Benzodiazepinrezeptorabhängige Modulation intrazellulärer Amino- und alpha-Ketosäuren sowie ausgewählter Immunfunktionen polymorphkerniger Granulozyten

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss von Midazolam auf den intragranulozytären Aminosäure- und alpha-Ketosäuregehalt in neutrophilen polymorphkernigen Granulozyten (PMN) sowie auf essentielle granulozytäre Immunfunktionsparameter. Dabei fungiert der intrazelluläre Aminosäure- und alpha-Ketosäurebestand als relevanter Parameter für einen physiologischen Zellmetabolismus und als ein Indikator hinsichtlich des Zustands grundlegender PMN-Zellfunktionen im Rahmen pathophysiologischer oder immunonutritiver Geschehen. Ferner sollte der Einfluß von peripheren Benzodiazepin- sowie Opiatrezeptoren als potentieller Mechanismus im Rahmen der Signalweitergabe möglicher midazolaminduzierter zellulärer Stoffwechselveränderungen identifiziert werden. Insbesondere PMN sind hier wissenschaftlich von besonderem Interesse, da sie eine wichtige Komponente im Rahmen der Immunabwehr im menschlichen Körper darstellen, einen aktiven Aminosäure- und alpha-Ketosäurestoffwechsel aufweisen, anderen differenzierten kernhaltigen Gewebezellen (z.B. Nieren-, Muskel- und Leberzellen) in Komplexität und Vielfalt ihrer intrazellulären Stoffwechselwege gleichen und speziell auch für die intermittierende Probengewinnung im Rahmen eines erweiterten klinischen Monitorings (z.B. bei kritisch kranken Patienten) leicht zugänglich sind. Die vorliegenden Ergebnisse belegen, dass Midazolam signifikante dosis- wie auch expositionszeitabhängige Modulationen der freien intrazellulären Amino- und alpha-Ketosäurepools, sowie parallel auch wichtige Veränderungen granulozytärer Immunfunktionsparameter induzieren kann. Midazolamvermittelte Effekte finden sich hierbei insbesondere bei intragranulozytären glutamin-, arginin-, ornithin- und taurinabhängigen Stoffwechselprozessen. Ferner belegen die erhobenen Befunde eine Benzodiazepinrezeptorvermittelte Modulation der gemessenen granulozytären Immunfunktionsmarker und ebenso auch der intragranulozytären Amino- und alpha-Ketosäuregehalte, denn midazolaminduzierte Effekte ließen sich ebenfalls durch den peripheren Benzodiazepinrezepto-ragonisten Ro 5-4864 auslösen bzw. durch den selektiven Rezeptorantagonisten PK 11195 vollständig aufheben. Eine Kombination von Ro 5-4864 mit Midazolam induzierte hier sogar additive dosis- und inkubationszeitabhängige Effekte. Dies gelang weder durch den Antagonisten an zentralen Benzodiazepinrezeptoren Flumazenil noch durch den am GABA-Komplex wirkenden Opiatantagonisten Naloxon. Da die Modulation der beobachteten Amino- bzw. alpha-Ketosäuren allerdings nicht zwangsläufig die Beeinflussung einzelner spezifischer zellulärer Stoffwechselwege widerspiegeln muss, kann daher auch im Rahmen dieser Arbeit nur vermutet werden, dass pharmakologisch induzierte Konzentrations- sowie Kompositionsveränderungen der freien intragranulozytären Amino- und alpha-Ketosäurepools relevante stoffwechselphysiologische Determinanten darzustellen scheinen, welche die Ausprägung und Qualität der granulozytären Immunantwort indirekt beeinflussen können. Alle in dieser Arbeit beobachteten Effekte müssen bei den behandelten Patienten daher nicht zwangsläufig zu einer perioperativen Immunsuppression führen, jedoch könnte der klinische Einsatz von Midazolam oder anderen Benzodiazepinen mit ähnlichen pharmakologischen Eigenschaften eine bereits geschwächte Immunabwehr nach Trauma, Operation oder während eines Intensivaufenthalts möglicherweise zusätzlich beeinträchtigen. Weitere klinische Forschungstätigkeit wird erforderlich sein, um diese Frage hinreichend klären zu können. This paper deals with the influence of midazolam on the intragranulocyte amino and alpha-keto acid pool in neutrophil polymorphonuclear granulocytes (PMN) as well as on essential granulocyte immune function parameters. The intracellular amino and alpha-keto acid content serves as a relevant parameter of physiological cell metabolism and as an indicator for the state of basic PMN functions in the context of pathophysiological or immunonutritive processes. Furthermore, the influence of peripheral benzodiazepine as well as opioid receptors as a possible mechanism within the signal transduction of potential midazolam-induced cellular metabolic changes should be identified. PMN in particular are of a great academic interest, since they are an important component of the human immune defence, exhibit an active amino and alpha-keto acid metabolism, resemble other differentiated eukaryotic tissue cells (e.g. kidney, muscle and liver cells) in complexity and variety and are readily accessible for an intermittent sampling throughout extended clinical monitoring (e.g. critically ill patients). Present results indicate, that midazolam induces significant dose- and exposure-time-dependent effects on the free intracellular amino and alpha-keto acid pool, as well as on important intragranulocyte immune functions. In particular midazolam-mediated effects can be demonstrated in intragranulocyte glutamine-, arginine-, ornithine- and taurine-dependent metabolic processes. Furthermore, these findings proves a benzodiazepine-mediated modulation of measured granulocyte immune function parameters as well as intragranulocyte amino and alpha-keto acid content, since midazolam-induced effects could also be initiated by the peripheral benzodiazepine receptor agonist Ro 5-4864 and completely reversed by the specific receptor antagonist PK 11195. The combined application of Ro 5-4864 and midazolam induced additive dose- and exposure-time-dependent effects. This was accomplished neither by flumazenil, the specific antagonist on central benzodiazepine receptors, nor by naloxone, the antagonist of opiate receptors linked to the GABA-complex. Since the modulation of the observed amino and alpha-keto acids does not necessarily reflect an influence on specific cellular pathways, we can only assume that pharmacologically induced alterations in concentration and composition of a free intragranulocyte amino and alpha-keto acid pool represent relevant metabolic determinants, which indirectly influence the characteristic and quality of the granulocyte immune response. These effects described here do not necessarily imply perioperative immune suppression, but the clinical use of midazolam or other benzodiazepines with similar pharmacological characteristics may have the potential to compromise additionally an already depressed host defence after trauma, operation or during intensive care treatment. Further clinical research is required to clear up this question.