Die Wirkung unterschiedlicher Applikationsformen des Carboanhydrasehemmers Acetazolamid auf die hypoxische pulmonale Vasokonstriktion beim wachen Hund

Abstract

Die Hypoxische Pulmonale Vasokonstriktion (HPV) ist definiert als adaptive Antwort auf alveoläre Hypoxie, die zu einer Konstriktion der pulmonalen Gefäße führt. Die HPV ist ein physiologischer Prozess, der vor allem bei regionalen Lungenerkrankungen, wie z.B. Atelektasen, hilft, den Blutstrom in besser ventilierte Lungenareale zu lenken, um eine optimale Oxygenierung zu fördern und die venöse Beimischung zu verändern. Im Falle von globaler Hypoxie, wie zum Beispiel beim Aufstieg in Höhen über 2500 m über dem Meeresspiegel führt die HPV jedoch in weiten Arealen der Lunge zu einer Konstriktion der pulmonalen Arterien und zum Anstieg des pulmonalvaskulären Widerstands, was wiederum zu einer Verschlechterung der Oxygenierung führt. Eine akute Folge exzessiver HPV ist das Höhenlungenödem (HAPE), das bei raschem Aufstieg in Höhen über 2500 m über dem Meeresspiegel ohne Akklimatisierungsphasen innerhalb der ersten Tage auftritt. Bis heute sind die genauen zellulären Vorgänge, die zur HPV führen, nicht eindeutig geklärt. Die HPV wird nicht durch einen zentralen Mechanismus gesteuert sondern ist ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Faktoren auf der Ebene der Zellmembranen, der Organellen und des kontraktilen Apparates. Der Auslöser der HPV ist der verminderte alveoläre PO2. Bekannt ist, dass durch Kalziumströme von extrazellulär nach intrazellulär eine Depolarisation der pulmonalen arteriellen glatten Muskelzellen stattfindet. Möglicherweise hat auch die Carboanhydrase (CA), ein Enzym, das die Hydration/Dehydration von Kohlensäure im Wasser reversibel katalysiert, eine Bedeutung bei der Entstehung von HPV. Der erniedrigte PO2 in Höhen kann bei unzureichender Akklimatisierung zu Höhenkrankheiten führen. Zur Gruppe der Höhenkrankheiten gehören die akute Bergkrankheit (AMS- acute mountain sickness), das Höhenlungenödem (HAPE- high altitude pulmonary edema) und das Höhenhirnödem (HACE- high altitude cerebrale edema). Die genauen Ursachen für die Entstehung dieser Höhenkrankheiten sind unklar. Mittel der Wahl zur medikamentösen Behandlung des AMS ist Acetazolamid (Acz). Acz wird auch zur Prävention des AMS und zur Verbesserung der Akklimatisierung in Höhe empfohlen. Acz ist ein Carboanhydrasehemmer (CAI). Die CA ist ein Zinkmetallenzym, das die reversible Hydratation/Dehydratation von Kohlendioxid und die Dehydratation von Bikarbonat um das 107-fache beschleunigt. Erstmals fand Forwand 1968, dass Acz präventiv gegen AMS eingesetzt werden kann. Dieser Effekt scheint multifaktoriell bedingt zu sein und ist nicht vollständig geklärt. Emery et al. beschrieben 1977, dass Acz in isoliert-perfundierten Lungen die HPV inhibiert. Unsere Arbeitsgruppe konnte bei wachen, spontanatmenden Hunden mit 10 mg/kg Acz die HPV vollständig und mit 2 mg/kg teilweise blockieren. Ziel dieser Arbeit war es, die Wirkung von Acz in verschiedenen Applikationsformen auf die HPV an wachen Hunden unter akuter Hypoxie zu erforschen. Weiterhin sollte die Möglichkeit der Minimierung der Nebenwirkung bei der Verabreichung von Acz in unterschiedlichen Applikationsformen detailliert untersucht werden. Die tierexperimentellen Untersuchungen wurden an acht wachen und trainierten, weiblichen Beagle-Hunden durchgeführt. Untersucht wurden die Kontrollgruppe, sowie Versuchsgruppen mit Gabe von Acetazolamid intravenös (Acz iv, 2 mg/kg), Acetazolamid oral (Acz oral, 2 mg/kg) und Acetazolamid inhalativ (Acz inhalativ, 750 mg). Die Tiere atmeten spontan über einen Respirator eine Stunde Raumluft (FiO2 = 0,21 Normoxie), gefolgt von zwei Stunden Hypoxie mit einer FiO2 von ca. 0,1 (Hypoxie I und II), was ungefähr vergleichbar mit 5000 Höhenmetern ist. Es wurde untersucht, welche der Darreichungsformen von Acz mit geringstmöglicher systemischer Wirkung einhergeht, folglich die geringsten Nebenwirkungen aufweist bei gleichzeitiger Hemmung der HPV. In der Kontrollgruppe kommt es zu einem Anstieg des MPAP sowie des PVR, was der physiologischen Antwort auf Hypoxie mit Ausbildung der HPV entspricht. In den Protokollen mit Acz iv und inhalativ kam es zu keinem Anstieg des MPAP und des PVR. Die Wirkung der intravenösen Gabe wurde bereits in früheren Veröffentlichungen unserer Arbeitsgruppe bestätigt. Die hemmende Wirkung der oralen Applikation konnte in dieser Arbeit nicht bestätigt werden. Die gemessenen hämodynamischen Parameter (HF, MAP, SVR, HZV) sind in allen Versuchsprotokollen während der Normoxie annähernd gleich. Die niedrigen Acz-Plasmaspiegel der Versuchsgruppe mit Acz inhalativ, im Vergleich zu denen der Versuchsgruppen mit Acz iv und oral, bei gleichzeitiger stärkerer Wirkung im Vergleich zur Versuchsgruppe mit Acz oral, belegen eine lokale Wirkung des Acz im pulmonalen Gefäßsystem durch die inhalative Applikation. Die orale Einnahme von Acz wird derzeit für die Prävention von AMS und zur verbesserten Adaption in Höhenregionen empfohlen. Die Ergebnisse unserer Arbeitsgruppe zeigen jedoch, dass eine intravenöse oder inhalative Applikation eine bessere Wirksamkeit aufweist. Die Untersuchung dieser Arbeit zeigt, dass Acz einen MPAP- und PVR-Anstieg verhindert, folglich die HPV hemmt.

The hypoxic pulmonary vasoconstriction (HPV) is defined as the adaptive answer to alveolar hypoxia which leads to pulmonary vasoconstriction. The HPV is a physiological process which directs the bloodflow, in case of regional lung disease e.g. atelectasis, in better ventilated area to improve the oxygenation. In case of global hypoxia e.g. in altitude above 2500m the HPV leads to a constriction of pulmonary arteries throughout the whole lung and results in a raise of pulmonary vascular resistence which impairs the oxygenation. Acute consequense of excessive HPV is the high altitude pulmonary edema (HAPE), which occurs within days after fast ascent to altitudes above 2500m. The cellular mechanism leading to HPV are still not clear. The HPV is not actuated by a central mechanism, it is a complex interplay of different factors in cellmembrane, organelles and contractile apparatus. Trigger for the HPV is a reduced alveolar PO2. which induces calcium currents from intra to extracellular which lead to depolarisation of the pulmonary artery smooth muscle cells (PASMC). Possibly the carbonic anhydrase (CA), an enzyme catalyzing the reversible hydration of carbonic acid in water, takes part in the formation of HPV. The reduced PO2 in case of inadequate acclimatization may lead to high altitude diseases. Part of these are the acute moutain sickness (AMS), the high altitude pulmonary edema (HAPE) and the high altitude cerebrale edema. The exact causes for formation of high altitude diseases are still not clear. Drug of choice for medicinal therapy of AMS is acetazolamide (Acz). It is recommended for prevention of AMS and for improving the acclimatization. Acz is a carbonic anhydrase inhibitor. The CA in a zinc metall encym, which accelerates by 107 times the reversible hydration of carbon dioxide and dehydration of bicarbonate. 1968 Forwand first discovered that Acz can be used to prevent AMS. It seems to be a multifactorial effect and is still not clarified. Emery et al. described 1977, that Acz inhibits HPV in isolated-perfused lungs. In previous studies we showed a complete inhibition of HPV in conscious, spontaniously breathing dogs with 10mg/kg Acz and a partial inhibition with 2mg/kg Acz. This study aimed to determine the effect of different forms of administration of Acz on the HPV in conscious, spontaniously breathing dogs during acute hypoxia. Further we invastigated the possibility for minimizing side-effects of different application forms in detail. Eight conscious, trained, female beagle-dogs were invastiged in four protocolls. The protocols were as follows: protocol 1: controls given no Acz, protocol 2: Acz infused intravenously 2mg/kg ( Acz iv), protocol 3: Acz oral 2mg/kg (Acz oral), protocol 4: Acz inhalation 750mg (Acz inhalation). The dogs spontanioulsy breathed one hour normoxic air ( FiO2= 0,21) followed by two hours of hypoxia (hypoxia I and II, FiO2 = 0,10) which is compareble to an altitude of 5000m. We invastigated which adminitration form of Acz showed the lowest possible systemic effect swhile inhibiting the HPV. In controls the physiological effect of increasing mean pulmonary artery pressure(MPAP) and pulmonary vascular resistence(PVR) which is expression for HPV formation was seen. In protocols with Acz iv and Acz inhalation there was no increase in MPAP and PVR. In this study the inhibiting effect of Acz oral could not be confirmed. The measured hemodynamic parameters (heart rate, mean arterial blood pressure, systemic vascular resistence, cardiac output) were approximatley identical. In protocols with Acz inhalation comparatively lower plasma levels have been seen while better inhibiting effect in comparision to the protocols with Acz oral. This confirms a local effect of inhaled Acz in the pulmonary vascular system. At present the oral application of Acz is recommended for prevention of AMS and for improving the acclimatization in altitude. The results of our study show a better effect of intravenous or inhaled application. Further this study shows an inhibition of HPV by Acz.