WSTĘP

Głównym efektem działania β2-mimetyków jest rozkurcz mięśniówki gładkiej oskrzeli. Relaksacja błony mięśniowej jest wynikiem agonistycznego działania tej grupy leków na receptory β2-adrenergiczne - ADRB2 (budowa ADRB2 oraz mechanizmy jego aktywacji zostały przedstawione w pierwszej części artykułu) [1]. Siła oddziaływania leku z receptorem i wielkość uzyskanej odpowiedzi zależą od wielu czynników. Głównymi parametrami opisującymi interakcje β2-mimetyków z ich receptorami są: selektywność (ang. selectivity), powinowactwo (ang. affinity), skuteczność, siła pobudzania receptora (ang. efficacy) i aktywność (ang. potency) [2, 3].

SELEKTYWNOŚĆ RECEPTOROWA (ANG. SELECTIVITY)

Selektywność to zdolność do wybiórczego działania danej substancji na określoną strukturę (np. określony receptor lub jego podtyp), co w kontekście β2-mimetyków oznaczałoby wybiórczą aktywację ADRB2 w drogach oddechowych. Współcześnie stosowane β2-mimetyki krótko- i długodziałające należą do grupy selektywnych β2-agonistów. Wiadomo jednak, że nie ma leków w pełni selektywnych i wszystkie β2-mimetyki mogą wykazywać swoje działania poza układem oddechowym. Poszczególne β2-mimetyki różnią się między sobą współczynnikiem selektywności (iloraz zdolności pobudzania receptora β2 i β1 = β2/β1). Selektywność poszczególnych leków ocenia się względem izoprenaliny, która w jednakowym stopniu pobudza receptory β2 i β1. Najwyższy współczynnik selektywności posiada salmeterol (β2/β1 = 85000). Dla salbutamolu wynosi on 1375, dla formoterolu 400 [4]. Ma to duże znaczenie kliniczne, gdyż wysoka selektywność β2-agonisty warunkuje jego większe bezpieczeństwo stosowania (mniejsze ryzyko wystąpienia skutków ubocznych, takich jak zaburzenia rytmu serca, hipokaliemia, drżenia mięśniowe itp.).

W tym kontekście salmeterol, jako lek o najwyższym współczynniku selektywności, wydaje się posiadać najwyższy profil bezpieczeństwa.

Porównując siłę działania rozkurczowego β2–mimetyków najkorzystniej wypada formoterol. Siła działania formoterolu jest ok. 2,5 razy większa od salmeterolu [5]. Głównymi parametrami wpływającymi na siłę rozkurczu mięśni (wielkość odpowiedzi receptorowej) jest stopień powinowactwa leku do ADRB2 i aktywność wewnętrzna (ang. intrinsic activity) samego β2-agonisty.

POWINOWACTWO (ANG. AFFINITY)

Powinowactwem nazywamy zdolność danej substancji do wiązania się z receptorem. Stopień powinowactwa określa wielkość stężenia substancji aktywującej receptor, potrzebnego do uzyskania odpowiedzi równej połowie odpowiedzi maksymalnej. Innymi słowy, powinowactwo leku do receptora charakteryzuje takie jego stężenie, przy którym wysyceniu ulega połowa wszystkich receptorów. Im to stężenie jest niższe, tym wyższe jest powinowactwo leku do receptora i odwrotnie.

Lek o silnym powinowactwie to zatem taki, który łatwo wiąże się z receptorem i trudno od niego oddysocjowuje. Niskie powinowactwo charakteryzuje natomiast słabe wiązanie leku z receptorem i duża łatwość jego uwalniania.

Leki długodziałające, takie jak formoterol i salmeterol, charakteryzują się blisko 50-krotnie większym powinowactwem do ADRB2 niż leki krótkodziałające (np. salbutamol) [6]. Zależy to w dużej mierze od struktury fizykochemicznej samej cząsteczki leku, w tym od stopnia jego lipofilności. Warstwa lipidowa błony komórkowej pełni bowiem funkcję magazynu dla substancji lipofilnych. Salmeterol, charakteryzujący się najwyższą lipofilnością spośród znanych obecnie β2-agonistów (ok. 3200 razy większa lipofilność od salbutamolu), jest po dostaniu się do przestrzeni pozakomórkowej praktycznie całkowicie pochłaniany przez błonę komórkową, skąd powoli dyfunduje w kierunku receptora (powolny początek działania) [7]. Długi, lipofilny łańcuch boczny cząsteczki zakotwicza się w miejscu nieaktywnym receptora (tzw. exosite), podczas gdy centralna część saligeninowa rytmicznie pobudza część aktywną receptora. Taki sposób połączenia z receptorem zapobiega szybkiej dyfuzji cząsteczki leku z błony komórkowej, zapewniając jednocześnie długi czas działania salmeterolu (12 godzin) [8].

Z kolei salbutamol i fenoterol mają budowę hydrofilną i po podaniu wziewnym szybko dyfundują w przestrzeni pozakomórkowej do miejsca aktywnego receptora (szybki początek działania). Trwałość takiego wiązania jest jednak niewielka i lek szybko ulega oddysocjowaniu od receptora, pozostawiając miejsce dla kolejnych cząstek leku (krótki czas działania). Czas działania salbutamolu zależy więc od ilości cząstek zdolnych do pobudzenia receptora, a więc od dawki przyjętego leku. Szczyt działania salbutamolu występuje po około 30-45 minutach i trwa do 6 godzin.

Formoterol z kolei charakteryzuje się umiarkowaną lipofilnością. Dzięki temu pewna część leku reaguje od razu z miejscem aktywnym receptora (co zapewnia szybki początek działania formoterolu), reszta jest natomiast magazynowana w błonie komórkowej (długi czas działania). Długość działania leku zależy więc od dawki leku. Szczyt działania obserwuje się po 1-2 godzinach, a całkowity czas działania leku, w zależności od zastosowanej dawki, wynosi 8-12 godzin [9].

Siła rozkurczająca β2-mimetyków zależy nie tylko od ich powinowactwa do ADRB2, ale również od aktywności wewnętrznej poszczególnych β2 -agonistów.

SIŁA POBUDZANIA RECEPTORA, INTENSYWNOŚĆ (ANG. EFFICACY) - „AKTYWNOŚĆ WEWNĘTRZNA” (INTRINSIC ACTIVITY)

Jest to poziom maksymalnej aktywacji receptora, powyżej której nie występuje już dalszy wzrost odpowiedzi, pomimo zwiększania stężenia agonisty. Aktywność wewnętrzna odzwierciedla zatem maksymalny efekt, jaki może wywołać dany lek przy całkowitym wysyceniu receptorów.

Aktywność wewnętrzną porównuje się zazwyczaj do naturalnego przekaźnika, w przypadku β2-mimetyków do izoprenaliny, której aktywność przyjmuje się za 1. W porównaniu z izoprenaliną aktywność salmeterolu wynosi ok. 0,65, salbutamolu ok. 0,8, a fenoterolu i formoterolu 1 [10].

Jeśli dwa leki posiadają taką samą aktywność wewnętrzną, a różnią się stopniem powinowactwa do receptora, to możliwy do uzyskania efekt jest taki sam, zależy tylko od stężenia leku (wyższe stężenie w przypadku leku o mniejszym powinowactwie). Natomiast jeśli dwa leki mają takie same powinowactwo do receptorów, ale różną aktywność wewnętrzną, to większą siłę działania wykaże lek charakteryzujący się wyższą aktywnością wewnętrzną (przy takim samym stężeniu). Substancja o niskim powinowactwie do receptora może zatem okazać się większą skutecznością, o ile posiada większą zdolność do aktywacji receptora. Stopień aktywności wewnętrznej poszczególnych β2-mimetyków można badać określając np. wielkość wywołanej aktywacją receptora odpowiedzi biochemicznej (wyrażonej np. stężeniem cAMP w komórce) czy też fizjologicznej (stopień rozkurczu mięśni gładkich). Wpływ salmeterolu, formoterolu i terbutaliny na siłę rozkurczu mięśni przedstawia ryc. 1.

Z pojęciem aktywności wewnętrznej wiąże się bezpośrednio zjawisko pełnego i częściowego agonizmu. Pełny agonista to taki, który posiada wysokie powinowactwo do receptora i aktywność wewnętrzną większą lub równą od 1 (w porównaniu z izoprenaliną).

Częściowy agonista ma również duże powinowactwo do receptora, ale aktywność wewnętrzna jest niższa, zwykle wynosi 0,2-0,8. Pełny agonista charakteryzuje się więc wysoką aktywnością wobec receptora, powodując maksymalną odpowiedź komórkową (rozkurcz mięśni gładkich oskrzeli). Leki te dla uzyskania takiego samego efektu wymagają zatem mniejszej liczby receptorów. Zarówno w sytuacji dużej, jak i małej „rezerwy receptorowej” pełny agonista powoduje powstanie silnego sygnału. Jest to właściwość agonisty niezależna od jego stężenia. Pełny agonista zapewnia większą siłę działania, z drugiej jednak strony może wiązać się z występowaniem bardziej nasilonych działań niepożądanych. Częściej powoduje również desensytyzację receptora, co w efekcie przyczynia się do zmniejszenia siły działania leku [11, 19]. Efekt ten nie występuje w przypadku równoczesnego podawania glikokortykosteroidów wziewnych. Przykładem pełnego agonisty jest fenoterol i formoterol.

Częściowy agonista wykazuje mniejszą aktywność wobec receptora. Do wywołania silnej odpowiedzi komórkowej potrzebuje większej liczby receptorów. W przypadku małej „rezerwy receptorowej” sygnał aktywowany przez częściowego agonistę może być jednak zbyt słaby dla uzyskania maksymalnego efektu klinicznego (ryc. 2). Przykładem częściowego agonisty jest salmeterol i salbutamol.

W związku z dużą gęstością β2-receptorową w drzewie oskrzelowym zarówno pełni, jak i częściowi agoniści dają dobrą odpowiedź relaksacyjną mięśni gładkich [12, 13]. Sytuacja zmienia się w okresie zaostrzeń astmy wywołanych swoistymi i nieswoistymi czynnikami bronchoprowokacyjnymi, gdy z powodu zwiększonego zużycia doraźnych β2-agonistów, jak i działania prozapalnych mediatorów (tzw. antagonizm funkcjonalny) liczba ADRB2 może ulec zmniejszeniu. Wówczas odpowiedź na pobudzenie receptora może być nieznacznie (pełny agonista) lub znamiennie zmniejszona (częściowy agonista) [14]. Z tego powodu pełni agoniści wydają się wywierać silniejszy efekt protekcyjny w próbach prowokacji niespecyficznej [15, 16].

POTENCJAŁ, MOC (ANG. POTENCY)

Potencjał β2-agonisty określa stężenie leku konieczne do wywołania danego efektu, zwykle jest to dawka, która powoduje 50% maksymalnej odpowiedzi (EC50). Wartości EC50 dla poszczególnych β2-agonistów przedstawiają się następująco (w μM): formoterol - 0,0007, salbutamol - 0,041, salmeterol - 0,096 [17].

W zasadzie wielkość ta nie ma większego znaczenia klinicznego, gdyż dla pacjenta nie ma różnicy czy przyjmie 5 czy 50 mg leku, jeśli obie dawki mieszczą się w przedziale terapeutycznym.

PROCESY AUTOREGULACJI ADRB2 - ZJAWISKO TOLERANCJI RECEPTOROWEJ

Odpowiedź ADRB2 na agonistę podlega procesom autoregulacji. Wiąże się to z występowaniem zjawiska tolerancji (desensytyzacji) receptora, które polega na odwracalnej lub nieodwracalnej utracie wrażliwości receptora na kolejne pobudzenia. To skutkuje spadkiem wrażliwości tkanek na zastosowany β2-mimetyk. Desensytyzacja jest zjawiskiem naturalnym, mającym na celu ochronę tkanek przed nadmierną stymulacją β2–adrenergiczną w sytuacji zwiększonej ekspozycji na agonistę. Tzw. całkowici agoniści receptora β2-adrenergicznego powodują szybszą desensytyzację receptora niż agoniści częściowi [18, 19]. Badania nad efektem bronchodilatacyjnym formoterolu wykazały znamienną poprawę parametrów funkcji płuc w pierwszych dniach leczenia, z postępującym spadkiem FEV1 o ok. 50% w stosunku do początkowego przyrostu w 1 i 2 tygodniu leczenia, następnie poziomem plateau w 3 tygodniu terapii [20]. Zjawiska tolerancji nie obserwowano w przypadku salmeterolu [12, 13].

Stopień desensytyzacji zależy od siły i czasu pobudzenia receptora ß2–adrenergicznego. Wyróżniamy następujące formy tolerancji:

• krótkotrwałe zahamowanie zdolności wiązania agonisty przez receptor, tzw. odczepianie (ang. uncoupling) - jest zjawiskiem szybkim i w pełni odwracalnym. Jest związane z utratą zdolności do interakcji receptora z podjednostką α błonowego białka regulacyjnego G (białko wiążące trójfosforan guanozyny - GTP) wskutek jego fosforylacji przez kinazę białka G receptora β2 (βARK) [21]. Powrót zdolności do wiązania agonisty (na drodze ponownego związania podjednostki α białka G i utworzenia kompleksu α - GTP) następuje w ciągu kilku sekund. W tej formie desensytyzacji liczba receptorów nie ulega zmianie.

• krótkotrwałe obniżenie zdolności receptora do generowania sygnału (słabsza odpowiedź na pobudzenie) - obserwowany jest już po kilkugodzinnej stymulacji receptora przez agonistę, przy czym całkowita liczba receptorów nie ulega zmianie [22]. W procesie replikacji receptora β2-adrenergicznego kluczową rolę odgrywa bowiem aktywowane przez cAMP (za pośrednictwem kinazy białkowej A) białko CREB (cyclic - AMP responsive element binding protein), które łączy się w jądrze komórki z fragmentem CRE (cyclic – AMP responsive element) odpowiedzialnym za replikację genu receptora β2. Przy krótkotrwałym pobudzeniu receptora β2 nie obserwuje się spadku wewnątrzkomórkowego stężenia cAMP, a przez to zmian w ekspresji receptora, pomimo że ich zdolność do odpowiedzi jest obniżona. Usunięcie β2-mimetyku z otoczenia receptora powoduje w ciągu kilku godzin całkowity powrót prawidłowej odpowiedzi komórkowej na pobudzenie.

• długotrwały, nieodwracalny spadek liczby receptorów (tzw. regulacja w dół - down regulation) - pojawia się po długotrwałym (wielogodzinnym lub wielodniowym) pobudzaniu receptora [22]. Jest związany ze zmniejszeniem procesów replikacji genu dla receptora β2 wskutek spadku poziomu czynników transkrypcyjnych CREB w odpowiedzi na zmniejszenie stężenia cAMP (jako efektu przedłużonej stymulacji receptora). Do powrotu pełnej odpowiedzi konieczne jest odtworzenie wewnątrzkomórkowej puli receptorów (czyli ponowna synteza receptora). Proces ten trwa wiele godzin.

GLIKOKORTYKOSTEROIDY A PROCES DESENSYTYZACJI

Procesom desensytyzacji ADRB2 skutecznie zapobiegają glikokortykosteroidy (GKS). Obserwowana pod wpływem GKS indukcja syntezy mRNA dla ADRB2 (poprzez łączenie się do białka GRE regionu promotorowego genu receptora) prowadzi do wzrostu liczby cząstek receptora w błonie komórkowej [23]. Proces ten nazywamy regulacją w górę (up-regulation). Podobne działanie wykazują hormony tarczycy. Szczegółowe wyjaśnienie interakcji ADRB2-GKS zostanie przedstawiony w kolejnej części artykułu.

..............................................................................................................................................................

PIŚMIENNICTWO

1.    Kopeć A., Fal A.M.: Agoniści receptora β2-adrenergicznego. Część 1. Receptor β2-adrenergiczny: struktura, funkcja, mechanizmy aktywacji. Alergol Info 2008; 1 (7): 25-31.

2.    Johnson M.: Pharmacology of long-acting β-agonists. Ann Allergy Asthma Immunol 1995; 75: 177–179.

3.    Barnes P.J.: β2-adrenergic receptors and their regulation. Am J Respir Crit Care Med 1995; 152: 838–860.

4.    Roux F.J., Grandordy B., Douglas J.S.: Functional and binding characteristics of long-acting beta 2-agonists in lung and heart. Am J Respir Crit Care Med 1996; 153: 1489–1495.

5.    Molimard M., Naline E., Zhang Y. i wsp.: Long- and short-acting β2-adrenoceptor agonists: interactions in human contracted bronchi. Eur Respir J 1998; 11: 583–588.

6.    Anderson G.P., Linden A., Rabe K.F.: Why are long-acting beta-adrenoceptor agonists long-acting? Eur Respir J 1994; 7: 569–578.

7.    Rhodes D.G., Newton R., Butler R. i wsp.: Binding and structural studies of the interactions of salmeterol with membrane bi-layers. FASEB
J 1992; 6: 374.

8.    Van Noord J.A., Smeets J.J., Raaijmakers J.A.M. i wsp.: Salmeterol versus formoterol in patients with moderately severe asthma: onset and duration of action. Eur Respir J 1996; 9: 1684–1688.

9.    Anderson G.P.: Formoterol: pharmacology, molecular basis of agonist and mechanism of long duration of a highly potent and selective β2-adrenoceptor agonist bronchodilator. Life Sci 1993; 52: 2145–2160.

10.    Jack D.: A way of looking at agonism and antagonism: lessons from salbutamol, salmeterol and other β2-adrenoceptor agonists. Br J Clin Pharmacol 1991; 31: 501–514.

11.    January B., Seibold A., Whaley B.S. i wsp.: β2-adrenergic receptor desensitization, internalization, and phosphorylation in response to full and partial agonists. J Biol Chem 1997; 272: 23871–23879.

12.    Pearlman D.S., Chervinsky P., LaForce C. i wsp.: A comparison of salmeterol with albuterol in the treatment of mild-to moderate asthma. N Engl J Med 1992; 327: 1420–1425.

13.    D’Alonzo G.E., Nathan R.A., Henochowicz S. i wsp.: Salmeterol xinafoate as maintenance therapy compared with albuterol in patients with asthma. JAMA 1994; 271: 1412–1416.

14.    Palmqvist M., Ibsen T., Mellen A. i wsp.: Comparison of the relative efficacy of formoterol and salmeterol in asthmatic patients. Am J Respir Crit Care Med 1999; 160: 244–249.

15.    Ramage L., Lipworth B.J., Ingram C.G. i wsp.: Reduced protection against exercise induced bronchoconstriction after chronic dosing with salmeterol. Respir Med 1994; 88: 262–368.

16.    Giannini D., Carletti A., Dente F.L. i wsp.: Tolerance to the protective effect of salmeterol on allergen challenge. Chest 1996; 110: 1452–1457.

17.    Kume H.: Clinical use of β2-adrenergic receptor agonists based on their intrinsic efficacy. Allergol Int 2005; 54: 89-97.

18.    January B., Seibold A., Allal C. i wsp.: Salmeterol-induced desensitization, internalization and phosphorylation of the human β2-adrenoceptor. Br J Pharmacol 1998; 123: 701–711.

19.    Clark R.B., Knoll B.J., Barber R.: Partial agonists and G protein-coupled receptor desensitization. Trends Pharmacol Sci 1999; 20: 279–286.

20.    Pauwels R.A., Lofdahl C.G., Postma D.S. i wsp.: Effect of inhaled formoterol and budesonide on exacerbations of asthma. N Engl J Med 1997; 337: 1405–1411.

21.    Premont R.T., Inglese J., Lefkowitz R.J.: Protein kinases that phosphorylate activated G protein-coupled receptors. FASEB J 1995; 9: 175–182.

22.    Lohse M.J.: Molecular mechanisms of membrane receptor desensitization. Biochim Biophys Acta 1993; 1179: 171–188.

23.    Mak J.C.W., Nishikawa M., Barnes P.J.: Glucocorticosteroids increase β2-adrenergic receptor transcription in human lung. Am J Physiol 1995; 268: 41–46.

24.    Kallstrom B.R., Sjoberg J., Waldeck B.: The interaction between salmeterol and beta 2-adrenoceptor agonists with higher efficacy on guinea-pig trachea and human bronchus in vitro. Br J Pharmacol 1994; 113 (3): 687-692.

25.    Hanania N.A., Sharafkhaneh A., Barber R. i wsp.: Beta-agonist intrinsic efficacy: measurement and clinical significance. Am J Respir Crit Care Med 2002; May 15, 165 (10): 1353-1358.

..............................................................................................................................................................

*Adres do korespondencji:

Andrzej M. Fal
Katedra Zdrowia Publicznego AM
51-618 Wrocław, ul. Bartla 5
tel.: +48 71 347 93 59 w. 213
e-mail: amfal@pro.onet.pl

Pracę nadesłano: 06.05.2008 r.
Przyjęto do druku: 10.06.2008 r.