I. Wenningmann¹, J.P. Dilger²

1) Klinik für Anästhesiologie und spezielle Intensivmedizin, Universitätskliniken Bonn.
2) Departments of Anesthesiology and Physiology and Biophysics, University at Stony Brook, Stony Brook, New York.

Die neuromuskuläre Endplatte ist eines der am besten untersuchten Beispiele einer chemischen Synapse. Trotzdem ist eine vollständige Beschreibung ihrer Inhibition durch nichtdepolarisierende Muskelrelaxantien (NDMR) wegen ihrere Komplexität bislang nicht möglich.

Teil dieser Komplexität ist die Tatsache, daß ein Equilibrium zwischen Neurotransmitter, NDMR und Acetylcholinrezeptor (AChR) nie erreicht wird. Während der neuromuskulären Erregung wird Acetylcholin (ACh) vom Motorneuron freigesetzt, diffundiert durch den synaptischen Spalt, bindet am AChR und öffnet den Kanal. Nachdem der Kanal sich wieder schließt, dissoziiert ACh vom Rezeptor ab und wird durch die Acetylcholinesterase hydrolysiert. Die Acetylcholinesterase ist eines der schnellsten Enzyme des Organismus. Es kommt kaum zu einer erneuten Bindung eines ACh-Moleküls am Rezeptor. Der ganze Vorgang ist in weniger als 1.5ms abgeschlossen. Die Synapse ist dann wieder für eine erneute Erregungsübertragung vom Nerven zum Muskel bereit.

NDMR inhibieren die Transmission an der neuromuskulären Endplatte durch Bindung am AChR. Es ist allgemein anerkannt, daß ihr Hauptmechanismus die kompetetive Inhibition an eine der beiden ACh Bindungsstellen am AChR ist. Beide Bindungstellen müssen durch ACh besetzt sein, um den Rezeptor zu öffnen. Die Bindung hingegen von nur einem NDMR Molekül reicht aus, um den Kanal am Öffnen zu hindern.

Wir haben uns die Fragen gestellt:
1. Wie schnell binden und dissoziieren NDMR am AChR?
2. Können diese Moleküle während einer neuromuskulären Erregung vom Rezeptor dizzoziieren?

Wir haben deshalb die Assoziations- und Dissoziation-Raten für die beiden NDMR Pancuronium und d-Tubocurarine am fetalen Maus AChR untersucht. Dafür haben wir ein neues 3 Kanülen Perfusionssystem konstruiert, das uns eine zeitlich gezielte Applikationen von NDMR und ACh an out-side out Patchen erlaubt. Um die Kinetiken des Wirkbeginns (kon) für NDMR am Rezeptor zu bestimmen, perfundierten wir die Patche für variable Zeitintervalle (10-1500 ms) mit dem Muskelrelaxanz und bestimmten dann den Strom nach Applikation von 100 µM ACh, um die Fraktion der freien Rezeptoren zu bestimmen. Um die Kinetiken des Wirkungsendes (koff) zu bestimmen, equilibrierten wir die Rezeptoren mit NDMR, perfundierten für ein bestimmtes Intervall mit NDMR freier Lösung und applizierten dann ACh.
Wir wiederholten dieses für verschiedene NDMR Konzentrationen. Die Raten der Wirkkinetik kon und koff wurden nach der Vorraussage des single-site Bindungs Modell berechnet; dieses beschreibt die stärker affinine der beiden NDMR Bindungsstellen.

Die Potenzen von Pancuronium and d-Tubocurarine unterscheiden sich hauptsächlich durch ihre unterschiedlichen Dissoziationsraten. Pancuronium ist 7 mal potenter als d-Tubocurarine (5 vs. 35 nM) und dissoziiert 5 mal langsamer als d-Tubocurarine (1.7 vs 8.5/s) vom Rezeptor. Die Dissoziationrate war für beide Medikamente konzentrationsunabhängig. Die Assoziationsrate für beide Substanzen ist nahezu diffusionslimitiert (ª2x108/M/s) [1]. The Raten für d-Tubocurarine sind 100-fach schneller als zuvor publizierte Werte [2]. Der Grund dafür mag in dem unvollständigen Lösungswechsel des von dem in der Untersuchung benutzen 2 Kanülen Perfusionssystem liegen.

Die Dissoziation von Muskelrelaxantien vom Rezeptor könnte zu langsam sein, um eine signifikante Rolle bei dem synaptischen Ereignis zu spielen. Zu beachten ist aber, daß unsere Experimente bei Raumtemperatur durchgeführt wurden. In vivo Kinetiken könnten erheblich schneller sein. Sowohl Diffusion als auch Gating des Kanals sind bei Körpertemperatur beschleunigt. Zudem ist zu erwarten, daß Substanzen mit einer niedrigeren Potenz schneller vom Rezeptor abdissoziieren als die von uns verwendeten NDMR. Deshalb werden weitere Substanzen bei Körpertemperatur und am menschlichen AChR mit untersucht.

Die kinetische Untersuchung des nikotinergen AChR hilft einerseits den Mechanismus der neuromuskulären Übertragung besser zu verstehen, zum anderen kann unsere Methode Beispiel für die Untersuchung von Medikament-Wirkkinetiken an andereren Ionenkanälen/Synapsen sein.

Literatur

1 Wenningmann I, Dilger JP: The kinetics of d-tubocurarine and pancuronium binding to nicotinic acetylcholine receptors. Anesthesiology. 1999; 91:A-1046
2 Bufler J, Wilhelm R, Parnas H, Franke C, Dudel J: Open channel and competitive block of the embryonic form of the nicotinic receptor of mouse myotubes by (+)-tubocurarine. J. Physiol. (Lond.) 495: 83-95, 1996.

Dr. med. I. Wenningmann
Klinik für Anästhesiologie und spezielle Intensivmedizin
Universitätskliniken Bonn
Sigmund Freud Str. 25
53105 Bonn