In addition to their anaesthetic and analgesic actions, opioids also play an important role as endogenous neurotransmitters by modulating organ function. Despite these findings, the direct local effects of opioids on the cardiovascular system have not been fully understood yet. The present study was designed to test the hypothesis that the cardiac endogenous opioid system, including three opioid agonists, μ-, κ- and δ-agonist and their receptors, participate in the regulation of sympathetically- and parasympathetically- mediated cardiovascular responses, and in particular the nicotine-mediated vegetative neurotransmission. Materials and Methods: A Langendorff heart perfusion model was established using adult male Sprague-Dawley rats. Then the following protocols were carried out: 1. Investigate the basic cardiovascular responses of three opioid-agonist subtypes: μ-, κ- and δ-agonist (referring to DAMGO, U50488H and DPDPE, specifically). 2. Investigate cardiac responses to the three opioid agonists in presence of norepinephrine (NE), with or without an antagonist (naloxone). 3. Investigate cardiac responses of the three opioid agonists in presence of acetylcholine (ACh), with or without an antagonist (naloxone). 4. Investigate cardiac responses of the three opioid agonists in presence of nicotine; for DAMGO and U50488H, experiments were also performed with the antagonists naloxone or norbinaltorphimine (nor-BNI). The haemodynamic indices, including heart rate (HR), left ventricular end-systolic pressure (LVESP) and end-diastolic pressure (LVEDP), positive and negative maximum instantaneous pressure changes (dP/dt max, dP/dt min) were continuously monitored and digitally recorded. Results: Different opioid agonists demonstrated similar cardiac dose-response trends. However, at each highest concentration, DAMGO(10-7M) did not yield a significant decrease in all the haemodynamics indices, U50488H(10-5M) significantly decreased HR (14.6±4%) and dp/dtmax (29.3±6.5%), while DPDPE (10-6M) significantly decreased dp/dtmax (13±3.6%) and dp/dtmin (17±5.2%). Compared with NE (5x10-8M) alone, except HR in DAMGO group, the maximum decreases of all parameters in the three opioid agonist groups in the presence of NE reached statistical significance (p<0.05). Also, addition of naloxone blocked the cardiac effects of DAMGO and DPDPE in the presence of NE. In contrast, effects of U50488H were only partially antagonized: HR and dp/dtmax still decreased significantly in the presence of naloxone (p<0.05). In groups pretreated with ACh, the opioid receptor agonists DAMGO, U50488H and DPDPE also demonstrated similar negative inotropic effects in a dose-related fashion. DAMGO and U50588H significantly decreased the LVESP, dp/dtmax, and dp/dtmin at the highest concentration (p<0.05). DPDPE decreased the same variables at concentrations higher than 10-8M (p<0.05). Only U50488H exerted negative chronotropic effects at 10-5M (p<0.05), while the heart rate was unchanged with DAMGO and DPDPE. Moreover, naloxone inhibited the effects of DAMGO (10-7M) and DPDPE (10-6M) in the presence of ACh. However, the modulation of ACh effects on the heart rate by U50488H was not blocked by naloxone. In the last protocol, administration of nicotine 10-4M (n=4), an agonist at the nicotinic acetylcholine receptor of intracardiac vegetative ganglia, yielded the following changes in cardiac hemodynamic variables (expressed as % change to baseline values): 0.02% of heart rate (p>0.05), 14.7%, 17.4% and 22.3% by LVESP, dp/dtmax and dp/dtmin, respectively (all p<0.05 ). Addition of nicotine (10-4M) also partly reversed the depressive effects of corresponding opiate agonists in DAMGO(10-6M) and DPDPE(10-6M) hearts, as shown in LVESP, dp/dtmax and dp/dtmin measurements (p<0.05), whereas no significant effect of nicotine was seen in the U50488H group (p>0.05). In the DAMGO group, nicotine still exerted significant positive cardiac effects in combination of DAMGO with naloxone (p<0.05). Paradoxically, the κ-opioid antagonist, nor-NBI (5×10-5M) did not block the inhibitory effect of U50488H, but markedly enhanced the depressive effect of U50488H on heart rate (p<0.05). Conclusion: Our results demonstrate that, in term of cardiac inhibitory effects, opioid receptor agonists are associated with the depression of cardiac function when applied alone (only δ- and κ-agonist) or in combination with transmitters of the autonomous nervous system. Our data also implicate that the effects of µ- and δ-agonists may be transmitted via opioid receptors. However, for κ-opioid receptor agonists, this cannot be definitely stated. These results in a denervated heart demonstrate that apart from a previously described preganglionic localisation and action, opioid receptors must also be located and act either on the postganglionic neurons within the heart or the cardiomyocytes. Further studies are required to further specify the target cells of direct opioid effects on the heart and to clarify the potential mechanisms in more detail.
Opioide spielen zusätzlich zu ihrer anästhetischen und analgetischen Wirkung auch eine wichtige Rolle als endogene Neurotransmitter, welche die Organfunktion beeinflussen. Trotz dieser Erkenntnis sind die direkten lokalen Wirkungen von Opioiden auf das kardiovaskuläre System bis heute nicht vollständig untersucht. Die vorliegende Studie überprüft daher die Hypothese, dass das kardiale endogene Opioidsystem mit den 3 Opioidagaonisten, μ-, κ- and δ-Agonist und deren Rezeptoren bei der Regulation der sympathisch und parasympathisch vermittelten kardiovaskulären Reaktionen eine Rolle spielen. Dabei wurden insbesondere auch die über nikotinische Rezeptoren vermittelten vegetativen Signalwege untersucht. Material und Methoden: Ein isoliert perfundiertes Herzmodell nach Langendorff unter Verwendung ausgewachsener männlicher Sprague-Dawley Ratten wurde etabliert. Die folgenden Protokolle wurden angewendet: 1. Untersuchung der grundsätzlichen kardialen Wirkungen der drei Opioidagonistsubtypen: μ-, κ- and δ-Agonist (also DAMGO, U50488H und DPDPE). 2. Untersuchung der kardialen Reaktionen auf die drei Opioidagonisten in Gegenwart von Noradrenalin (NE) mit oder ohne den Antagonisten Naloxon. 3. Untersuchung der kardialen Reaktionen auf die drei Opioidagonisten in Gegenwart von Acetylcholin (ACh) mit oder ohne den Antagonisten Naloxon. 4. Untersuchung der kardialen Reaktionen auf die drei Opioidagonisten in Gegenwart von Nikotin; für DAMGO and U50488H, wurden zusätzlich Experimente mit den Antagonisten Naloxon oder Norbinaltorphimin (nor-BNI) durchgeführt. Die hämodynamischen Parameter Herzfrequenz (HR), linksventrikulärer entwickelter Druck (LVESP) und end-diastolischer Druck (LVEDP) sowie Maximum und Minimum der Druckanstiegsgeschwindigkeit (dP/dt max, dP/dt min) wurden kontinuierlich überwacht und digital aufgezeichnet. Ergebnisse: Verschiedene Opioidagonisten induzierten ähnliche kardiale Dosis-Wirkungsbeziehungen. Allerdings bewirkte DAMGO auch in der höchsten Dosis (10-7M) keine signifikanten Reaktionen in den Parametern der Herzfunktion. U50488H(10-5M) reduzierte signifikant die HR (14.6±4%) und dp/dtmax (29.3±6.5%), während DPDPE (10-6M) signifikant dp/dtmax (13±3.6%) and dp/dtmin (17±5.2%) reduzierte. Verglichen mit NE (5x10-8M) allein bewirkten alle Opioidagonisten in Gegenwart von NE eine signifikante Reduktion aller Herzfunktionsparameter mit der Ausnahme der HR unter DAMGO. Auch blockierte die Zugabe von Naloxon die kardialen Wirkungen von DAMGO and DPDPE in Gegenwart von NE. Im Gegensatz dazu wurden die Wirkungen von U50488H nur teilweise aufgehoben: HR and dp/dtmax waren auch in Gegenwart von Naloxon noch signifikant vermindert (p<0.05). In Herzen die mit ACh perfundiert waren zeigten die Opioidagonisten DAMGO, U50488H and DPDPE ebenfalls ähnliche dosisabhängige negativ inotrope Wirkungen. DAMGO and U50588H reduzierten signifikant LVESP, dp/dtmax und in der höchsten Konzentration auch dp/dtmin (p<0.05). DPDPE reduzierte diese Parameter bei Konzentrationen über 10-8M (p<0.05). Allein U50488H zeigte eine negativ chronotrope Wirkung bei 10-5M (p<0.05), während die HR unter DAMGO and DPDPE unverändert blieb. Naloxon hemmte die Wirkungen von DAMGO (10-7M) und DPDPE (10-6M) in Gegenwart von ACh. Dagegen wurde die Modulierung der Wirkung von ACh auf die HR durch U50488H von Naloxon nicht gehemmt. Im letzten Protokoll induzierte die Perfusion mit Nikotin 10-4M (n=4), einem Agonisten an den nikotinischen ACh-Rezeptoren in intrakardialen vegetativen Ganglien folgende Änderungen der Parameter der Herzfunktion (angegeben als prozentuale Veränderung gegenüber Ausgangsbedingungen): HR, 0.02% (p>0.05), LVESP, dp/dtmax und dp/dtmin,14.7%, 17.4% und 22.3% (für alle p<0.05 ). Nikotin (10-4M) hemmte auch teilweise die kardiodepressiven Wirkungen der Opioidagonisten DAMGO (10-6M) and DPDPE (10-6M) auf LVESP, dp/dtmax und dp/dtmin (p<0.05), während Nikotin in der U50488H-Gruppe keine signifikante Wirkung hatte (p>0.05). In der DAMGO-Gruppe hatte Nikotin auch in der Kombination mit Naloxon noch positive inotrope Wirkung (p<0.05). Überraschenderweise blockierte der κ-Opioidantagonist nor-NBI (5×10-5M) nicht die hemmende Wirkung von U50488H auf die Chronotropie sondern verstärkte deutlich die hemmende Wirkung von U50488H auf die HR (p<0.05). Schlussfolgerungen: Unsere Ergebnisse zeigen, dass Opioidrezeptoragonisten allein und in Kombination mit den Transmittern des vegetativen Nervensystems die Herzfunktion beeinträchtigen. Die Ergebnisse mit Naloxon implizieren, dass die Wirkungen der µ- and δ-Agonisten über Opioidrezeptoren vermittelt sind. Für den κ-Opioidagonisten kann dies jedoch nicht sicher bestätigt werden. Diese in einem denervierten Herzen gewonnen Ergebnisse zeigen, dass Opioidrezeptoren außer in den früher beschriebenen präganglionären Lokalisationen auch in postganglionären Neuronen im Herzen oder direkt in Kardiomyozyten exprimiert und wirksam sein müssen. Weiterführende Untersuchungen sind erforderlich, um die Zielzellen der direkten Opioidwirkungen am Herzen genauer zu identifizieren und die potentiellen Mechanismen dieser Wirkungen im Detail aufzuklären.
