Působení léčiv na úrovni iontových kanálů a transportních bílkovin

Působení léčiv na úrovni iontových kanálů a transportních bílkovin prof. MUDr. Miloslav Kršiak, DrSc. Ústav farmakologie 3. LF UK, Praha Souhrn Kršiak M.. Remedia 2014; 24: 486 490. V předcházejících číslech tohoto časopisu bylo probráno působení farmak na úrovni receptorů nebo enzymů. Tento článek je zaměřen na působení farmak na dalších dvou důležitých místech, a to na iontových kanálech a transportních bílkovinách (transportérech, přenašečích). V této oblasti je mnoho nových poznatků rozptýlených v mnoha časopisech, které dosud nebyly souborně, přehledně a srozumitelně publikovány z hlediska klinika. Článek o to usiluje. Probírá úlohu iontových kanálů a transportérů typu ABC nebo SLC v terapeutických účincích mnoha klinicky významných farmak (např. blokátorů vápníkových kanálů, lokálních anestetik, antiepileptik, digoxinu, inhibitorů protonové pumpy, antidepresiv, některých antidiabetik aj.). Klíčová slova: iontové kanály ABC SLC mechanismy působení léčiv. Summary Krsiak M. Effects of drugs at the level of ion channels and transporters. Remedia 2014; 24: 486 490. In recent issues of this journal, two review articles were published focused on drug effects on receptors and enzymes. This article is focused on the effects of drugs on two other important sites, on ion channels and ion and molecule transporters. A plethora of new findings on this topic have been published and distributed in many journals. An article reviewing these findings comprehensively, but concisely and clearly in a way convenient for a busy clinician is lacking. The present paper attempts to provide such a review. It reviews the role of ion channels and ABC and SLC transporters in the therapeutic effects of many important drugs (e.g. calcium channel blockers, local anaesthetics, anticonvulsants, digoxin, proton pump inhibitors, antidepressants, some antidiabetics). Key words: ion channels ABC transporters SLC transporters mechanism of action of drugs. Úvod V předcházejících číslech časopisu Remedia byly probrány mechanismy působení farmak na úrovni receptorů [1] nebo enzymů [2]. Zde se stručně zaměříme na působení mnoha klinicky významných farmak na dalších dvou důležitých místech, a to na iontových kanálech a transportních bílkovinách (transportérech, přenašečích). Receptory, enzymy, iontové kanály, přenašeči představují čtyři nejčastější místa, cíle primárního působení většiny farmak. Všechny jsou bílkovinné povahy, často vzájemně spolupůsobí, takže primární zásah, působení léčiv např. na úrovni receptorů, může následně vést k ovlivnění iontových kanálů, enzymů apod. Jde o velmi složité systémy, jejich výzkum intenzivně pokračuje s použitím molekulárněbiologických, biochemických, biofyzikálních a dalších náročných metodik. Díky tomu dnes existují tisíce nových poznatků o iontových kanálech a transportních bílkovinách z posledních let, které se nemohly objevit ani v nedávných učebnicích farmakologie. Co z těch tisíců poznatků uvést pro klinickou praxi? Zde si dovolíme upozornit jen na vybrané hlavní poznatky. Volba bude ovšem ovlivněna naším současným pohledem a znalostmi. Přesuny iontů, K +, Ca 2+, Cl skrz membrány buněk, případně i uvnitř buněk, zajišťují iontové kanály a některé transportní bílkoviny ( typu ABC nebo SLC viz dále). Podobné transportní bílkoviny slouží k přesunu molekul, např. neurotransmiterů, glukózy, aminokyselin nebo i cizorodých látek, obvykle mezi buňkou a extracelulárním prostředím. Struktura, lokalizace a funkce těchto bílkovin jsou velmi různorodé, podobně jako je tomu u receptorů nebo enzymů. V podstatě jde o aktivitu velmi komplexního systému na buněčné a molekulární úrovni, která by se dala připodobnit ke koncertu obřího symfonického orchestru nebo k pestrému životu ve velkoměstě nebo na korálových útesech. Z tak pestrého komplexu uvádíme příklady struktur zajišťujících transport iontů nebo molekul, jejich funkci a ovlivnění farmaky pokud možno přehledným způsobem v tab. 1 a 2. Následující text je převážně komentářem k těmto tabulkám, které shrnují poznatky zatím rozptýlené v mnoha publikacích. Pokud je nám známo, dosud nebyly takto souborně publikovány. Hlavním cílem tohoto sdělení je přiblížit úlohu iontových kanálů a transportních bílkovin z hlediska farmakodynamiky, zejména v oblasti terapeutického působení léčiv. Doplňujícím cílem bude informace o úloze transportních bílkovin z hlediska farmakokinetiky, tj. o tom, jak ovlivňují pohyb léčiv v organismu. Článek je rozdělen do dvou částí, první pojednává o působení farmak na transport iontů, druhá o účinku farmak na transport molekul. Transport iontů a působení farmak Pro funkci buněk i tkání je rozhodující transport iontů sodíku, draslíku, chlóru a vápníku buněčnou membránou mezi extracelulárním a intracelulárním prostorem nebo i uvnitř buňky. Transport iontů buněčnou membránou umožňují jednak iontové kanály, jednak iontů (tab. 1). Iontové kanály Iontové kanály bývají tvořeny několika transmembránovými proteiny, jejichž seskupení vytváří centrální kanál (obr. 1). Iontové kanály bývají obvykle tříděny podle toho, jakým podnětem jsou otvírány a řízeny: zda změnou napětí na buněčné membráně (napěťově řízené), nebo chemicky, látkami (řízené ligandy), viz tab. 1. Napěťově řízené iontové kanály Mezi napěťově řízené iontové kanály patří zejména mnohé sodíkové a vápníkové kanály. Otvírají se při poklesu napětí a depolarizaci buněčné membrány, čímž umožňují vstup nebo Ca 2+ do buňky. Napěťově řízené sodíkové kanály [3] náhlým vstupem velkého množství sodíkových iontů sodíkovými kanály dovnitř buňky dochází během milisekund k prudké změně napětí na buněčné membráně od záporného ( 55 mv) ke kladnému (+40 mv), což umožňuje vznik a šíření akčního potenciálu. To má velký význam např. pro šíření nervového vzruchu po prvním dráhy bolesti z periferie do míchy nebo pro šíření vzruchu v mozku nebo v převodním systému v myokardu. Sodíkové iontové kanály blokují lokální anestetika, některá antiepileptika (fenytoin, karbamazepin, lamotrigin), antiarytmika (třídy I). 486

Tab. 1 Příklady struktur zajišťujících transport iontů, jejich funkce a ovlivnění farmaky typ/druh příklady aktivace/funkce význam pro příklady farmak vápníkové (iontové) kanály otevření Ca 2+ do buňky kontrakci myokardu, hladkých svalů cév aj. blokátory vápníkových kanálů iontové kanály napěťově řízené řízené ligandy sodíkové (iontové) kanály řízené acetylcholinem (na nikotinových R) řízené glutamátem (na NMDA R) řízené GABA (na GABA A R) otevření do buňky otevření do buňky otevření Ca 2+ aj. do buňky otevření Cl do buňky šíření akčního potenciálu, vzruchu po senzorických neuronech z periferie čití bolesti rychlý přenos vzruchu v CNS, pro kontrakci kosterních svalů rychlý přenos vzruchu v CNS rychlé tlumení přenosu vzruchu v CNS lokální anestetika (blokují sodíkové iontové kanály) periferní myorelaxancia (tlumí přenos vzruchu na nervosvalové ploténce) ketamin, memantin (antagonisté NMDA R) benzodiazepiny (zvyšují působení GABA na GABA A R) iontů ABC ( pumpy ) zdrojem energie je ATP SLC (ko) zdrojem energie je přesun iontů koncentračním spádem intracelulárně ATP řízené draslíkové kanály zavření K + v buňce sekreci inzulinu v pankreatu sodíková pumpa ( /K + ATPáza) protonová pumpa (H + /K + ATPáza) /H + výměnný transportér, antiportér ( /H + exchanger) Na-K-Cl kotransportér, symportér (NKCC) pumpuje z buňky (3 za 2K + ) pumpuje H + z buňky reabsorpce z primární moče NKCC2 reabsorpce, K +, Cl z primární moče klidový potenciál, množství Ca 2+ v buňce, objem buňky tvorbu HCl v žaludku pro úsporu a vody a udržování homeostázy NaCl a vody pro úsporu, K +, Cl a vody a udržování iontové a vodní homeostázy deriváty sulfonylurey (zvyšují sekreci inzulinu) digoxin (tlumí sodíkovou pumpu, tím Ca 2+ v myokardu a zesílení jeho kontrakcí) inhibitory protonové pumpy thiazidová diuretika (tlumí /H + antiportér) kličková diuretika (tlumí NKCC2) ABC ATP Binding Cassette; ATP adenosintrifosfát; CNS centrální nervová soustava; GABA kyselina gama-aminomáselná; NKCC Na-K-Cl kotransportér; NMDA R receptor N-methyl-D-asparagové kyseliny; R receptor; SLC solute carrier Tab. 2 Příklady struktur zajišťujících transport molekul, jejich funkce a ovlivnění farmaky molekul typ/druh příklady funkce význam příklady farmak ABC (většinou transportují z buňky ven, typ efluxní, pumpy) zdrojem energie je ATP SLC (ko; většinou transportují do buňky, typ influxní, uptake ) zdrojem energie je přesun iontů koncentračním spádem P-gp BCRP a příbuzné NET DAT SERT SGLT OATP pumpuje xenobiotika (např. farmaka) nebo některé přirozené látky z buněk ven, např. do lumen střeva, žlučových kanálků v játrech, do moče atd. pumpují xenobiotika (např. farmaka) z buněk ven transportuje NA ze synaptické transportuje DA ze synaptické transportuje SER ze synaptické reabsorpce glukózy z primární moče transportuje mnoho přirozených látek (např. hormony) i farmak aj. xenobiotik do buněk střevní P-gp snižuje absorpci látek/léčiv ze střeva, P-gp v játrech a ledvinách, podporuje exkreci látek/léčiv do žluči, moči, P-gp v HEB omezuje vstup látek/ léčiv do mozku zajišťují ochranu mozku, plodu, kmenových buněk, testes před xenobiotiky ukončení působení NA, jeho ukončení působení DA, jeho ukončení působení SER, jeho úspora glukózy, vody transport látek do buněk k jejich dalšímu zpracování P-gp může být léky inhibován i indukován; grapefruitová šťáva inhibuje P-gp, tím zvyšuje hladiny např. digoxinu, některých statinů zvýšená tvorba BCRP způsobuje rezistenci k některým protinádorovým léčivům tlumí je antidepresiva typu inhibitorů zpětného vychytávání (RUI) TCA, SSRI, SNRI aj. tlumí ho glifloziny (antidiabetika) transportuje mnoho farmak (např. kancerostatika, statiny) do hepatocytů, v ledvinách a jinde ABC ATP Binding Cassette; ATP adenosintrifosfát; BCRP breast cancer resistance protein; DA dopamin; DAT dopamine transporter; HEB hematoencefalická bariéra; NA noradrenalin; NET norepinephrine transporter; OATP organic anion transporting peptide; P-gp P-glykoprotein; RUI reuptake inhibitor; SER serotonin; SERT serotonin transporter; SGLT sodium glucose linked transporter; SLC solute carrier; SNRI inhibitory zpětného vychytávání serotoninu a noradrenalinu; SSRI selektivní inhibitory zpětného vychytávání serotoninu; TCA tricyklická antidepresiva 487

buněčná membrána uzavřený iontový kanál ionty Obr. 1 Iontové kanály jako komplexy transmembránových proteinů tvořících centrální kanál. Zavřené iontové kanály se otvírají např. vlivem změny napětí na buněčné membráně (napěťově řízené iontové kanály) nebo vlivem ligandu, např. neurotransmiteru (ligandem řízené iontové kanály) působícího na extracelulární nebo intracelulární části kanálu. Napěťově řízené vápníkové kanály [4] existuje několik podtypů napěťově řízených vápníkových kanálů. Z farmakologického hlediska jsou nejdůležitější vápníkové kanály typu L v cévách a srdci (významně ovlivňují dostupnost Ca 2+ pro kontrakci hladkých svalů a myokardu) a typu N a P/Q na presynaptických nervových zakončeních v CNS (kde tlumí uvolňování neurotransmiterů a tím převod vzruchu). Blokátory vápníkových kanálů typu L se velmi často používají jako antihypertenziva, používají se též u některých srdečních arytmií, u anginy pectoris. Mezi blokátory vápníkových kanálů typu N patří některá antiepileptika (ethosuximid, valproát), k blokátorům vápníkových kanálů typu P/Q se řadí antikonvulziva gabapentin a pregabalin (blokují jejich podjednotky α 2 δ 1 ). Blokátory napěťově řízených sodíkových kanálů (karbamazepin) nebo vápníkových kanálů typu N (zikonotid) nebo P/Q (gabapentin, pregabalin) se uplatňují u neuropatické bolesti. proteinové podjednotky iontového kanálu otevřený iontový kanál pór iontového kanálu intracelulárně aktivace ionotropních receptorů GABA A je naopak důležitá pro rychlé tlumení přenosu vzruchu v CNS. Léčiva tlumící převod vzruchu na nikotinových receptorech na nervosvalové ploténce způsobují myorelaxaci příčně pruhovaného (kosterního) svalstva. Léčiva usnadňující působení GABA na receptoru GABA A např. benzodiazepiny působí anxiolyticky, sedativně, hypnoticky, antikonvulzivně. Antagonisté receptoru NMDA mohou mít různé účinky: ketamin způsobuje disociativní anestezii (analgezii při částečně zachovaném vědomí) a působí psychotogenně, memantin částečně zpomaluje průběh Alzheimerovy nemoci. Mezi iontové kanály řízené intracelulárními ligandy patří např. draslíkové kanály řízené ATP (adenosintrifosfát) v beta-buňkách pankreatu. V klidu jsou otevřeny, po přívodu glukózy se zvýší tvorba ATP, což vede k uzavření K ATP kanálu a následně ke zvýšení sekrece inzulinu. Podobně jako ATP zde působí antidiabetika deriváty sulfonylurey, jež tak mohou zvyšovat sekreci inzulinu. Transportéry iontů Transportní proteiny (, přenašeči) zajišťující transport iontů (nebo molekul, viz dále) jsou dvojího typu. Prvním typem jsou ABC (ATP Binding Cassette) [6]. Jejich zdrojem energie je ATP a zajišťují tzv. primární aktivní transport (obr. 3). Obvykle pumpují ionty (nebo molekuly) z buňky ven, bývají proto též označovány jako pumpy. Z farmakologického hlediska jsou důležité iontové typu ABC sodíková a protonová pumpa. Sodíková pumpa ( /K + ATPáza) pumpuje ven z buňky, tlumí ji srdeční glykosidy, digoxin, což vede ke zvýšení hladiny Ca 2+ v myokardu a k zesílení jeho kontrakcí. Protonová pumpa (H + /K + ATPáza) pumpuje H + ven z parietální buňky sliznice žaludku, čímž zvyšuje tvorbu HCl v žaludku. Tlumí ji ireverzibilně inhibitory protonové pumpy, např. omeprazol. Druhým typem transportérů iontů (i molekul viz dále) jsou SLC (solute carriers) [7]. Jejich zdrojem energie je přesun iontů koncentračním, elektrochemickým spádem, což jim umožňuje tzv. sekundární aktivní transport (obr. 4). Pokud je pohyb iontů stejnosměrný, bývají označovány jako symportéry, pokud je protichůdný, označují se jako antiportéry (obr. 4) nebo exchangers (výměnné ). Antiportéry i symportéry bývají souhrnně nazývány ko. vazebné místo pro GABA Iontové kanály řízené ligandy Iontové kanály řízené ligandy bývají tříděny na iontové kanály řízené extracelulárními nebo intracelulárními ligandy (tab. 1). Mezi iontové kanály řízené extracelulárními ligandy patří zejména ty, které jsou řízeny hlavními neurotransmitery, a to acetylcholinem (aktivuje nikotinové receptory na extracelulární části iontového kanálu; tím dojde k jeho otevření, což umožní vstup do buňky), kyselinou gama-aminomáselnou neboli GABA (aktivuje receptor GABA A na extracelulární části iontového kanálu, tím dojde k jeho otevření, což umožní vstup Cl do buňky obr. 2) a glutamátu (aktivuje receptor NMDA, receptor N-methyl-D-asparagové kyseliny) na extracelulární části iontového kanálu, tím dojde k jeho otevření, což umožní vstup většinou Ca 2+ do buňky [5]). Aktivace nikotinových nebo glutamátových ionotropních receptorů je důležitá pro rychlý přenos nervových vzruchů, kdežto buněčná membrána α 1 β 2 γ 2 Cl Cl chloridový kanál vazebné místo pro benzodiazepiny Obr. 2 Iontový kanál řízený GABA (přes receptor GABA A ). Aktivací receptoru GABA A se otevře chloridový iontový kanál, dojde ke vtoku chloridových aniontů dovnitř buňky, tím k hyperpolarizaci buněčné membrány, což tlumí přenos vzruchu. Benzodiazepiny působí na jiném místě tohoto komplexu, tím zvyšují působení GABA na receptoru GABA A. GABA kyselina gama-aminomáselná β 2 γ 2 α 1 488

intracelulárně Obr. 3 Příklad transportéru typu ABC a primárního aktivního transportu sodíková pumpa ( /K + ATPáza). Zdrojem energie u transportéru typu ABC je ATP. ABC ATP Binding Cassette; ADP adenosindifosfát; ATP adenosintrifosfát Příkladem antiportéru je výměnný transportér /H + ( /H + exchanger), příkladem symportéru je kotransportér Na-K-Cl (NKCC). Oba jsou v nefronu a zajišťují reabsorpci, K +, Cl z primární moče. Výměnný transportér /H + tlumí thiazidová diuretika, kotransportér Na-K-Cl tlumí kličková diuretika. Transport molekul a působení farmak Transport molekul je zajišťován kromě pasivní difuze, endocytózy a exocytózy také molekul. Transportéry molekul Transportéry molekul mohou být opět typu ABC nebo SLC (tab. 2). Platí pro ně to, co bylo uvedeno výše u transportérů iontů typu ABC nebo SLC (obr. 3, 4). Zajišťují transport např. aminokyselin, glukózy, neurotransmiterů, hormonů, farmak a ovšem i jiných xenobiotik do buněk nebo z buněk. Mohou se tak významně podílet na farmakodynamice i farmakokinetice. Z transportérů molekul typu ABC jsou farmakologicky významné zejména efluxní P-glykoprotein (P-gp) [8] a BCRP (breast cancer resistance protein) [9] (tab. 2); P-glykoprotein je efluxní pumpa transportující mnoho různých látek z buňky ven. V endocytech střeva snižuje P-gp absorpci látek/léčiv ze střeva, v hepatocytech a v nefronu podporuje P-gp exkreci látek/léčiv do žluči a moči, v hematoencefalické bariéře omezuje vstup látek/léčiv do mozku; podobně přispívá P-gp k bariéře, která má chránit plod v děloze nebo testes před působením xenobiotik. P-glykoprotein může být léky indukován i inhibován, může být inhibován řadou léčiv sodíková pumpa K + ADP ATP buněčná membrána či grapefruitovou šťávou, což může výrazně zvýšit biologickou dostupnost léčiv, substrátů P-gp. Nebezpečí hrozí u léčiv s úzkým terapeutickým oknem (např. u digoxinu, kdy se objevují arytmie) či u léčiv s nízkou biologickou dostupností, kdy se např. při podávání simvastatinu zvýší dostupnost více než desetinásobně a zvyšuje se riziko myopatií. Zvýšená aktivita BCRP v průběhu léčby cytostatiky může vést k nízké dostupnosti a k rezistenci vůči některým protinádorovým léčivům. Z transportérů molekul typu SLC jsou farmakologicky významné zejména pro noradrenalin (NET, norepinephrine transporter), serotonin (SERT, serotonin reuptake transporter), případně i pro dopamin (DAT, dopamine transporter) [10]. Jde o sodíko-neurotransmiterové Obr. 4 Příklad transportérů typu SLC a sekundárního aktivního transportu. symportéry, které zprostředkovávají zpětné vychytávání uvedených neurotransmiterů ze synaptické nervového zakončení a tak umožňují jejich recyklaci. Tlumí je antidepresiva typu inhibitorů zpětného vychytávání (reuptake inhibitors, RUI) tricyklická antidepresiva (TCA, tricyclic antidepressants), selektivní inhibitory zpětného vychytávání serotoninu (SSRI, selective serotonin reuptake inhibitors), inhibitory zpětného vychytávání serotoninu a noradrenalinu (SNRI, serotonin and noradrenaline reuptake inhibitors) aj. SGLT (sodium-glucose linked transporter) je sodíko-glukózový symportér uplatňující se např. v absorpci glukózy ze střevního lumen do enterocytu nebo v reabsorpci glukózy z primární moče. V nefronu ho inhibují glifloziny nový typ antidiabetik. Pro nás je zajímavý také tím, že tento typ symportní absorpce glukózy byl poprvé zveřejněn v Praze roku 1960 svým objevitelem R. K. Cranem [11]. Závěr Iontové kanály i transportní bílkoviny jsou primárním místem působení mnoha klinicky významných léčiv. Tyto pestré bílkovinné jednotky vykazují rozmanitou činnost. Jejich existence a bezvadný chod jsou nepostradatelné pro zdraví, podobně jako je tomu u receptorů a enzymů. Zde jsme se snažili přehledně uvést aspoň ty hlavní iontové kanály a transportní bílkoviny, které jsou důležité pro farmakodynamiku nebo farmakokinetiku. Snad tento přehled napomůže základní orientaci v této rozsáhlé a složité problematice. Práce byla podpořena programem PRVOUK P 34. uniportér symportér antiportér A A B A kotransportér Zdrojem energie u transportérů typu SLC je přesun iontů koncentračním, elektrochemickým spádem. Pokud je pohyb iontů a případně i molekuly stejnosměrný, bývají tyto označovány jako symportéry, pokud je protichůdný, označují se obvykle jako antiportéry nebo exchangers (výměnné ). Antiportéry i symportéry bývají souhrnně nazývány ko. SLC solute carrier B 489

Literatura [1] Bultas J. Působení léčiva na úrovni receptoru. Remedia 2014; 24: 189 193. [2] Bultas J. Působení léčiva na úrovni ovlivnění funkce enzymu. Remedia 2014; 24: 296 300. [3] Catterall WA. From ionic currents to molecular mechanisms: The structure and function of voltage- -gated sodium channels. Neuron 2000; 26: 13 25. [4] Catterall WA. Structure and regulation of voltage- -gated Ca2+ channels. Annual Review of Cell and Developmental Biology 2000; 16: 521 555. [5] Traynelis SF, Wollmuth LP, Mcbain CJ, et al. Glutamate Receptor Ion Channels: Structure, Regulation, and Function. Pharmacological Reviews 2010; 62: 405 496. [6] Higgins CF. ABC transporters: physiology, structure and mechanism an overview. Research in Mikrobiology 2001; 152: 205 210. [7] Hediger MA, Romero MF, Peng JB, et al. The ABCs of solute carriers: physiological, pathological and therapeutic implications of human membrane transport proteins Introduction. Pflugers Arch 2004; 447: 465 468. [8] Murakami T, Takano M. Intestinal efflux transporters and drug absorption. Expert Opin Drug Metab Toxicol 2008; 4: 923 939. [9] Higgins CF. Multiple molecular mechanisms for multidrug resistance transporters. Nature 2007; 446: 749 757. [10] Gether U, Andersen PH, Larsson OM, Schousboe A. Neurotransmitter transporters: molecular function of important drug targets. Trends Pharmacol Sci 2006; 27: 375 383. [11] http://en.wikipedia.org/wiki/sodium-glucose_transport_proteins (navštíveno 15. 11. 2014) Doručeno do redakce: 20. 11. 2014 Přijato k publikaci: 1. 12. 2014 prof. MUDr. Miloslav Kršiak, DrSc. Ústav farmakologie 3. LF UK Ruská 87, 100 00 Praha 10 e-mail: miloslav.krsiak@lf3.cuni.cz 490