Lægemidlers usynlige spor
Iskæmi og Alzheimers sygdom kan måske behandles med stoffer, som blokerer for bestemte receptorer i hjernen. Men det er svært at måle effekten af blokerende stoffer, fordi de ikke fremkalder elektriske signaler i nervecellerne. Alligevel er det muligt at afdække de usynlige spor.
Af Henrik Tang Vestergaard og Uffe Kristiansen.
Fra Lægemiddelforskning 2003
Organismens nerveceller kommunikerer med hinanden ved at frigive og modtage kemiske signalstoffer. Stofferne virker ved at binde sig til specifikke receptorer, der sidder i modtagercellens ydre membran.
Receptorerne er typisk store proteiner, og de er angrebspunkt for det meste af nutidens medicin. Derfor er det vigtigt at forstå samspillet mellem receptorer og lægemiddelstoffer, når vi udvikler nye lægemidler.
For at et signalstof kan påvirke en receptor, skal det først binde sig til den. Efter bindingen stimulerer signalstoffet receptoren, og det skaber en reaktion i cellen. Nogle lægemiddelstoffer kan stimulere receptoren på nøjagtigt samme måde.
Andre lægemiddelstoffer bindes til receptoren uden at stimulere den. Deres virkning består i at blokere adgangen for stimulerende signalstoffer, og på den måde hindrer de aktivering af receptoren og dermed af cellen. Da de blokerende lægemiddelstoffer ikke stimulerer receptoren og således ikke giver sig til kende, må deres virkning studeres på indirekte vis - nemlig ved at måle deres evne til at blokere virkningen af stimulerende stoffer.
Vi er især interesseret i effekten af blokerende lægemiddelstoffer, fordi de er aktuelle i behandling af neurologiske sygdomme som iskæmi og Alzheimers sygdom. Sygdommene er kendetegnet ved, at visse receptorsystemer i hjernen bliver overstimuleret som følge af en øget frigivelse af hjernens egne signalstoffer.
Behandling med blokerende lægemiddelstoffer vil kunne hindre signalstofferne i at få adgang til receptorerne og dermed standse eller dæmpe overstimuleringen af nervecellerne.
Stof og receptor
Når et stimulerende lægemiddelstof har bundet sig til en receptor, aktiveres receptoren ved, at den ændrer sin rumlige struktur, hvilket påvirker funktionerne i resten af cellen.
De strukturelle ændringer efter binding af et stimulerende lægemiddelstof studeres lettest på receptorer, der indeholder en ionkanal. Ioner er ladede molekyler, som forekommer i forskellig koncentration i cellens indre og ydre miljø.
En ionkanal i hvile er lukket, men når receptoren aktiveres, åbner kanalen sig, så ioner kan passere gennem åbningen. Bevægelsen af de ladede ioner skaber en elektrisk strøm, som kan måles med elektrofysiologiske teknikker.
- Figuren viser, hvordan den elektrofysiologiske opstilling bruges til at måle effekten at et stimulerende lægemiddelstof på receptorer med ionkanaler.
Opstillingen kan også anvendes til at måle, hvor effektivt et blokerende lægemiddelstof hæmmer virkningen af det stimulerende stof. Ved den type forsøg opløses de to stoffer i hver sin væskestrøm.
Elektrofysiologiske målinger
Målingerne foretages med et specielt måleudstyr, som består af en meget lille glaselektrode, der er forbundet til en fintfølende forstærker og en computer. Ved at skabe kontakt mellem glaselektroden og en nervecelle, er det muligt at måle strømændringer som følge af lukninger eller åbninger af ionkanaler i cellen.
Man kan også måle på strømmen gennem et mindre stykke af nervecellens membran ved hjælp af en endnu mere raffineret teknik. Efter at have skabt kontakt mellem glaselektroden og cellemembranen, kan man langsomt trække et meget lille stykke membran ud af cellen svarende til en diameter på en tusindedel millimeter.
De små membranstykker kan indeholde fra en enkelt til flere tusinde ionkanaler, hvilket gør det muligt at studere detaljerede egenskaber af en enkelt isoleret ionkanal eller de overordnede egenskaber af adskillige ionkanaler under samme eksperimentelle forhold. En yderligere fordel ved metoden er, at man kan undersøge hurtige vekselvirkninger mellem lægemiddelstoffer og receptorer.
Lynhurtige væskeskift
Når nerveceller i den levende organisme frigør deres signalstoffer, er stofferne kun til stede ved receptorerne i få tusindedele af et sekund, inden de fjernes igen.
Receptorerne opfanger signalet uden problemer, fordi ionkanalerne åbner og lukker sig inden for en tusindedel af et sekund. For at kunne efterligne de naturlige processer eksperimentelt, er det nødvendigt at kunne tilføre og fjerne signalstoffer og lægemiddelstoffer lige så hurtigt, som det sker i organismen.
I eksperimenterne tilføres eller fjernes et lægemiddelstof ved at udskifte væsken omkring cellens membran, hvor receptorerne sidder. Ved at begrænse den elektriske måling til et lille stykke cellemembran frem for en hel celle, reduceres den overflade, hvor væsken skal udskiftes, og så kan man lettere opnå et hurtigt væskeskrifte fra én opløsning til en anden.
De lynhurtige væskeskift frembringes ved at anvende et lille glasrør, der er forbundet til en piezoelektrisk krystal. Røret er opdelt i to kanaler ved hjælp af en meget smal glasvæg. Den ene kanal indeholder en opløsning bestående af et blokerende lægemiddelstof opløst i næringsvæske, mens den anden kanal indeholder en opløsning af et stimulerende lægemiddelstof opløst i den samme næringsvæske. Begge opløsninger flyder ud af røret som to adskilte og parallelle væskestrømme.
Elektroden med det lille stykke cellemembran placeres først i væskestrømmen fra den ene kanal. Herefter udskiftes væsken omkring det lille stykke cellemembran ved hurtigt at flytte glasrøret, så elektroden med cellemembranen rammes af væskestrømmen fra den anden kanal.
Glasrøret bevæges ved hjælp af den piezoelektriske krystal, som udfører små og meget hurtige bevægelser, når den tilføres en elektrisk spænding. Krystallens præcise bevægelser gør det muligt at skifte hurtigt og effektivt mellem to forskellige opløsninger. Når væskeskiftet bevirker en åbning eller lukning af de membranbundne ionkanaler, kan ændringen i den elektriske strøm måles direkte i glaselektroden.
At se det usynlige
- Strømspor af et stimulerende stof; samspillet mellem et stimulerende og et blokerende stof; plus målinger af, hvor hurtigt det blokerende stof fjernes fra receptoren.
Den beskrevne eksperimentelle opstilling kan umiddelbart bruges til at studere vekselvirkninger mellem stimulerende lægemiddelstoffer og receptorer. Det er dog mere omstændeligt at måle effekten af blokerende lægemiddelstoffer, som er interessante i forbindelse med behandling af iskæmi og Alzheimers sygdom.
De blokerende stoffer stiller særlige krav, fordi de ikke stimulerer receptorerne og ikke frembringer strøm gennem ionkanalerne. Derfor er det nødvendigt at studere stoffernes egenskaber indirekte ved hjælp af deres hæmning af et stimulerende stofs aktivering af receptoren.
Efter målingerne gennemføres en matematisk sammenligning af det stimulerende stofs effekt, når det er alene, og når det er under påvirkning af et blokerende stof. På den måde kan man beregne, hvordan og i hvor høj grad det blokerende stof påvirker receptoren.
Det er altså muligt at afdække den skjulte vekselvirkning mellem receptorer og blokerende lægemiddelstoffer. Studier af de usynlige spor kan hjælpe med til at forstå mekanismerne bag blokerende lægemiddelstoffers effekt, hvilket gør det muligt at designe stoffer med den ønskede virkning på de specifikke receptorer, som er involveret i neurologiske sygdomme.
