Expression und Regulation aktiver Arzneimitteltransportproteine im Herzen

Das Herz- Kreislaufsystem ist Ziel vielfältiger medikamentöser Interventionen, wobei abhängig von therapeutischer Breite und gewünschtem Effekt des jeweiligen Arzneimittels eine für den einzelnen Patienten ideale Dosierung oft schwer zu finden bzw. vorherzusagen ist. Direkt kardial angreifende Substanzen, die oral eingenommen werden, unterliegen der Aufnahme im Darm und dem first-pass-effect in der Leber. Bei kritischen bzw. potenziell kardiotoxischen Substanzen werden zur Therapieoptimierung routinemäßig Serumspiegelbestimmungen durchgeführt. Eine intravenöse Gabe, etwa im Op. oder auf der Intensivstation macht die Wirkung vorhersagbarer, eliminiert jedoch trotzdem bei weitem nicht alle Variabilität, vor allem nicht bei schwer kranken Patienten. ABC (ATP binding cassette)-Transporter, die Substrate gegen ein Konzentrationsgefälle pumpen, können eine Ursache für individuell unterschiedliche Gewebespiegel bestimmter Arzneimittel sein. Primäres Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung des Vorkommens von Arzneimitteltransport im menschlichen Herzen als einer vorstellbaren Ursache einer variablen Wirkung von Arzneistoffen bei konstantem Serumspiegel. Einhergehend mit der Identifikation einzelner Transporter sollten daraufhin die Variabilität sowie regulatorische Einflussgrößen identifiziert werden, was sowohl krankheitsbedingte als auch genetische Ursachen einschließt. Da ABC-Transporter auch physiologische Substrate und somit Einfluss auf deren Wirkung haben sollte darüber hinaus geklärt werden, inwieweit eine kardiale Expression einzelner dieser Membranproteine nachgewiesen werden kann, um im Anschluss daran wiederum mit einem geeigneten Modell die Variabilität der Expression untersuchen zu können. Im Rahmen der kumulativ vorliegenden Arbeit wurden menschliche Herzgewebeproben auf Expression und Regulation von P-gp, MRP5, BCRP untersucht. Als Einflussgrößen für variable Expression wurden genetische sowie krankheitsabhängige Faktoren untersucht. Ausgehend von den Ergebnissen dieser Studien wurde im Anschluss ein Tierexperiment geplant, bei dem der Einfluss zweier Sepsismodelle auf die kardiale Transporterexpression im Mittelpunkt des Interesses stand. In Anbetracht der Vielzahl der bekannten ABC-Transporter ergeben sich entsprechende Mengen möglicher Angriffspunkte für eine individualisierte Arzneimitteltherapie, die eine Berücksichtigung von Genotyp und Krankheitszustand eines Patienten für eine möglichst ideale Dosierung zum Ziel hat. Im Rahmen der Abschätzung kardiotoxischer Nebenwirkungen in der Chemotherapie maligner Tumoren und bei der Herzinsuffizienz zeichnen sich Lösungen für die Praxis ab, bei denen ABC-Transportproteine eine Rolle spielen werden. Die Untersuchung möglicher Drug-Drug Interaktionen am Herzen, die für verschiedene Medikamente im Tierversuch bereits erfolgreich demonstriert werden konnten, wird in Zukunft an Bedeutung gewinnen, auch ohne auf spezielle individuelle Besonderheiten eingehen zu müssen. Zudem stellen Befunde zur Variabilität von Transportern körpereigener Substrate und deren Regulation im Rahmen pathologischer Ereignisse unter Umständen völlig neue therapeutische Angriffspunkte zur Verfügung. Im Hinblick auf die kardiale MRP5-Expression bleiben dafür jedoch entscheidende Fragen offen. Zwar ist die Fähigkeit von MRP5 zum Transport von cGMP unstrittig und in unserer Studie an isolierten Membranen aus menschlichen Vorhöfen auch nachgewiesen worden. Falls man MRP5 jedoch einen relevanten Beitrag zur Regulation des intrazellulären MRP5-Spiegels zugestehen möchte, müsste zuerst geklärt werden, wie sich die transportierte Menge cGMP zur in der gleichen Zeit abgebauten und synthetisierten Menge cGMP verhält. In jedem Falle können solche Untersuchungen allenfalls einen umschriebenen Beitrag zur Aufklärung der komplexen Vorgänge des Krankheitsbildes der Sepsis liefern, dessen Bedeutung im klinischen Alltag eher zunimmt. Schätzungen gehen von einem Anteil von 10% der akuten septischen Kardiomyopathie an allen Sepsistodesfällen aus. Aufgrund der immer unübersichtlicher werdenden Menge neuer Arzneimittel und therapeutisch eingesetzter Substanzen erscheint die Untersuchung auf deren jeweiliges Potenzial als Substrat für kardiale ABC-Transportproteine zwingend. Die in der vorliegenden Arbeit zusammengefassten Studien sollten Anlass dazu geben, dabei nicht nur auf oral aufgenommene, sondern auch intravenös verabreichte kardial angreifende Substanzen zu achten, deren therapeutische Breite eng bzw. deren kardiale Toxizität hoch ist. Vieles spricht dafür, dass die besprochene Problematik auch aus anästhesiologischer Sicht nicht auf interindividuelle Dosierungsunterschiede von Betablockern und Herzglykosiden als P-gp-Substraten sowie die septische Kardiomyopathie beschränkt bleiben wird.The cardiovascular system is target of a wide variety of drug interactions. Reactions to uniform doses of drugs for the individual patient are at times quite difficult to predict, despite constant serum levels. ABC (ATP binding cassette)-type transporters were shown to pump substrates against concentration gradients, thereby keep substrates out of tissues. The primary goal of the present thesis has been to identify ABC-type transporters present at the level of the heart, which may contribute to interindividual differences in tissue substrate levels for both externally applied drugs and substrates of the body itself like second messengers. Following the identification and localization of such transporters, the variability of its respective expression ought to be determined in both human and animal models of disease. The cumulative thesis investigates the ABC-type transporters P-glycoprotein (P-gp, MDR1), Multidrug Resistance Protein 5 (MRP5), and Breast Cancer Resistance Protein (BCRP). Contributing to their variable cardiac expression are environmental, disease-related, and genetic factors. Based on results from human cardiac tissue, animal models of septic shock were used to further investigate the underlying pathophysiology of cardiac transporter expression. Given the multitude of known ABC transporters, there are huge numbers of potentially different drug levels at the target site, which could be tools to individualize care if properly understood. In cancer patients, genotypes of ABC transporters are already employed to predict dose limitations with respect to cardiotoxicity. Moreover, drug interactions will gain further importance in light of recent findings at the organ level, which may enable healthcare providers to explain effect differences despite constant drug serum levels. With respect to internal substrates, an increased understanding of transport processess i.e. for cGMP potentially helps to guide therapy. However, the picture may be more complex, since looking only at a single organ like the heart cannot explain drug reactions of the whole body. Also, the contribution of drug transport would need to be weighted against concomitantly occurring synthesis and metabolism. Thus, the current findings do not explain septic cardiomyopathy, nor do they offer treatment options. Anyone interested in cardiac drug therapy should, however, be aware of transport processes, which may potentially limit access of compounds to its effect compartment. The present thesis helps to look not only at the gastrointestinal system, but to also at blood-organ barriers, especially since the scope of drugs involved may very well be beyond cardiac glycosides, beta blockers, and septic cardiomyopathy