Die Wirkung von N-Methyl-Acetazolamid auf pulmonale, renale und endokrine Regulationsmechanismen unter Hypoxie

Abstract

Akute Hypoxie aktiviert physiologische und bzw. oder pathophysiologische Mechanismen der Lunge, der Niere und des endokrinen Systems. Ein Abfall des alveolären Sauerstoffpartialdrucks unter 50 mmHg führt zu hypoxischer pulmonaler Vasokonstriktion. Obwohl dieser Mechanismus unter Normoxie (FiO2 0,21) möglicherweise das Ventilations-Perfusions-Verhältnis verbessert, bedeutet er unter globaler Hypoxie – wie z.B. in großen Höhen (über 2500 m) – keinen Vorteil und bewirkt einen Anstieg des pulmonal-arteriellen Drucks und des pulmonal-vaskulären Widerstands. Darüber hinaus kann es infolge einer renalen und endokrinen Malregulation zu einer Flüssigkeitsretention kommen. Diese Prozesse können zum akut lebensbedrohlichen Krankheitsbild des Höhenlungenödems führen. Deshalb könnte ein verbessertes Verständnis der Pathophysiologie dieser Erkrankung sowie die Identifizierung einer effektiven und nebenwirkungsarmen Prophylaxe die Sicherheit beim Aufstieg in große Höhen verbessern. In einem vorangegangenen Projekt unserer Arbeitsgruppe konnte nachgewiesen werden, dass die kontinuierliche intravenöse Gabe von 2 mg/kgKG/h des Carboanhydrase-Inhibitors Acetazolamid bei akuter Hypoxie den Anstieg des pulmonal-arteriellen Drucks und des pulmonal-vaskulären Widerstands verhindert. Eine gesteigerte Ventilation aufgrund der Carboanhydrase- Inhibition sowie eine durch Acetazolamid induzierte systemische und intrazelluläre pH-Wert-Änderung waren dort als zugrundeliegende Mechanismen ausgeschlossen worden. Des Weiteren war durch den Einsatz des intrazellulären Carboanhydrase-Inhibitors Ethoxolamid und des extrazellulären Carboanhydrase- Inhibitors Benzolamid – die beide die hypoxische pulmonale Vasokonstriktion nicht beeinflussten – wahrscheinlich, dass die Wirkung von Acetazolamid unabhängig von der Carboanhydrase-Inhibition ist. Vor diesem Hintergrund wurde in der vorliegenden Arbeit das modifizierte Acetazolamid-Molekül N-Methyl- Acetazolamid eingesetzt. In diesem Molekül wurde die Carboanhydrase- inhibierende funktionelle Gruppe – die Sulfonamid-Gruppe – durch eine Methyl- Gruppe blockiert. In Voruntersuchungen der mit uns kooperierenden Arbeitsgruppe um Larissa Shimoda wurde gezeigt, dass N-Methyl-Acetazolamid den Hypoxie-bedingten Ca2+-Einstrom in den pulmonal-arteriellen glatten Muskelzellen unterdrückt. Das Ziel dieser Arbeit war es, die Wirkung von N -Methyl-Acetazolamid auf pulmonale, renale und endokrine Regulationsmechanismen am wachen, spontan-atmenden Hund (in vivo) zu untersuchen. Dabei interessierte uns vor allem die Wirkung von N-Methyl- Acetazolamid auf die hypoxische pulmonale Vasokonstriktion. Wenn die hypoxische pulmonale Vasokonstriktion mittels N-Methyl-Acetazolamid inhibiert würde, wäre bestätigt, dass die Wirkung von Acetazolamid unabhängig von der Hemmung der Carboanhydrase ist. Die Untersuchungen erfolgten in vier dreistündigen Versuchsprotokollen (1. Kontrolle, 2. Acetazolamid 2 mg/kgKG als Bolus und 2 mg/kgKG/h, 3. N-Methyl-Acetazolamid-low-dose 250 mg als Bolus und 5 mg/kgKG/h, 4. N-Methyl-Acetazolamid-high-dose 10mg/kgKG als Bolus und 10 mg/kgKG/h) an neun wachen, trainierten weiblichen Beagle-Hunden (Alter 1-2 Jahre). Die Verabreichung der Medikamente in den Interventionsversuchen erfolgte intravenös. Die Hunde atmeten in allen Versuchen spontan über einen Respirator: in der ersten Versuchsstunde Raumluft (Normoxie) und in den Versuchsstunden zwei und drei ein hypoxisches Gasgemisch (Hypoxie I und II). Als wir N-Methyl-Acetazolamid in der niedrigen Dosis (s.o.) einsetzten, konnte keine Hemmung der hypoxischen pulmonalen Vasokonstriktion beobachtet werden. Dennoch zeigten die Einzeldaten in der Tendenz einen schwächeren pulmonal- arteriellen Druckanstieg. Aus diesem Grund folgte eine Versuchsreihe mit 10 mg/kgKG/h N-Methyl-Acetazolamid intravenös. Diese höhere N-Methyl- Acetazolamid-Dosis beeinflusste tatsächlich die hypoxische pulmonale Vasokonstriktion, konnte sie aber nicht wie Acetazolamid vollständig unterdrücken. Da N-Methyl-Acetazolamid durch Methylierung der Sulfonamid- Gruppe seine Carboan-hydrase-inhibierende Wirkung verliert, trat keine Wirkung auf die renale und endokrine Funktion unter Hypoxie auf. Eine mögliche Erklärung für die verbesserte Wirkung von Acetazolamid im Vergleich zu N -Methyl-Acetazolamid liefern Untersuchungen von Aamand et al., die nachwiesen, dass die Carboanhydrase auch die Umwandlung von Nitrit zu Stickstoffmonoxid katalysiert. Beim Einsatz von Acetazolamid scheint nämlich die Hydratation von Kohlenstoffdioxid gehemmt, gleichzeitig aber die Umwandlung von Nitrit zu Stickstoffmonoxid begünstigt zu werden. Diese Beobachtungen bieten neue Ansätze, die Wirkung von Acetazolamid auf die hypoxische pulmonale Vasokonstriktion zu erklären. Untersucht werden sollte daher in einem zukünftigen Projekt, ob unter Einsatz von Acetazolamid ein höherer Stickstoffmonoxid-Gehalt in der Ausatemluft und intravasal nachweisbar ist. Erste Voruntersuchungen zu diesem Thema an Kaninchen sind vielversprechend.

AIM: The present study aims to determine whether n-methyl-acetazolamide – an acetazolamide analogue lacking carbonic anhydrase inhibitory activity - inhibits hypoxic pulmonary vasoconstriction in vivo as suggested by studies in isolated pulmonary artery smooth muscle cells. Additionally, the effects of n -methyl-acetazolamide on renal and endocrine regulatory mechanisms were explored. METHODS: Nine conscious beagle dogs (female, 14 ± 0,5 kg, age 1-2 years ) were exposed to one hour of normoxia (FiO2 0.21), followed by two hours of hypoxia (FiO2 0.1) during spontaneous ventilation without treatment (controls) or with simultaneous administration of either n-methyl- acetazolamide low dose (250 mg bolus and 5 mg/kg/h i.v. continuously), n -methyl-acetazolamide high dose (10 mg/kg bolus and 10 mg/kg/h i.v. continuously), or acetazolamide (2mg/kg bolus, 2 mg/kg/h i.v. continuously). Systemic and pulmonary hemodynamics were recorded. Arterial blood gas analysis and an analysis of renal and hormonal parameters were performed at the end of each hour (animal protection committee approval No. 0084/04). RESULTS: During hypoxia mean pulmonary artery pressure increased (p < 0.05 vs. normoxia, ANOVA) by 7 ± 0.8 mmHg in controls, by 4 ± 1.0 mmHg with n-methyl- acetazolamide low dose, and by 3 ± 0.9 mmHg with n-methyl-acetazolamide high dose, but did not increase with acetazolamide (1 ± 0.2; n.s.). No effect of n -methyl-acetazolamide on renal or endocrine regulatory mechanisms during hypoxia was recorded. CONCLUSION: N-methyl-acetazolamide attenuates hypoxic pulmonary vasoconstriction, but is less effective than acetazolamide. It is possible that the greater effect of acetazolamide on hypoxic pulmonary vasoconstriction in vivo reflects an additional function of the carbonic anhydrase. Aamand et al. presented a study in 2009 showing that the carbonic anhydrase also catalysis the generation of nitric oxide from nitrite and that the administration of acetazolamide blocks the hydration of carbon dioxide but not the dehydration of nitrite. Thus the generation of the vasodilating nitric oxide from nitrite is increased. This might explain the more effective attenuation of HPV after the administration of acetazolamide.