Oral cannabidiol administrations in horses: Pharmacokinetic modelling, behavioural observations and implications for medication control | Orale Cannabidiolgaben beim Pferd: Pharmakokinetische Modellierung, Verhaltensbeobachtungen und Bedeutung für Dopingkontrollen

The use of cannabidiol (CBD) products is becoming increasingly popular among animal owners and veterinarians as an alternative treatment for stress, anxiety or pain in horses. In equestrian sports, all cannabinoids are banned due to their potentially psychotropic effects. However, there are only a few studies on the detection times of CBD concentrations in blood or urine, and the actual effectiveness in horses. The aim of this study was to determine the pharmacokinetic properties of CBD after oral administration in healthy horses and to analyse stress parameters, including behavioural observations, heart rate and cortisol levels. Study products were two pastes for oral administration, one with CBD as active ingredient and one without active ingredient. Paste administration was blinded. In the first study part (dose escalation study), the pastes were administered in escalating trials as single doses (0.2 mg CBD/kg, 1 mg CBD/kg, 3 mg CBD/kg) to a treatment and a control group. In the second part of the study (multiple dose study), both pastes were administered twice daily for 15 days (treatment group: 3 mg CBD/kg). For the pharmacokinetic analysis, blood and urine samples were taken daily during both study parts. After day 15 of the multiple dose study, additional samples were collected for two weeks to analyse the elimination phase. Concentrations of CBD, CBD metabolites and other cannabinoids were determined using gas chromatography/tandem mass spectrometry. Pharmacokinetic parameters were assessed using two approaches: Non-compartmental analysis and population pharmacokinetic analysis using a nonlinear mixed-effects model. During the elimination phase, the ratio between the steady-state concentrations of CBD in urine to serum (Rss) was calculated. In the dose escalation study, behavioural parameters were assessed using photographs to evaluate the horses' facial expressions on a specifically developed scale, which was based on existing scales (FaceSed and Horse Grimace Scale). To identify potential sedation, the horses' reactions to acoustic and visual stimuli were video recorded. The evaluation of the photos and videos was conducted in a blinded manner. In addition, the heart rate was continuously recorded via heart rate sensors throughout the study with subsequent analysis of heart rate (HR) and heart rate variability (HRV). In the multiple dose study, facial expressions and the depth of sedation were analysed daily following the same protocol as in the dose escalation study. In addition, blood and saliva samples were daily collected and analysed for cortisol levels using liquid chromatography/tandem mass spectrometry. The behavioural observations and cortisol levels were compared between the groups. A novel object test and a trailer test were performed prior to study start. Both tests were repeated on study day 13. Assessment included reactivity, movement patterns such as gait changes and behavioural characteristics. Heart rate was recorded during the tests and analysed using HR and HRV parameters. Blood and saliva samples were obtained before and after the tests for cortisol analysis. The CBD paste was well-tolerated and no side effects were observed. The non-compartmental analysis showed a maximum serum concentration of 12.2 ng/ml after single administration of CBD (3 mg/kg). The population pharmacokinetic analysis showed that a three-compartment model with zero-order absorption most accurately describes the pharmacokinetic properties of CBD. High volumes of distribution into peripheral compartments and high concentrations of the metabolite 7-carboxy-CBD were identified. In the multiple dose study, the mean maximum serum concentration was 38.4 ng/mL. The terminal half-life was 161.3 hours in serum and Rss was 4.5. In the dose escalation study, analysis of behavioural parameters, HR and HRV showed no consistently significant differences between the treatment and control group. During the multiple dose study, daily behavioural observations and cortisol levels also did not differ between treatment and control group. When analysing reactivity, movement patterns, HR, HRV and cortisol levels during the novel object test and the trailer test, no consistently significant differences were observed between groups. This study was the first to investigate pharmacokinetic parameters combined with the effect of CBD on behaviour and stress after regular oral administration of CBD in horses over two weeks. The pharmacokinetic analysis showed an extensive metabolism of CBD with a high distribution into peripheral tissues and a long elimination phase. The results of the behavioural assessments provided no reliable evidence for a stress-reducing or sedative effect of CBD in horses after regular oral administration at a dose of 3 mg/kg twice daily. The main limitation of this study is the small sample size. Further investigation of the potential stress-reducing effects of CBD in conjunction with pharmacokinetic analysis is essential to determine relevant CBD concentrations for medication control at equestrian sport events. Subsequent studies may consider administering higher CBD doses, such as 10 mg CBD/kg, and specifically explore the effect on horses known to exhibit signs of nervousness and are easily stressed.

Cannabidiol (CBD)-Produkte werden bei Tierhalterinnen und Tierhaltern, sowie in der Tiermedizin als alternatives Mittel zur Behandlung von Stress, Angststörungen oder Schmerzen bei Pferden immer beliebter. Im Pferdesport sind alle Cannabinoide aufgrund ihrer potenziell psychotropen Wirkung verboten. Es gibt jedoch nur wenige Studien zu Nachweiszeiten von CBD-Konzentrationen in Blut oder Urin und zur eigentlichen Effektivität von CBD beim Pferd. Ziel dieser Studie ist daher die Bestimmung der pharmakokinetischen Eigenschaften von CBD nach oraler Verabreichung bei gesunden Pferden und die Analyse von Stressparametern, einschließlich Verhaltensbeobachtungen, Herzfrequenz und Cortisolspiegel. Studienprodukte waren zwei Pasten zur oralen Verabreichung, eine mit dem Wirkstoff CBD und eine ohne aktiven Wirkstoff. Die Verabreichung der Pasten erfolgte verblindet. Im ersten Studienteil (dose escalation study) wurden die Pasten in drei aufeinanderfolgenden Versuchen als Einzeldosen an eine Behandlungsgruppe (0,2 mg CBD/kg, 1 mg CBD/kg, 3 mg CBD/kg) und eine Kontrollgruppe verabreicht. Im zweiten Studienteil (multiple dose study) wurden beide Pasten zweimal täglich über 15 Tage (Behandlungsgruppe: 3 mg CBD/kg) gegeben. Für die pharmakokinetische Analyse wurden in beiden Studienteilen täglich mehrere Blut- und Urinproben entnommen. Nach Tag 15 des zweiten Studienteils wurden zwei Wochen lang zusätzliche Proben zur Analyse der Eliminationsphase gesammelt. Die Konzentrationen von CBD, CBD-Metaboliten und weiteren Cannabinoiden wurden mittels Gaschromatographie/ Tandem-Massenspektrometrie ermittelt. Die pharmakokinetischen Parameter wurden anhand von zwei Ansätzen bewertet: Eine nicht-kompartimentelle Analyse und eine populationspharmakokinetische Analyse unter Verwendung eines nicht-linearen gemischten Kompartimentmodells. Während der Eliminationsphase wurde das Verhältnis zwischen der Gleichgewichtskonzentration von CBD im Urin zu Serum (Rss) berechnet. Im ersten Studienteil wurden Verhaltensparameter anhand von Fotos bewertet, um die Gesichtsausdrücke der Pferde auf einer eigens entwickelten Skala, basierend auf den existierenden Skalen FaceSed und Horse Grimace Scale, zu beurteilen. Zur Bewertung einer potenziellen Sedation wurden die Reaktionen der Pferde auf akustische und visuelle Reize per Video aufgenommen. Die Evaluation der Fotos und Videos wurde verblindet durchgeführt. Während des gesamten Versuchs wurde zudem die Herzfrequenz über Herzfrequenzsensoren kontinuierlich aufgezeichnet, und anschließend die Herzfrequenz (HR) sowie die Herzfrequenzvariabilität (HRV) analysiert. Im zweiten Studienteil wurde die Bewertung der Gesichtsausdrücke und der Sedationstiefe gleich dem ersten Studienteil täglich durchgeführt. Zudem wurden jeden Tag Blut- und Speichelproben entnommen und mittels Flüssigchromatographie/Tandem-Massenspektrometrie auf den Cortisolspiegel untersucht. Die Verhaltensbeobachtungen und Cortisolspiegel wurden zwischen den Gruppen verglichen. Vor Studienbeginn wurden ein Novel Object Test und ein Anhängertest durchgeführt. Beide Tests wurden an Studientag 13 wiederholt. Zur Auswertung der Tests wurden die Reaktionen der Pferde, Bewegungsmuster wie Gangartenwechsel, und Verhaltensmerkmale anhand eines Ethogramms bewertet. Die Herzfrequenz wurde während der Tests aufgezeichnet und über HR- und HRV-Parameter ausgewertet. Vor und nach den Tests wurden Blut- und Speichelproben für die Cortisolanalyse entnommen. Die CBD-Paste wurde gut vertragen und es wurden keine Nebenwirkungen beobachtet. Die nicht-kompartimentelle Analyse ergab eine maximale Serumkonzentration von 12,2 ng/ml nach einmaliger Verabreichung von CBD (3 mg/kg). Die populationspharmakokinetische Analyse zeigte, dass ein Drei-Kompartiment-Modell mit Absorption nullter Ordnung die pharmakokinetischen Eigenschaften von CBD am genauesten beschreibt. Es wurden hohe Verteilungsvolumina in die peripheren Kompartimente sowie hohe Konzentrationen des Metaboliten 7-Carboxy-CBD errechnet. Im zweiten Studienteil lag die mittlere maximale Serumkonzentration bei 38,4 ng/mL. Die terminale Halbwertszeit betrug 161,3 Stunden im Serum und die Rss lag bei 4,5. Im ersten Studienteil ergab die Analyse der Verhaltensparameter, der Herzfrequenz und der Herzfrequenzvariabilität keine konsistent signifikanten Unterschiede zwischen der Behandlungs- und der Kontrollgruppe. Während des zweiten Studienteils unterschieden sich die täglichen Verhaltensbeobachtungen und die Cortisolwerte zwischen Behandlungs- und Kontrollgruppe ebenfalls nicht signifikant. Während des Novel Object Test und des Anhängertests wurden bei der Analyse der Reaktionen, Bewegungsmuster, HR, HRV und Cortisolspiegeln keine nachhaltig signifikanten Unterschiede zwischen den Gruppen festgestellt. In dieser Studie wurden zum ersten Mal pharmakokinetische Parameter in Kombination mit dem Effekt von CBD auf Verhalten und Stress nach regelmäßiger oraler CBD-Verabreichung über zwei Wochen bei gesunden Pferden untersucht. Die pharmakokinetische Analyse zeigte einen umfassenden Metabolismus von CBD und eine hohe Verteilung in periphere Gewebe mit einer langen Eliminationsphase. Die Ergebnisse der Verhaltensbeurteilungen lieferte keine gesicherten Hinweise auf einen stressmindernden oder sedierenden Effekt nach regelmäßiger Verabreichung von CBD in einer Dosierung von 3 mg/kg zweimal täglich. Die größte Limitation dieser Studie ist die geringe Stichprobengröße. Weitere Untersuchungen der potenziell stresslindernden Wirkung von CBD in Verbindung mit pharmakokinetischen Parametern sind erforderlich, um relevante CBD-Konzentrationen für Dopingkontrollen bei Pferdesportveranstaltungen bestimmen zu können. Zukünftige Studien sollten die Verabreichung höherer CBD-Dosen, beispielsweise 10 mg CBD/kg, in Erwägung ziehen und sich gezielt auf Pferde konzentrieren, die bekanntermaßen schnell Anzeichen von Nervosität und Stress zeigen.