Das Zusammenspiel von Stickstoffmonoxid und Kaliumkanälen in der zerebrovaskulären Reaktion auf gesteigerte Kaliumkonzentrationen: eine in-vitro Studie

Abstract

Kalium und Stickstoffmonoxid (NO) werden als mögliche Vermittler neurovaskulärer Kopplung diskutiert. Die extrazelluläre Kaliumkonzentration ([K]e) im Gehirn verändert sich situationsabhängig: Die basale [K]e liegt bei 3 mM, bei neuronaler Erregung steigt die Konzentration auf 12 mM, in pathophysiologischen Situationen auf > 60 mM. Hierbei verändert sich der zerebrale Blutfluss (z.B. Blutfluss-Anstieg nach neuronaler Erregung). NO ist ein kurzlebiger Vasodilatator, der von NO Synthasen (NOS) produziert wird. NO ist im Gehirn für die Aufrechterhaltung eines basalen, vaskulären Tonus relevant und spielt eine Rolle als Vasodilatator in verschiedenen Situationen (z.B. permissive Rolle von NO bei der Vermittlung der zerebrovaskulären Reaktion auf Azidose). In der vorliegenden Arbeit wurde die Interaktion von Stickstoffmonoxid und Kaliumkanalfamilien bei der zerebrovaskulären Reaktion auf veränderte Kaliumkonzentrationen untersucht. Experimentelles Modell war die isolierte A. cerebri media der Ratte. Die Ergebnisse zeigen, dass kumulative Steigerung von [K]e zu einer Gefäßdilatation in physiologischen Bereichen (20 mM) führt, die bei pathophysiologischen Konzentrationen (80 mM) verschwindet. Bei (unspezifischer) NOS Blockade zeigt sich keine Änderung der Gefäßreaktion auf 12 und 20 mM [K]e, die Reaktion auf > 40 mM [K]e wird jedoch inhibiert. Dasselbe Ergebnis zeigt sich bei Blockade der löslichen Guanylatcylcase (sGC). Es zeigt sich eine Abhängigkeit der Vasodilatation bei pathohysiologischen [K]e von NO/zyklischem Guanosin Monophosphat (cGMP). Bei Substitution eines basalen NO Spiegels unter NOS Inhibition kann die Gefäßdilatation bei 40 mM [K]e wiederhergestellt werden. NO/cGMP hat hier die Rolle eines Modulators. Bei Blockade einzelner Kaliumkanalfamilien zeigt sich nach KIR-Blockade eine Inhibition der Reaktion auf 20 mM [K]e. Die weiteren Gefäßreaktionen bleiben unbeeinflusst. Bei kombinierter Blockade unterschiedlicher Kaliumkanalfamilien zeigt sich bei Blockade von einwärts- Gleichrichter Kaliumkanälen und ATP-abhängigen Kaliumkanälen (KIR und KATP) bzw. dreifach kombinierter (KIR, KATP, Calcium-abhängige Kaliumkanäle (KCa)) und vierfach kombinierter (KIR, KATP, KCa, Spannungsabhängige Kaliumkanäle (KV)) Kaliumkanalblockade eine Reduktion der Reaktion auf 40 mM [K]e. Zusammengefasst zeigt sich ein Wechsel des Mechanismus der Gefäßdilatation auf gesteigerte [K]e abhängig von der Höhe von [K]e. NO/cGMP ist von zentraler Bedeutung für die Aufrechterhaltung der Vasodilatation bei pathophysiologischen [K]e und spielt dabei die Rolle eines Modulators. Für die Vermittlung der Gefäßreaktion auf physiologische [K]e spielt NO/cGMP keine erkennbare Rolle. Hier wird die Gefäßdilatation ausschließlich über KIR vermittelt. Die Gefäßreaktion auf 40 mM [K]e lässt sich nicht durch Inhibiton einzelner Kaliumkanalfamilien, jedoch durch kombinierte Inhibition mehrerer Kaliumkanalfamilien vermindern. Dies stellt möglicher Weise einen Kompensationsmechanismus in pathophysiologischen Situationen dar. Die Ergebnisse tragen zum Verständnis der Mechanismen der Gefäßdilatation in physiologischen und pathophysiologischen Situationen mit veränderten [K]e bei. Dies ist von Relevanz für die Pathophysiologie der Cortical Spreading Depression und Cortical Spreading Ischaemia (CSD und CSI), die ein mögliches Korrelat verzögerter Vasospasmen nach Subarachnoidalblutung (SAB) darstellen, sowie für das Verständnis grundlegender Mechanismen neurovaskulärer Kopplung. Des Weiteren bilden diese Ergebnisse die Grundlage für weitere Studien zur Interaktion unterschiedlicher Kaliumkanalfamilien und des NO/cGMP Systems bei erhöhten [K]e, die einen zentralen Mechanismus physiologischer und pathophysologischer zerebrovaskulärer Reaktionen darzustellen scheint.

Nitric Oxide (NO) and Potassium are discussed as important parts of the mechanisms of neurovascular coupling. Cerebral extracellular Potassium concentrations [K]e depend on functional situtations in the brain. Basal [K]e are around 3 mM but [K]e inceases to 12 mM with neuronal activity and above 60mM in pathophysiological situations. This goes together with changes in cerebral bloodflow (Increase with neuronal activity etc.). NO is a shortliving bioradical that is produced by NO synthases (NOS). Vasodilation by NO is essential in many situtations in the brain (maintaining basal vascular tone, modulation of cerebrovascular reaction to acidosis etc.). The experiments presented here adressed the question of the role of NO and potassium channels in the cerebrovascular reaction to increased [K]e. The experiments were performed using the model of the isolated middle cerebral artery. The results show that increasing [K]e leads to vasodilation at 20 mM that vanishes at 80 mM. With NOS Inhibiton vasodilation to 20 mM does not change but vasodilation to > 40mM turns into vasoconstriction. The vasodilation by NO can be inhibited by blocking Soluble Guanylate Cyclase (sGC). By substituting a basal NO level during NOS Inhibition the vasodilation at 40 mM is restored. This shows a permissive role of NO in potassium dependent vasodilation at [K]e > 40 mM. Vasodilation at 20mM [K]e is exclusively mediated via the inward rectifier potassium channel (KIR). At [K]e > 40 mM inhibition of isolated potassium channel families does not reduce vasodilation. However, combined inihibtion of potassium channel families leads to a significant reduction of vasodilation at 40 mM. The results show that the mechanism of vasodilation to increased [K]e changes depending on the amount of increase in [K]e. While at physiological [K]e vasodilation is mediated via KIR at pathophysiological [K]e NO/cGMP related mechanisms play an important role in maintaining vasodilation and different potassium channel families seem to have the ability to compensate for each other. These findings are important in understading the mechanisms of potassium related vasoreaction which possibly has a major contribution to vasodilation occurring with neuronal activity and the pathophysiological mechanisms behind clinical and experimental phenomenons like Cortical Spreaing Depression/Cortical Spreading Ischaemia (CSD/CSI). It also stresses the need for further studies regarding the interaction between NO and potassium channels at high [K]e to further understand their role in maintaining blood flow in pathophysiological situations.