Neuroprotekcyjne właściwości memantyny w badaniach przedklinicznych

Postępy Psychiatrii i Neurologii 2004; 13 (1): 37-49 Praca poglądowa

Review

Neuroprotekcyjne

właściwości

memantyny

w

badaniach przedklinicznych

Neuroprotective properties oj memantine in pre-clinical studies EWA TARACHA2, MAŁGORZATA LEHNER2, ADAM PŁAŹNIK1,2 Z: l. Katedry i Zakładu Farmakologii Doświadczalnej i Klinicznej w Warszawie

2. Zakładu Neurochemii Instytutu Psychiatrii i Neurologii w Warszawie

STRESZCZENIE. Cel. W chorobach neurodegeneracyjnych, np. chorobie Alzheimera l1astęp~(je utrata neuronów, głównie cholinergicznych. Obserwowane zaburzenia transmisji glutaminianergicznej, home-ostazy jonów wapnia i stres oksydacyjny nasilają procesy ekscytotoksyczne, prowadząc do neurodegene-racji. Rosnąca wiedza na temat patogenezy choroby pozwoliła na opracowanie nowych strategii terapeu-tycznych choroby Alzheimera. Jedna z nich dotyczy możliwości regulowania aktywności receptorów NMDA. Poglądy. Kluczową rolę w/izjologicznych procesach uczenia się i pamięci pełnią receptory NMDA aktywowane kwasem glutaminowym. W warunkach patologicznych stężenie kwasu glutaminowego w szcze-linie synaptycznejjest zwiększone, nadmierna stymulacja receptorów NMDA może wywołać niekontrolo-wany napływ jonów Ca2+ do wnętrza komórki, czego końcowym efektem może być uszkodzenie i śmierć neuronów. Antagoniści receptora NMDA zapobiegają indukowanej przez kwas glutaminowy neurotok-syczności. Memantyna, niekompetytywny antagonista receptora NMDA o umiarkowanym powinowactwie, w dawkach terapeutycznych normaliz~(je /il11kcjonowanie receptora w stanie podstawowym - zapobiega niekontrolowanemu napływowi wapnia do wnętrza komórki, wywiera korzystne działanie neuroprotekcyj-ne i prokognitywne. Wnioski. Badania przedkliniczne i obserwacje kliniczne dowodzą, że spośród bada-nych antagonistów receptora NMDA najlepszym profilem farmakologicznym i tolerancją charakteryzl(je się memantyna, która stała się istotnym elementem współczesnej terapii leczenia chorób neurodegenera-cyjnych, w tym choroby Alzheimera.

SUMMARY. Aim. Loss of neurons, most/y cholinergic, is a common feature of Alzheimer:~ and other neurodegenerative diseases. Excitotoxic reactions related to an excess glulamate release in the CNS probably contribute to cel! death. There is a needfor agents that prevent Ol" inhibit the process ot dementia, so drugs that slow the disease progression are urgently needed. Review. NMDA receptors mediate/ast excitatOlY synaptic transmission in the CNS, and are involved in learning and memO/y processes. These receptors comprise a ligand-gated ion chal1l7el that is permeable to Ca2_{+. In pathological conditions, an altered} calcium homeostasis in neurons may result in cel! death, and calcium-dependent neurotoxicity is thought to derive /i'om an excessive activation of NMDA receptors. Thus, antagonists at NMDA recepto/'s may prevent cel! death and retard the progression of symptoms in patients with dementia. Many pre-clinical and clinical observations indicate the therapeutic uti/ity of memantine. Memantine has been proved to be a non-competitive NMDA receptor antagonist, with s~t/Jicient affinity to block the CNS NMDA receptors at therapeutic doses. Conlusiolls. In animaI models memantine can protect against the excitotoxic destruc-tion of neurons, and at clinically relevant concentradestruc-tions memantine promotes synaptic plasticity and preserves Ol' enhances memoryfimctions. Consequent/y, the drug has received a considerable attention in recent years in the treatment of dementia.

Słowa kluczowe: choroby otępienne Il1eurodegel1eracja I receptor NMDA I memantyna Key words: dementia I neurodegeneration I NMDA receptor I memantine

38

Słowniczek skrótów:

NMDA - kwas N-metylo-D-asparaginowy GABA - kwas gammaaminomasłowy

CNS - (ang. centralnerve system) ośrodkowy układ nerwowy

Jak wiadomo, trzy główne wskaźniki neu-ropatologiczne choroby Alzheimera, to: utra-ta neuronów (głównie cholinergicznych), po-wstawanie płytek starczych (sen ile plaques) i kłębków neurofibrylamych (neurojibrżllary

tangles). Dotychczasowe próby terapii opar-te są na przeciwdziałaniu tym zmianom i łagodzeniu objawów choroby. Próbowano zastosować substancje przeciwdziałające od-kładaniu się beta-amyloidu (inmmnoterapia, chelatowanie ), niesteroidowe leki przeciw-zapalne, ginkobiloba, cZylmik wzrostu ner-wów (NGF), estrogeny, antyoksydanty [1, 2]. Spośród tych metod obecnie aprobowanym sposobem leczenia choroby Alzheimera pozo-staje podawanie inhibitorów acetylocholine-sterazy, którego celem jest przeciwdziałanie obselwowanemu w tej chorobie zmniejszeniu aktywności cholinergicznej. Prowadzi to do zwiększenia stężenia acetylocholiny w szcze-linie synaptycznej i wydłużenia czasu jej działania na muskarynowe i nikotynowe re-ceptory cholinergiczne. Inhibitory acetylo-cholinesterazy przynoszą jedynie umiarko-wane korzyści i są pomocne szczególnie we wczesnych stadiach choroby, przejściowo poprawiają pamięć i jakość życia osób do-tkniętych chorobą. Nie wywierają istotnego wpływu na przebieg schorzenia, nie hamują bowiem postępujących zmian neurodegene-racyjnych. Próby leczenia przyczynowego choroby mające na celu zapobieganie i likwi-dowanie zjawisk patologicznych prowadzą­ cych do degeneracji neuronalnej, pozostają wciąż w fazie wstępnej.

W chorobie Alzheimera dochodzi do utra-ty neuronów zarówno cholinergicznych, jak i glutamatergicznych. Ponadto, obselwuje się zaburzenia układu glutaminianergicznego i nadmiemą stymulację receptorów NMDA. W strategii terapeutycznej chorób otępien­ nych, dotyczącej regulowania aktywności

re-Ewa Taracha, Małgorzata Lehnel; Adam Plaźnik ceptorów NMDA największe nadzieje budzi memantyna - niekompetytywny antagonista receptorów NMDA.

CZYNNIKI NEUROTOKSYCZNE W CHOROBIE ALZHEIMERA

Badania genetyczne wskazują na istotną

rolę beta-amyloidu (A~) w patogenezie cho-roby Alzheimera [1, 3]. A~ powstaje z białka prekursorowego amyloidu APP (amyloid pre-eUl-sor protein). Odkłada się ono w postaci nierozpuszczalnych złogów tworzących płyt­ ki starcze. A~ indukuje stres oksydacyjny i zaburzenie homeostazy jonowej. Nie do kOl1ca jest jasne, w jaki sposób A~ uszkadza neurony, ale wiadomo, że zarówno stres oksydacyjny jak i zaburzenie homeostazy jonów wapnia działają ekscytotoksycznie, prowadząc do procesu neurodegeneracji w chorobie Alzheimera [4, 5, 6]. W ostatnich latach wzrasta liczba dowodów, że A~ może

wchodzić w interakcje z receptorami NMDA i zwiększać związaną z tymi receptorami eks-cytotoksyczność [7]. Badania wiązania selek-tywnych radioligandów w korze szczura wskazują, że A~ wiąże się do miejsc rozpo-znających kwas glutaminowy i glicynę, nie wiąże się natomiast do innych, niż NMDA, podtypów receptorów dla kwasu glutamino-wego [8]. A~ może wpływać na aktywność receptorów NMDA, z kolei aktywacj a recep-torów NMDA może wywoływać ekspresję

(fosforylację) i zmieniać funkcjonalny stan białka tau. Białko to należy do grupy białek towarzyszących mikrotubulom - składnikom szkieletu komórki. Wysokoufosforylowane białko tau tworzy kłębki neurofibrylame. Pierwsze dane łączące ekscytotoksyczność kwasu glutaminowego z białkiem tau uzyska-no z badall, w których, w hodowli neuronów hipokampa wykazujących neurodegenerację

wywoływaną kwasem glutaminowym, stwier-dzono obecność kłębków neurofibrylamych [5]. Następnie stwierdzono, że indukowana jednorazowym lub przewlekłym podaniem NMDA ekscytotoksyczność w hodowlach

Neuroprotekcyjne właściwości memantylly w badaniach przedklilliczllych 39 neuronów hipokampa, specyficznie zwiększa

ilość ufosforylowanego białka tau. Ponieważ

są dowody, że antagoniści receptora NMDA zapobiegają zwiększeniu fosforylacji białka tau, można przypuszczać, że zależna od re-ceptorów NMDA fosforylacja białka tau może przyczyniać się do rozwoju patologii w chorobie Alzheimera. Wykazano bowiem, że zablokowanie indukowanej kwasem glu-taminowym syntezy białka tau chroni neuro-ny przed ekscytotoksycznością kwasu glu-taminowego [9].

O zaburzeniach transmisji glutaminianer-gicznej u osób cierpiących na chorobę Alzhei-mera świadczy znaczny spadek aktywności syntetazy glutaminy (enzymu przekształcają­ cego kwas glutaminowy do glutaminy) w ko-rze mózgu i w hipokampach [10]. Ponadto, zaobserwowano dysfunkcje w systemie trans-porterów glutaminianu, szczególnie spadek

aktywności transportera glejowego GLT-l w korze osób chorych [10]. Co więcej, w neu-ronach korowych, w których dochodzi do zwyrodnienia neurofibrylarnego, odnotowano obecność tego transportera (GLT-I) [11,12].

Zahamowanie transportu glutaminianu w sytuacji zmniejszonej aktywności synteta-zy glutaminy w chorobie Alzheimera powo-duje zwiększenie zewnątrzkomórkowego stę­ żenia glutaminianu, nadmierne pobudzenie receptorów NMDA i nasilenie zjawiska eks-cytotoksyczności. Nieprawidłowe funkcjono-wanie układu glutaminianergicznego prowa-dzi do zaburzeń układu GABA-ergicznego (glutaminian jest przekształcany do GABA) (rys. 1). U pacjentów cierpiących na chorobę Alzheimera obserwuje się zwiększenie kon-centracji enzymu syntetyzującego GABA, co prowadzi do wzrostu poziomu tego neuro-przekaźnika [13]. f'rDekarboksylaza ~ kwasu glutamInIanu

1

GABA

\

ł

:

Kwas

i.

glutaminowy Beta indukcja amyloid aktywacja

,

a

Transporter GLT-1 D Syntetaza glutaminy Ił _ _ _ _ •• glutamina Kłębki neurofibrylame i tau <4---.---aktywacja Receptor NMDA

l

t

Napływ Ca2_{+ do} wnętrza _komórki

I

T

•

ekscytotoksyczność Czynniki neurotoksyczne w chorobie Alzheimera

40

ROLA RECEPTORÓW NMDA W PROCESACH

NEURODEGENERACYJNYCH

Receptory NMDA są obecne w wielu pobudzających synapsach. Na rys. 2 przed-stawiono budowę receptora NMDA. Jest on zbudowany z podjednostek _GLUN1 (daw-niej NR1) i _{GLUN2 (dawniej NR2).} Pod-jednostki _{GLUN1 i GLUN2} występują w róż­ nych fonnach izomerycznych, tworząc różne

hetomelyczne kombinacje kanału receptora NMDA charakteryzujące się odmiennymi

własnościami.

Receptor jest aktywowany przez takich agonistów, jak kwas glutaminowy lub kwas N-metylo-D-asparaginowy (NMDA). Kwas glutaminowy jest odpowiedzialny za trwają­ ce milisekundy otwieranie kanału jonowego

Ewa Taracha, Małgorzata Le/me!; Adam Plaźnik w czasie synaptycznej aktywności, ale recep-tor NMDA do swojej aktywacji wymaga

również obecności glicyny lub agonisty gli-cyno-podobnego (np. seryny). Uważa się, że miejsce wiążące glutaminian znajduje się na podjednostce _{GLUN2, a glicyny na} podjedno-stce GLUNI' Kanał receptora NMDA jest blokowany przez jony Mg2+, również w

ka-nale wiążą się niekompetytywni antagoniści tego receptora (memantyna, fencyklidyna, dizociplina) [14, 15]. Kompetytywni anta-goniści (APV, ifenprodil, selfotel) wiążą

się na zewnątrz kanału. Każda podjednostka receptora zawiera cztery lipofUowe regiony

związane z błoną. Jeden z nich tworzy pętlę,

która działajako otwór kanału.

ReceptOly NMDA często nie biorą

udzia-łu w zwykłej pobudzającej transmisji ze

względu na swe unikalne własności, to

zna-Kompleks

receptora

NMDA

Agoniści Kompetytywni Związki blokujące kanał Związki modulujące Koagoniści

•

antagoniści receptora kanał receptora Kwas

•

Mg2+

glutaminowy ONp., _O Poliaminy ® Glicyna

selfotel

,

_Memantyna

NMDA

Zmodyfikowane wg Bisaga i Popik 2000

Neuroprotekcyjne właściwości memall~Ylly w badaniach przedklinicznych D

o

Stan spoczynkowy Receptor NMDA Kwas glutaminowy Jony magnezu E H Warunki patologiczne Co"

•

a

c

F Memantyna Antagoniści niekompelytywni Np. MK-801 Pobudzenie synaptyczne

Mechanizm działania memantyny, (zmodyfikowany wg Parsons i in. 1999)

LTP

przywrócenie stanu

LTP

Blokowanie receptora

Rysunek 3. Aktywność receptora NMDA w warunkach fizjologicznych i patologicznych.

41

(A) Receptor NMDA w stanie spoczynku, jonofor zablokowany jonem Mgz+, zamknięty dla przepływu jonów Caz+. (B) Wywołana czynnikami neurotoksycznymi aktywacja receptora skutkuje uwolnieniem jonu Mgz+

i nie kontrolowanym napływem jonów Caz+ do wnętrza komórki.

(C) Wywołana bodźcem aktywacja receptora prowadzi do odblokowania kanału i napływu jonów Caz+ do wnętrza komórki.

(D) Kanał zablokowany memantyną w stanie spoczynku.

(E) Memantyna jest w stanie zablokować kanał dla przepływu jonów Caz+ mimo zwiększonego stężenia

kwasu glutaminowego i zwiększonego potencjału depolaryzacyjnego.

(F) Depclaryzacja wywołana silnym bodźcem jest wystarczająca by znieść blokadę kanału przez memantynę

i umożliwić napływ jonów wapnia do komórki. (G) MK-801, blokuje receptor w stanie spoczynku. (H) W warunkach patologicznych oraz

(I) w warunkach pobudzenia silnym bodźcem.

czy mogą one być blokowane przez jony Mg2+ znajdujące się w przestrzeni pozako-mórkowej. Jony Mg2+ wchodzą do przed-sionka kanału i są w stanie przejściowo

zamknąć przepływ kationów przez kanał.

Przy zwykłym spoczynkowym potencjale hiperpolaryzacyjnym błony komórkowej (ok.

42

komórki) sprzyja weJsclU jonów Mg2_{+ do}

wn~trza jonoforu receptora NMDA, co po-woduje, że kanał jest zablokowany i nie-przepuszczalny dla jonów (rys. 3A). Jednak przy silnym pobudzeniu synapsy przez kwas glutaminowy, przy udziale receptorów AMPA, z jonoforu receptora NMDA uwol-niony zostaje Mg2+. W konsekwencji przez odblokowany kanał do wn~trza komórki napływają jony (przede wszystkim Na+ i Ca2_{+) i nast~puje postsynaptyczne} pobudze-nie (rys. 3C). Blokowapobudze-nie przez Mg2_{+ nadaje} wi~c receptorom NMDA cech~ zależności od potencjału. W przeciwieństwie do innych, receptory NMDA pozwalają na przepływ jonów wapnia. Jony te wchodzą przez sy-naptycznie aktywowane receptory NMDA i działająjako przekaźnik poprzez aktywacj~

zależnych od wapnia kinaz białkowych. Przypuszcza si~, że wapń wchodzący przez receptory NMDA podczas silnego pobudze-nia synaptycznego, jest czynnikiem, który wyzwala fomlowanie si~ synaptycznej pla-styczności wiążącej si~ z długotrwałym pobudzeniem synaptycznym LTP ( tong term potentiation) [16] (rys.3C). Zdolność do stworzenia unikalnych połączell mi~dzy

jednocześnie aktywowanymi neuronami, poprzez mechanizm zależny od NMDA, jest istotą procesów poznawczych, w tym uczenia i pami~ci [17].

W sytuacji patologicznej, receptory NMDA mogą być aktywowane przez nad-miemie wysokie st~żenia zewnątrzkomórko­ wego kwasu glutaminowego. Może to mieć miejsce podczas niedoboru energii, podczas przedłużonych napadów drgawkowych, na skutek zniszczenia lub śmierci neuronów zachodzącej w wyniku niedolawienia lub pod wpływem innych czynników neurodegene-racyjnych. W takich warunkach, potencjał błony neuronu zwi~ksza si~ (staje si~ bar-dziej dodatni). Powoduje to uwolnienie jonów magnezu blokujących receptor NMDA i nasilony przepływ jonów wapnia przez odblokowany kanał (rys. 3B). Jeżeli ten proces tlwa wystarczająco długo, wyzwala kaskad~ zdarzell (aktywacja zależnych od

Ewa Taracha, Małgorzata Lehner, Adam P!aźl1ik wapnia kinaz białkowych, zllliliejszenie syn-tezy ATP, przeładowanie wapniemmitochon-driów, powstawanie WOhlych rodników), która może prowadzić do uszkodzenia lub nawet śmierci komórki. Uważa si~, że po-dobny mechanizm może leżeć u podstaw choroby Alzheimera [18]. Ten fakt spowodo-wał zainteresowanie antagonistami receptora NMDA, jako potencjalnymi lekami przeciw-działaj ącymi zaburzeniom neurologicznym, związanymi z nadaktywnością układu gluta-minianergicznego.

ANTAGONIŚCI

RECEPTORÓW NMDA

Pierwsze próby dotyczyły zastosowania kompetytywnych antagonistów receptorów NMDA. Substancje te wykazywały dużą

aktywność w badaniach przedklinicznych, ale w próbach klinicznych pozostał jedynie traxoprodil, z którym wiąże si~ pewne na-dzieje związane z leczeniem pourazowych uszkodzell głowy [19]. N ast~pnym hokiem, podj~tym w poszukiwaniu możliwości hamo-wania nadmiemej aktywacji receptorów NMDA, było zastosowanie niekompetytyw-nych antagonistów. Niekompetytywni anta-goniści wiążą si~ wewnątrz kanału (lyS. 2), a ich działanie nie może być zniesione przez zwi~kszenie st~żenia agonisty (kwasu gluta-minowego w przypadku receptorów NMDA). Niekompetytywny antagonista może wejść tylko do otwartego kanału (pobudzony recep-tor). Ma wi~c, przynajmniej teoretycznie, dodatkową zalet~ - jego hamujące działanie

może być specyficznie nasilone w miejs-cach nadmiemej aktywacji receptorów [19]. Próby z niekompetytywnymi antagonistami o dużym powinowactwie, takimi jak dizoci-plina (MK-801) czy fencyklidyna (PCP) nie przyniosły jednak spodziewanych efektów, przede wszystkim z powodu dużego nasile-nia działań niepożądanych. Lepsze wyniki uzyskano stosując niekompetytywnych anta-gonistów, o małym receptorowym powino-wactwie. Wśród nich najlepszym profilem

Neuroprotekcyjne właściwości memantyny w badaniach przedklinicznych 43 farmakologicznym i najlepszą tolerancją

cha-rakteryzuje się memantyna.

Dużo uwagi poświęcono zrozumieniu dla-czego niekompetytywny antagonista NMDA, o niskim powinowactwie, jak np. memanty-na, wykazuje mniej działań niepożądanych w porównaniu do substancji o większym po-winowactwie (PCP lub MK-801). Odpowie-dzi poszukiwano rozważając rozmaite czyn-niki, włączając różnice szybkości asocjacji i dysocjacji antagonistów wewnątrz kanału, stopień zależności od stanu funkcjonalnego receptora, częściowy wychwyt (trapping) antagonisty w kanale oraz możliwość oddzia-ływania z innymi miejscami wiążącymi, poza receptorami NMDA [14, 15]. Stwierdzono, że duże znaczenie ma możliwość odblokowa-nia kanału pod wpływem silnego bodźca.

Różnice takie dobrze ilustruje porównanie MK-801 i memantyny (rys. 3F i 31). Zdol-ność do odblokowania kanału zależy m.in. od szybkości dysocjacji cząsteczki antagonisty z kanału jonowego. W przypadku MK-801 szybkość dysocjacji wynosi ok. 3 min. Tak wolna dysocjacja doprowadzi do całkowite­ go zablokowania kanału, utrzymującego się również podczas synaptycznej depolaryza-cji. Dla memantyny czas dysocjacji wynosi ok. 3 s. Jest to czas wystarczająco krótki, by w czasie synaptycznej depolaryzacji jej cząsteczki mogły być uwolnione i usunięte z kanału receptorowego. To zjawisko prawdo-podobnie tłumaczy, dlaczego memantyna dodana do hodowli neuronów hipokampa, w niewielkim stopniu hamuje zależną od receptorów NMDA składową pobudzenia synaptycznego, podczas gdy MK-801 powo-duje nasilone hamowanie prowadzące do całkowitego wygaszenia zależnego od recep-torów NMDA potencjału [19]. Szybkość dy-socjacji nie jest jedynym parametrem, który determinuje dobrą tolerancję niekompetytyw-nych antagonistów receptora NMDA. Wyda-je się, że największe znaczenie ma szybkość

osiągania stanu równowagi, równa sumie szybkości asocjacji i dysocjacji. Jest ona znacznie większa dla memantyny niż dla in-nych, gorzej tolerowain-nych,

niekompetytyw-nych antagonistów NMDA [19]. Wydaje się więc, że czynniki decydujące o częściowej blokadzie i możliwości odblokowywania ka-nału pod wpływem silnego bodźca fizjolo-gicznego mają istotny wpływ na dobry profil fammkologiczny memantyny.

WPŁYW MEMANTYNY NA TRANSMISJĘ

GLUTAMINIANERGICZNĄ

W WARUNKACH PATOLOGICZNYCH W warunkach patologicznych, uwalnianie i wychwyt kwasu glutaminowego są zaburzo-ne, a w efekcie jego stężenie w szczelinach synaptycznychjest zwiększone. Ten fakt oraz inne czynniki, takie jak oksydacyjny stres, wolne rodniki, niedobór energii lub Ap powodują, że neurony są częściowo zdepo-1aryzowane. W konsekwencji dochodzi do uwolnienia jonów Mg2+ blokujących kanał

jonowy i zwiększonego napływu jonów Ca2+ do wnętrza komórki (rys. 3B), co prowadzi do powstania szumu elektrofizjologicznego, który może uniemożliwiać detekcję "znaczą­ cych" bodźców, które normalnie za pośred­ nictwem przekazywanego przez receptory NMDA napływu jonów Ca2+ do wnętrza ko-mórki, zapoczątkowują proces leżący u pod-staw LTP. Jak wspomniano, blokowanie jonoforu receptorowego przez memantynę jest zależne od potencjału. Silniejszy bodziec depolaryzacyjny jest potrzebny do uwol-nienia memantyny i odblokowania kanału

niż w przypadku blokady z udziałem Mg2+. W mózgu chorych na chorobę Alzheimera, memantyna może więc poprzez blokowa-nie kanałów jonowych receptorów NMDA zmniejszyć podwyższone tło będące efektem

napływu jonów Ca2+, na skutek przewlekłej aktywacji receptora NMDA (rys. 3E). W sy-tuacji, gdy silny bodziec wywoła odpowied-nio dużą depolaryzację błony postsynaptycz-nej, memantyna zostaje uwolniona, a kanał staje się przepuszczalny dla jonów wap-nia (rys. 3F). Niekompetytywny antagonista o dużym powinowactwie, jak np. MK-801,

44

blokuje kanał nie tylko w stanie spoczynku, czy zwiększonej aktywności wywołanej czyn-nikami neurotoksycznymi, ale również pod-czas odpowiedzi na silny bodziec (rys. 3G-I). Tym samym aktywność receptora NMDA zostaje całkowicie zahamowana. Memantyna zaś może redukować nadmierny przepływ jonów wapnia poprzez receptory NMDA nie blokując ich przepływu wywoływanego bodź­ cem fizjologicznym. W ten sposób meman-tyna zwiększa stosunek sygnału elektrofizjo-logicznego do szumu. Dzięki temu detekcja "znaczącego" bodźca staje się możliwa i może zostać przywrócony LTP fizjologiczny, odpo-wiedzialny za uczenie i pamięć [20].

Podsumowując, można stwierdzić, że blo-kowanie przez memantynę receptorów NMDA przy jednoczesnym zachowaniu możliwości odpowiedzi receptora NMDA na fizjologicz-ne synaptyczfizjologicz-ne pobudzenie, jest związane z poprawą objawów, a także działaniem neuro-protekcyjnym tego leku.

PROFIL FARMAKODYNAMICZNY Własności farmakodynamiczne memanty-ny zostały dobrze scharakteryzowane in vitro przy pomocy techniki patch-clamp w ko-mórkach zwojowych siatkówki, hipokampa, striatum, neuronów korowych oraz komórek embrionów gryzoni, jak również w badaniach in vivo. Memantyna w stężeniu 2-33 f.Lmol/L antagonizowała efekt pobudzający NMDA (100 f.Lmol/L) w neuronach wzgórka górnego i hipokampach, w sposób zależny od stęże­ nia (stężenie powodujące 50% hamowania, IC50

=

2,92 mmollL). Efekty memantyny nie były odwracane przez glicynę w stężeniu < 100 f.Lmol/L [21, 22].

Memantyna (1-amino-3 ,5-dwurnetyloada-mantan) jest antagonistą receptora NMDA, selektywnie blokującym receptory NMDA w dawkach i stężeniach terapeutycznych (~1 f.LM). Wykazuje właściwości częściowych agonistów, tzn. posiada niską aktywność we-wnętrzną (zdolność do wywoływania efektu) i nie powoduje całkowitej blokady receptora

Ewa Taracha, Małgorzata Lehne/; Adam Płaźnik [22]. Selektywnie wiąże się z miejscem wią­ zania MK-801 i nie wpływa na wiązanie ligandów wielu innych receptorów w o.u.n. w stężeniach 10-100 f.LM [22, 23] (rys. 4).

Różnica między memantyną a innymi antagonistami nie jest ilościowa, a raczej ja-kościowa. Można ją wyrazić indeksem tera-peutycznym. Jest to stosunek ED50 hamu-jącej zachowanie zwierząt w teście Rotarod (miara sprawności ruchowej), do ED50 wy-kazującej działanie przeciwdrgawkowe. Dla memantyny wynosi 2,5-3, a dla MK-801 wynosi 1 [22]. Większa rozpiętość dawek memantyny świadczy o większym bezpie-czeństwie jej stosowania.

W porównaniu z innymi antagonistami kanału receptora NMDA (MK-801, dekstror-fan, fencyklidyna), memantyna charakteryzu-je się szybszą, porównywalną z ketaminą,

kinetyką interakcji z receptorami NMDA [23]. Antagoniści receptora NMDA wykazują czę­ sto własności uzależniające. Wieloletnie ob-serwacje kliniczne wskazują, że memantyna posiada słaby potencjał uzależniający, co po-twierdzają również badania z użyciem odpo-wiednich modeli zwierzęcych. Memantyna (w dawce 7,5 mg/kg) nie wywierała wpływu na zachowanie zwierząt w teście preferencji miejsca, jak również, w przeciwieństwie do MK-801, nie obniżała progu reakcji w teście elektrycznego samo drażnienia bocznych ob-szarów podwzgórza [22].

Memantyna może blokować także kanały receptorów nikotynowych, ale siła tego od-działywania nie ma większego znaczenia terapeutycznego. Teoretycznie w warunkach niedoboru czynności układu cholinergicz-nego w chorobie Alzheimera, oddziaływanie memantyny z receptorami nikotynowymi mogłoby znosić terapeutyczne efekty inhi-bitorów acetylocholinesterazy. W badaniach in vitro na homogenatach prążkowi a stwier-dzono, że memantyna może częściowo hamo-wać działanie inhibitorów acetylocholineste-razy [19]. Takich interakcji nie potwierdzono jednak w badaniach klinicznych, a działa­ nie neuroprotekcyjne memantyny okazało się znacznie istotniejsze [19].

Neuroprotekcyjlle właściwości memallt).ll).wbadalliachprzedklilliczll).ch 45

Oddziaływanie

memantyny z

różnymi

typami receptorów

w

zależności

od

stężenia

stężenie (I-lM) receptory _receptory a2 _al receptory kainowe receptory D₂ receptory AMPA wychwyt DAl5-HT

100

_ receptory 5-HT3 - receptory sigma

receptory nikotynowe Ach

10

-

receptory 5-HT1

Stężenia terapeutyczne

1

Zmodyfikowane wg Komhuber i in. 1994

hamujący wpływ na

Receptory NMDA

Rysunek 4. Powinowactwo memantyny względem różnych typów receptorów Memantyna (10-100 I-lM) nie wywiera

efektu na procesy elektrofizjologiczne in-dukowane przez receptory GABA, AMPA, kainowe i kwiskwalinowe. Istotne inter-akcje zreceptorami dopaminergicznymi (D₂), AMPA, kainowymi mają miejsce jedynie przy stężeniach przekraczających 100 I-lM [24].

WPŁYW NEUROPROTEKCYJNY

MEMANTYNY

W chorobie Alzheimera stwierdzono bar-dzo wyraźny spadek acetylocholiny zarówno w obszarze jądra podstawnego Meynerta, jak ijego polach projekcyjnych w korze mózgu. Uszkodzenia w obrębie jądra podstawnego Meynerta u szczurów, wywołane iniekcjami NMDA lub toksyną uszkadzającą

mitochon-dria, powodują znaczne obniżenie poziomu acetylocholinesterazy, w tych obszarach kory, w których podobne zmiany odnotowano w badaniach post mortem u ludzi [25]. W ho-dowlach komórkowych wykazano, że po-danie memantyny zapobiegało ekscytotok-sycznemu działaniu kwasu glutaminowego, w stosunku do neuronów pochodzących z różnych obszarów mózgu [23]. Również badania przedkliniczne wskazują, że dawki terapeutyczne memantyny stosowane w otę­ pieniach mogą posiadać działanie neuropro-tekcyjne. Memantyna podana szczurom tuż przed iniekcjami NMDA hamowała śmierć neuronów (ED50 = 2,8 mg/kg) [26]. Zaobser-wowano także, że memantyna zapobiegała zmianom patologicznym w hipokampach, prowokowanym iniekcjami Ap [22]. W mo-delu toksyczności chronicznej stwierdzono,

46

że długotrwałe przyjmowanie memantyny (31 mg/kg/dziell.) zapobiegało drgawkom i uszkodzeniom hipokampa: wywołanym po-daniem neurotoksyny [22]. Ponadto, bada-nia przedkliniczne dostarczają infonnacji, że memantyna może okazać się szczególnie skuteczna w leczeniu chorób degeneracyj-nych, którym towarzyszą deficyty funkcji mitochondriów [22].

W chorobie Alzheimera stwierdzono za- . burzenia regulacyjne neurotroficznych czyn-ników wzrostu: lokalne znU1iejszenie uwal-niania NGF i BDNF w hipokampach, korze skroniowej i jądrach podkorowych [27, 28]. Wiadomo, że czynniki troficzne, takie jak NGF (czynnik wzrostuherwów) i BNDF (czynnik neurotroficzny pochodze-nia mózgowego) mają szczególne znacze-nie w prawidłowym funkcjonowaniu i roz-woju neuronów cholinergicznych - wpły­

wają na ich przeżywalność i różnicowanie [29,30, 31]. W badaniach przedklinicznych stwierdzono, że dokomorowe podawanie NGF zapobiegało utracie neuronów choliner-gicznych, powodowało nie tylko zwiększe­ nie liczby połączell. neuronalnych w jąd­ rach podkorowych, lecz także poprawiało funkcje poznawcze [32]. Niestety, próby terapeutycznego zastosowania neurotro-ficznych czynników wzrostu w klinice są mało skuteczne, gdyż nie przenikają one przez barierę krew-mózg. Wyniki najnow-szych badall. wskazuj ą, że memantyna mogła­ by pełnić rolę pośredniczącą w indukowaniu czynników wzrostu. W modelach zwierzę­ cych wykazano, że. memantyna w dawkach 5-50 mg/kg nasila produkcję BDNF w struk-turach limbicznych [23].

WPLYWLEKU

NA PROCESY POZNAWCZE

Substancje hamujące patologiczną sty-mulację receptorów NMDA mogą przyczy-nić się do poprawy funkcji fizjologicznych neuronów w obszarze hipokampów i łago­

dzić objawy chorób otępiennych.

Wykaza-Ewa Taracha, Małgorzata Lehner, Adam Płaźnik

no, że memantyna stosowana w dawkach, w któlych wpływa neuroprotekcyjnie, od-działuje także korzystnie na pamięć [33, 34]. W doświadczeniach przeprowadzonych na starych zwierzętach (2-letnie szczury), me-mantyna przedłużała czas tlwania LTP i po-prawiała zdolność utrzymywania śladów

pamięciowych [33, 34, 35]. Memantyna okazała się ponadto skuteczna w modelu wywoływania upośledzenia pamięci (lezje kory entorinalnej). Po 9 dniach podawania leku (przy. pomocy pomp osmotycznych, 20 mg/kg/dziel1) zwierzęta uzyskiwały lepsze wyniki w testach uczenia przestrzennego [35]. W szeregu badall. przedklinicznych wykazano, że po dłuższym okresie poda-wania leku (30 mg/kg/dziell. przez 8 dni lub 20 mg/kg/dziel1 przez 14 dni) stężenia me-mantyny w surowicy lawi osiągały poziom 1 f.LM (stężenie terapeutyczne) z jednoczes-nym pozytywjednoczes-nym wpływem na uczenie. Wyniki te korelują pozytywnie z dallymi kli-nicznymi, potwierdzającymi poprawę funkcji poznawczych u pacjentów cierpiących na cho-roby otępiemle, leczonych memantyną [36].

PROFIL FARMAKOKINETYCZNY W badaniach z użyciem modeli zwie-rzęcych wykazano, że zarówno jednorazo-we (i.p. 5 mg/kg), jak i przewlekłe podania (20 mg/kg/dziel1), odpowiadające dawkom terapeutycznym stosowanym u osób cierpią­ cych na otępienie, znacząco oddziałują na receptory NMDA, natomiast przekroczenie dawki 20 mg/kg i.p. może powodować wy-stąpienie efektów ubocznych [22].

Memantyna jest całkowicie wchłaniana z przewodu pokarmowego. Czas półtrwania memantyny wynosi 60-100 h. Maksymalne stężenie w surowicy lek osiąga po 3-8 h. W dawce 10-40 mg/dziell. Jannakokinetyka memantyny jest liniowa. Memalltyna szybko przenika przez barierę krew-mózg, szczegól-nie do płata skroniowego, podwzgórza i rejo-nów mostu [23). Lek występuje w postaci niezmienionej (w 80%), posiada dwa

nie-Neuroprotekcyjne właściwości memantyny w badaniach przedklinicznych 47 aktywne metabolity:

N-3,5-dwumetylo-glu-adantan i mieszankę izomerów 4- i

6-hydro-ksymemantynę. Żaden z nich nie wykazuje powinowactwa względem receptorów NMDA. W płynie mózgowo-rdzeniowym memantyna jest obecna w ok. 30 min. po podaniu. Lek posiada niski potencjał psychozomimetyczny. Zależy on od siły blokady receptora NMDA, określanej stałą hamowania Ki (im większa Ki, tym lek słabiej hamuje dany typ recep-tora), która dla memantyny wynosi 0,5 !lM. Dla porównania, Ki dla MK-801 i PCP (fen-cyklidyny) wynoszą odpowiednio 0,001 !lM i 0,02 !lM [22, 37].

Lek wiąże się z białkami osocza w 45%, objętość dystrybucji wynosi 10 l/kg. Meman-tyna jest wydalana przez nerki (75-90%) w postaci niezmienionej . Klirens memantyny dla zdrowych ochotników wynosi 170 ml/ min.! 1 ,73 m2_{. Ponieważ memantyna jest częś­} ciowo eliminowana przez sekrecję kanaliko-wą, istnieje możliwość wystąpienia interakcji z lekami wydalanymi tą samą drogą [23].

W badaniach in vitro memantyna nie wpływała na aktywność wątrobowego cyto-chromu P450 i tym samym lek nie wchodzi w interakcje z wieloma innymi lekami (kwas acetylosalicylowy, paracetamol, witamina E, wodzian chloralu, donezepil). Ponadto, me-mantyna nie wywiera hamującego wpływu na enzymy z rodziny CYP (lA2, 2A6, 2C9, 2D6, 2El i 3A). Długoletnie badania klinicz-ne wykazały, że łączne stosowanie tego leku z inhibitorami acetylocholinesterazy (done-zepil, galantamina, tetrahydroaminoakrynid) poprawiało efekty terapeutyczne i było dobrze tolerowane [23, 37]. Przy ustalaniu dawek należy wziąć pod uwagę, że meman-tyna nasila efekt L-DOPA, dopaminomi-metyków, leków cholino litycznych, osłabia efekty barbituranów i neuroleptyków, mody-fikuje działanie leków miorelaksujących (dantrolen, baklofen) [23].

U zdrowych ochotników memantyna w dawce 30 mg nie wpływała na procesy po-znawcze, nie zaobserwowano również zmian w EEG. Natomiast u osób starszych, dawka leku 20 mg zmniejszała deficyty uwagi.

Me-mantyna nie wpływała na przewodzenie w układzie bodźco-przewodzącym serca [37]. Skuteczność memantyny w zakresie po-prawy funkcji poznawczych u chorych w średnim i zaawansowanym stadium choro-by Alzheimera udowodniono w kilku kon-trolowanych badaniach klinicznych. Dawki 20 mg/dobę stosowane przez okres 6-24 mie-sięcy, były dobrze tolerowane. Podejmowane są próby wykorzystania leku również w cho-robie Parkinsona, padaczce, encefalopatii wą­ trobowej, stwardnieniu rozsianym, udarze mózgu i dyskinezach [38].

Memantyna przeszła pomyślnie szereg przedklinicznych testów przeprowadzonych na różnych gatunkach zwierząt. Z wyjątkiem ekstremalnie wysokich dawek, była dobrze tolerowana. U niektórych gatunków zwierząt po dawkach znacznie przekraczających po-ziom terapeutyczny u ludzi, powodowała m.in. ataksję, amnezję, utratę masy ciała. Ba-dania przeprowadzone na szczurach nie wy-kazały wpływu na rozwój embrionalny, płod­ ność czy efekty kannienia mlekiem matki (mimo przechodzenia do mleka). Nie stwier-dzono również własności mutagennych ani karcynogennych. Istnieją nieliczne doniesie-nia, że memantyna może wywoływać efekty psychozomimetyczne, podobnie jak inni nie-kompetytywni antagoniści receptora NMDA. Opisane sytuacje dotyczyły przypadków, kie-dy pominięto zasadę stopniowego zwiększa­ nia dawki lub memantyna była podawana wraz z dopamimetykami. Należy unikać po-dawania memantyny z ketaminą, dekstrome-torfanem, czy feny toiną, istnieje wówczas ryzyko wystąpienia silnych psychoz poleko-wych. Występowanie działań niepożądanych

związanych z przyjmowaniem leku zaobser-wowano u mniej niż 2% pacjentów (halucy-nacje, zawroty i bóle głowy) [37].

W podsumowaniu można stwierdzić, że badania nad memantyną wskazują na intere-sującąkoncepcję teoretycznego i praktyczne-go leczenia chorób przebiegających z otępie­ niem i wytyczają nową drogę poszukiwania sposobu leczenia tych wyniszczających cho-rób, uwarunkowanych cywilizacyjnie.

48

PIŚMIENNICTWO

l. Cacabelos R, Takeda M, Winblad B. The gluta-matergic system and neurodegeneration in dementia: preventive strategies in Alzheimer's disease. Int J Geriatr Psychiatry 1999; 14: 3-47. 2. Doraiswamy PM. Non-cholinergic strategies for treating and preventing Alzheimer disease. CNS Drugs 2002; 16: 811-24.

3. Wehr H. Genetyka choroby Alzheimera. Post PsychiatrNeurol1999; 8: 403-9.

4. Markesbery WR. Oxidative stress hypothesis in Alzheimer's disease. Free Radic Biol Med 1997; 23: 134-47.

5. Mattson MP. Antigenic changes similar to those seen in neurofibrillary tangles are elicited by glutamate and Ca2+ influx in cultured hippo-campal neurons. Neuron 1990; 4: 105-17. 6. PelTy G, Nunomura A, Cash AD, Tadoko MR,

Hirai K, Aliev G, Avila J, Watoya T, Shimoha-ma S, Atwood CS, Smith MA. Reactive oxygen: !ts sources and significance in Alzheimer's dise-ase. J Neurol Transm Suppl 2002; 69-75. 7. Windblad B, Mabius HJ, Staffier A. Glutamate

receptors as a target for Alzheimer's disease - are clinical results supporting the hope? J Neurol Transm 2002; 62: 217-25.

8. Cowburn RF, Wiehager B, Trief E, Li-Li M, Sundstrom E. Effects ofbeta-amyloid (25-35) peptides on radioligand binding to excitatory aminoacids receptors and voltage-dependent calcium channels: evidence for a selective affi-nity for the glutamate and glicine recognition sites ofNMDA receptor. Neurochem Res 1997; 22: 1437-42.

9. Pizzi M, Valerio N, Arrighi V, Galii P, Belloni M, Ribola M, Alberici A, Spano P, Memo M. Inhibition of glutamate induced neurotoxicity by a tau antisense oligonucleotide in primary culture of rat cerebellar granule cells. Eur JNeurosci 1995; 7: 1603-13.

10. Masliah E, Alford M, DeTersea R, Mallory M, Hansen L. Deficient glutamate transport is associated with neurodegeneration in Alzhei-mer's disease. Ann Neurol 1996; 40: 759-66. II. Furuta A, Rothstein ID, Martin JL. Glutamate

transporter protein subtypes are expressed dif-ferentially during rat central nervous system development. J. Neurosci 1997; 17: 8363-75. 12. Thai DR. Excitatory amino acid transporter

EAAT-2 in tangle-bearing neurons in Alzhei-mer's disease. Brain Patho12002; 12: 405-11.

Ewa Taracha, Małgorzata Lehne/; Adam Płaźnik 13. Butterfield DA, Pocernich CB. The

glutamater-gic system and Alzheimer' disease. CNS Drugs 2003; 17: 641-52.

14. Mealing GA, LantllOrn TH, Murray CL, Small DL, Morley P. Differences in degree of trap-ping of low-affinity uncompetitive N-methyl-D-aspartic acid receptor antagonists with simi-lar kinetics of block. J Phannacol Exp Ther 1999; 288: 204-10.

15. Parson CG, Quack G, Bresink I, Baron L, Prze-galiński E, Kostowski W, Krząścik P, Hartman S, Danysz W. Comparison of potency, kinetics and voltage-dependency of a serie s of uncom-petitive NMDA antagonists in vitro with anti-convulsive and motor impairment activity in vivo. Neuropharmacology 1995; 34: 1239-58. 16. Malenka RC, NicolI RA. Long-term potentia-tion a decade of progress? Science 199; 285: 1870-4.

17. Bliss TVP, Collingridge GL. A synaptic model ofmemory: a long-term potentiation in the hip-pocampus. Nature 1993; 361: 31-9.

18. Lipton SA, Rosenberg PA. Excitatory amino acids as a final common pathway for neuro-logic disorders. N Engl J Med 1994: 330: 616-22.

19. Rogawski MA, Wenk Gl. The neuropharmaco-logi cal basi s for the use of memantine in the treatment of Alzheimer's disease. CNS Drug Reviews 2003; 9: 275-308.

20. Chen HS, Wang YF, Rayudu PV, Edgecomb P, Neill JC, Segall MM, Lipton SA, Jensen FE. Neuroprotective concentrations of N-methyl-D-asparate open-chane1 blocker memantine are effective without cytoplasmic vacuolation fol-lowing post-ischemic administration and do not block maze learning or lon g-term potentiation. Neuroscience 1998; 86: 1121-32.

21. Parson CG, Danysz W, Quack G. Memantine and the amino-alkyl-cyclohexane MRZ 2/579 are moderate affinity uncompetitive NMDA receptor antagonists in vitro characterization. Amino Acids 2000; 19: 157-66.

22. Parsons CG, Danysz W, Quack G. Memantine is a clinically well tolerated N-methyl-D-aspar-tate (NMDA) receptor antagonist - a review of preclinical data. Neuropharmacology 1999; 38: 735-67.

23. Jarvis B, Figgitt DP. Memantine. Drugs Aging 2003; 20: 1-3.

24. Kornlmber J, Weller M, Schoppmeyer K, Riederer P. Amantadine and memantine are

Neuroprotekcyjne właściwości memantyny w badaniach przedklinicznych 49 NMDA receptor antagonists with

neuroprotec-tive properties. J Neurol Transm Suppl 1994; 43: 91-104.

25. Miguel-Hidalgo II, Alvarez XA, Cacabelos R, Quack G. Neuroprotection by memantine aga-inst neurodegeneration induced by beta-amy-loid (1-140). Brain Res 2202; 20: 210-2I. 26. Wenk GL, Zajączkowski W, Danysz W.

Neuro-protection of acetylocholinergic basal forebrain neurons by memantine and neurokinin B. Behav Brain Res 1997; 83: 129-33.

27. Fahnestock M, Garzon D, Holsinger RM, Michalski FE. Neurotrophic factors and Alzhei-mer's disease: are we focusing on the wrong molecule? JNeurol Transm 2002; 62: 241-52. 28. Garzon D, Yu G, Fahnestock M. A new brain-derived neurotrophic factor transcript and decrease in brain derived neurotrophic factor transcripts 1,2 and 3 in Alzheimer's disease pa-rietal cortex. J. Neurochem 2002; 82: 1058-64. 29. Jonhagen ME. Nerve growth factor treatment in dementia. Alzheimer Dis Assoc Disord 2000; 14 (supll): S31-8.

30. Murer MG, Yan Q, Raisman-Vozari R. Brain-derived neurotrophic factor in the controi hu-man brain, and in Alzheimer's disease and Par-kinson disease. Alzheimer Dis Assoc Disord 2000; 14 (supll): S31-8.

31. Weiss C, Marksteiner J, Humpel C. Nerve growth factor and glial cellline-derived neuro-trophic factor restore the cholinergic neuronal phenotype in organotypic brain slice of the basal nucleus of Meynert. Neuroscience 200 l; 102: 129-38.

32. Nabeshima T, Yamada K. Neurotrophic fac-tor strategies for the treatment of Alzheimer

disease. Alzheimer Dis Assoc Disord 2002; 14 (supl l): S39-46.

33. Bames CA, Danysz W, Parsons CG. Effects of the uncompetitive NMDA receptor antagonist memantine on hippocampallong-term potentia-tion, short-term exploratory modulation and spatial memory in awake, fee1y moving rats. EurJNeurosci 1996; 8: 565-7I.

34. Mondadori C, Weiskrantz L, Buerki H, Petsch-ke F, Fagg GE. NMDA receptor antagonists can enhance or impair leaming performance in animals. Exp Brain Res 1989; 449-56. 35. Zajączkowski W, Quack G, Danysz W. Infusion

of (+) MK-80l and memantine - Contrasting effects on radial maze learning in rats with entorhinal cortex lesion. Eur J Pharmacology 1996;296:239-346.

36. Ditzler K. Efficacy and tolerability of meman-tine in patients with dementia syndrome. A double-blind, placebo controlled tria!. Arzneim Forsch Drug Res 1991; 41: 773-80. 37. Lundbeck H AIS. Summary ofproduct charac-teristics. Ebixa (memantine hydrochloride). H. Lundbeck AIS, Valby, Denmark; 2002: 1-3. 38. Ferris SH, Schmidt F, Doody R. Long-term treatment with the NMDA antagonist, meman-tine: results of a 24-week, open-Iabel extension study in advanced Alzheimer's disease. Poster presented at the Annual meeting ofThe Ameri-can College of Neuropsychopharmacology, Hawaii,9-13.12.200I.

39. Bisaga A, Popik P. In search of a new pharmacological treatment for drug and alco-hol addiction: N-methyl-D-aspartate (NMDA) antagonists. Drug and Alcohol Dependence 2000; 59: 1-15.

Adres: Dr Ewa Taracha, Zakład Neurochemii Instytutu Psychiatrii, ~ Neurologii, ul. Sobieskiego 9,02-957 Warszawa, tel. (0-22) 3213319,fax·.: 3213471,