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Wirkstoffe an spannungs- und liganden-abhängigen Ionenkanälen

22.02.1999
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-TitelGovi-Verlag

MEMBRANPROTEINE

Wirkstoffe an spannungs- und liganden-abhängigen Ionenkanälen

Bei den Neurotransmitter-Rezeptoren werden metabotrope und ionotrope Rezeptoren unterschieden, die beide Kanäle öffnen können. Die ionotropen Rezeptoren sind integrale Bestandteile des Kanalproteins. Die Öffnung des Kanals erfolgt innerhalb von Mikrosekunden und second messenger sind nicht beteiligt. Bei den metabotropen Rezeptoren, zum Beispiel muscarinergen Acetylcholin-, adrenergen Rezeptoren, besteht zwischen Rezeptorkomplex und Kanalproteinen keine unmittelbare Verbindung. Die Wirkung auf Kanäle erfolgt indirekt über second messenger und/oder G-Proteine, daher öffnen diese Kanäle wesentlich später als die ionotropen Rezeptoren.

Zur Familie der ionotropen Rezeptoren (Liganden-kontrollierte Ionenkanäle, ligand-gated ion channels) gehören

  • von den Neurotransmitter-kontrollierten Kationenkanälen der nicotinerge Acetylcholin-Rezeptor, der 5-HT3-Rezeptor und Subtypen der Rezeptoren der exzitatorischen Aminosäuren (Glu, Asp);
  • von den Neurotransmitter-kontrollierten Anionenkanälen der GABAA-Rezeptor und der Glycin-Rezeptor, die beide einen Chloridkanal regulieren. GABA und Glycin sind inhibierende Neurotransmitter des ZNS.

Neben den DNA-Rekombinationstechniken haben vor allem die Patch-Clamp-Techniken zur Aufklärung von Struktur und Funktion der ionotropen Rezeptoren beigetragen (5).

Nicotinerger Acetylcholin-Rezeptor

Der am längsten bekannte ionotrope Neurotransmitter-Rezeptor ist der nicotinerge Acetylcholin-Rezeptor. Der nAChR ist das klassische Beispiel, wie ein chemisches Signal (Acetylcholin) in eine Potentialdifferenz umgewandelt werden kann. Der nAChR unterscheidet sich signifikant hinsichtlich Funktion, Lokalisation, Struktur und Signaltransduktion von den muscarinergen Acetylcholin-Rezeptoren. Er gehört wie der GABAA-, Glutamat- und Glycin-Rezeptor zu den "schnellen" Kanälen.

Der nAChR findet sich in großen Konzentrationen in den elektrischen Organen des Zitterrochens (Torpedo california). Dadurch war es möglich, aus 1 kg etwa 100 bis 200 mg nAChR-Proteine zu isolieren. Der periphere nAChR besteht aus vier Untereinheiten (a 40 kDa, b 50 kDa, g 60 kDa und d oder alternativ e 65 kDa), die alle glykosidiert sind. Die Primärstrukturen der Untereinheiten zeigen ein hohes Maß an Homologie (a/b und g/d). Die zentralen nAChR bestehen nur aus zwei Typen von Untereinheiten (a, b).

Der periphere Rezeptor liegt als Pentamer mit der Struktur a2bgd (290 kDa) vor, der zentrale wahrscheinlich mit der Stöchiometrie a2b3. Jede Untereinheit enthält vier Transmembransegmente (S1 bis S4). Der N-Terminus liegt an der Außenseite der Membran als lange hydrophile Domäne vor. Der Ionenkanal wird von der hydrophilen Seite eines amphipathischen Transmembransegmentes (S2) von jeder der fünf Untereinheiten gebildet. Die engste Stelle wirkt als "Selektivitätsfilter". Eine Acetylcholin-bindende Stelle liegt an jeder alpha-Untereinheit am hydrophilen Aminoende (zwei Acetylcholin-Bindungsstellen/Pentamer).

Agonisten des nAChR sind der natürliche Ligand Acetylcholin (ACh). Durch Depolarisation (Weiterleitung des Aktionspotentials) kommt es präsynaptisch zur Freisetzung von Acetylcholin, zum Beispiel an der motorischen Endplatte der quergestreiften Muskulatur. Das Acetylcholin diffundiert durch den synaptischen Spalt zum nAChR und öffnet den Na-Kanal. Es kommt zur Depolarisation (Ausbildung des Endplattenpotentials), die über die Freisetzung von Ca-Ionen aus intrazellulären Speichern zur Muskelkontraktion führt. Länger wirksam als ACh sind die als direkte Parasympathomimetika (Cholinergika) eingesetzten Acetylcholin-Analoga Carbachol und Bethanechol sowie einige Toxine wie Anatoxin-a.

Bei den Stoffen, die am nAChR angreifen, müssen Wirkstoffe, die an der ACh-Bindungsstelle angreifen (kompetitive Blocker), und solche, die außerhalb (nicht-kompetitive Blocker) angreifen, unterschieden werden.

Die kompetitiven, das heißt mit ACh um die Bindungsstellen konkurrierenden Hemmer, sind als periphere Muskelrelaxantien von Bedeutung. Hier werden wiederum zwei Untergruppen unterschieden:

  • Verbindungen, die Affinität zu den ACh-Bindungsstellen besitzen, aber keine intrinsic activity aufweisen, das heißt den Kanal nicht öffnen können. Zu diesen nicht-depolarisierenden oder stabilisierenden Muskelrelaxantien gehören d-Tubocurarin, Alcuroniumchlorid, Pancuroniumbromid, Vecuroniumbromid oder Atracuroniumbesilat. Experimentell und toxikologisch von Bedeutung sind die a-Neurotoxine von Schlangen (MM etwa 8000). Wichtigster Vertreter ist das a-Bungarotoxin. Diese Neurotoxine wirken als irreversible Antagonisten. Bemerkenswert ist, daß a-Bungarotoxin nur an die peripheren nAChR bindet.
  • Verbindungen, die wie Acetylcholin den Kanal öffnen, also depolarisierend wirken, aber eine Repolarisation verhindern. Zu diesen depolarisierenden Muskelrelaxantien gehören Decamethonium (nicht mehr im Handel) und Suxamethoniumchlorid.

Nicht-kompetitive Antagonisten sind strukturell so unterschiedliche Verbindungen wie Histrionicotoxin, Phencyclidin, Chlorpromazin oder die Lokalanästhetika. Nicht-kompetitiv durch eine Veränderung der Lipidumgebung hemmen auch die Inhalationsanästhetika.

5-HT3-Rezeptor

Elektrophysiologisch und strukturell ähneln die 5-HT3-Rezeptoren den nAChR. Die 5-HT3-Rezeptoren (6) kontrollieren Kationen-selektive Ionenkanäle (etwa gleiche Permeabilität für Na+ und K+) und vermitteln dadurch eine Membrandepolarisation und Erregung von Nervenzellen des ZNS. Fünf Untereinheiten scheinen wie beim nAChR den Kanal zu bilden. Antagonisten der 5-HT3-Rezeptoren (7) besitzen ein vielfältiges therapeutisches Potential. Die ersten 5-HT3-Antagonisten (Ondansetron und weitere Setrone) wurden als Antiemetika zur Beherrschung des durch Zytostatika ausgelösten Erbrechens auf den Markt gebracht. Weitere Anwendungsgebiete könnten Migräne und andere schwer zu behandelnde Schmerzformen sowie Psychosen sein.

Ionotrope Glutamat-Rezeptoren

Glutaminsäure und Aspartinsäure (Asparaginsäure) gehören zu den exzitatorischen Aminosäuren, die in der Funktion des ZNS und auch für die Pathogenese von wesentlicher Bedeutung sind. Etwa siebzig Prozent der exzitatorischen Synapsen des ZNS tragen Glutamat-Rezeptoren.

Die ionotropen Glutamat-Rezeptoren (iGluR) (8, 9) werden aufgrund ihrer unterschiedlichen Aktivierung durch Agonisten in NMDA- und Nicht-NMDA-Rezeptoren – dazu gehören die AMPA- und Kainat-Rezeptoren – unterteilt (NMDA: N-Methyl-D-Aspartat; AMPA: (R,S)-2-Amino-3-(3-hydroxy-5-methyl-isoxazol-4-yl)propionsäure; Kaininsäure: 2-[2-Carboxy-4-(2-propenyl)pyrroli-din-3-yl]essigsäure). Daneben gibt es noch mehrere Typen von metabotropen Glutamat-Rezeptoren (mGluR).

Die NMDA-Rezeptoren (10) erfordern Glycin als Co-Agonist (Strychnin-unabhängiger Gly-Rezeptor) und werden durch Polyamine potenziert. Sie öffnen Ca-Kanäle, -AMPA-Rezeptoren (früher als Quisqualat-Rezeptoren bezeichnet) primär Na-Kanäle. Die ionotropen Glutamat-Rezeptoren liegen als heteromere Komplexe vor. Die bisher klonierten Rezeptorproteine (Untereinheiten) sind deutlich größer (etwa 900 Aminosäuren entsprechen etwa 100 kDa) als die anderer Liganden-kontrollierter Ionenkanäle. Bisher wurden kloniert: zwei NMDA-Rezeptor-Untereinheiten (NMDAR-1: 103 kDa und NMDAR-2: 133 bis 163 kDa), vier AMPA-Rezeptor-Untereinheiten (GluR1 bis GluR4), drei -Kainat-Rezeptor-Untereinheiten (Glu5 bis Glu7) und zwei Kainat-bindende Proteine (KA1 und KA2) (11). Die Proteine enthalten ähnliche Hydrophobizitätsprofile, die auf je vier Transmembransegmente hinweisen. Die Primärstrukturen der Proteine der NMDA- und Nicht-NMDA-Rezeptoren unterscheiden sich stark.

Eine massive Freisetzung von Glutamat im ZNS kann durch drastische Erhöhung der intrazellulären Ca-Konzentration zum Tod von Nervenzellen führen. Diese Exzitotoxizität wird für neurodegenerative Schäden verantwortlich gemacht und auch mit der amyloiden Lateralsklerose und der Alzheimer-Erkrankung in Verbindung gebracht (Glutamat-Hypothese der Alzheimerschen Erkrankung). Als nicht-kompetitiver NMDA-Rezeptorantagonist ist seit längerer Zeit schon Memantin zur Behandlung von Hirnleistungsstörungen und Schädel-Hirn-Verletzungen auf dem Markt. Riluzol, das 1996 zur Behandlung der amyloiden Lateral-sklerose zugelassen wurde, ist ein kompetitiver Antagonist der postsynaptischen Glutamat-Rezeptoren und Hemmer der Glutamat-Freisetzung. Es blockiert ferner Spannungs-abhängige Na-Kanäle.

GABAA-Rezeptoren g-Aminobuttersäure (GABA), Decarboxylierungsprodukt von Glutaminsäure, reagiert mit mindestens zwei unterschiedlichen Rezeptor-Subtypen. Beim hier nur interessierenden GABAA-Rezeptor (zur Differenzierung der GABA-Kanäle vgl. (12)) handelt es sich um einen durch GABA regulierten Chlorid-Kanal. Im Unterschied zu den anderen Neurotransmitter-Rezeptoren vermittelt der GABA-Rezeptor synaptische Inhibitionen. Durch Klonieren sind zur Zeit acht Isoformen (a, b, g, d, e, p) und 17 Subtypen bekannt. Es wird angenommen, daß die wichtigsten Isoformen a1, b2 und g2 sind. Diese drei Untereinheiten bilden ein Pentamer der Struktur 2a12b2g2.

Die Bindungsstellen für GABA und die Benzodiazepine unterscheiden sich in ihrer Lokalisation. Die Benzodiazepine binden an die a- und g-Untereinheit. Muscimol ist ein Agonist der GABA-Bindungsstelle (GABAA-Rezeptor), Bicucullin und Picrotoxin sind Antagonisten.

Haefely konnte die an den Benzodiazepin-Bindungsstellen angreifenden Wirkstoffe in Agonisten, Antagonisten und inverse Agonisten differenzieren. Agonisten wirken als positive allosterische Modulatoren des GABA-Rezeptor-gekoppelten Chloridkanals, das heißt sie stimulieren die GABA-induzierte Öffnung des Anionenkanals, ohne selbst den Kanal öffnen zu können. Antagonisten wirken entsprechend als negative allosterische Modulatoren. Inverse Agonisten wirken als kompetitive Antagonisten an der Benzodiazepin-Bindungsstelle, haben aber keinen Effekt auf die Bindung von GABA. Klinisch werden Agonisten (Benzodiazepine, Zolpidem und Zopiclon) als Anxiolytika, Antiepileptika, Muskelrelaxantien und Hypnotika eingesetzt. Auch die Barbiturate wirken als allosterische Modulatoren und öffnen den Chlorid-Kanal, allerdings über andere Bindungsstellen. Der Antagonist Flumazenil wird als Antidot bei Überdosierungen von Benzodiazepinen eingesetzt.

1977 wurden im ZNS hochaffine Benzodiazepin-Bindungsstellen entdeckt. Inzwischen konnte auch die Existenz von Rezeptorsubtypen nachgewiesen werden. In Zusammenhang mit der Suche nach den endogenen Liganden für den Benzodiazepin-Rezeptor wurde gefunden, daß auch b-Carboline, Imidazopyridine, Triazolopyridazine oder Cyclopyrrole an den Benzodiazepin-Rezeptor binden (12).

Das GABA-System spielt eine wesentliche Rolle bei der Epilepsie. Antiepileptika sollen dieses hemmende System verstärken und exzitatorische Systeme (Glutamat-Rezeptoren) abschwächen. Das kann erreicht werden durch allosterisch wirkende Agonisten des GABA-Rezeptors (Benzodiazepine, Barbiturate), Hemmung der GABA-Wiederaufnahme (Tiagabin) oder des GABA-Abbaus (Vigabatrin, Valproinsäure). Die GABA-Rezeptoren scheinen auch Gedächtnisprozesse zu beeinflussen (14). Antagonisten sollen Gedächtnisleistungen verstärken, Agonisten unterdrücken.

Glycin-Rezeptoren

Als inhibierender Neurotransmitter im ZNS hat sich ferner Glycin herausgestellt. Die höchste Konzentration an Glycin-Rezeptoren werden in Rückenmark und Hirnstamm gefunden. Ein selektiver Antagonist des Gly-Rezeptors ist Strychnin. Der Gly-Rezeptor kontrolliert wie der GABA-Rezeptor einen Chlorid-Kanal. Es bestehen Wechselwirkungen zwischen dem Gly- und GABAA-Rezeptor und synergistische Effekte der Inhibitoren.

Spannungs-abhängige Natrium-Kanäle

Die Spannungs-abhängigen Na-Kanäle bestehen aus drei Untereinheiten: a (260 kDa), b1 (36 kDa) und b2 (33 kDa). Alle drei Untereinheiten sind auf der extrazellulären Seite glykosidiert. Die b2-Untereinheit ist durch Disulfidbrücken mit der a-Untereinheit verbunden. Der eigentliche Spannungs-abhängige Na-Kanal ist an der a-Untereinheit lokalisiert, an deren zytoplasmatischer Seite auch die Phosphorylierungsstelle liegt. Die a-Untereinheit enthält vier Transmembrandomänen aus jeweils sechs Transmembransegmenten, die durch drei zytoplasmatische und vier extrazelluläre loops verbunden sind.

Für die Arzneistoffentwicklung sind die neuronalen und kardialen Spannungs-abhängigen Na-Kanäle wichtig, die durch Tetrodotoxin sowie Lokalanästhetika, Antiarrhythmika der Klasse I und zahlreiche Insektizide angegriffen werden. Diese Verbindungen blockieren die Kanäle und stabilisieren dadurch die Zellmembran. Batrachotoxin und Aconitin dagegen führen zu einem erhöhten Na-Einstrom.

Die Antiarrhythmika der Klasse I blockieren die Na-Kanäle der Herzmuskelzellen etwa 20mal effektiver als die der Nervenzellen. Eine Differenzierung dieser Antiarrhythmika erfolgt nach der Dauer des Aktionspotentials (IA: Verlängerung, IB: Verkürzung, IC: ohne Effekt). Auf die Hemmung Spannungs-abhängiger Na-Kanäle geht auch die Wirkung einiger Antiepileptika zurück (Phenytoin, Carbamazepin).

Auch zahlreiche Insektizide (15) greifen an den Spannungs-abhängigen Na-Kanälen an, die in Insekten und anderen Tieren ebenfalls eine entscheidende Rolle bei der Nervenfunktion besitzen. Durch DDT und die Pyrethroide wird der Na-Kanal für mehrere Sekunden im offenen Zustand gehalten, was zu einer Hyperaktivität des Nervensystems der Insekten (Krämpfe, Tremor) führt. Für Säugetiere sind die Pyrethroide kaum toxisch, da diese recht selektiv am Na-Kanal der Insekten angreifen (Selektivitätsquotient 1:1000 bis 1:10000) und die Estergruppe leicht durch die in Säugetieren vorkommende unspezifische Esterase gespalten wird. Die Spannungs-abhängigen K- und Ca-Kanäle werden kaum beeinflußt. Bemerkenswert ist, daß die Wirkung der Pyrethroide auf die Spannungs-abhängigen Na-Kanäle und damit die Toxizität mit sinkender Temperatur steigt. Pyrethroide vom Typ II (mit Cyano-Substituenten) hemmen in höheren Dosen auch den Delayed-RectifyingK-Kanal.

In Niere und Cornea kommt eine andere Gruppe von Na-Kanälen vor, die gegenüber Tetrodotoxin unempfindlich sind. Die Hauptaufgabe dieser Kanäle besteht in der Rückresorption von Na-Ionen zusammen mit Chloridionen und Wasser. Die Diuretika Amilorid und Triamteren blockieren diesen Kanal im distalen Teil des Tubulus.

Spannungs- und Liganden-abhängigeKalium-Kanäle

Die Spannungs-abhängigen K-Kanäle bestehen aus zwei Untereinheiten (a und b). Die a-Untereinheiten sind integrale Membranproteine, die b-Untereinheiten periphere Membranproteine. Von beiden Untereinheiten werden Isoformen beschrieben, so daß eine Vielzahl von K-Kanälen existieren. Vier a-Einheiten bilden einen funktionierenden Kanal.

Selektive Blocker von K-Kanälen sind als Antiarrhythmika von Interesse. Diese Klasse III-Antiarrhythmika verlängern das Aktionspotential und wirken im Gegensatz zu den Klasse I-Antiarrhythmika nicht negativ inotrop. Der wichtigste Vertreter der Klasse III-Antiarrhythmika ist das b-blockierend wirkende Sotalol.

Von den Liganden-abhängigen K-Kanälen sind zur Zeit die ATP-sensitiven K-Kanäle (KATP-Kanäle), deren Aktivität von der intrazellulären ATP-Konzentration reguliert wird, besonders bedeutend für die Wirkstoffentwicklung.

Von besonderem Interesse sind K-selektive Ionenkanäle von Insulin-sekretierenden Zellen (19). Der entscheidende biochemische Befund war, daß der Glucose-Stoffwechsel mit der Auslösung einer Membrandepolarisation durch Öffnung von K-Kanälen verbunden ist. Der K-Kanal wird durch intrazelluläres ATP gehemmt. Die intrazelluläre Glucose-Oxidation an den Mitochondrien führt zur Biosynthese von ATP. Dadurch werden die KATP-Kanäle geschlossen, was zur Depolarisation der Membran, zur Öffnung von Ca-Kanälen (Spannungs-abhängig vom L-Typ) und zur Erhöhung der intrazellulären Ca-Konzentration führt. Dadurch wiederum wird Insulin aus entsprechenden Vesikeln in den Extrazellulärraum freigesetzt.

Hemmer dieser ATP-sensitiven K-Kanäle sind die als orale Antidiabetika eingesetzten Sulfonylharnstoffe. Das vor kurzem eingeführte insulinotrope Antidiabetikum Repaglinid greift an anderer Stelle des K-Kanals an.

Agonisten (Öffner) der KATP-Kanäle der glatten Muskulatur wirken als Vasodilatatoren und Antihypertonika. Die Öffnung der K-Kanäle führt zur Blockade von Spannungs-abhängigen Ca-Kanälen und damit über eine Reduktion der intrazellulären Ca-Konzentration zu einer ähnlichen pharmakologischen Wirkung wie die Calciumantagonisten. Der klinische Wert der Kaliumkanal-Öffner der ersten Generation (Cromakalim, Levcromakalim, Pinacidil) ist noch gering aufgrund ihrer zu geringen Gewebeselektivität. Diazoxid aktiviert auch die ATP-sensitiven Kanäle der Insulin-sekretierenden Zellen und hemmt damit die Insulinsekretion. Es wird auch als Antihypoglykämikum eingesetzt. Minoxidil ist interessant geworden, weil es das Haarwachstum anregt (Hypertrichosis). Von Gewebe-spezifischen K-Kanal-Agonisten erhofft man sich Mittel gegen Asthma und Epilepsie. Retigabin, ein Antiepileptikum, soll neuronaleK-Kanäle selektiv öffnen.

Calcium-Kanäle

Auffallend ist die sehr niedrige intrazelluläre Ca-Konzentration. Die intrazelluläre Ca-Homöostase wird aufrechterhalten durch zwei Transportprozesse: die Ca2+/Mg2+-ATPase und das Na+/Ca2+-Austauschsystem, ein Antiport-System. Dieses Austauschsystem kommt in erregbaren und sekretorischen Zellen vor. Calciumionen nehmen in der Zelle wichtige regulatorische Funktionen wahr. Sie gehören zu den second messenger, das heißt sie sind an der Signaltransduktion beteiligt. Die Signaltransduktion verläuft über die Aktivierung von Ca-Kanälen (Einstrom von Ca).

Intrazelluläres Calcium liegt entweder in freier Form vor oder ist an saure Phospholipide der Membranen oder Proteine gebunden. Unter den Ca-bindenden Proteinen spielt das Calmodulin eine besondere Rolle. Die Freisetzung von Ca-Ionen aus den intrazellulären Speichern (vor allem endo- und sarkoplasmatisches Retikulum, Mitochondrien) wird durch den second messenger Inositoltriphosphat (IP3) moduliert.

Freie Calciumionen und Calmodulin regulieren in der Zelle wichtige Prozesse, so die Aktivitäten von Proteinkinasen, Phosphodiesterasen oder der Guanylat-Cyclase. Von den zellulären Prozessen, die auf diese Weise von Calcium reguliert werden, sind die Muskelkontraktion, die Neuro-transmitter- und Hormonsekretion aus intrazellulären Vesikeln oder die Aktivierung erregbarer Zellen (Herz-, Nervenzellen) von besonderer Bedeutung für die Wirkstoffentwicklung. Calciumionen beeinflussen auch die ZNS-Aktivität, wie aus Beobachtungen von hypercalcämischen Patienten mit mentalen Symptomen geschlossen wurde. Ein unkontrollierter Einstrom von Calciumionen, zum Beispiel über die anhaltende Stimulierung von Glutamat-Rezeptoren, führt zum Absterben der Zellen. Arzneistoffe können direkt oder indirekt (zum Beispiel über second messenger) die intrazelluläre Konzentration an freien Calciumionen durch Angriff an unterschiedlichen Targetstrukturen beeinflussen.

Innerhalb der Spannungs-abhängigen Ca-Kanäle werden mindestens drei Klassen unterschieden (L, N, T), die sich hinsichtlich Lokalisation sowie ihrer physiologischen und pharmakologischen Eigenschaften unterscheiden. Inzwischen sind die komplementären DNAs der Kanalproteine kloniert und exprimiert, so daß heute auch eine Klassifizierung auf molekularer (genetischer) Ebene möglich ist. Ca-Kanäle finden sich sowohl an der Zellmembran als auch an intrazellulären Membranen. Am Herzen finden sich vor allem Kanäle vom L- und T-Typ. Kanäle des N-Typs kommen im Nervensystem vor und spielen derzeit als Targetstrukturen für Arzneistoffe keine Rolle.

Die langsamen Ca-Kanäle vom L-Typ (L für long-lasting) sind durch langdauernde Aktivierung und große Transportkapazität gekennzeichnet. Sie werden bei höherem Schwellenpotential aktiv als die T-Kanäle (T für transient). Der Ca-Kanal vom L-Typ besteht aus fünf Untereinheiten (a1 212 kDa, a2 143 kDa, b 55 kDa, g 30 kDa und d 27 kDa). Die a-Untereinheiten zeigen starke Homologie zu den Na-Kanälen. Die a1-Untereinheiten von Herz- und Skelettmuskeln sind homolog, aber nicht identisch. Der Calciumflux wird durch Proteinphosphorylierung (a1, b) moduliert. Kanäle vom T-Typ sind in ihrer Struktur noch nicht näher charakterisiert (21).

Die in der Therapie eingesetzten "klassischen" Calciumntagonisten (23, 24) (Calciumkanal-Blocker) greifen am L-Typ an. Es kommt zu einer Hemmung des Ca-Fluxes in Herzmuskelzellen und depolarisierten glatten Muskelzellen und nachfolgend zur Blutdrucksenkung. Die grundlegenden elektrophysiologischen Untersuchungen wurden Ende der sechziger Jahre durch Arthur Fleckenstein durchgeführt. Die Calciumantagonisten greifen je nach chemischer Gruppe (Dihydropyridine: Nifedipin-Typ; Phenylalkylamine: Verapamil-Typ; Benzothiazepine: Diltiazem) an der a1-Untereinheit, aber an unterschiedlichen Bindungsstellen an.

Die einzelnen Calciumantagonisten unterscheiden sich durch ihre pharmakokinetischen Parameter, ihr Wirkungsprofil und die Lichtempfindlichkeit. Gewünscht wird eine höhere Gewebeselektivität. Problematisch kann ihre kardio-depressive (negativ inotrope und negativ chronotrope) Wirkung sein. Calciumantagonisten der zweiten Generation zeichnen sich durch eine höhere Gefäßselektivität aus. Im Vergleich zum Verapamil (=1) beträgt der Gefäß/Herz-Selektivitätsfaktor bei Nifedipin 14 bis 20, bei Nitrendipin 80, bei Felodipin 110 und bei dem besonders gefäßselektiven Nisoldipin 1500. Ein an Ca-Kanälen des ZNS angreifender Calciumantagonist ist das Nimodipin, das zur Prophylaxe und Therapie ischämischer neurologischer Defizite infolge zerebraler Vasospasmen zugelassen ist. Trotz zahlreicher klinischer Versuche hat sich Verapamil zur Behandlung psychiatrischer Erkrankungen bisher nicht durchsetzen können. Es sind auch Dihydropyridine bekannt, die als Aktivatoren (Öffner) der Kanäle wirken.

Bemerkenswert ist, daß Neuroleptika vom Diphenylbutylpiperidin-Typ (Haloperidol, Pimozid, Fluspirilin) neben ihrer Blockade der D2-Dopamin-Rezeptoren auch wirksame Hemmer der Ca-Kanäle vom Dihydropyridin-Typ sind. Inzwischen konnten weitere Substanzklassen erschlossen werden, deren Vertreter Ca-antagonistische Wirkungen besitzen, zum Beispiel Phenylbutylpiperidine, Indolizinsulfone und Benzothiazinone.

Die Calciumkanal-Antagonisten besitzen aufgrund ihrer Blockade Spannungs-abhängiger Ca-Kanäle eine negativ inotrope Wirkung. In Zusammenhang mit Struktur-Wirkungs-Untersuchungen in der Reihe der 4-Phenyl-dihydropyridine (Nifedipin-Typ) wurden auch einige Dihydropyridine gefunden, die antagonistisch wirken, also die Ca-Kanäle öffnen (BAY K 8644, ferner 4-(2-Pyridinyl)-dihydropyridine und 1H-Pyrrole vom Typ des FPL 64176). Es handelt sich um Agonisten des L-Typs. Diese Calciumagonisten sind allerdings als Inotropika nicht einsetzbar, da sie auch an den Ca-Kanälen der Gefäße angreifen und so zur Blutdruckerhöhung führen. Die agonistische Wirkung ist stark stereospezifisch. Zur Zeit bemüht man sich um die Entwicklung von Calciumagonisten zur Behandlung der Herzinsuffizienz ohne Blutdruckanstieg, sogenannte Calcium-Promotoren oder -Modulatoren.

Im Unterschied zu den "klassischen" Calciumantagonisten greift das 1997 zur Behandlung von Bluthochdruck und der koronaren Herzkrankheit zugelassene Mibefradil bevorzugt an Ca-Kanälen vom T-Typ an, mit einer etwa zehnfachen Selektivität für T-Kanäle gegenüber L-Kanälen. Als Tetralin-Derivat weicht Mibefradil auch strukturell von den anderen Calciumantagonisten ab. T-Kanäle werden von den klassischen Antagonisten nur schwach blockiert.

T-Kanäle sind vor allem in peripheren und koronaren Gefäßmuskelzellen, in kardialen Vorhofzellen sowie am Sinus- und AV-Knoten lokalisiert. Blocker wirken daher sowohl blutdrucksenkend als auch antiarrhythmisch. Die koronaren Gefäße werden erweitert. Mibefradil besitzt eine gewisse Ähnlichkeit zum Verapamil. Es soll weniger Nebenwirkungen haben als die klassischen Calciumantagonisten, wurde noch vor kurzem behauptet.

Aufgrund schwerwiegender Interaktionen mit anderen Arzneimitteln (Statine, Krebschemotherapeutika, Betablocker, verschiedene Antiarrhythmika, Ciclosporin und Tacrolimus) sind die Präparate im Juni 1998 in die Diskussion gekommen und inzwischen wieder vom Markt genommen. Die Interaktionen sollen mit einer Hemmung Cytochrom P450-abhängiger Enzyme der Biotransformation zusammenhängen und mit der Verdrängung von Stoffen aus der Plasmaproteinbindung.

In Zusammenhang mit den Diskussionen um Mibefradil ist natürlich die Frage nach weiteren T-Typ-selektiven Calciumantagonisten von Interesse. Schon länger auf dem Markt ist Flunarizin (Cinnarizin ohne Fluoratome), das als Calciumantagonist, Vasodilatator und Antihistaminikum zugelassen ist und vor allem zur Behandlung peripherer Durchblutungsstörungen und zur Migräneprophylaxe eingesetzt wird. Cinnarizin und Flunarizin gehören zu den sogenannten Calciumüberladungsblockern (calcium overload blockers), die bei Durchblutungsstörungen eingesetzt werden, deren therapeutischer Wert aber umstritten ist. Flunarizin ist ein T-Kanal sensitiver Blocker, beeinflußt aber auch Na-Kanäle. Vom Flunarizin leitet sich beispielsweise U-92032 ab, von dem ebenfalls eine selektive Hemmung von T-Kanälen beschrieben wird.

Zu einer Calciumüberladung der Zelle kommt es bei verminderter Sauerstoffzufuhr. Unter Sauerstoffmangel tritt verstärkt Glykolyse auf und damit eine pH-Senkung in der Zelle (Bildung von Milchsäure). Das induziert eine Freisetzung von Calciumionen an der Membranoberfläche, die dort an saure Phospholipide gebunden sind. Die erhöhte Konzentration an intrazellulärem Ca2+ löst wiederum einen K-Einstrom (Ca-induzierter K-Efflux) aus, der zur Depolarisation und nachfolgend zum verstärkten Ca-Einstrom (K-induzierter Ca-Efflux) führt. Die Calciumüberladung führt zum ATP-Verbrauch der hypoxischen Zelle und kann den Tod der Zelle nach sich ziehen.

Cotransporter

Bei einer Hemmung der Na-Pumpe durch die inotropen Steroide wird der dadurch steigende intrazelluläre Na-Level durch die Aktivierung des Na+/Ca2+-Austauschsystemsausgeglichen, wobei ein Ca-Ion im Austausch gegen drei Na-Ionen in die Zelle transportiert wird. Das führt zu einer steigenden Konzentration an freien Ca-Ionen in der Zelle.

Inzwischen sind auch Wirkstoffe bekannt, die das Na+/Ca2+-Austauschsystem direkt hemmen. Von ihnen verspricht man sich Arzneistoffe zur Verhinderung der Perfusionsschäden, bei denen es zu einem unkontrollierten Ca-Einstrom in die Zelle kommt.

Der Na+/H+-Austauscher (Na+/H+ exchanger, NHE) ist ein Antiporter, der intrazelluläre Protonen gegen extrazelluläre Na-Ionen austauscht. Er spielt aus diesem Grunde eine Rolle bei der Regulation des intrazellulären pH-Wertes sowie beim transzellulären Transport von Na+ und HCO3-. Zu einer Erhöhung des intrazellulären pH-Wertes kommt es bei pathophysiologischen Prozessen wie Ischämie und Reperfusionsschäden. Folge ist eine Aktivierung des Na+/H+-Austauschers, ein Anstieg der intrazellulären Na-Konzentration, der wiederum über das Na+/Ca2+-Austauschsystem zu einer Überladung der Zelle mit Ca-Ionen führt, was Dysfunktionen der Kontraktion der Herzmuskelzellen, Arrhythmien und schließlich den Zelltod zur Folge haben kann.

Vom NHE sind mindestens fünf verschiedene Isoformen bekannt. NHE-1 spielt eine Rolle bei der Pathophysiologie kardialer Ischämien und bei der Perfusion. Spezifische Hemmer von NHE-1, wie sie mit dem Cariporid aus der Gruppe der Benzoylguanidine entwickelt werden, könnten vor kardiotoxischen Prozessen schützen (25). Cariporid besitzt Ähnlichkeiten zum Amilorid, das ebenfalls den Na+/H+-Austauscher hemmt. Unter normalen Bedingungen soll Cariporid keinen Effekt auf den intrazellulären pH-Wert besitzen. Hemmer der Na+/H+-Austauscher werden auch als Antiarrythmika entwickelt.

Der gekoppelte Transport von Na+, K+ und 2 Cl- sorgt dafür, daß im aufsteigenden Ast der Henleschen Schleife ein großer Teil des in den Primärharn filtrierten NaCl elektroneutral rückresorbiert wird. Der Na+/K+/2Cl--Cotransporter wird durch Schleifendiuretika gehemmt. Klasse I-Inhibitoren (26) enthalten eine Carboxylgruppe (Furosemid, Bumetanid, Piretanid), Klasse II-Inhibitoren eine Sulfonylharnstoff-Gruppe (Torasemid). Ethacrynsäure, deren wirksamere Form das Cystein-Addukt ist, besitzt eine andere Bindungsstelle als die Sulfonamide. Aufgrund der weiten Verbreitung des Na+/K+/2Cl--Cotransporters werden Hemmer dieses Cotransporters auch als Arzneistoffe zur Behandlung von Asthma oder als Neuroprotektiva diskutiert (26). Der Chlorid-Transport wird auch durch die herzwirksamen Glykoside blockiert, was auf eine Beteiligung der Na+/K+-ATP-ase am aktiven Chlorid-Transport hinweist.

In der Schilddrüse ist ein Na+/I--Cotransporter für die spezifische Iodidaufnahme verantwortlich. Diese Iodidaufnahme wird durch andere Anionen wie ClO4- oder SCN- gehemmt, die deshalb als Thyreostatika wirken. Über die molekulare Struktur des Transportproteins ist bisher wenig bekannt.

Literatur:

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