niedrigen
Sauerstoffgehalt der Haut hinweist. Darauf folgten ein Anstieg und
ein Plateau, was einfach dem Effekt des Monitorbetriebs bei 40°C zugeschrieben
wird. Die dargestellten Ergebnisse zeigen dabei als Ergebnis der
Anwendung des Niacinesters einen anhaltenden Anstieg des Hautsauerstoffs.
Ein Vergleich der Ergebnisse für
die Kontrolle und die Testverbindung zeigt einen deutlichen Anstieg
der Sauerstoffmenge, die an die Kapillaren abgegeben wird.
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In
einem Nachfolge-Experiment wurde der Monitor bei 38°C betrieben,
und es wurden sowohl O2 als auch CO2 mit einem kombinierten transkutanen Sauerstoff-
und CO2-Monitor bestimmt. 3 zeigt
diese Ergebnisse. Die Kontrolle ist mit der gepunkteten Linie dargestellt.
Die Ergebnisse zeigen eine anhaltende Zunahme des Sauerstoffgehaltes
der Haut und eine Abnahme des CO2-Gehaltes
als Ergebnis der Anwendung des Niacinesters. Das letztgenannte Ergebnis
weist darauf hin, dass die topische Anwendung auch das Entfernen
metabolischer Produkte verstärkt.
Während
die Ergebnisse der Haut-Sauerstoff- und -CO2-Messungen im
Einklang mit der beobachteten Gefäßerweiterung stehen, die in
Tabelle 1 wiedergegeben ist, weist die Beobachtung einer Gefäßerweiterung
alleine nicht notwendigerweise auf eine erhöhte Freisetzung von Sauerstoff
in das Hautgewebe hin; allerdings zeigen die in 2 und 3 offenbarten
Ergebnisse, dass die Anwendung der Niacinester sowohl die Durchblutung
der Haut als auch die Freisetzung von Sauerstoff in der Haut verstärkte.
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BEISPIEL 4
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Eine
frühere
Arbeit von Sugibayashi, et al., J. Controlled Release 62:201-208
(1999) zeigte, auf die Haut bezogen, dass im Stratum corneum, wenn überhaupt,
nur eine geringe Esteraseaktivität
vorliegt, die Epidermis die höchste
Aktivität
aufweist, und die Dermis eine geringere Aktivität als die Epidermis hat. An
sich wurden Experimente durchgeführt,
um zu bestimmen, ob Ester eine Umwandlung zu anderen Molekülen erfordern,
um eine Oxygenierung hervorzurufen. Ein Experiment, das zeigte,
dass Niacinester eine Umwandlung zu Niacin erfordern, um eine Hautoxygenierung
zu erreichen, ist in 4 dargestellt. Parallele Experimente wurden
mit einer 0,1%-Octylniacinester-Lotion
und einer Lotion, die Octylniacinester (0,1%) und 0,1% Butylbenzoat
enthielt. Butylbenzoat hat einen log P-Wert von 3,5 gegenüber einem
Wert von 4,8 für
den Octylester, was eine schnellere Verteilung in der Epidermis
nahe legt. Die Gegenwart des inaktiven Esters, d. h. von Butylbenzoat,
hemmte den Anstieg des Sauerstoffgehaltes, was darauf hinweist,
dass die Umwandlung von Niacinester zu Niacin erforderlich ist.
Ebenso zeigt dies, dass inaktive Co-Ester dazu verwendet werden können, die
Oxygenierungswirkung zu modulieren.
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Der
Sauerstoffgehalt wurde in gleicher Weise, wie oben beschrieben,
oder mit anderen, dem Fachmann bekannten Verfahren bestimmt.
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Die
vorstehenden Beispiele beschreiben die Erfindung, die sich auf Verfahren
und Zusammensetzungen zur Erhöhung
der Sauerstoffabgabe an Zellen bezieht. Kurz gesagt, erfordern diese
die Verwendung eines Derivates einer vasodilatorischen Verbindung,
wobei das Derivat eine solche Struktur hat, dass eine verbesserte
Permeation der vasodilatorischen Verbindung erreicht wird. Im Fall
von Niacin sind Ester bevorzugt. Dabei kann jeder Ester, der ein
Substrat für
eine indigene Esterase ist, verwendet werden und ist Teil der Erfindung.
Der Octylester von Niacin ist besonders bevorzugt. Besonders bevorzugt
sind Ester mit log P-Werten, die, wie oben beschrieben, bei weniger
als etwa 6,0, bevorzugter bei etwa 4,5 bis etwa 5,5, liegen.
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Ebenfalls
Teil der Erfindung ist die Verwendung veresterter Alkoholanaloga
von Nikotinsäuren,
bei denen die Estergruppe 8 bis 10 und vorzugsweise 8 Kohlenstoffatome
aufweist. Solche Moleküle
funktionieren ebenfalls in gleicher Weise wie die Niacinester. Alkoholanaloga
von Niacin verursachen eine Gefäßerweiterung,
und die Esterderivate wirken in gleicher Weise wie der oben beschriebene
Ester.
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Der
Begriff „Derivat" bezieht sich, so
wie er hier verwendet wird, auf jede chemische Modifikation der vasodilatorischen
Ausgangsverbindung, die zu einem Molekül mit den oben beschriebenen
Permeationseigenschaften, z. B. mit log P-Werten von weniger als
etwa 6,0, führt.
Ester von Verbindungen, wie Säure
und Alkoholester, sind Beispiele für solche Moleküle, aber
nicht die einzigen Verbindungen dieser Art.
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Der
aktive Bestandteil kann in einer der üblichen, dem Fachmann bekannten
topischen Formulierungen, wie Cremes, Lotionen, Salben, Balsame,
Rollstifte, Shampoos, Waschungen, Suppositorien usw., angewandt
werden. Die Menge der aktiven Zusammensetzung in der Formulierung
variiert. Vorzugsweise liegt die Konzentration jedoch im Bereich
von etwa 0,05% bis etwa 5,0 Gew.-%.
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Besonders
bevorzugt ist die Formulierung eine, bei der die Esterkonzentration
im Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 1,0 Gew.-% liegt.
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Diese
Formulierungen sind zur Behandlung von Zuständen geeignet, bei denen eine
verbesserte oder verstärkte
Oxygenierung von Gewebe erwünscht
ist. Solche Zustände
sind dem Fachmann hinlänglich
bekannt.
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Eine
verstärkte
Oxygenierung, wie sie oben erörtert
ist, verstärkt
andere Prozesse innerhalb des Organs. Somit ist ein weiteres Merkmal
der Erfindung die Verwendung der oben beschriebenen Formulierungen in
Kombination mit solchen Materialien, wie Nährstoffen, Mikronährstoffen,
pharmazeutischen Agenzien und anderen Materialien, bei denen eine
verstärkte
Sauerstoffabgabe die Wirksamkeit des zusätzlichen Materials verbessert.
Von besonderem Interesse sind Verbindungen und Formulierungen, wie
Nikotinsäureester,
die log P-Werte im oben beschriebenen Bereich aufweisen. Im Stand
der Technik ist die Bestimmung der log P-Werte bekannt, wie mit
der obigen Bezugnahme z. B. auf Hamisch, et al., gezeigt wurde,
weshalb diese hier nicht wiederholt werden muss. Gleichermaßen ist
hier eine Methodologie geschildert, die dem Fachmann zeigt, wie festgestellt
werden kann, ob eine bestimmte Verbindung, wie ein Nikotinsäureester,
die Oxygenierung verstärkt und/oder
verbessert. Hier wurden Alkylester von Nikotinsäure beschrieben; es können jedoch
auch andere Materialien, einschließlich anderer Nikotinsäureester,
verwendet werden, solange sie die hier hier angeführten Kriterien
erfüllen.
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Andere
Aspekte der Erfindung sind für
den Fachmann klar ersichtlich und müssen hier nicht weiter erörtert werden.
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Die
hier verwendeten Begriffe und Ausdrücke werden als beschreibende,
nicht als einschränkende
Begriffe verwendet, und mit der Verwendung dieser Begriffe und Ausdrücke ist
nicht beabsichtigt, etwaige Äquivalente
der gezeigten und beschriebenen Merkmale oder Teile davon auszuschließen, da
ersichtlich ist, dass verschiedene Modifikationen innerhalb des
Schutzbereichs der Erfindung möglich
sind.
