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Wirkung des Benzodiazepins Midazolam auf die Dünndarmperistaltik des Meerschweinchens in vitro
(2002)
H. Wenderoth, M.K. Herbert, N. Roewer Klinik für Anaesthesiologie, Universität Würzburg, D-97080 Würzburg, Deutschland Ziel der Untersuchung: Benzodiazepine, wie z. B. das Midazolam, werden sehr oft zur Sedierung von Patienten auf Intensivstationen genutzt. Die Hemmung der gastrointestinalen Motilität ist eine beachtliche Nebenwirkung anderer Medikamente (z.B. Opioide), die der Analgosedierung dienen. Bisher ist über die Wirkung des Benzodiazepins Midazolam auf die intestinale Motilität nur wenig bekannt, insbesondere ob auch Midazolam zu einer Hemmung des Peristaltikreflexes führt. Methode: Dünndarmsegmente erwachsener Meerschweinchen wurden in Organbädern eingebracht und mit vorgewärmter Tyrode-Lösung kontinuierlich perfundiert (0.5 ml min-1). Die intraluminale Flüssigkeit, welche die Dünndarmsegmente passierte, konnte über ein Abflußröhrchen, dessen Niveau 4 cm über dem des Dünndarmsegments lag, abfließen. Sobald der intraluminale Druck einen bestimmten Schwellendruck erreicht hatte, wurde eine peristaltische Welle induziert, und die intraluminale Flüssigkeit aus dem Segment entleert. Eine Stimulation der Peristaltik zeigte sich in einer Senkung, eine Inhibition in einem Anstieg des Schwellendrucks. Eine komplette Hemmung zeigte sich in einem Fehlen peristaltischer Aktivität trotz eines intraluminalen Drucks von 400 Pa. Der zur Auslösung der peristaltischen Wellen nötige Schwellendruck wurde als Auswertungsparameter für die Effekte des Midazolams auf die peristaltische Aktivität herangezogen. Die Applikation des Midazolams in den verschiedenen Konzentrationen (1-100 µM) und der Trägersubstanz Tyrode wurden extraserosal die Organbäder gegeben, jeweils jedes an jedem Segment. Zur Aufklärung der Wirkmechanismen wurden selektive Antagonisten und Agonisten der vermuteten Substanzen in Kombination mit dem Midazolam appliziert. Ergebnis: Midazolam (1 µM) und Tyrode-Lösung (Trägersubstanz) hatten keinen Einfluss auf die Dünndarmperistaltik, wohingegen es zu einer signifikanten Erhöhung des Schwellendrucks nach Zugabe von 10 µM Midazolam kam. 100 µM Midazolam führte bei allen Segmenten zu einer kompletten Hemmung der Peristaltik. Die komplette Hemmung überdauerte die Untersuchungszeit von 60 Minuten, sie konnte jedoch durch Austausch der Tyrode-Lösung aufgehoben werden. Apamin (500 nM) und Naloxon (500 nM) antagonisierten die inhibitorischen Effekte des Midazolams auf die Peristaltik. Zusammenfassung: Unsere Ergebnisse zeigen, dass das kurzwirksame Benzodiazepin Midazolam die Dünndarmperistaltik dosisabhängig in vitro inhibiert und in hoher Dosierung eine komplette Hemmung der Peristaltik induziert. Unsere Untersuchung demonstrieren, dass die inhibitorischen Effekte des Midazolams auf die Peristaltik über Agonismus an kalzium-abhängigen Kaliumkanälen und endogenen opioidergen Mechanismen vermittelt werden. Auf diese Weise beeinträchtigt das Midazolam die propulsive Dünndarmmotilität vermutlich auch unter klinischen Bedingungen während der Anästhesie und Sedierung, wie z. B. bei Intensivpatienten.
Die akute Graft-versus-Host Disease (GvHD) und speziell ihre intestinale Manifestation ist eine schwere Komplikation der allogenen Stammzelltransplantation mit erheblichem Einfluss auf Mortalität und Morbidität der Patienten. Pathophysiologisch stellt sie eine Immunreaktion von Spender-T-Zellen auf Empfängergewebestrukturen dar. In Versuchsmäusen ist die experimentelle Depletion CD11c+ Antigen-präsentierender Empfängerzellen in der frühen GvHD-Effektorphase assoziiert mit einem schlechteren klinischen Outcome, einer höheren Dichte alloreaktiver T-Zellen und einer verstärkten Entzündungsreaktion in der intestinalen Mukosa. Ziel der Studie war eine umfassende Charakterisierung und systematische Einordnung der folglich GvHD-protektiven intestinalen CD11c+ Empfängerzellen. Bezüglich ihrer Oberflächenproteinsignatur analysierten wir die myeloiden Zellen der intestinalen Mukosa am Tag 6 nach allogener Stammzelltransplantation. Mittels durchflusszytometrischer Analyse und Vergleich zwischen gesunden, allein bestrahlten und GvHD-Mäusen ordneten wir die CD11c+ Empfängerzellen als Makrophagen ein und schlossen eine Identität als dendritische Zellen aus. In der Immunfluoreszenzmikroskopie wiesen wir ihre Kolokalisation mit allogenen T-Zellen nach und bestätigten darin eine PD-L1 Expression als möglichen T-Zell-Suppressionsmechanismus. Bezüglich ihres Transkriptoms führten wir eine Einzelzell-RNA-Sequenzierung intestinaler hämatopoetischer Empfängerzellen aus CD11c+ Zell-depletierten und nicht depletierten Mäusen durch. Auf rein bioinformatischer Grundlage wurden die Einzelzellen kombiniert und anhand ihrer Transkriptomprofile in Cluster eingeteilt. Der Vergleich beider Versuchsgruppen offenbarte zwei unterschiedliche präsente bzw. depletierte und damit GvHD-protektive Zellcluster: Cluster 4 enthielt Zellen mit deutlicher Makrophagensignatur und gewebeprotektivem, antipathogenem Effektorprofil, welches in Kombination mit weiteren Genen ein Kontinuum der in Homöostase vorhandenen Makrophagen nahelegte. Cluster 10 dagegen enthielt Zellen mit immun- und spezifisch T-Zell-suppressivem Effektorprofil, weniger deutlicher Makrophagensignatur und Ähnlichkeit zu myeloiden Suppressorzellen. Somit lieferte die Studie wichtige Hinweise auf einen Mechanismus der GvHD- bzw. T-Zell-Suppression und Gewebeprotektion in Form von physiologisch vorhandenen bzw. im Laufe der GvHD auftretenden Empfängermakrophagen.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der pathophysiologischen Bedeutung von Schwefelwasserstoff (H2S) und im Speziellen mit seiner Wirkung auf die intestinale Motilität und den zugrunde liegenden Mechanismen. In der gewählten in vitro-Versuchsvorrichtung wurden isolierte Darmsegmente des Meerschweinchens mit Flüssigkeit perfundiert. Dabei wurden der intraluminale Druck und die für die Auslösung der peristaltischen Kontraktion notwendige Druckschwelle aufgezeichnet. Die Untersuchungen zeigen, dass NaHS als H2S-Donor sowie die Synthesevorstufe L-Cystein die intestinale Peristaltik konzentrationsabhängig hemmen. Eine Beteiligung der Enzyme CSE und CBS an der endogenen H2S-Produktion im Ileum des Meerschweinchens konnte in den Versuchen nicht bestätigt werden. In den Versuchen vermochten Naloxon, Apamin und Glibenclamid die inhibitorische Wirkung von NaHS zu mindern, was auf eine Beteiligung von sowohl endogenen opioidergen Mechanismen, kalziumabhängigen als auch von ATP-abhängigen Kaliumkanälen schließen lässt. NaHS reduzierte die motilitätshemmende Wirkung von Midazolam, verstärkte jedoch die des exogen zugeführten Opioids Fentanyl. Dies legt Wechselwirkungen zwischen endogenem H2S und exogen zugeführter Pharmaka nahe.
Auf Intensivstationen wurden gastro¬intestinale Störungen als Risikofaktor für eine erhöhte Mortalität identifiziert. Etwa 80% der Patienten hatten nach einer Woche auf der Intensivstation gastro¬intestinale Störungen. Dies wird bedingt durch eine Vielzahl von unterschiedlichen Faktoren wie z.B. Abdominal-chirurgie, Verletzungen der Neuroachse, SIRS, Hypoxämie, Störungen der Wasser-Elektrolyt-Hämöostase oder Säure-Basen-Gleichge¬wichts sowie Gabe von Analgetika, Hypnotika, Katecholamine oder Clonidin. Daher stellt sich die Frage, welchen Einfluss Stressmediatoren auf das gastro¬intestinale Gleich-gewicht haben. In dieser Arbeit wird die Wirkung des Stressmediators (r/h)-CRF sowie natürlicher und synthetischer Agonisten und Antagonisten auf die Peristaltik des Meer¬schweinchen¬dünndarms untersucht. Des Weiteren werden Wechselwirkungen zwischen den Stressmediatoren und dem klinisch zur Sedierung von Intensivpatienten eingesetzten Benzodiazepin Midazolam untersucht. Die Experimente werden an Dünndarmsegmenten des Meerschweinchens in vitro durchgeführt, die kontinuierlich und gegen einen geringen Widerstand endoluminal mit Tyrodelösung perfundiert werden. In dieser Versuchsvorricht-ung wird in den Darmsegmenten ab einem bestimmten intraluminalen Druck (peristaltic pressure threshold, PPT) eine von oral nach aboral verlaufende peristaltische Kontraktionswelle ausgelöst und der Darminhalt ausgeworfen. Die Peptide werden extraserosal in das Organbad gegeben. Unter dem Einfluss der Agonisten ((r/h)-CRF, Stressin, Urocortin II) steigt die Δ PPT konzentrations¬abhängig auf große negative Werte an und es zeigt sich eine Stimulation der Peristaltik. Die Antagonisten (Astressin, NBI 27914, K 41498) hingegen lösen keine Modulation der Peristaltik aus. Durch die Vorbehandlung mit den Anta¬gonisten wird eine Unterbindung der agonistischen Wirkung versucht. Diese gelingt nicht. In Kombination mit Midazolam kann ein überraschender ad¬ditiv inhibitorischer Effekt der CRF-rezeptorselektiven Agonisten und Anta¬gonisten gezeigt werden. Die Wirkung von Astressin, welches gleich hohe Affinität für den CRF1- und CRF2-Rezeptor aufweist, hebt diejenige des Benzodiazepins partiell auf. Über die Signaltransduktion zur Induktion bzw. Inhibition der Peristaltik kann nur gemutmaßt werden. In Frage kommen einige Mechanismen, deren Zusammen¬spiel untereinander noch nicht geklärt ist. Zu diesen Mechanismen zählt der sogenannte „cross-talk“ der G-protein-gekoppelten Rezeptoren. Möglicherweise findet auch eine direkte Interaktion mit dem GABA-ergen Rezeptor statt. Es kommt im Weiteren zu einer Aktivierung der Adenylatcyclase, zur cAMP-Akkumulation, Kalziumfreisetzung und Kontraktion der glatten Muskula¬tur des Ileums. Ein anderer Mechanismus involviert die Acetylcholinsekretion. Dieses Molekül scheint jedoch eine entscheidende Rolle zu spielen. Denkbar sind einige, durch G-Proteine vermittelte allgemein bekannte Wege, z.B. über Interaktion mit Enzymen, Kalium- oder Kalziumkanälen oder die Genexpres¬sion. Letztlich hat Acetylcholin Auswirkungen auf die Peristaltik des Ileums und dessen Permeabilität. Ein direkt neuronal vermittelter Weg über den CRF1-Rezeptor führt ebenfalls zur Stimulation der Peristaltik. Neben diesen Bau¬steinen spielen noch andere biochemische Mechanismen eine Rolle wie z.B. die Rezeptorkonfiguration oder die Bindungseigenschaften des Ligandens in Abhängigkeit des peptidischen oder nichtpeptidischen Substanzcharakters.