Exzitatorische Pharmakologie der retinalen Spreading Depression

Abstract

The phenomenon of Spreading Depression (SD) is a suppression of neuronal activity, propagating wave-like in the grey matter. This results from a massive ion translocation where potassium ions pour into the cell and sodium-, chlorideand calcium ions pour out of the cell. At the same time there is also a slow negative potential shift up to 30mV. Spreading Depression also occurs in the retina, a part of the central nervous system and can easily be observed there with the naked eye. This dissertation describes the effects of excitatory pharmaceuticals on neuronal tissue, using retinal spreading depression as a model system. By applying different excitatory substances, a reduction of the velocity and an inhibitory effect on the conductivity of the membranes can be observed. In the case of nicotine this may be due to the desensitization of the nicotinic AChreceptors. For caffeine, cocaine, amphetamine and metylphenidate this effect may derive from the hyperpolarisation of the tissue through open cation channels. The latency, a parameter for the excitability of the tissue, increases with the application of any of the investigated substances. This is also caused by the desensitization of the nicotinic ACh-receptors or the hyperpolarisation of the tissue, respectively. A neuroprotective effect reducing excitotoxic cell death induced by activation of NMDA-receptors was successfully verified for all substances. In the case of nicotine, the α7- and α4β2-nACh-receptors are assumed to be involved. The basic mechanism however is still unknown. A possible explanation could be the reduced excitability of the tissue through desensitization of the nACh-receptors. In the case of the remaining substances, the abidance of transmitters in the synaptic cleft suggests a neuroprotective effect through hyperpolarisation. The resulting hyperpolarisation leads to a reduced excitability of the neuronal tissue and most likely prevents over-excitation.

Das Phänomen der Spreading Depression (SD) ist eine sich wellenförmig ausbreitende Unterdrückung neuronaler Aktivität, die in der grauen Substanz des Zentralen Nervensystems auftritt. Dies resultiert aus einer massiven Ionenumverteilung an der Zellmembran, bei der Kalium-Ionen aus der Zelle hinausströmen und Natrium-, Chlorid- und Calcium-Ionen in die Zelle hineinströmen. Dabei kommt es zu einer langsamen negativen Potentialverschiebung von bis zu 30mV. Das Phänomen der Spreading Depression lässt sich auch in der Retina, einem Teil des ZNS, hervorrufen, und kann sehr gut mit dem bloßen Auge beobachtet werden. Die Wirkung exzitatorischer Pharmaka auf neuronales Gewebe am Modell der retinalen Spreading Depression ist Thema der vorliegenden Arbeit. Durch die Applikation der unterschiedlichen exzitatorischen Substanzen lässt sich eine Abnahme der Ausbreitungsgeschwindigkeit sowie eine Reduktion der Leitfähigkeit der Membranen feststellen. Dies wird im Falle von Nikotin vermutlich durch die Desensitisierung der nikotinischen Acetylcholinrezeptoren verursacht. Bei Koffein, Kokain, Amphetamin und Methylphenidat liegt die Wirkung vermutlich in der, durch geöffnete Kationenkanäle begründeten, Hyperpolarisation des Gewebes. Die Latenz, ein Parameter für die Erregbarkeit des Gewebes, nimmt bei allen applizierten Substanzen zu. Dies ist vermutlich ebenso in der Desensitisierung der nACh-Rezeptoren bzw. der Hyperpolarisation des Gewebes begründet. Für alle Substanzen konnte eine neuroprotektive Wirkung gegen den, durch NMDA-Rezeptoren vermittelten, exzitotoxischen Zelltod nachgewiesen werden. Bei Nikotin geht man von einer Beteiligung der α7- und α4β2-nACH-Rezeptoren aus, jedoch ist der zugrunde liegende Mechanismus noch nicht aufgeklärt. Eine mögliche Erklärung ist jedoch in der reduzierten Erregbarkeit des neuronalen Gewebes durch die Desensitierung der nACh-Rezeptoren zu finden. Bei den übrigen untersuchten Substanzen liegt die Annahme einer neuroprotektiven Wirkung durch die im synaptischen Spalt verbleibenden Transmitter nahe. Die daraus resultierende Hyperpolarisation hat eine geringere Erregbarkeit des neuronalen Gewebes zur Folge und verhindert somit sehr wahrscheinlich eine Übererregung des Gewebes.