Effects of carbamazepine, gabapentin and amitriptyline on the excitability of dorsal horn neurons of the rat

Die vorgelegte Arbeit zeigt die Wirkungen der Antiepileptika Carbamazepin und Gabapentin sowie des Antidepressivum Amitriptylin auf Ionenkanäle von Hinterhornneuronen der Laminae I-III unter Zuhilfenahme der Patch-Clamp-Technik. Die untersuchten Neuronen stammten aus einem Dünnschichtpräparat (200µM Dicke) des Rückenmarks junger (2-8 Tage alter) Ratten. Im Rahmen der Patch-Clamp-Technik wurden sowohl Untersuchungen in der Whole-Cell-Methode als auch am isolierten Soma durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass Carbamazepin, Gabapentin und Amitriptylin Wirkungen in der Whole-Cell-Methode an spannungsabhängigen Natriumkanälen sowie an verzögert aktivierenden Kaliumkanälen besitzen. Für Carbamazepin sowie für Amitriptylin konnten mit Hilfe der Soma-Isolation halbmaximale Blockierungskonzentrationen von 156,4 +- 16,3 µM bzw. 4,8 +- 0,9 µM für die spannungsabhängigen Natriumkanäle errechnet werden. Die Blockade der verzögert aktivierenden Kaliumkanäle gelant mit einer einer halbmaximalen Blockierungskonzentration von 607 +- 49,3 µM für Carbamazepin bzw 8,3 +- 1,4 µM für Amitriptylin. Gabapentin zeigte in Dosierungen bis 3mM keine relevanten Effekte für spannungsabhängige Natriumkanäle bzw. verzögert aktivierende Kaliumkanäle am isolierten Soma. Alle Wirkstoffe beeinflussten die Generierung von einzelnen Aktionspotenzialen und reduzierten ausgeprägt die Feuerrate von tonically-firing-Neuronen. Aufgrund unserer Untersuchungen wird der schmerzlindernde Effekt von Gabapentin bzw. die Reduktion von tonically-firing-Neuronen nicht durch eine Blockade von spannungsabhängigen Natriumkanälen bzw. verzögert aktivierenden Kaliumkanälen an Neuronen der Laminae I-III hervorgerufen. Die im Rahmen unserer Arbeit ermittelten effektiven Konzentrationen von Carbamazepin und Amitriptylin sind zwar höher als die bekannten Liquorkonzentrationen dieser Wirkstoffe, trotzdem ist eine Beteiligung der Hinterhornneurone in der Schmerzmodulation nicht auszuschließen, weil bereits in niedrigeren Konzentrationen die Feuerrate der tonically-firing-Neurone reduziert wurde.The current study investigated the effects of carbamazepine, gabapentin and amitriptyline on slices of lumbar spinal cord from young rats using the patch-clamp technique for the very first time. Our investigations revealed the following results. Carbamazepine, gabapentin and amitriptyline affected the conductance of voltage-gated sodium channels and delayed rectifier potassium channels in the whole-cell-configuration. With the use of soma-isolation, we were able to calculate the half-maximal blocking concentrations of carbamazepine and amitriptyline on voltage-gated sodium channels to be 156.4 ± 16.3 µM and 4.8 ± 0.9 µM, respectively. The half-maximal blocking concentrations on delayed rectifier potassium channels were found to be 607 ± 49.3 µM for carbamazepine and 8.3 ± 1.4 µM for amitriptyline, respectively. High concentrations of gabapentin were found to have only a slight influence on voltage-gated sodium or on delayed rectifier potassium channels in the soma-isolation. All drugs tested affected the excitability of neurons to generate a single spike and showed a notable reduction in the excitability of tonically-firing neurons. Based on our study, the antinociceptive effect of gabapentin can not be explained by inhibiting voltage-gated sodium channels or delayed rectifier potassium channels. The effective concentrations for carbamazepine and amitriptyline found in the present study are higher than the values published on the effective cerebrospinal fluid concentrations of these drugs. However, since these drugs already affected the excitability of the tonically-firing neurons at low concentrations, the present findings might have an influence on pain modulation in the dorsal horn neurons