A study of potassium channel activation as a pharmacological principle for vasodilation of cerebral blood vessels

Abstract

Increasing [K+]o is intimately coupled to progressive ischemia and reduced CBF. In isolated cerebral and mesenteric arteries, it was found that significant differences in the vascular responses to [K+]o exist. Among the species studied, human cerebral arteries were the most sensitive artery to increasing [K+]o. Rabbit basilar arteries, denuded from the endothelium, showed increased sensitivity to [K+]o which may reflect a reduced influence of EDHF as a result of the endothelial damage. This increased sensitivity could be restored with the KATP channel opener pinacidil. It was found that the effect of pinacidil in human and rabbit cerebral but not in mesenteric arteries, on K+-induced contractions, was stronger in endothelium-denuded cerebral arteries than in arteries with intact endothelium. In rabbit basilar arteries KRN2391 induced a consistent relaxation in arteries pre-contracted with endothelin-1. The nitrate-like effect of KRN2391 demonstrated in other preparations was not seen in the present study. It was concluded that in rabbit basilar arteries, KRN2391 induced a cGMP-independent relaxation, which is mediated mainly by opening of KATP channels. KRN2391 was found to be an equally effective vasodilator in both human pial and omental arteries. Similar to rabbit basilar arteries the KRN2391- induced relaxation in human pial arteries was mediated entirely by activation of the KATP channel. This relaxation appeared to be independent of both KATP channel activation and guanylate cyclase in the omental artery. KATP channel opening resulted in a more effective vasodilation of human pial than of omental arteries. The opposite was true for stimulation of guanylate cyclase with the NO-donor SIN-1. It is concluded that KATP channel activation may be a promising therapeutic principle for cerebral vasodilation and for preventing cerebral ischemia.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Stroke är en heterogen sjukdom som inkluderar främst hjärninfarkt samt hjärn- och hjärnhinneblödningar från sprucken pulsåderbråck. Stroke är den tredje största dödsorsaken i industriländerna efter hjärtinfarkt och cancer. Varje år drabbas t.ex. i USA cirka 700 000 personer av stroke och runt 230 000 av dessa är fatala. Behandlingsmöjligheterna är trots framsteg på senare år begränsade. Av avgörande betydelse för att kunna utveckla nya läkemedel mot stroke, är kunskaper om sjukdomens mekanismer. Dessa mekanismer vid stroke inkluderar fallerande jon pump funktion, syntes och frisättning av fria syre- radikaler, exitatoriska neurotransmitter, vävnadslaktacidos och nedsatt mikrocirkulation. Senare års forskning har fokuserats kring kvävemonoxid, trigementala peptider, endotelin samt kaliumkanaler. Generellt beror hjärnischemi av ett tillstånd då blodflödet ej räcker till för att upprätthålla cellulära funktioner. Detta har karaktäriserats av tillstånd med minskat arteriellt blodflöde, vävnadshypoxi, anaerob glykolys, minskad tillgång till substrat, kvarvarande restprodukter efter ischemisk metabolism (som mjölksyra) och nedsatt eller frånvaro av cellulära funktioner. Den ischemiska tröskeln varierar med typen av ischemi och metoderna för att bestämma blodflödet. I princip har man beskrivit två olika nivåer; en för elektrisk- och en för jonpump dysfunktion. Det regionala cerebrala blodflödet är normalt c:a 50ml/100g hjärnvävnad /minut. När blodflödet faller till runt 16 - 18 ml/100g/min reflekteras detta i isoelektrisk EEG. Om blodflödet faller under denna nivå minskas kontrollen av jonflödet över cellmembranen och vid blodflöden nära 10ml/100mg/min nås ett andra tröskelområde då ett massivt cellulär utflöde av kaliumjoner inleds och cellen går mot irreversibel celldöd.



Kunskapen om hur kalium påverkar artärer från olika delar i kroppen och i olika species har dock varit begränsad och försvårade tolkningen av kärlsvar efter kaliumökningar i blodet eller tillförsel av syntetiska kaliumkanal- öppnare. I det första arbetet studeras systematiskt den kärlsammandragande effekten, av stigande kaliumjon-koncentration på hjärnkärl (cerebrala kärl) och blodkärl från magtrakten (mesenteriella eller oment kärl), i olika species inklusive humana blodkärl. Resultaten visar att hjärnblodkärl från människa, kanin och råtta är mycket känsliga för relativt små ökningar i kaliumjon-koncentrationen. I detta avseende förelåg en påtaglig skillnad mellan cerebrala mesentäriella/oment artärer och särskilt i humana kärl. Studien talar för att kaliumjonkoncentrationen skulle kunna vara av särskild betydelse för uppkomsten av kärlkramp vid akuta hjärnsjukdomar.



I hjärnans blodkärl styr till stor del de glatta muskelcellerna blodflödet och blodtrycket, genom att dra ihop sig eller relaxera. De glatta muskelcellerna påverkas av en lång rad faktorer. En av dessa är endotelets funktion. Endotelet är beläget på insidan av blodkärlet och utgör en viktig kontaktyta mellan blodet och den underliggande glatta muskulaturen. Speciellt endotelets roll har stått i fokus sedan 1980- talet då man beskrev att endotelet efter stimulering med acetylkolin kunde vidga blodkärl. Denna relaxation har föreslagits vara medierade av frisättningen av en relaxerande faktor som kallades "Endothelium- Derived Relaxing Factor” (EDRF). Denna beskrevs 1987 att primärt bestå av kvävemonoxid (NO) och en prostaglandin som heter prostacyklin. 1988 beskrevs även en annan faktor som frisätts från endotelet och som relaxerar den glatta muskulaturen. Denna faktor verkar genom att hyperpolarisera den glatta muskelcellen och genom att på detta sätt ändra membranpotentialen över cellmembranen i den glatta muskulaturen hindras kalciumjoner att flöda in i cellen vilket i sin tur leder till att kärlväggen vidgas. Denna hyperpolariserande faktor kallades “Endothelium-Derived Hyperpolarizating Factor” (EDHF). EDHF har ej exakt kunnat identifierats men det har föreslagits att EDHF åstadkommer sin hyperpolarisation genom att öppna kaliumkanaler och relaxation blir följden.



Kärlendotelet är ofta skadat vid kärlsjukdomar i hjärnan. I delarbete II studeras kärlendotelets modulerande effekt på kaliuminducerad kärlsammandragning i cerebrala blodkärl från kanin. Känsligheten för kaliumjonkoncentrationen befanns vara påtagligt förstärkt i blodkärl utan endotel jämfört med intakta blodkärl. Denna förhöjda känslighet kunde normaliseras med en syntetisk kaliumkanalöppnare, pinacidil. Den dämpande effekten av endotelet föreslås beror på bildning av EDHF. I några djurexperimentella studier har man provat kaliumkanalöppnare för att behandla eller förhindra ischemi efter hjärnhinneblödning med goda resultat. Effekten av kaliumkanalöppnarna i in-vitro (laboratorie) studier uppvisade skillnader från de som visats med kalciumkanalblockare som nimodipin, eller G-proteinberoende agonisten iloprost, vilka vidgar kärl oberoende av den funktionella, muskulära eller endoteliella integriteten. Den terapeutiska framgången hos cerebrala vasodilaterare beror till stor del på hur specifik dess effekt är till det affekterade kärlområdet. Om systemiska blodkärl – stora blodkärl runt om i kroppen - till stor del vidgas finns risk för sk “steal”-effekter där blodperfusionen till det infarkterade området minskas ytterligare till fördel för frisk vävnad.



Den syntetiska kaliumkanalöppnaren pinacidil undersöktes vidare på kaliuminducerad vasokonstriktion i arbete III i cerebrala och mesenteriella blodkärl från kanin och humana hjärnkärl (piala kärl). Betydelsen av ett intakt kärlendotel för regional selektivitet belystes. Resultaten visar att den inhibitoriska effekten av pinacidil är mer uttalad i cerebrala än i mesenteriella blodkärl och att denna skillnad förstärks då endotelet avlägsnats från blodkärlen.



I delarbete IV och V studeras den vasodilaterande effekten av KRN2391 på cerebrala och mesenteriella blodkärl. Denna substans är känd för att fungera både som en kaliumkanalöppnare och som en donator av kvävemonoxid. I arbetet visas att KRN2391 är en effektiv dilaterare av cerebrala blodkärl och att denna effekt helt och hållet kan förklaras av substansens förmåga att öppna kaliumkanaler. Vid en jämförelse av den vasodilaterande effekten av en ren kaliumkanal-öppnare med den av en ren kvävemonoxiddonator kunde konstateras att den förstnämnda farmakologiska principen är mer verksam i cerebral än i mesenteriella blodkärl, medan det omvända tycks gälla för den sistnämnda.



Den typ av kaliumkanalöppnare eller aktiverare som studerats, reagerar på relationen ATP:ADP i cellen. ATP är cellernas energikälla, som vid förbrukning omvandlas till ADP. Vid cerebral ischemi sjunker ATP och ADP stiger, p.g.a. att substrat (som glukos) och syre ej i tillräcklig mängd tillförs cellerna. Då ADP ökar, ökar således också effekten av denna typ av kaliumkanalöppnare, vilket kan ses som en sorts “patologisk selektivitet”. Nyligen publicerade studier om olika typer av ATP/ADP-känsliga kaliumkanalöppnare indikerar att det är möjligt att finna sådana med selektivitet till olika delar av det vaskulära trädet i kroppen. Detta ökar hoppet om att finna kaliumkanalöppnare som inte bara är selektiv till det affekterade kärlområdet utan också till cerebrala kärl och på så sätt erbjuda en möjlighet att selektivt behandla eller förhindra kärlkramp med infarkt som följd efter t.ex. hjärnhinneblödning.

• author: Ryman, Torsten
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: docent Ahlner, Johan, Linköpings Universitet.
• organization: Division of Clinical Chemistry and Pharmacology
• publishing date: 1999
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Medicinal Chemistry; Pharmacology and Toxicology
• keywords: Pharmacological sciences, cerebral arteries, Cerebral ischemia, Potassium channel openers, vascular endothelium, EDHF, KRN2391, KATP, Pinacidil, pharmacognosy, pharmacy, toxicology, Farmakologi, farmakognosi, farmaci, toxikologi
• pages: 140 pages
• defense location: University hospital of Lund
• defense date: 2000-01-14 09:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MECF - 1046 - SE
• ISBN: 91-628-3890-3
• language: English
• LU publication?: yes
• id: a58da1be-75de-4ffa-b09d-b7507c1d23cf (old id 40167)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:44:14
• date last changed: 2018-11-21 21:06:53