CHOLINERGE EN ADRENERGE FARMACOLOGIE Cholinerge Farmacologie Cholinerge farmacologie is gericht op de eigenschappen van de neurotransmitter acetylcholine (Ach). 1. Biochemie en fysiologie van cholinerge neurotransmissie Cholinerge receptoren worden onderverdeeld in twee brede klassen: 1. Muscarinic cholinerge receptoren (mAChR): ze zijn G-proteïne gekoppeld en ze worden uitgedrukt in de terminale synapsen van alle parasympatische postganglionaire vezels en enkele sympatische postganglionaire vezels in autonome ganglia en in het CZS. 2. Nicotinic cholinerge receptoren (nAChR): ze zijn ligand-gated ionkanalen, die postsynaptische gecentreerd zijn in vele excitatoire autonome synapsen en presynaptisch in het CZS. Acetylcholinesterase (AChE): het enzyme dat verantwoordelijk is voor acetylcholine degradatie. Het is ook een belangrijk farmacologisch target. 1.1 Synthese van Acetylcholine Acetylcholine wordt gesynthetiseerd in een enkelen stap van choline en acetyl coënzyme A door het enzyme cholineacetyltransferase (ChAT): Acetyl co-enzym A + Choline acetylcholine + co-enzymen A + H2O ChAT In het CZS wordt choline gebruikt voor de synthese van acetylcholine. Dit komt van drie bronnen: 1. Choline, gegenereerd door AchE in de synaptische spleet. 2. Plasma gebaseerde stockage van choline wordt naar de hersenen getransporteerd en wordt dan gemetaboliseerd naar vrije choline. 3. Choline kan ook opgeslagen worden in fosfolipiden. Er zijn twee processen verantwoordelijk voor cholinetransport: 1. Lage affiniteit vergemakkelijkte diffusie. 2. Hoge affiniteit, Na+-afhankelijk transportsysteem, gevonden in cholinerge zenuwuiteinden. 1.2 Opslag en vrijlating van Acetylcholine De synthese gebeurt in het cytoplasma. Na de synthese wordt Ach gestransporteerd naar de synaptische vesikels voor opslag. Een ATPase, dat protonen in de vesikels pompt , voorziet de energie die nodig is voor dit proces. Het transport van protonen uit de vesikel (dit is onder de H + concentratiegradiënt) wordt gekoppeld met de opname van Ach in de vesikel (dit is Ach concentratiegradiënt) door een Ach-H+ antiporter kanaal. Dit kanaal is een target voor sommige anticholinerge medicijnen zoals vesamicol: leidt tot een tekort van Ach opslag en de erop volgende vrijlating. Vrijlating van ACh in de synaptische spleet gebeurt door fusie van de synaptische vesikels met het plasmamembraan. Het proces is afhankelijk van ‘axon terminal depolarisatie’ en het openen van voltage afhankelijke Ca2+-kanalen. De intracellulaire verhoging van de Ca2+-concentratie vergemakkelijkt het binden van syanptotagmin aan de SNARE-complexproteinen, die samen de vesikel-membraan aanhechting en fusie mediëren. De inhoud van de vesikels worden vrijgelaten als discrete quanta in de synaptische spleet. Twee opslagplaatsen van ACh spelen verschillende rillen tijdens het proces van ACh vrijlating: 1. Depot pool: bestaat uit vesikels, geplaatst nabij het plasmamembraan van de axon terminal. Axonale depolarisatie veroozaakt deze vesikels om ACh snel vrij te laten. 2. Reserve pool: dient om de depot pool opnieuw te vullen, als die gebruikt wordt. De depot pool wordt eerst aangevuld met vesikels, geladen met nieuw gesynthetiseerd ACh. 1.3 Cholinerge receptoren Nadat ACh vrijgelaten wordt in de synaptische spleet, bindt het aan twee klassen van receptoren, gelegen op het celmembraan van de postsynaptische cel. Muscarinic receptoren zijn zeven transmambraandomeinen G-proteïne gekoppelde receptoren (GPCRs). Nicotinic receptoren zijn ligand-gated ionkanalen. Muscarinic receptoren Muscarinic cholingere transmissie gebeurt bij autonome ganglia en eindorganen geïnnerveerd door de parasympatische verdeling van het autonome zenuwstelsel en in het CZN. Het zijn celoppervlakte receptoren, die signalen overbrengen door het celmembraan en interageren met GTP-bindingsproteïnen. G-proteïne activatie door een agonist, die bindt op een muscarinic receptor kan enkele verschillende effecten hebben op de cellen. o Inhibitie van adenylyl cyclase (via Gi) door de α-subunit o Stimulatie van fosfolipase C door de α-subunit o Beïnvloedt ionenkanalen door second messeneger moleculen. o Het openen van specifieke K+-kanalen verhogen en daarmee de cel hyperpolariseren. Dit gebeurt door het βγ complex van de G-proteïne, die bindt aan het kanaal en de kans op opengaan versterkt. Vijf cDNAs voor de menselijke muscarinic receptor zijn geïsoleerd van M1 tot M5. o M1, M3 en M5 zijn gekoppeld aan G-proteïnen, die verantwoordelijk zijn voor de stimulatie van fosfolipase C. o M2 en M4 zijn gekoppeld aan G-proteïnen, die verantwoordelijk zijn voor andenylylcyclase inhibitie en K+-kanaalactivatie. Nicotinic receptoren Nicotinic cholinerge transmissie resulteert van het binden van ACh aan nAChR. Dit fenomeen staat bekend als direct ligand-gated conductance. Het binden van twee Ach moleculen aan een nAChR zorgt voor een conformatieverandering on de receptor een monovalente kation-selectieve porie creëert door het celmembraan. Geopende kanalen van de geactiveerde nAChR zijn doorlaatbaar voor K+ en Na+ ionen (Natrium is het overheersende ion). Er is ook een kleine permeabiliteit voor Ca2+, dat voor intracellulaire stijgingen zorgt. De instroom van Na+ depolariseert de cel. Stimulatie van meerdere nAChRs kan de cel voldoende stimuleren om een actiepotentiaal te generen en om voltage afhankelijke Ca 2+-kanalen. De binnenkomst van Ca2+ leidt tot activatie van bepaalde signaalpathways. Een vereiste om de nAChR te openen is het simultaat binden van twee ACh moleculen. Structureel bevat de nAChR vijf subunits: α β γ δ ε. Elke receptor in de neuromusculaire junctie is samen gesteld uit 2 α-subeenheden, één β-subeenheid, één δ-subunit en ofwel één γ-subunit ofwel één ε-subunit. o α2βγδ: spieren van een embryo o α2βεδ: volwassen skeletspieren. De conformationele verandering in de 2 α-subeenheden, veroorzaakt door het binden van twee ACh moleculen, start de wijzigingen in de porie, die ionendoorstrooming toestaat door de receptor. Nicotinic AchR aan de autonome ganglia en in het centraal zenuwstelsel (N 2 of NN) zijn gelijkend aan d ereceptoren in de neuromusculaire junctie (N1 of NM) met de uitzondering dat de subunits in de NN receptoren uitsluitend samengesteld zijn uit α- en β-subeenheden. 1.4 Degradatie van Acetylcholine Degradatie van ACh is essentieel niet alleen om ongewenste activatie van naburige neuronen of spiercellen te voorkomen, maar ook om gepaste signalering aan de postsynaptische cel te verzekeren. Enzymen zoals cholinesterases zijn verantwoordelijk voor de degradatie van avetylcholine. Twee types van cholinesterases, AChE en butyrylcholinesterase (BuChE) zijn wijd verspreid doorheen het lichaam. AChE is geconcentreerd aan het postsynaptisch membraan en de choline dat deze vrijmaakt, wordt terug getransporteerd naar de presynaptische terminal. BuChE speelt een secundaire rol in ACh degradatie: het is een co-regulator van ACh. Het kan ACh hydrolyseren, maar trager dan AChE en het kan betrokken zijn in de pathogenesis van Alzheimer. 1.5 Fysiologische effecten van cholinerge transmissie Neuromusculaire junctie – Ach is de hoofdzakelijke neurotransmitter in de neuromusculaire junctie. Het bindne van ACh, dat vrijgelaten wordt door de α motor neuronen aan de nicotinerge receptoren in het celmembraan van de spiercellen, resulteert in een motor eindplaat depolarisatie. – Vrijlating van ACh is ‘quantal’ van aard: ACh wordt vrijgelaten in discrete hoeveelheden door het presynaptisch motor neuron. Elk quantum van ACh komt overeen van de inhoud van een enkele vesikel en lokt een kleine depolarisatie uit in de motor eindplaat, dit wordt een miniature eindplaat potentiaal (MEPP) genoemd. – De aankomst van een actiepotentiaal aan de motor axon terminal laat meer vesikels (duizenden) fuseren met het neuronaal plasmamembraan en ze laten hun ACh vrij. Bij de motor eindplaat is het resultaat een hoge depolarisatie: eindplaat potentiaal (EPP). – Acetylcholine triggert niet alleen spiercontractie als zijn primair effect in de NMJ, maar het moduleert ook zijn eigen actie in de NMJ. Auntonome effecten – Neurotransmissie door autonome ganglia. De gegenereerde respons aan presynaptische impulsen kan onderverdeeld worden in vier gescheinden componenten. 1. De primaire gebeurtenis in de postsynaptische ganglionic respons is de snelle depolarisatie, bemiddeld door nicotinerge Ach receptoren aan het postganglianaire neuron. Het mechanisme: inwaartse stroming lokt een EPSP uit. Deze gebeurtenissen moeten zich ‘sommeren’ om een drempelwaarde te bereiken en zo een actiepotentiaal uit te lokken. 2. De trage EPSP: gebeurt na de wachttijd van 1 seconde en wordt gemediëerd door M1 muscarinic Ach receptoren. 3. De IPSP: product van catecholaminische (adrenaline en dopamine) stimulatie van dopaminergic en α adrenergic receptoren. Sommigen worden gemediëerd door M 2 muscarinic Ach receptoren 4. De late, trage EPSP: wordt gemedieerd door een verlaging in kaliumconductantie, geïnduceerd door de stimulatie van receptoren voor peptide transmitters. – Methacholine, een muscarinic receptor agonist, heeft modulatorische effecten op autonome ganglia, die lijken op de stimulatie van trage EPPs, dus inhibitie van nAChR. – Het globale effect van de ganglionische blockade is complex en hangt af van de relatieve overhand van sympatische en parasympatische tonus bij verschillende eindorganen. Adrenerge farmacologie – Adrenerg afgeleid van Latijns voor bijnier (gladula adrenalis) orgaan dat zorgt voor endogene productie van adrenaline (epinephrine) behoort tot groep van catecholamine dit door zijn stimulerend effect op lichaam – Noradrenaline en dopamine derivaten van Tyrosine metabolisme behoren ook tot de catecholamines – Adrenerge farmacologie bestudeert stoffen die transmissieroutes van endogene catecholamines beïnvloeden sympathisch zenuwstelsel voornaamste bron van endogene catecholamines – Adrenerge farmaca kunnen inwerken op synthese, opslag, vrijgave en heropname van adrenaline maar ze kunnen ook rechtstreekse agonisten of antagonisten van de adrenerge receptor zijn – Farmaca worden vaak gebruikt in behandelingen van belangrijke aandoeningen zoals hypertensie, astma, shock en angina pectoris (drukkende pijn op borst door zuurstof tekort in hart) – Catecholamines worden gesynthetiseerd door chemische modificaties van het aminozuur tyrosine. Deze reactie vindt plaats aan een zenuweinde van chromaffinecellen. 1. Tyrosine komt de zenuw binnen via een transporter dat gebruik maakt van Na gradiënt. 2. Tyrosine wordt geoxideerd in dihydroxyphenylaline (DOPA) door het enzym : tyrosinehydroxylase. 3. DOPA wordt nu omgezet in dopamine door een relatief niet-specifiek aromatisch aminozuur decarboxylase. 4. Dopamine wordt dan gehydroxyleerd om noradrenaline/norepinephrine te vormen 5. Dopamine wordt in vesikels getransporteerd door vesicularmonoaminetransporter (VMAT) * 6. In de vesikel wordt dopamine omgezet in noradrenaline – *er zijn 3 verschillende soorten Adrenerge receptoren – Adrenerge receptoren (= adrenoceptors) zijn selectief voor adrenaline en noradrenaline, maar soms kan dopamine de receptor ook activeren – De adrenerge receptoren zijn opgedeeld in 3 groepen : α 1, α2 en β alle drie deze hoofdklassen hebben ook nog elk drie subtypes : α 1A, α1B en α1D / α2A,α2B en α2C / β1, β 2, β 3 – Andrenerge receptoren behoren tot de G-proteïne gekoppelde receptoren α1 adrenoceptors – Gq gemedieerde pathways activeren fosfolipase C zet PIP2 om in IP3 en DAG – Receptoren gelokaliseerd in vasculaire gladde spier, intestinale gladde spier, hart, lever, ... – Effecten vasculaire gladde spier stimulatie van receptoren toename van de intracellulaire concentratie aan Ca 2+ activatie van calmoduline toename van actine- myosine intercatie verhoogde spiercontractie α2 adrenoceptors – Activeren Gi (inhiberend G proteïne) inhibitie van cAMP, activatie van G-proteïne gekoppelde inwaartse K kanalen en inhibitie van neuronale Ca 2+ kanalen al deze effecten zorgen voor daling van afgifte van neurotransmitters – Gelokaliseerd op zowel presynaptische neuronen als op postsynaptische cellen, maar ook op bloedplaatjes en β cellen van pancreas hier zorgen ze voor aggregatie van bloedplaatjes en inhiberen van afgifte van insuline – α2 receptor agonisten verlagen sympathische signalering naar perifeer ZS verlaging van afgifte van noradrenaline verlaagde contractie van vasculaire gladde spier β adrenoceptors – Worden verdeeld in drie subklassen : β1, β2, β3 alle drie deze subklassen activeren GS GS activeert cAMP stijging van de intracellulaire concentratie aan cAMP activatie van proteïne kinasen fosforyleren cellulaire proteïnen waaronder ionenkanalen – Het verschil tussen de verschillende subklassen is onduidelijk omdat ze allemaal G S activeren specifiteit komt van compositie van de subeenheden van het G proteïne in receptor complex β1 adrenoceptors – Primair gelokaliseerd in het hart en nier – Stimulatie van de receptoren stijging van zowel inotropie (strekte van contractie) – en chronotropie (hartritme) verhoogde inotropie door verhoogde fosforylatie van Ca kanalen en verhoogde chronotropie door β1 gemedieerde stijging van Ca 2+ 2+ opname beide zorgen ze voor een verhoogde cardiale output – activatie van receptor zorgt ook voor stijging van conductie snelheid in AV door β1 stijgt 2+ Ca opname stijging van de depolarisatie van AV cellen β2 adrenoceptors – Komen voor in gladde spier, lever en skeletale spieren – In gladde spier zorgt activatie van receptor voor de stimulatie van Gs, cAMP en – Proteïne kinase A proteïne kinase A fosforyleert verschillende contractiele proteïnen, specifiek myosine fosforylatie van myosine zorgt voor verminderde affiniteit ervan voor calcium-calmodium relaxatie – β2 adrenoceptors relaxeren bronchiale gladde spier dit door GS onafhankelijke activatie van K kanalen verhoogde K efflux zorgt voor hyperpolarisatie van bronchiale gladde spier zo kan er geen depolarisatie gebeuren die nodig is voor contractie β3 adrenoceptors – Enkel gelokaliseerd in vetweefsel stimulatie van deze receptor zorgt voor een toename van lipolyse (vetverbranding) het zou dus eventueel bruikbaar kunnen zijn als behandeling tegen bv obesitas Regulatie van receptor respons – De mogelijkheid van een receptor agonist om een downstream signaal te veroorzaken is afhankelijk van aantal receptoren die geactiveerd zijn veranderingen in dichtheid van receptoren wijzigen van de efficiëntie van agonist zowel korte termijn(desensititatie) als lange termijn die de veranderingen aanbrengen in aantal receptoren belangrijk bij regulatie van respons van weefsel – Wanneer agonist receptor activeert dissociatie van G proteïne zorgt voor downstream signaal als ook voor de negatieve feedback mechanisme dat respons van het weefsel limiteert Endogene catecholamines – Endogene catecholamines adrenaline en noradrenaline functioneren als agonisten voor zowel α- als β adrenoceptors, bij bepaalde concentraties kan ook dopamine werken als een agonist voor beide receptoren effect afhankelijk van concentratie van de agent en weefsel specifieke receptor expressie Adrenaline – Bij lage concentratie predominant β1 en β2 effecten, maar bij hogere concentraties effecten op α1 zijn meer van toepassing – Beïnvloeden van β1 receptoren toename van cardiale contractiele kracht en cardiale output zorgt voor toename van cardiale zuurstofopname en verhoogde systolische bloeddruk – Stimulatie van β2 receptoren verhogen bloedtoevoer naar skeletale spieren, relaxeren bronchiale gladde spier en verhogen concentratie aan glucose en vrije vetzuren in bloed deze β1 en β2 effecten behoren allemaal tot mechanisme van fight en flight respons adrenaline werd gebruikt in de behandeling voor astma, maar tegenwoordig andere – Behandelingsmiddelen, maar wordt wel nog gebruikt in de behandeling voor anaphylaxis – Lokale injectie van adrenaline vasoconstrictie (vernauwen van de bloedvaten) en verlengt de werking van LA adrenaline is niet effectief als het oraal wordt ingenomen first pass effect Noradrenaline – Agonist van α1 en β1 receptoren, maar heeft ook een lichte invloed op β2 receptoren zorgt niet enkel voor toename van systolische bloeddruk, maar ook voor verhoging van diastolische bloeddruk en totale perifere resistentie – Wordt gebruikt in behandeling voor hypotensie bij patiënten met distributieve shock Dopamine – Eigenlijk een neurotransmitter van CZS, maar dopamine activeert 1 of meer subtypes van catecholaminereceptor in perifeer weefsel en predominante effect is afhankelijk van lokale concentratie : o Lage concentratie werkt in op D1 dopaminerge receptoren o Iets hogere concentratie activatie van β1 receptor o Hoge concentratie activatie van α1 receptor Adrenerge farmaca De adrenerge farmaca kunnen onderverdeeld worden in 6 groepen op basis van hun moleculair en cellulair werkingsmechanisme : 1. Inhibitoren van synthese van catecholamine 2. Inhibitoren van opslag van catecholamine 3. Inhibitoren van heropname van catecholamine 4. Inhibitoren van metabolisme van catecholamine 5. receptor agonisten 6. receptor antagonisten 1. Inhibitoren van synthese van catecholamine – inhiberen op een niet specifieke manier de vorming van alle catecholamines ze hebben maar een beperkte klinische bruikbaarheid – α-methyltyrosine structureel analoog met tyrosine wordt getransporteerd naar zenuwuiteinden inhibeerd hier tyrosine hydroxylase, dit is eerste enzym in biosynthese pathway van catecholamine 2. Inhibitoren van opslag van catecholamine – Een agent die opslag van catecholamine inhibeerd kan twee effecten hebben : 1. Op korte termijn toename van afgifte van catecholamine sympathische stimulatie (sympathomimetic) 2. Op langere termijn agent zorgt voor een vermindering van aanwezige catecholamine (fungeert als sympatholytic = inhibitor van sympathische activiteit) – Reserpine inhibeert VMAT irreversibel door eraan te binden vesikels die mogelijkheid om noradrenaline en dopamine te concentreren en op te slaan verliezen bij een lage dosis lekt neurotransmitter in cytoplasma waar het wordt afgebroken door MAO, maar bij hoge dosissen is er een te hoge concentratie in cytoplasma MAO kan dit niet meer afbreken efflux van catecholamine heeft een sympathomimetic effect – Tyramine gemetaboliseerd door MAO in patiënten die MAO inhibitoren nemen tyrosine geabsorbeerd in de darm, getransporteerd door bloed en opgenomen door sympathische neuronen hier wordt het in synaptische vesikels geplaatst plotse verandering met grote hoeveelheden tyramine plotse vervanging van noradrenaline en grote afgifte of verlies aan noradrenaline – Guanethidine wordt actief getransporteerd door NET in neuronen concentreert zich hier in transmitter vesikels en vervangt noradrenaline dit leidt tot graduele uitputting van noradrenaline – Guanadrel werkt ook als en valse transmitter zorgt ook voor de verdringing van noradrenaline door het te vervangen – Amphetamine heeft verschillende adrenerge acties : 1. Verplaatst endogene catecholamines van vesikels 2. Zwakken inhibitor van MAO 3. Blokkeert catecholamine heropname – Ephedrine, pseudoephedrine en phenylpropanolamine agents die aan elkaar gelinkt kunnen worden door hun structuur hebben de mogelijkheid om verschillende adrenerge responsen te veroorzaken – Methylfenidaat komt structureel overeen met amfetamine wordt gebruikt in psychiatrie 3. Inhibitoren van heropname van catecholamine – Cocaïne inhibitor van NET elimineert catecholamine transport wordt in de eerste plaats gebruikt als LA door zijn werking als onafhankelijke inhibitor van neuronale AP in dit geval veroorzaakt het vasoconstrictie dit door inhibitie van noradrenaline opname – TCA inhibeert NET gemedieerde heropname van noradrenaline in presynaptische uiteindes verhoging van hoeveelheid noradrenaline in de synaptische spleet 4. Inhibitoren van metabolisme van catecholamine – MAOI voorkomt secundaire deaminatie (onttrekken van een aminegroep) van catecholamines die getransporteerd zijn naar presynaptische uiteindes of die opgenomen zijn in weefsel zoals de lever – In afwezigheid van metabolisme verhoogde hoeveelheid catecholamine in vesikels tijdens elke AP – Meestal wordt MAOI geoxideerd door MAO vormt intermediair dat een irreversibele inhibitor van MAO is niet selectieve inhibitoren (phenelzine, ...) en selectieve inhibitoren (clorgyline, ...) 5. Receptor agonisten – Adrenoceptors belangrijk bij behouden van vasculaire spanning, gladde spier spanning en cardiale contractie selectieve agonisten en antagonisten van deze receptoren kunnen worden gebruikt in behandeling voor : hypertensie, astma, hartziekte, hartfalen, ... α-adrenerge agonisten – α1 selectieve adrenerge agonisten verhogen perifere vasculaire resistentie behouden de bloeddruk o Methoxamine worden soms gebruikt in behandeling voor shock o Phenylephrine, oxymetazoline en tetrahydrozoline worden gebruikt in behandelingen als Afrin en Visine – α2 selectieve adrenerge agonisten o Clonidine verlaagt bloeddruk door het verminderen van sympathische uitstroom naar periferie o Dexmedetomidine mogelijkheid tot verdoving zonder de bijkomende respiratoire depressie onderdrukking van sympathisch zenuwstelsel met deze drug helpt schommelingen te voorkomen o α-methyldopa prodrug van de α2 agonist α-methylnoradrenaline werking als agonist resulteert in verhoogde sympathische uitstroom van CZS en daardoor een verlaging van de bloeddruk β-adrenerge agonisten – Stimulatie van β1-adrenerge receptoren toename van hartritme en toename van kracht van contractie van de hartspier verhoogde cardiale output – Stimulatie van β2-adrenerge receptoren relaxatie van vasculaire, bronchiale (luchtpijpvertakkingen) en gastro-intestinale gladde spieren o Isoproterenol niet selectieve β agonist verlaagt perifere vasculaire resistentie en dus een verlaging van diastolische bloeddruk (β 2 effect) maar aan de andere kant behoud of b- verhoogt het lichtjes de systolische bloeddruk (β 2 effect) het heeft evenveel inotrope (verhoging contractie hartspier) en chronotrope (verhogen van harstslag) effecten cardiale output stijgt o Dobutamine afhankelijk van de verschillende effecten van de twee isomeren : - isomeer α1 agonist en een zwakke β1 agonist + isomeer zowel α1 antagonist als een β1 agonist α1 agonist en α1 antagonist capaciteiten verdwijnen wanneer twee isomeren samen worden gebracht enkel β1 agonist activiteit meer inotrope dan chronotrope effecten toename van contractie van hartspier en toename van cardiale output o Metaproterenol belangrijkste β2 selectieve agonist 6. Receptor antagonisten α-adrenerge antagonisten – Blokkeren endogene catecholamines door te binden aan α 1 en α2 adrenerge receptoren zorgen voor vasodilatatie (bloedvaatverwijding), verhoogde bloeddruk zorgt voor verhoging van hartritme en cardiale output o Phenoxybenzamine (1) en phentolamine (2) (1) blokkeert zowel α1 en α2 adrenerge receptoren irreversibel, (2) reversibele, niet selectieve α adrenerge receptor antagonist
