dem Institut für Pharmakologie, Toxikologie und Pharmazie der Tierärztlichen Hochschule Hannover
Pharmakologische Beeinflussung der Bronchokonstriktion an „Precision Cut Lung Slices“ (PCLS)
beim Pferd
I N A U G U R A L – D I S S E R T A T I O N zur Erlangung des Grades einer
Doktorin der Veterinärmedizin (Dr. med. vet.)
durch die Tierärztliche Hochschule Hannover
Vorgelegt von Ann Kristin Barton
aus Lippstadt
Hannover 2005
Wissenschaftliche Betreuung: PD Dr. B. Ohnesorge
Univ.-Prof. Dr. M. Kietzmann
1. Gutachter: PD Dr. B. Ohnesorge
Univ.-Prof. Dr. M. Kietzmann
2. Gutachter: Univ.-Prof. Dr. J. Rehage
Tag der mündlichen Prüfung: 24.11.2005
Carpe Diem
II. Literatur ……….
1. Anatomische und histologische Grundlagen………..………
1.1. Lunge ……….
1.2. Bronchialbaum ……….………
1.3. Feinbau der Lunge………..……….
1.4. Innervation und Gefäßversorgung .……….
2. Chronisch obstruktive Bronchitis (COB) ..………..
2.1. Terminologie ………..
2.2. Anatomisch-histologische Veränderungen bei COB………..
2.3 Pathogenese der COB ……….
2.4. Therapie der COB ……….
3. Regulation des Bronchotonus ……….
3.1. nervale Regulation ……….
3.1.1. Vegetative Innervation ……….………
3.1.2. Nicht adrenerges, nicht cholinerges System ….………
4. Lungendiagnostik ………..
4.1. klinische Untersuchung ……….
4.2. Bronchoskopie ………
4.3. TBS-Analyse ……….
4.4. Blutgasanalyse ………
4.5. Provokationstests ………..
4.5.1. HIP-Test nach Deegen und Klein (In-Vivo-Modell) ………
4.5.2. Bronchialringe, Tracheal und Parenchymstrips (In-Vitro- Modell) ………...
4.5.3. Precision Cut Lung Slices ………....
5. Pharmaka mit Einfluß auf den Bronchotonus ……….
5.1. Parasympathomimetika (Metacholin und Acetylcholin) ……….
5.2. Parasympatholytika (Atropin, Ipratropium und Tiotropium)…………..
5.3. PDE-4-Hemmer (Cilomilast) ………..
5.4. Histamin und Antihistaminika ………
5.4.1. Histamin ……….
5.4.2. Antihistaminika ………..……….
5.4.2.1. Diphenhydramin ……….
5.4.2.2. Azelastin ………..
III. Eigene Untersuchungen zur pharmakologischen Beeinflussung der Bronchokonstriktion an Precision Cut Lung Slices (PCLS) ………
1. Material und Methodik ……….
1.1. Patientengut ………
1.2. Allgemeiner Versuchsablauf ………..
13 13 13 13 14 19 20 20 21 22 24 26 27 27 32 33 33 34 35 36 36 37 38 39 41 41 43 45 48 48 50 51 51
55 55 55 55
1.4. Euthanasie und Entnahme des Lungengewebes………
1.5 Histopathologische Untersuchung ……….
1.6 Herstellung der PCLS ………..
1.6.1. Gewinung des Untersuchungsmaterials ……….
1.6.2. Befüllung des Lungengewebes mit Agarose ……….
1.6.3. Herstellung der PCLS ……….
1.6.3.1. Feststellung der Vitalität ………
1.6.3.2. Mikroskopie der Lungenschnitte ………
1.6.4. Versuchsaufbau unter Standardbedingungen ……….
1.6.4.1. Digitalisierung der mikroskopischen Bilder ………
1.7. Behandlung der Schnitte mit pharmakologisch wirksamen Substanzen ………
1.7.1. Vorversuche zur Konzentrationsermittlung der zu
untersuchenden Pharmaka ………..
1.7.1.1. PDE4-Hemmer (Cilomilast) ………..
1.7.1.2. Atropin ……….
1.7.1.3. Ipratropium ……….
1.7.1.4. Tiotropium ………..
1.7.1.5. Diphenhydramin ……….
1.7.1.6. Azelastin ………
1.7.2. Versuch 1: Präkontraktionsreihe mit Metacholin und Acetylcholin Vergleich ……….
1.7.3. Versuch 2: MCh-Reihe nach Vorinkubation in PDE-4- Hemmer ………
1.7.4. Versuch 3: MCh-Reihe nach Vorinkubation in Atropin ….
1.7.5. Versuch 4: MCh-Reihe nach Vorinkubation in
Ipratropium ………
1.7.6. Versuch 5: MCh-Reihe nach Vorinkubation in
Tiotropium ……….
1.7.7. Versuch 6: Vorkontraktionsreihe mit Histamin ……….
1.6.8. Versuch 7: Histamin-Reihe nach Vorinkubation in
Diphenhydramin ………
1.7.9. Versuch 8: Histamin-Reihe nach Vorinkubation in
Azelastin ………..
1.8. Auswertung der mikroskopischen Bilder ………
1.9. Statistische Auswertung ……….
2. Ergebnisse der eigenen Versuche ………
2.1. Probandengut ……….
2.2. Ergebnisse der histopathologischen Untersuchung ………
2.3. Ergebnisse der Vorversuche zur Konzentrationsermittlung der zu untersuchenden Pharmaka ……….
2.3.1 Cilomilast ………
2.3.2. Atropin ……….
2.3.3. Ipratropium ………
2.3.4. Tiotropium ………
2.3.5. Diphenhydramin ……….
2.3.6. Azelastin ………..
63 63 64 64 65 66 67 67 68 68 70 70 71 71 71 72 72 72 72 74 74 75 75 75 76 77 78 78 80 80 83 86 86 86 87 87 87 87
2.6. Versuch 3: MCh-Reihe nach Vorinkubation in Atropin ………..
2.7. Versuch 4: MCh-Reihe nach Vorinkubation in Ipratropium ……….
2.8. Versuch 5: MCh-Reihe nach Vorinkubation in Tiotropium ………..
2.9. Versuch 6: Präkontraktionsreihe mit Histamin ………..
2.10. Versuch 7: Histamin-Reihe nach Vorinkubation in
Diphenhydramin ……….
2.11. Versuch 8: Histamin-Reihe nach Vorinkubation in Azelastin ……
2.12. Statistische Auswertung der Ergebnisse der Versuche 1-5……….
IV. Diskussion ………
1. Probandengut ………
2. Herstellung, Mikroskopie und Auswertung der PCLS ……….
3. Vitalitätsbestimmung ………
4. Pharmakologische Untersuchungen ………
4.1. Vergleich zwischen MCh/ACh und Histamin-Kontraktion ………….
4.2. Parasympatholytika (Atropin, Ipra- und Tiotropium) ……….
4.3. PDE-4-Hemmer (Cilomilast) ………
4.4. Antihistaminika (Diphenhydramin und Azelastin) ……….
5. Zusammenhang zwischen Erkrankungsgrad, Reagibilität und histopathologischer Untersuchung ……….
6. Streuungsanalyse ………
V. Zusammenfassung ………..
VI. Summary ……….
VII. Literaturverzeichnis ……….
VIII. Anhang: Ergebnisse der histopathologischen Untersuchung der einzelnen Probanden……….
Darstellung der Kurvenverläufe der einzelnen PCLS
Versuch 2: Cilomilast………..
Versuch 3: Atropin ……….
Versuch 4: Ipratropium ………
Versuch 5: Tiotropium ……….
Versuch 7: Diphenhydramin ………
Versuch 8: Azelastin ………..
IX. Danksagung ……….
92 95 97 100 101 104 106
108 108 110 113 114 114 114 115 116 117 118 120 122 124
143
146 152 158 164 170 176 182
Abb Ach AHR BALF cAMP COB COPD EC50
EDRF EEW EFS eNANC FEV1 HARBS HIPT i NANC IAD ICYP IL-8 LAR LPS LTB-4 LTC4 LTD4 MCh MEM PAD PCLS PCO2 PMN PO2 PDE
Abbildung Acetylcholin
Airway hyperreactivity
Broncho-alveolar lavage fluid Zyklisches Adenomonophosphat Chronisch obstruktive Bronchitis
Chronic obstructive pulmonary disease Effektive Konzentration, die zu 50%
Lumenreduktion führte
Epithel derived relaxing factor Exspiratory work of breathing Electric field stimulation
Exhibitory non-adrenergic non-cholinergic system Forciertes exspiratorisches Volumen / 1 Sekunde High affinity rolipram binding site
Histamin-Inhalations-Provokationstest
Inhibitory non-adrenergic non-cholinergic system Inflammatory airway disease
Iodo-cyano-pindolol Radioligand Interleukin-8
Late airway response Lipopolysaccharid Leukotrien B4 Leukotrien C4 Leukotrien D4 Metacholin
Minimum essential medium Peripheral airway disease Precision cut lung slice Kohlendioxidpartialdruck
Polymorphkernige neutrophile Granulozyten Sauerstoffpartialdruck
Phosphodiesterase
RAD RAO RPMI SAD STABW TBS TNF-α VIP
Reactive airway disease Recurrend airway obstruction
Roswell-Park-Memorial-Institute Zellkulturmedium Small airway disease
Standardabweichung Tracheobronchialsekret Tumor-Nekrose-Faktor-Alpha Vasoactive intestinal peptide
I. Einleitung
Erkrankungen des Atmungstraktes haben beim Pferd eine große Bedeutung. Sie sind oft der Grund dafür, dass die Tiere aus dem Turniersport ausscheiden müssen (LEKEUX und DUVIVIER, 2001; DEEGEN, 1986). Forschung auf diesem Gebiet hat aber nicht nur für das Pferd selber eine Bedeutung: Der Atmungstrakt des Pferdes ähnelt in anatomischer und physiologischer Hinsicht dem des Menschen, so kann das Pferd viel eher als typische Labortiere als Modell für die humane Asthma- und COPD-Forschung dienen (DOUCET et al, 1991). Die chronisch obstruktive Bronchitis (COB) des Pferdes weist sowohl Merkmale des Asthma bronchiale als auch der humanen COPD (chronic obstructive pulmonary disease) auf (ROBINSON, 2000).
Diese komplexe Erkrankung ist daher seit langem Gegenstand der Forschung, insbesondere da die Möglichkeiten der pharmakologischen Beeinflussung der Symptome unverändert noch unbefriedigend gelöst sind.
Provokationstests, wie der von DEEGEN und KLEIN (1986) entwickelte Histamininhalationsprovokationstest (HIPT), bieten die Möglichkeit, am lebenden Patienten funktionell auf COB zu untersuchen und neu entwickelte Substanzen zu testen. Sie stellen aber für den Patienten eine große Belastung dar und sind aufgrund der vielfältigen Einflussfaktoren schwer zu standardisieren. In-vitro- Untersuchungsmethoden an isolierten Trachealmuskel- oder Lungenparenchym- streifen sowie kleinen Bronchien liefern hingegen oft Ergebnisse, die nicht ohne Weiteres auf das lebende Pferd übertragen werden können.
Das von DANDRURAND et al (1993) erstmals vorgestellte, von MARTIN et al (1996) präzisierte und von VIETMEIER (2004) für das Pferd etablierte Verfahren, präzisionsgeschnittene Lungenschnitte (Precision Cut Lung Slices, PCLS) der kleinen Bronchien herzustellen, bietet die Möglichkeit, funktionelle Untersuchungen der kleinen Atemwege zwar außerhalb des Patienten, aber dennoch im natürlichen Gewebeverband durchzuführen. Diese Ex-vivo-Methode verbindet somit die Vorteile der Untersuchung in vivo und in vitro.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die von VIETMEIER etablierte PCLS-Technik für Reihenuntersuchungen weiterzuentwickeln und Wirkstoffe vergleichend an diesem Modell zu untersuchen. Da die Inhalation in der Therapie der COB eine sinnvolle
Therapiemöglichkeit darstellt (KAMPMANN, 1998) und eine zunehmend größere Rolle spielt, ist es zur Verringerung der Versuche am lebenden Tier und zum tieferen Verständnis der Abläufe in vivo relevant zu beobachten, wie sich die Bronchien und das gesamte Lungengewebe bei direktem Kontakt mit einem Wirkstoff verhalten, ohne dass der Organismus durch systemische Nebenwirkungen belastet wird.
II. Literatur
1. Anatomische und histologische Grundlagen
Die anatomischen und histologischen Grundlagen der equinen Lunge seien an dieser Stelle nur zusammenfassend dargestellt, eine vertiefende Darstellung findet sich in NICKEL et al. (1999) und WISDORF et al. (2002).
1.1 Lunge
Die Lungen des Pferdes sind im Vergleich zu den anderen Haussäugetieren kaum gegliedert, da Einschnitte fehlen. Lediglich im Bereich des ventralen Lungenrandes besteht die Incisura cardiaca pulmonis dextri bzw. sinistri, wodurch beide Lungen in einen Lobus cranialis und einen Lobus caudalis geteilt werden.
Die rechte Lunge verfügt zusätzlich über den Lobus accessorius, der dem Lobus caudalis dextri angegliedert ist. Ein Lobus medius fehlt dem Pferd. Die Läppchenzeichung tritt nur wenig hervor; es schimmern nur kleine, unregelmäßig polygonale Felder schwach durch die Pleura und sind auch auf der Schnittfläche erkennbar.
1.2 Bronchialbaum
Der Arbor bronchialis beginnt mit der Bifurkation der Trachea, aus der die beiden kräftigen, aber kurzen Haupt- und Stammbronchen, Bronchi principales, hervorgehen. Diese teilen sich sogleich nach ihrem Eintritt in die beiden Lungen unterschiedlich in die Lappenbronchen, Bronchi lobares. Analog zu den Lungenlappen besitzt das Pferd in der linken Lunge einen Bronchus lobaris cranialis und einen Bronchus lobaris caudalis, an der rechten Lunge dagegen zusätzlich den Bronchus lobaris accessorius. Der Bronchus lobaris cranialis teilt sich in beiden Lungen in einen dorsalen und einen kranialen Bronchus
segmentalis. Der Bronchus segmentalis cranialis, der vier bis fünf dorsale sowie ventrale Äste besitzt, ist bedeutend größer als der dorsale. Der jeweils rechts und links den Lobus caudalis bedienende Bronchus lobaris caudalis entlässt vier kräftige ventrale sowie fünf bis sieben kurze dorsale Bronchi segmentales und läuft als Bronchus segmentalis caudalis aus. Der Bronchus lobaris accessorius führt an der rechten Lunge zum Anhangslappen und gabelt sich in einen dorsalen und einen ventralen Bronchus segmentalis. Im endoskopischen Bild wird die physiologische Asymmetrie der durch die im gesunden Zustand scharfrandige Carina tracheae geteilten Stammbronchen und Abgänge der Lappenbronchen zur rechten bzw. linken Lunge deutlich.
Die Segmentbronchen belüften je ein in sich abgeschlossenes, kegelförmiges Lungengebiet, ein Segmentum brochopulmonale, innerhalb der Lungenlappen.
Die Basis dieser Lungensegmente liegt peripher unter der Pleura, ihre Spitze zeigt hiluswärts. Die Segmentbronchen teilen sich zunächst subsegmental und dann weiter in Bronchuli auf, denen im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Bronchi die knorpelige Stütze sowie Drüsen fehlen.
Aus mehreren Teilungen der Bronchuli gehen die letzten luftleitenden Äste des Bronchialbaums, die Bronchuli respiratorii, hervor. Sie besitzen schon bläschenförmige Ausbuchtungen ihrer Wand, die Alveolen. Kurz hinterher teilen sie sich noch ein- bis zweimal, um dann in die rundum mit Alveolen besetzten Alveolengänge, die Ductuli alveolares, und deren endständige Teilungsgebilde, die Sacculi alveolares, zu führen. In den Alveolen erfolgt letztendlich der Gasaustausch.
1.3 Feinbau der Lunge
Die Lunge besteht grundsätzlich aus Interstitium und Parenchym. Das Interstitium beginnt unter dem oberflächlichen einschichtigen Plattenepithel der Pleura pulmonalis mit der Lamina propria serosae. Die Fasern dieser sehr elastischen Eigenschicht der Lungenkapsel dringen auch in das Organ ein und stellen als inter- und intralobuläres sowie als peribronchiales und perivaskuläres
Bindegewebe das Interstitium der Lunge dar. Aufgrund seiner großen Ausdehnungs- und Retraktionsfähigkeit wird der Atmungsvorgang überhaupt erst möglich. Bei der Inspiration erweitern die Atmungsmuskeln, v.a. das Zwerchfell, aktiv die Thorakalhöhle, wobei die in die luftleeren Pleurahöhlen eingefügten und über ihren Bronchialbaum unter dem Druck der atmosphärischen Luft stehenden Lungen den Bewegungen gleichzeitig passiv folgen müssen und die elastischen Fasern des Interstitiums gedehnt werden. Bei der Exspiration entspannen sich die Atmungsmuskeln, so dass sich der Brustraum wieder verkleinert und die elastischen Elemente der Lunge retrahieren, so dass die Luft entweicht.
Physiologischerweise beruht der Exspirationsvorgang also auf der Eigenelastizität der Lungen, die aber bei bestimmten Erkrankungen herabgesetzt sein kann. In diesen Fällen bzw. bei angestrengter Atmung unter Belastung wird die Ausatmung durch die Bauchmuskulatur, die so genannte Bauchpresse unterstützt. Insbesondere der Muskulus abdominis obliquus externus spielt hierbei eine Rolle, der bei ständiger Überlastung hypertrophiert und die äußerlich sichtbare „Dampfrinne“ durch seinen Übergang zwischen sehniger Endplatte und muskulösem Anteil bildet.
Die Gliederung des Lungenparenchyms gleicht der einer tubulo-alveolären Drüse.
Dem Ausführungsgangsystem entspricht das luftleitende Bronchialsystem, den sezernierenden Endstücken der Drüse sind die dem Gaswechsel dienenden Alveolen vergleichbar. Der Bronchialbaum ist schon zum Zeitpunkt der Geburt vollständig angelegt, nur die Größe der Atemwege ändert sich während des Wachstums noch (JEFFREY, 1998). In seinen Anfangsabschnitten besitzt das luftleitende System noch knorpelige Anteile, die sich zum Ende hin verlieren. Die Bronchen besitzen ähnlich der Trachea hyaline Knorpelspangen, um das Kollabieren zu verhindern, die sich mit fortschreitender Aufzweigung zu Knorpelplatten und –inseln verringern und schließlich in Form der „Reiterknorpel“
enden, welche die Teilungsstellen in die Bronchuli stützen (JEFFREY, 1998). Von hier ab fehlt dem luftleitenden System ein Knorpelgerüst; Bronchuli und Alveolen werden alleinig durch elastische Faserhäute offen gehalten.
Drüse
Schnittrand der Faserhaut
Reiterknorpel Reiterknorpel
Divertikel
Bronchus segmentalis
Drüsenausführungsgänge Epithel Lamina elastica fibrosaeAst der A. pulmonalis Knorpel Lamina muscularis mucosae Drüse V. bronchalis A. bronchialis Nerv Divertikel
Tunica fibroelastica Bronchus kontrahiert, Schleimhaut in Längs- falten Tunica fibroelastica
Bronchus segmentalis
Pigment in der Pleura
Bronchulus respirator
Bronchulus
Ast der V. pulmonalis
letzter Knorpel
Endast der A. bronchialis Alveoli pulmoni
Septa intersaccularia
Sacculus alveolaris
Muskelring im Septum interalveolare
Ductulus alveolaris (gestrichelt) mit Alveolen besetzt
DivertikelVenenplexus Grenzmembran mit durchschimmernden Alveolen Schicht der Riesenkapillaren Schicht der kollagenen Fasern Schicht der elastischen Fasern daneben Epithel
Pleura pulmonalis
Abb. 1: Bronchus segmentalis mit seinen Verzweigungen sowie mit den zugehörigen Gefäßen und Nerven (schematis nach Braus, 1956), aus NICKEL et al., 1999
Die Innenauskleidung der Bronchen besteht aus einer den Atmungswegen eigenen Schleimhaut, deren von Becherzellen durchsetztes, mehrreihiges hochprismatisches Epithel Zilien trägt, welche durch ihre ständige Bewegung (Zilienschlag) eine fortwährende Reinigung der luftleitenden Wege gewährleisten.
Die Lamina propria mukosae enthält gemischte Drüsen sowie Lymphozytenansammlungen. Das Epithel verliert nach peripher seine Mehrreihigkeit, die Zilien und die Becherzellen (JEFFREY, 1998), so dass am Ende nur noch ein einschichtiges Epithel besteht, durch das der Gasaustausch erfolgen kann. Die zwischen Schleimhaut und Knorpel bzw. Faserhaut einfügte Muskulatur besteht anfänglich aus zirkulär, später schraubig verlaufenden Fasern glatter Muskulatur, die mit den Bronchuli respiratorii auslaufen. Im Bereich der Alveolen finden sich nur noch einzelne Muskelfasern an den Rändern der Alveolarsepten.
Bei chronisch-obstruktiven Lungenerkrankungen ist die Atemwegswand deutlich verdickt. Wenn die glatte Bronchialmuskulatur kontrahiert, faltet und wellt sich das Epithel. Eine Verdickung oder Versteifung des Epithels führt zu einer kritischen Einengung des Lumens (WIGGS et al., 1997).
Durch die enorme Zahl der Lungenalveolen wird die für den Austausch von O2 und CO2 erforderliche Größe der respiratorischen Oberfläche der Lunge garantiert, während der Luftaustausch durch die reversible Dehnbarkeit der Alveolen sichergestellt wird. Der Durchmesser der Alveolen schwankt zwischen 0,3 mm in der Inspiration und 0,1 mm in der Exspiration.
Die Innenauskleidung der Alveolen besteht aus einer geschlossenen Decke von Epithelzellen, den Pneumozyten vom Typ I. Das mit Mitochondrien und verschiedenen Granula ausgestattete Zytoplasma umgibt den rundlichen Zellkern, breitet sich als hauchdünne Lamelle von nur 0,1-0,2 μm Stärke aus und grenzt an die Zellwände benachbarter Zellen. Dieses lückenlos geschlossene Alveolarepithel lagert auf einer Basalmembran, der zum Teil mit ihr verschmolzen die Basalmembran der Kapillaren folgt, deren flaches Endothel nicht fenestriert ist. Der Weg, den die Atmungsgase durch Diffusion zu überwinden haben, ist somit auf ein Minimum reduziert, um die Effizienz der Atmung zu gewährleisten.
Durch das lumenwärtige Vorbuchten der Alveolenwand durch die Kapillaren
entstehen Nischen, in denen sich die so genannten Nischenzellen, Pneumozyten vom Typ II, befinden. Die Aufgabe dieser Zellen ist es, einen Phospolipidfilm (Surfactant) abzugeben, welcher die notwendige Verringerung der Oberflächenspannung am Alveolarepithel bewirkt, damit die Alveolen nicht kollabieren. Hier finden sich als dritte Zellform häufig auch die Alveolarmakrophagen, die nach Phagozytose von Fremdstoffen und Verlagerung in die großen Bronchen ausgehustet werden und somit das Gebiet des Gasaustausches sauber halten.
1.4 Innervation und Gefäßversorgung
Bei der Gefäßversorung der Lunge wird grundsätzlich zwischen einem funktionellen und einem nutritiven System unterschieden.
Das funktionelle System umfasst den Lungenkreislauf mit den Pulmonalgefäßen.
Er beginnt mit dem aus der rechten Herzkammer entspringenden Truncus pulmonalis, der sich dorsal des linken Vorhofs in die Arteriae pulmonalis dextra bzw sinistra gabelt. Typischerweise folgen beim Equiden die pulmonaren Arterien mit ihren Verzweigungen innerhalb der Segmente dem Bronchialbaum (bonchoarterieller Versorgungstyp), während die Venen intersegmental verlaufen und das Blut aus zwei benachbarten Segmenten abführen (NICKEL et al., 1999).
Drei Bronchialarterien gehen aus der Arteria broncho-oesophagea hervor: Die Arteriae bronchiales craniales dextra und sinistra versorgen hilusnahe Abschnitte der Lobi craniales sowie die rechten und linken Lymphonodii tracheobronchiales.
Die unpaare Arteria bronchialis media teilt sich an der Luftröhrenbifurkation auf und bedient hilusnah die beiden Lobi caudales. Eine Bronchialvene fehlt. Der Abfluss des durch die Bronchialarterien zugeführten Blutes erfolgt deshalb über die Kapillaren der Bronchen und der Alveolen durch die Venae pulmonales.
Zudem bestehen zwischen den Zweigen der Arteriae bronchiales und schwachen Ästen der Arteriae pulmonales zahlreiche präkapilläre Anastomosen.
Das nutritive Gefäßsystem der Lunge besteht aus dem nur schwachen Ramus bronchialis der Arteria broncho-oesophagea sowie aus den Venae bronchiales,
die ihr Blut an die Vena azygos abgeben. Das Versorgungsgebiet dieses Systems beschränkt sich jedoch auf begrenzte Anteile der Lungen um die großen Bronchen.
Die Nerven der Lunge entstammen den parasympathischen Rami bronchiales des Nervus vagus und sympathisch dem Ganglion cervicothoracicum sowie dem anschließenden Brustteil des Truncus sympathicus. Beide Faserqualitäten formen den Plexus pulmonalis und verlaufen mit den Bronchen und den Blutgefäßen. Sie steuern die Lungenfunktionen in Abhängigkeit von den Daten der Presso-, Chemo- und Dehnungsrezeptoren an den Gefäßen und luftführenden Abschnitten der Lungen.
2. Chronisch obstruktive Bronchitis (COB)
2.1 Terminologie
Für den Begriff der chronisch obstruktiven Bronchitis (COB) des Pferdes werden in der Literatur verschiedene Begriffe, z.T. synonym verwendet: „Heaves“ im englischen Sprachraum, RAD (reactive airway disease), SAD (small airway disease), IAD (inflammatory airway disease), COPD (chronic obstructive pulmonary disease), allergische Bronchitis, PAD (peripheral airway disease) und RAO (recurrent airway obstruction). Der Begriff RAO sollte den Begriff der COPD ersetzen (ROBINSON, 2003), da der Begriff der COPD bereits durch eine humane Erkrankung besetzt ist, die vor allem ältere Raucher betrifft und die deutlich schlechter behandelbar ist als die COB des Pferdes.
ROBINSON (2001) definiert die RAO als entzündliche, obstruktive Erkrankung der Atemwege, die in der Regel bei Pferden mittleren Alters klinisch manifest wird.
Typische Anfälle werden provoziert, wenn die Patienten organischem Staub (v.a.
aus Heu und Stroh) ausgesetzt sind. Es kommt zum massiven Einstrom von neutrophilen Granulozyten in die Atemwege, was von Bronchospasmus (vermittelt über Mediatoren, die auf cholinerge Nerven und glatte Muskulatur wirken) und Schleimansammlung (durch gesteigerte Produktion und erhöhte Viskosität)
begleitet wird. Der Patient zeigt klinische Besserung, sobald die auslösenden Faktoren eliminiert werden. Betroffene Pferde benötigen daher ihr Leben lang eine staubarme Umgebung, Fütterung und Einsteu. Die Behandlung mit Glukokortikoiden, systemisch oder durch Inhalation, reduziert die Entzündung und Obstruktion. Unterstützend sollten Bronchodilatatoren bei respiratorischem Stress eingesetzt werden.
Bei der IAD handelt es sich nach ROBINSON um ein ähnliches Krankheitsbild in milderer Ausprägung. Die meist jüngeren Pferde zeigen bereits entzündliche Veränderungen der Atemwege, aber noch keine klinisch erkennbare Dyspnoe.
Aus der IAD kann die RAO hervorgehen, es handelt sich aber grundsätzlich um zwei voneinander abzugrenzende Erkrankungen.
Der im deutschen Sprachraum verwendete Begriff der COB beim Pferd beschreibt im Wesentlichen die Morphologie der vorliegenden Veränderungen. Werden wie in der vorliegenden Arbeit Probanden verwendet, über deren Haltung und Fütterung wenig bekannt ist, erscheint es daher sinnvoll, diesen Terminus anstelle des Begriffes der RAO zu verwenden, da die reaktive Komponente auf Haltungs- und Fütterungsvorgeschichte nicht ausreichend bekannt war.
2.2. Anatomisch-histologische Veränderungen bei COB
Bei licht- und elektronenmikroskopischen Untersuchungen (DAMSCH,1988;
KAUP et al, 1985, 1990; SCHOON und DEEGEN, 1993) an gesunden und unterschiedlich stark an COB erkrankten Pferdelungen wurde festgestellt, dass fast alle Pferde mit COB herdförmige Alterationen in den terminalen Atemwegen und den Alveolen zeigen, wobei Grad und Ausdehnung nicht immer mit dem klinischen Status korrelieren. Die Hauptbefunde sind in den größeren Atemwegen an den zilientragenden Zellen zu finden. Neben fokalem Verlust der Zilien zeigen sich unabhängig vom Grad der Erkrankung verschiedene Arten der Malformation.
Dilatierte Zellzwischenräume und Ansammlungen von Mastzellen können als nicht-spezifische Schleimhautreaktion in Form einer Hyperreagibilität interpretiert werden. Außerdem finden sich viele interstitielle Zellen mit kristallinen
intracytoplasmatischen Einschlüssen (IREGUI, 1985), deren Herkunft nicht geklärt werden konnte.
Befunde an den terminalen Atemwegen und den Alveolen bestehen in Veränderungen der Clarazellen, die bereits bei geringer Erkrankung degenerative Veränderungen und Differenzierungsprobleme zeigen. Diese initialen histopathologischen Veränderungen zeigt das bronchioläre Epithel in Form von Verlust der Clara-Zell-Granula, Auftreten von Zellen mit lamellären Einschlüssen und Becherzellmetaplasie (KAUP et al., 1985, 1986).
Die hochgradigen Stadien sind charakterisiert durch Epitheldegeneration, Hyper- und Metaplasie sowie Fehldifferenzierungen, teilweise in Verbindung mit Entzündungsprozessen und Infiltrationen mit eosinophilen Granulozyten.
Fibrozyten und glatte Muskelzellen enthalten massiv Charcot-Lyden-Kristall ähnliche Einschlüsse. In Abhängigkeit von den bronchiolären Schädigungen kommt es herdförmig zur Mitbeteiligung des Alveolarbereichs: Ödeme und erhöhter Gehalt an kollagenen und elastischen Fasern in den Alveolarsepten, Degeneration und Nekrose der Alveolarepithelzellen in Verbindung mit Typ-II- Zellproliferationen. In Fällen von hochgradiger COB sind die alveolären Oberflächen durch kubische Epithelzellen ausgekleidet, die meistens durch extrem vergrößerte Lamellarbodies stark geschwollen sind. Die Typ-II-Zellen zeigen Verfettungen und vereinzelt intrazytoplasmatische Glykogenspeicherung.
2.3 Pathogenese der COB
Ursachen und beteiligte Mechanismen der COB waren bereits Gegenstand vieler wissenschaftlicher Untersuchungen. Die Pathogenese sei daher an dieser Stelle nur noch einmal kurz in Abb. 2 dargestellt. Nach BINGOLD (1988) kann man im Verlauf von Atemwegsschädigungen von zwei Komponenten ausgehen: dem initialen Zellschaden und der einhergehenden entzündlichen Reaktion. Diese beiden Prozesse bedingen sich gegenseitig und führen bei anhaltener Reizung zu chronischen Veränderungen im Sinne der COB. Als initiale Noxe spielen virale Infektionen der Atemwege sowie chemische und physikalische Reize eine große
Rolle. Aktivierte polymorphkernige Granulozyten setzten vermehrt Entzündungsmediatoren frei (v.a. LTB-4 spielt beim Pferd eine Rolle), die ihrerseits die Entzündung des Epithels verstärken, lokale Umbauvorgänge aktivieren und so eine Hyperreagibilität auf wiederholt auftretende Reize – z.B.
Heu- und Strohexposition- verursachen.
PMN: Polymorphkernige neutrophile Granulozyten
Abb. 2: Circulus Vitiosus zur COB des Pferdes (nach BINGOLD, 1988) initiale Noxe konsekutive repetitive
Noxen Schädigung
Epithel
Reizung
Hyperreagibilität
COB
E n t z ü n d u n g Mediatoren der Entzündung, z.B.
LTB-4
Aktivierung PMN
Influx
Chemotaxine
Sensibilisierung verschiedener Zellen
lokale
Gewebszerstörungs- und Umbauvorgänge
2.4 Therapie der COB
Vor jeder Arzneimitteltherapie der chronisch obstruktiven Bronchitis des Pferdes steht die Haltungsoptimierung, um den Kontakt mit reaktionsauslösendem Staub, v.a. aus Heu und Stroh, zu minimieren (VANDENPUT et al., 1998; LAVOIE, 2003). Obwohl die COB primär kein allergisches Geschehen ist, kann es dennoch zur sekundären Allergisierung kommen. Die Haltung im Offenstall, auf staubarmer Einstreu (Späne) und die Fütterung von nassem Heu oder Silage bewirkt in vielen Fällen bereits eine deutliche klinische Besserung. Staubreduziertes Management und dem Krankheitsbild individuell angepasste Bewegung tragen ihrerseits zur Linderung der Symptome bei. In weiter fortgeschrittenen Fällen, bei denen bereits chronische Veränderungen der Lunge aufgetreten sind oder eine deutliche klinische Beeinträchtigung des Patienten vorliegt, ist die kombinierte Arzneimitteltherapie sinnvoll.
Im Vergleich zur systemischen Behandlung bietet sich insbesondere die Inhalationstherapie an, da hierbei durch eine geringere Gesamtdosis die Belastung des Organismus sinkt, während lokal gute Wirkstoffspiegel erreicht werden (KAMPMANN, 1998; BUSCH, 2002; LAVOIE, 2003). In schweren Fällen kann die Inhalationstherapie auch in Kombination mit einer systemischen Verabreichung zum Einsatz kommen. Pferde tolerieren die Inhalation nach einer Gewöhnungsphase im Allgemeinen gut, haben ein großes Atemzugvolumen und atmen obligat durch die Nase. Die Effizienz, mit der ein Wirkstoff in die kleinen Atemwege gelangt (Partikelgröße) und die einfache Handhabung sind wichtige Faktoren bei dieser Therapieform (BUSCH, 2002).
Die entzündungshemmende Therapie ist der Schlüssel zur erfolgreichen Behandlung der nicht infektiösen Atemwegserkrankungen (LAVOIE, 2003).
Bronchodilatatoren verschaffen zwar unverzügliche Linderung der obstruktiven Symptome, ändern aber nichts am ihnen zugrunde liegenden entzündlichen Prozess. Mastzellstabilisatoren zur Prophylaxe sowie inhalierte und systemische Kortikosteroide bekämpfen die Entzündung, während ß2-Agonisten und Anticholinergika als Bronchodilatatoren wirken (siehe auch Kapitel „5. Pharmaka mit Einfluss auf den Bronchotonus“). Während Kortikosteroide erst nach einer
Woche volle Wirkung entfalten, verschaffen ß2-Adrenergika eine sofortige Verbesserung der klinischen Symptome (LAVOIE, 2003).
Der einzige in der Pferdemedizin zugelassene ß2-Agonist ist Clenbuterol (Ventipulmin®), welches jedoch bei längerem Gebrauch zu einer reversiblen Toleranzentwicklung führt. ABRAHAM et al. (2001) untersuchten die Veränderungen der ß-Adrenozeptoren-Dichte und -affinität bzw. deren Ansprechbarkeit (zyklische AMP-Antwort auf Isoprenalin) bei 12 klinisch gesunden Pferden unter dem Einfluss des ß2-Agonisten Clenbuterol und des Glukokortikoids Dexamethason. Bereits 48 Stunden nach Clenbuterolgabe kam es zu einer signifikanten Desensibilisierung der ß-adrenergen Rezeptoren in Form eines 30-40%igen Verlustes von ICYP-Bindungsstellen (Iodo-cyano-pindolol Radioligand) und des durch Isoprenalin induzierten Anstieges des intrazellulären cAMP-Gehaltes. Erst vier Tage nach Absetzen des Medikamentes wurden wieder Werte erreicht, die sich von den Ausgangswerten nicht signifikant unterschieden.
Dexamethason beschleunigte die Erholung der ß2-Adrenoceptorendichte, drei Tage nach Dexamethasongabe kam es sogar zur Verdopplung im Vergleich zu den Werten der Kontrollgruppe. Wurde Dexamethason gleichzeitig mit Clenbuterol gegeben, wurde der desensibilisierende Effekt vollständig aufgehoben. Die kombinierte Therapie mit ß2-Agonisten und Glukokortikoiden erscheint somit sinnvoll.
ERICHSEN et al. (1994) zeigten in einer Feldstudie an 239 Pferden mit COB den erfolgreichen Einsatz des Clenbuterols; abhängig von der Schwere der Erkrankung musste die Dosis jedoch bis auf das 4-fache der Herstellerangabe (0,8 μg/kg KGW) gesteigert werden, um eine Verbesserung zu erzielen. Als Nebenwirkungen traten in höherer Dosierung in 7% der Fälle Schwitzen, Muskeltremor und Nervosität auf. SASSE (1988) hingegen fand eine signifikante Wirkung des Clenbuterols auf die Lungenfunktion COB-kranker Pferde auch in der angegebenen Dosierung.
Glukokortikoide werden in der Therapie sowohl systemisch als auch inhalativ verabreicht. Die inhalative Anwendung (z.B. mit Budenosid, KAMPMANN, 1998) empfielt sich sich, da bronchiale Epithelzellen und Endothelzellen der Alveolargefäße über eine große Anzahl empfänglicher Rezeptoren verfügen, und
systemische Nebenwirkungen vermieden werden (LAVOIE, 2003). Neben dem Einsatz von Bronchodilatatoren soll hierdurch die Ursache der Obstruktion, nämlich die Entzündung angegangen werden. Glukokortikoide verringern den Tonus der glatten Atemwegsmuskulatur sowie Epithelschäden, indem sie Entzündungszellen, deren Mediatoren, den bronchodilatierenden Effekt von Katecholaminen und die Mukusproduktion hemmen (LAVOIE, 2003).
Beim Menschen hingegen wird die Entzündung bei COPD nicht durch Kortikosteroide unterdrückt, da Neutrophile eine viel stärkere Rolle in der Pathogenese spielen als Eosinophile (BARNES, 2000). In der BALF finden sich deutlich erhöhte Zahlen von neutrophilen Granulozyten. Allerdings sind ebenfalls vermehrt eosinophile Proteine (eosinophil cationic proteins und eosinophil peroxidase) vorhanden, auch wenn die Eosinophilen selbst nicht erhöht sind.
3. Regulation des Bronchotonus
Der Bronchotonus wird grundsätzlich durch die Aktivität von drei grundsätzlich seperaten Systemen bestimmt (LEFF, 1986):
1. direkte Innervation der Atemwege 2. zirkulierende humorale Mediatoren
3. regionale Sekretion von Gewebshormonen
Der Ursprung der dabei zum Einsatz kommenden Transmitter und Mediatoren sind:
1. nervale Zellen der Lunge (und Hormone produzierende Zellen außerhalb der Lunge)
2. andere fixe Zellen in der Lunge (Alveozyten, Fibrozyten, Endothelzellen, Epithelzellen, glatte Muskulatur etc)
3. mobile Zellen (Entzündungs- und Immunzellen)
Diese drei Zellsysteme agieren nicht unabhängig voneinander, sondern sind in ein Netzwerk von gegenseitigen Beeinflussungen eingebunden (LAZARUS et al.
1987). Es ist daher nicht verwunderlich, wenn In-vitro Ergebnisse von In-vivo
Befunden abweichen und Resultate von kontrollierten, eng definierten Versuchen sich nicht mit klinischen Erfahrungen decken.
Abb. 3 zeigt das Zusammenspiel der verschiedenen nervalen Systeme auf den Bronchotonus.
3.1 Nervale Regulation
Die equine Lunge wird sowohl sympathisch als auch parasympathisch innerviert (siehe auch Abschnitt 1.4. Innervation und Gefäßversorgung). Sympathikus und Parasympathikus steuern die Lungenfunktionen in Abhängigkeit von den Daten der Presso-, Chemo- und Dehnungsrezeptoren an den Gefäßen und luftführenden Abschnitten der Lungen. Der Einfluss von Sympathikus und Parasympathikus werden jedoch von verschiedenen Autoren unterschiedlich beurteilt.
3.1.1 Vegetative Innervation
Hauptsächlich wird die equine Lunge, ebenso wie die des Menschen und die der meisten anderen bisher untersuchten Tierarten (MINETTE u. BARNES, 1990; YU et al, 1993) durch das parasympathische Nervensystem innerviert (ZHANG et al., 1995). Als Überträgerstoff des Parasympathikus dient Acetylcholin, welches über muskarinerge Rezeptoren an der prä- und postsynaptischen Membran konstriktorisch wirkt.
Verschiedene Typen muskarinerger Rezeptoren sind beim Pferd bekannt (M1- M5), wobei bisher vier mit Hilfe verschiedener subtypspezifischer Agonisten und Antagonisten, die Isolation einzelner Rezeptoren und Klonierungstechniken nachgewiesen werden konnten (VAN NIEWSTADT et al., 1997; TÖRNECKE et al., 2002 und MATERA et al., 2002). Diese Subtypen unterscheiden sich hinsichtlich ihres molekularen Aufbaus, der Art der Signaltransduktion und der Affinität unterschiedlicher Liganden. Während im Lungenparenchym M1, M2 und
Abb. 3: Nervale Systeme mit Einfluss auf den Bronchotonus (nach Bingold 1988)
RELAXIERUNG Glatte Muskulatur der
Atemwege KONTRATION adrenerges
System nicht-adrenerges
inhibitorisches System
Noradrenalin Adrenalin
VIP
Acetylcholin Substanz P
Vagus
Calcitonin-Gen- verwandtes Peptid Eledoisin
Sympathikus Nebenniere
Parasympathikus nicht cholinerges excitatorisches System
M3 gleichmäßig verteilt sind, überwiegt der M2-Rezeptor in den Membranen von Tracheal- und Bronchienepithel mit darunter liegender glatter Muskulatur (ABRAHAM et al., 2003). Die Bedeutung der verschiedenen Subtypen für die Bronchokonstriktion beim Pferd ist noch unzureichend geklärt. Wichtigster Rezeptor zur Vermittlung der Konstriktion der glatten Muskulatur an der Trachea scheint der M3-Subtyp zu sein (VAN NIEWSTADT et al., 1997, EGLEN et al., 1996, YU et al., 1992). Bei Erregung dieses Rezeptors kommt es zur intrazellulären Ca2+-Spiegel-Erhöhung, wodurch die glatte Muskulatur kontrahiert.
Der M1-Subtyp fördert an Nervenzellen die Fortleitung von Aktionspotentialen (VAN NIEUWSTADT et al., 1997). Der M2-Rezeptor findet sich präsynaptisch an der Nervenfaser und postsynaptisch an der glatten Muskulatur, wo sie als Autorezeptoren die Acetylcholinfreisetzung verhindern. Ihre Bedeutung ist wie die des M4-Subtyps bisher noch unzureichend geklärt. M2-Rezeptoren finden sich ebenfalls auf „effector“ Zellen, genauso wie M3-Rezeptoren. Die M2-Rezeptoren verstärken die Kontraktion der glatten Muskulatur, indem sie die ß-adrenerge Entspannung hemmen. YU et al. (1992) konnten den M2-Subtyp zwar präsynaptisch nicht nachweisen, konnten aber auch nicht das Gegenteil beweisen.
ZHANG et al. (1995) untersuchten die Wirkung verschiedener Katecholamine auf die Acetylcholinfreisetzung aus parasympathischen Nervenendigungen an equinen Tracheal strips. Epinephrin und Norepinephrin hemmten konzentrationsabhängig die ACh-Freisetzung. Isoproterenol, ein selektiver ß- Adrenoceptor-Agonist, verstärkte dagegen die Freisetzung von Acetylcholin.
Dieser Effekt konnte durch einen ß2-Antagonisten aufgehoben werden, nicht jedoch durch einen ß1-Antagonisten. ß2-Agonisten hemmen bei anderen Tierarten präsynaptisch die cholinerge Neurotransmission, und führen so zur Relaxierung der glatten Muskulatur. Beim Pferd hingegen trat das Gegenteil ein (siehe auch Kapitel „3.2 Nicht adrenerges, nicht cholinerges System“). ZHANG et al.
schlossen daraus, dass equine Atemwege von hemmenden α2 und erregenden ß2-Adrenozeptoren moduliert werden, wobei Erstere dominant sind.
Zahl und Ausprägung der Rezeptoren scheinen altersabhängig zu sein (JEFFREY, 1998). In fetalen Lungen von Kaninchen und Ratten finden sich
weniger ß-Rezeptoren (Bronchodilatator) als beim Adulten. Muskarinerge Rezeptoren (Bronchokonstriktor) nehmen hingegen bei der Ratte mit steigendem Alter ab.
Die Antwort der glatten Muskulatur auf cholinerge Aktivierung ist beim COB- kranken Pferd herabgesetzt, die Produktion des EDRF (epithelial-derived relaxing factor) hingegen ist verstärkt, die inhibitorische Funktion der Prostanoide reduziert (YU et al., 1994). Der Einsatz anticholinerger Pharmaka ist daher umstritten.
Der Transmitter des Sympathikus ist das Noradrenalin, welches auf α1, α2, ß1 und ß2 Rezeptoren wirkt. ß1-Rezeptoren sprechen vorwiegend auf Noradrenalin an und können somit als nervaler Rezeptor verstanden werden, während ß2- Rezeptoren vermehrt auf Adrenalin ansprechen und den humoralen Rezeptor repräsentieren (IND u. DOLERY 1983).
ß1-Rezeptoren dominieren am Herzen, stimulieren die Adenylatzyklase und wirken depolarisierend. Auch ß2-Rezeptoren vermitteln ihre Wirkung über die Erhöhung der cAMP-Synthese durch Adenylatzyklase, die an den Rezeptor gekoppelt wird (NELSON 1986). ß2-Rezeptoren werden vorwiegend in den Bronchien (von der Trachea bis in die terminalen Bronchiolen) gefunden. Sie vermitteln an der glatten Muskulatur eine direkte Bronchodilatation. Je selektiver eine Substanz auf ß2-Rezeptoren wirkt, desto weniger kardiale Nebenwirkungen sind zu erwarten. Am Atemwegsepithel sind ß2-Rezeptoren an der Regulation der Surfactant-Synthese beteiligt, ferner werden sie an den submukösen Drüsen und an den Gefäßen gefunden (FABISIAK, 1986). Sie befinden sich außerdem auf praktisch allen Entzündungs- und Immunzellen und nehmen Einfluss auf deren Aktivitäten –durchgehend im Sinne einer Entzündungshemmung (KALINER, 1985).
Die Bronchodilatation nach Applikation von ß-Agonisten wird beim Pferd, wie bei den meisten anderen Tierarten, durch ß2-Rezeptoren vermittelt (SCOTT et al., 1991). Einige ß-Rezeptorblocker verursachen bei Asthmatikern eine Broncho- konstriktion, nicht aber bei Gesunden (BARNES, 1986). So kommt es bei an COB erkrankten Pferden zu einem signifikant erhöhten Lungenwiderstand, während gesunde Pferde keine Reaktion zeigen. DERKSEN et al. (1987) stellten fest, dass Clenbuterol an gesunden Ponies nicht als Bronchodilatator wirkt und keinen
protektiven Effekt gegenüber einer Bronchokonstriktion nach folgender Histamininhalation bewirkte.
Eine bei der Therapie mit ß-Mimetika unerwünschte Reaktion des Organismus im Rahmen seines Homöosthasebestrebens ist die sich einstellende verminderte Ansprechbarkeit auf ß-mimetische Substanzen (siehe auch Kapitel „1.3 Therapie der COB“). Ursache ist die so genannte Toleranz („subsensitivity“), die bei rezeptorvermittelten Reaktionen als Antwort auf erhöhte Mengen eines Agonisten eintritt (NELSON, 1986).
Speziell PGE2, das nach ß-Rezeptorstimulation freigesetzt wird und extrazellulär bronchodilatatorisch wirkt, aber auch andere Arachidonsäuremetaboliten scheinen die Adenylatcyclase abzukoppeln und die Zahl der reaktiven Rezeptoren zu verringern (DEFONCHO et al., 1985; OMINI et al., 1985). Die Ursache des längerfristigen Wirkungsverlustes wird in einer verminderten Ansprechbarkeit oder in der Abnahme der Zahl der Rezeptoren gesehen- als Folge der oben genannten Vorgänge, wobei dieses Phänomen beim Menschen aber ohne klinische Relevanz zu sein scheint, da immer ausreichende Ansprechbarkeit erhalten bleibt (REED 1985, LÖLLGEN 1987). Beim Pferd hingegen ist eine deutliche Toleranzentwicklung bei langfristiger Verabreichung des Clenbuterols (Ventipulmin®) zu verzeichnen (ABRAHAM, 2001), siehe hierzu auch Kapitel 1.3
„Therapie der COB“.
In der Humanmedizin sind ß2-Agonisten bei Asthma deutlich effektivere Bronchodilatatoren als bei COPD, da sie als funktionelle Antagonisten agieren und die bronchokonstriktorische Wirkung beim Asthma bronchiale ausgeschütteter Mediatoren aufheben. Diese bronchokonstriktionsauslösenden Mediatoren werden bei COPD viel weniger ausgeschüttet, so dass nur auf die cholinerge Kompenente eingewirkt werden kann. Anticholinergika sind daher in der COPD-Therapie erfolgreicher als ß2-Agonisten (BARNES, 2000). Auf die Spezies Pferd ist dieses jedoch nur begrenzt zu übertragen, da die COB des Pferdes sowohl Merkmale des humanen Asthma bronchiale als auch der COPD aufweist (Abb. 4).
Abb. 4: Merkmale der COPD und des Asthma bronchiale beim Menschen (nach BARNES, 2000), ca. 10% der humanen Patienten zeigen Symptome beider Erkrankungen. Unterstrichene Merkmale kennzeichnen die COB des Pferdes.
3.1.2 Nicht-adrenerges, nicht cholinerges System (NANC)
Equine Atemwege besitzen zusätzlich zur vegetativen eine nicht adrenerge und nicht cholinerge neurale Innervation (NANC). Man unterscheidet das inhibitorische NANC (iNANC) mit dem Überträgerstoff Stickstoffmonoxid (NO) und das exzitatorische NANC (eNANC) mit dem Neurotransmitter Substanz P sowie einigen Co-Transmittern (Abb. 3).
MATERA et al. (2002) zeigten, dass eNANC Nervenfasern Drüsen, Blutgefäße und Muskulatur direkt innervieren und unter dem Epithel ein Netzwerk bilden, welches teilweise die Epithelschicht durchbricht. Die Effekte des eNANC bestehen in Vasodilatation, erhöhter Kontraktilität der glatten Muskulatur, Aktivierung von Entzündungszellen und Schleimsekretion.
COPD
• Neutrophile
• keine
Hyperreagibilität
• keine Reaktion auf Bronchodilatatoren
• keine Reaktion auf Kortikosteroide
ASTHMA
• Eosinophile
• Hyperreagibilität
• Reaktion auf Bronchodilatatoren
• Reaktion auf Kortikosteroide 10%
Nervenfasern des iNANC innervieren die glatte Muskulatur der Trachea und der großen Bronchien. Die Funktion des NO beim Pferd ist strittig. Während DERSKEN und ROBINSON (2002) seine Funktion als unklar beschreiben, nehmen MATERA et al. (2002) an, dass NO als Antagonist des Parasympathikus wirkt und sensorische Nervenfasern moduliert. Durch elektrische Feldstimulation (EFS) werden sowohl cholinerge als auch iNANC Nerven gleichzeitig aktiviert.
Das freigesetzte Stickstoffmonoxid beeinflusst die cholinerge Neurotransmission.
Es ist möglich, dass ß-Agonisten die iNANC-Antwort modulieren und die Acetylcholinfreisetzung verstärkt wird (ZHANG et al, 1995). Präsynaptische ß2- Adrenoceptoren in parasympathischen Nervenfasern werden durch ß-Agonisten aktiviert.
YU et al. (1994) bewiesen am Bronchialringmodell die Dysfunktion des iNANC- Systems bei Pferden mit COB. Dies ist bedingt durch den raschen Abbau des NO durch freie Sauerstoffradikale, die im Rahmen der Entzündung auftreten (MATERA et al., 2002; ROBINSON u. DERSKSEN, 2002).
4. Lungendiagnostik
4.1 Klinische Untersuchung
Nach einer kurzen Allgemeinuntersuchung (Geschlecht, Alter, Kennzeichen, Ernährungs- und Pflegezustand, Verhalten, Haltung, Habitus, Atmung, Puls, Temperatur) schließt sich die spezielle Untersuchung des Atmungsapparates nach dem klinischen Untersuchungsscore nach OHENSORGE et al. (1998), hier insbesondere der Lunge an, die nun näher beschrieben werden soll.
Zu Beginn der Untersuchung des Atmungsapparates werden Frequenz, Typus, Rhythmus und Qualität der Atmung festgestellt, um bereits durch diese einfachen klinischen Parameter Hinweise auf eine eventuell vorliegende Dyspnoe zu erhalten.
Die Atmungsfrequenz des gesunden adulten Pferdes in Ruhe beträgt 8-16 Züge pro Minute, es liegt ein kostoabdominaler Atmungstyp bei rhythmischer, geringgradig vertiefter Qualität vor. Hinweise auf eine Dyspnoe ergeben sich durch Brady- oder Tachykardie, betont abdominaler oder costaler Atmung sowie extrem flache oder vertiefte Qualität (Flankenschlagen). Außerdem werden Nasenausfluss (ggr. serös physiologisch), die Auslösbarkeit oder das Auftreten spontanen Hustens sowie der Zustand der Mandibularlymphknoten protokolliert.
Bei der Feststellung einer Dyspnoe muss zwischen inspiratorischen oder exspiratorischen Komponente unterschieden werden. Für eine inspiratorische Dyspnoe sprechen verlängerte Einatmung, Einsinken der Interkostalräume und Nüsternblähen, für eine exspiratorische Dyspnoe verlängerte Ausatmung, Doppelschlägigkeit, Dampfrinnenbildung und Afteratmen (BAUMGARTNER et al., 1999). Zwischen Inspiration und Exspiration besteht physiologischerweise ein Verhältnis von 1 : 1,2.
Bei der Untersuchung nach dem Score-System (OHNESORGE et al., 1998) erhalten die Patienten Punkte, wenn bestimmte Parameter erfüllt sind bzw.
vorliegen. Am Ende werden diese Punkte aufaddiert und anhand dessen ihr COB- Erkrankungsgrad ermittelt. 0-1 Punkte bedeuten gesund, 2-3 Punkte geringgradig, 4-6 Punkte mittelgradig und über sieben Punkten hochgradig erkrankt.
4.2 Bronchoskopie
Mit Hilfe der Endoskopie können die meisten Abschnitte des Atmungsapparates direkt betrachtet werden. Die Verwendung flexibler Faseroptiken in Kombination mit Video-Endoskopietechnik ist zum wichtigen Hilfsmittel bei der Einschätzung von Atemwegserkrankungen geworden (FISCHER, 1980; TAYLOR und HILLYER, 2001).
Das Pferd muss zur bronchoskopischen Untersuchung gut fixiert sein, d.h. es sollte in einem Stand stehen und mittels einer Oberlippenbremse oder einer Sedation mit α2-Agonisten ruhig gehalten werden.
Die Bronchoskopie ist Teil des Untersuchungsscores nach OHNESORGE et al.
(1998), zu den hierbei berücksichtigten Befunde siehe Tabelle 2c.
4.3 Tracheobronchialsekret-Analyse
Die TBS-Analyse kann einen Hinweis auf eine Lungenerkrankung geben, bevor das Pferd klinisch auffällt (BEECH, 1975). Im TBS gesunder Pferde werden Epithelzellen, mononukleäre Zellen, wenige Neutrophile und Schleim gefunden; in den TBS COB kranker Pferde fallen vermehrt Neutrophile und große Mengen Mukus auf. In fortgeschrittenen Entzündungsstadien degenerieren die Zellen und man findet so genannte „Curschmann Spiralen“. Eosinophile werden selbst bei Pferden, dessen Vorbericht ein allergischen Geschehen vermuten lässt, selten gefunden. Bei Pferden mit Epistaxis finden sich Makrophagen mit Hämosiderin- Einschlüssen.
DIEKMANN und DEEGEN (1990) zeigten, dass anhand der TBS-Zytologie die jeweilige Diagnose eingegrenzt werden kann. Interstitielle Lungenerkrankungen sind gekennzeichnet durch das gehäufte Auftreten von Makrophagen. Bei COB, Bronchopneumonie, akuter Pneumonie und akuter Bronchitis bestimmen neutrophile Granulozyten das Zellbild (DERKSEN, 1993), ihre Anzahl nimmt mit der Schwere der Erkrankung zu. Eosinophile werden überwiegend bei parasitären Erkrankungen (Dictyocaulus arnfieldi) gefunden. Quantitative Aussagen über die Ausdehnung eventueller Veränderungen sind durch die TBS-Analyse nur sehr eingeschränkt möglich.
Zwischen der Zellzahl in der Leukozytensuspension und der Histaminfreisetzung besteht eine positiv proportionale Korrelation, wobei die Histaminfreisetzung im Tracheobronchialsekret (TBS) deutlicher ausgeprägt ist als im Blut (ABDEL- SALAM, 1989).
DERKSEN et al. (1990) verglichen TBS mit BALF (bronchoalveoläre Lavageflüssigkeit) von 50 chronisch lungenkranken und 10 gesunden Pferden. Es gab keinen signifikanten Zusammenhang zwischen den Ergebnissen des TBS und der BALF, so dass die Zellpopulation in der Trachea zwar einen Hinweis auf
die mögliche Ätiologie der Erkrankung des Patienten geben, nicht aber als repräsentativ für die tiefen Atemwege gelten kann.
4.4 Blutgasanalyse
Relevante Parameter der arteriellen Blutgasanalyse zur Beurteilung einer COB- Erkrankung des Probanden sind der pO2, der pCO2, die arterio-alveoläre Druckdifferenz (AaDO2) sowie zur Beurteilung des Säure-Base-Haushaltes pH, Base Excess (BE) und HCO3. Im Untersuchungsscore nach OHNESORGE et al.
(1998) wird eine erhöhte AaDO2 bei gleichzeitig ausgeglichenem Säure- Basehaushalt mit eingerechnet (Tabelle 2c).
WEIDELI (1981) untersuchte an 162 Pferden, ob sich die Ergebnisse der arteriellen Blutgasanalyse zwischen gesunden und an COB (mit und ohne Lungenerweiterung) erkrankten Probanden vor und nach Belastung sowie medikamentell stimulierter Atmung ändern. Die stärksten Abweichungen zwischen Gesunden und an COB erkrankten Probanden fanden sich im Sauerstoffpartialdruck sowie in der Sauerstoffsättigung des Hämoglobins in Ruhe.
Bei allen Gruppen nahm der O2-Partialdruck unter Belastung ab; da die COB- Gruppe mit Lungenerweiterung von Anfang an den geringsten Wert aufwies, war die Differenz hier am kleinsten.
4.5 Provokationstests
Die Reaktion der Atemwege auf intrinsische chemische Mediatoren wie Histamin, Acetylcholin oder Prostaglandin F2α , sowie synthetische Analoga wie Metacholin oder Carbachol wird als nicht-spezifische bronchiale Reagibilität bezeichnet (JUNIPER et al., 1978). Die nicht-spezifische bronchiale Reagibilität wird in der Regel mit Histamin oder Metacholin gemessen. Beim Pferd wurden derartige
„Provokationstests“ zur Untersuchung der Atemwegsreagibilität auf unspezifische Reize von OBEL und SCHMITERLÖW (1948), MIRBAHAR et al. (1985),
ROBINSON et al. (1985), ARMSTRONG et al. (1986) sowie KLEIN und DEEGEN (1986) etabliert. Die Untersuchung am Pferd ist jedoch aufgrund der großen Variation zwischen den Atemzügen, intraindividuellen Unterschieden und Tagesschwankungen in der Atemmechanik schwer zu beurteilen (STADLER, 1985; GUTHRIE et al., 1992).
4.5.1 Histamininhalationsprovokationstest (HIPT)
Der HIPT dient beim Menschen zur Bestimmung der unspezifischen Reagibilität der Atemwege. Diese Hyperreagibilität der Atemwege tritt vor allem beim Asthma bronchiale auf. Der HIPT kann beim Pferd in ähnlicher Weise wie beim Menschen durchgeführt werden (KLEIN und DEEGEN, 1984, 1986), wobei die dynamische Compliance der geeignetste Lungenfunktionsparameter ist, um die bronchokonstriktorische Antwort auf das inhalierte Histaminhydrochlorid zu messen. Die dynamische Compliance als Volumendehnbarkeit in Bewegung wird berechnet als Verhältnis zwischen Atemzugvolumen und der Differenz der intrapleuralen Drücke am Punkt der maximalen In- bzw. Exspiration (MUYLLE und OYAERT, 1973).
DEEGEN und KLEIN (1986) konnten bei keinem Pferd ohne respiratorische Symptomatik eine unspezifische Hyperreagibilität nachweisen, dagegen lag bei 25% der geringgradig COPD erkrankten und bei 100% der hochgradig erkrankten eine unspezifische Hyperreagibilität vor.
Gesunde Pferde reagieren auf die Inhalation von Histamin mit erhöhtem Lungenwiderstand (RL) und herabgesetzter dynamischer Compliance (Cdyn), während COB-Patienten hyperreagieren und relativ große Veränderungen in exspiratorischer Atemarbeit (EEW, exspiratory work of breathing), dynamischer Compliance und transpulmonalem Druck (∆ Ppl) zeigten, der Lungenwiderstand aber deutlich weniger variierte. Der HIPT ist somit für die Diagnostik von unspezifischer Reagibilität beim Pferd geeignet (DOUCET et al, 1991; DEEGEN und KLEIN, 1984, 1986).
Pferde mit chronisch-obstruktiven Lungenerkrankungen zeigen eine erhöhte durchschnittliche inspiratorische und exspiratorische Durchflussrate, eine herabgesetzte dynamische Compliance und erhöhte Werte für die Atemarbeit (MUYLLE und OYAERT, 1973).
Nach HOFFMANN et al. (1998 & 2002) weisen Pferde mit durch BAL-Zytologie nachgewiesener IAD, der möglichen Vorgängererkrankung zur COB, eine extrem erhöhte Histamin-Reaktivität auf. Der HIPT an Nicht-COB-Pferden ist daher als diagnostisches Instrument zur Erkennung geringgradiger Atemwegsbefunde und damit in Zusammenhang stehender Leistungsschwäche anzusehen.
4.5.2 Bronchialringe, Tracheal- und supleurale Parenchymstreifen (In-vitro- Modell)
In-Vitro-Modelle bieten die Möglichkeit, den Ablauf der Bronchokonstriktion bis ins Detail nachzuvollziehen und den Einfluss verschiedener Pharmaka auf das Lungengewebe und die Atemwege zu untersuchen. Die Muskel- bzw.
Gewebestreifen werden dabei durch Elektrische Feldstimulation (EFS) zur Kontraktion angeregt. Bronchialringe und Trachealmuskelstreifen sind relativ einfach zu präparieren, die Ergebnisse können aber nicht ohne weiteres auf weiter distal gelegene Abschnitte des Atmungstraktes übertragen werden.
Parenchymstreifen liefern hingegen Ergebnisse vom eigentlichen Lungengewebe, die Reaktionen verlaufen jedoch deutlich indifferenter. OLSZEWSKI et al. (1997) zeigten, dass die kontraktile Reaktion von Lungenparenchym auf applizierte Spasmogene deutlich geringer ausfiel als die Reaktion isolierter Atemwege. Sie vermuteten eine geringere Anzahl kontraktiler Elemente.
Bronchialringe und subpleurale Parenchymstreifen zeigen nach Sensibilisierung mit Ovalbumin eine Kontraktion in der Challengereaktion (NAGASE et al., 1995).
ZHANG et al. (1995) untersuchten die Wirkung verschiedener Katecholamine auf die Acetylcholinfreisetzung aus parasympathischen Nervenendigungen an equinen Trachealstreifen. Epinephrin und Norepinephrin hemmten konzentrationsabhängig die Freisetzung von Acetylcholin (ACh). Isoproterenol,
ein selektiver ß-Adrenoceptor-Agonist, verstärkte dagegen die Freisetzung von ACh. Dieser Effekt konnte durch einen ß2-Antagonisten aufgehoben werden, nicht jedoch durch einen ß1-Antagonisten. ß2-Agonisten hemmen bei anderen Tierarten präsynaptisch die cholinerge Neurotransmission, und führen so zur Relaxierung der glatten Muskulatur. Beim Pferd hingegen trat das Gegenteil ein (siehe auch iNANC). ZHANG et al. schlossen daraus, dass equine Atemwege von hemmenden α2- und erregenden ß2-Adrenozeptoren moduliert werden, wobei Erstere dominant sind.
Yu et al. (1994) benutzen das Modell der Bronchialringe, um die vier Mechanismen, die beim gesunden Pferd die glatte Muskulatur der Atemwege modulieren, bei Pferden mit obstruktiven Atemwegserkrankungen zu untersuchen.
Sie stellten dabei eine Dysfunktion des iNANC, eine verringerte cholinerge Aktivierung, die erhöhte Produktion des „epithelial-derived relaxing factor“ (EDRF) und eine hemmende Wirkung der Prostanoide fest.
NIEWSTADT et al. (1997) wiesen an Tracheal Strips die Existenz von mindestens vier Subtypen selektiver muskarinerger Rezeptoren im Atmungstrakt des Pferdes nach, siehe hierzu auch Kapitel 3.1.1. „Vegetative Innervation“.
4.5.3 Precision Cut Lung Slices (PCLS)
Die Kontraktion von Atemwegen verschiedener Größe kann anhand von lebenden Lungenschnitten durch Videomikroskopie untersucht werden. Aufgrund der Heterogenität dieser Schnitte sind die Ergebnisse allerdings sehr variabel.
Insbesondere die Untersuchung der kleinen Atemwege z.B. im Rahmen der Asthmaforschung stellte wegen der Schwierigkeit der Entnahme von Proben und der mangelnden Spezifität physiologischer Messungen ein Problem dar (HOWARTH, 1998). Die Tatsache, dass die kleinen Atemwege sich durch Pharmaka kontrahieren und dilatieren lassen, ist in vitro seit langem bekannt (WOOLCOCK, 1998), ein zuverlässiges Modell für den In-vivo-Bereich fehlte allerdings bisher. Herkömmliche Lungenfunktionstests geben ebenfalls nur unzureichende Einblicke in die Funktion kleiner Atemwege, da ihre Obstruktion
nur einen geringen Effekt auf die Lungenmechanik hat, für die Ventilationsverteilung hingegen bedeutsam ist (MACKLEM, 1998).
Erstmals wurde die Herstellung von Lungenschnitten, um die Bronchokonstriktion zu untersuchen, von DANDURAND et al. (1993) beschrieben. Die von Ratten stammenden Schnitte hatten eine schwankende Schichtdicke von 500-1000 μm.
MARTIN et al. (1996) entwickelten an Ratten ein Verfahren, Schnitte exakt gleicher Dicke herzustellen, die Precision Cut Lung Slices (PCLS) mit einer Schnittdicke von 250 ± 20 μm. In MEM-Medium (serum-free minimum essential medium) überleben diese Schnitte für bis zu 70 Stunden. Sie liefern präzise und gut reproduzierbare Ergebnisse über die Kontraktilität von Atemwegen verschiedener Größe, die anhand der Reduktion der Atemwegsfläche berechnet wird.
PCLS bieten die Möglichkeit der Betrachtung von Ex-vivo-Reaktionen. Vorteile der In-vivo-Methodik werden so mit den Vorteilen der Betrachtung in vitro kombiniert. PCLS sind auch geeignet, die Reaktionen von Atemwegen und Blutgefäßen in demselben Schnitt zu vergleichen (HELD et al., 1999).
WOHLSEN et al. (2001) stellten an PCLS von zuvor sensibilisierten Ratten fest, dass die Bronchokonstriktion der kleinen Atemwege stärker und schneller abläuft, sie aber ebenso schneller relaxierten. Die IAR (immediate allergic response) bei der Ratte basiert vor allem auf Serotonin und tritt in Atemwegen jeder Größe auf, nimmt aber mit abnehmender Größe der Atemwege bis zu den terminalen Bronchiolen zu.
Die Untersuchung der Wirkung von Zytokinen auf die Lungenfunktion war bisher in vivo wegen der Chemotaxis von Leukozyten zum Entzündungsherd nur schwer zu untersuchen. MARTIN et al. (2001) nutzten daher das PCLS-Modell für die Untersuchung an isolierten Atemwegen mit intakter Morphologie. Sie stellten fest, dass TNFα und Interleukin-1 zum Bronchospasmus bei entzündlichen Lungenerkrankungen beitragen könnten.
5. Pharmaka mit Einfluss auf den Bronchotonus
In der Behandlung der COB des Pferdes sind Bronchodilatatoren (kurz- und langwirksame ß-Adrenergika und Anticholinergika) und Kortikosteroide bereits im Einsatz; neuere Wirkstoffe wie Phosphodiesterase-Hemmer und Leukotriensynthese-Inhibitoren befinden sich in der Entwicklung bzw. sind bereits in der Humanmedizin zur Behandlung der COPD und des Asthma bronchiale vorhanden. Die COB des Pferdes ist im fortgeschrittenen Stadium charakterisiert durch irreversible Zerstörung der Alveolarwand, Verlust an Elastizität und peribronchialer Fibrosierung, so dass für die ursächliche Verbesserung nur wenig Raum bleibt und die Behandlung meist nur symptomatisch erfolgen kann.
5.1 Parasympathomimetika (Metacholin und Acetylcholin)
Direkt wirkende Parasympathomimetika, also Agonisten an cholinergen Rezeptoren des muskarinartigen Typs, werden in Cholinester und Alkaloide mit parasympathischer Wirkung unterteilt. Sie bewirken eine Kontraktion der glatten Muskulatur der Atemwege und führen so zur Bronchokonstriktion. Zu den Cholinestern gehört auch das Acetylcholin, das aber aufgrund seines sehr schnellen enzymatischen Abbaus und der bei parenteraler Applikation im Vordergrund stehenden starken kreislauf- und herzdepressiven Wirkungen nicht als Arzneimittel geeignet ist.
Im Gegensatz zu Acetylcholin wird der Carbaminsäureester Carbachol nur sehr langsam durch die Cholinesterase hydrolysiert. Wie Acetylcholin stimuliert auch Carbachol sowohl muskarinartige als auch in hoher Dosierung nicotinartige Rezeptoren. Es bleibt in seiner Wirkung auf die Peripherie beschränkt. Weitere synthetische Cholinester sind Metacholin und Bethanechol, die durch Substitution mit einer Methylgruppe in ß-Stellung aus Acetylcholin bzw. Carbachol entwickelt wurden.
In Abb. 5 sind die Strukturformeln der direkt wirkenden Parasympathomimetika Acetylcholin und Metacholin dargestellt.
Abb. 5: Strukturformeln direkt wirkender Parasympathomimetika
Acetylcholin
C
CH3 O CH2CH2 N+ CH3
CH3 CH3 O
Metacholin
C
CH3 O CH CH2 N+ CH3
CH3 CH3 O CH3
Cholinerge Agonisten und Histamin bewirken beim COB-Patienten eine verstärkte Bronchokonstriktion, obwohl die AHR (airway hyperreactivity) kein Merkmal der COB ist (BARNES, 2000).
O’CONNOR et al. (1995) stellten in einer Langzeitstudie mit 912 Männern mittleren und fortgeschrittenen Alters fest, dass eine unspezifische Überreaktion der Atemwege auf Metacholin einen Hinweis gibt auf spätere Lungenfunktionsverschlechterung und die Entwicklung chronisch-obstruktiver Atemwegserkrankungen.
FAIRBAIRN et al. (1993) untersuchten die bronchokonstriktorische Wirkung des Metacholins an gesunden und an COB-erkrankten Pferden vor, 24, 48 und 72 Stunden nach einer kurzfristigen (7 Stunden) Heu- und Stroh-Exposition. Die COB-Pferde reagierten signifikant deutlicher auf Metacholin als die Gesunden;
außerdem gab es einen signifikanten Zusammenhang zwischen dem interpleuralen Druck am Ende der siebenstündigen Konfrontationsphase und der erhöhten bronchokonstriktorischen Wirkung des Metacholins.
5.2 Parasympatholytika (Atropin, Ipratropium und Tiotropium)
Parasympatholytica hemmen kompetitiv die Wirkung von Acetylcholin an den postganglionären muskarinergen Cholinoceptoren und bewirken so eine Hemmung der durch Acetylcholin oder ein synthetisches Analogon ausgelösten Bronchokonstriktion. Erst in hohen (toxischen) Dosen wird auch die Übertragung an autonomen Ganglien und der motorischen Endplatte durch eine Blockierung nicotinartiger Cholinoceptoren gehemmt. Prototyp der Gruppe ist Atropin, eine pflanzliches Alkaloid, das in zahlreichen Nachtschattengewächsen (z.B. in der Tollkirsche, Atropa belladonna) vorkommt. Atropin ist ein Ester aus Tropasäure und Troponin (L-Hyoscyamin), der beim Aufarbeiten der Pflanzen oder in wässriger Lösung zu D,L-Hyoscyamin razemiert (FREY et al., 1996).
Neben halbsynthetischen gibt es auch zahlreiche synthetische Verbindungen (z.B. Ipra- und Tiotropium), bei denen zum Teil versucht wurde, durch die Ausnutzung der Heterogenität der muskarinartigen Rezeptoren selektivere Wirkungen auf bestimmte Organe oder Organsysteme zu erreichen. Während Atropin noch auf die M-Rezeptoren 1-3 wirkt, und dadurch eine starke Herzwirkung hat, haben Ipra- und Tiotropium keine Wirkung auf M2. Atropin ist außerdem gehirngängig und führt durch Blockade zentraler Cholinoceptoren zu zentralen Erregungserscheinungen (Halluzinationen, Tremor, Delirium), bei Vergiftungen zu Delirium, Koma und Atemlähmung.
An den Bronchien haben Parasympatholytika eine hemmende Wirkung auf die Bronchialmuskulatur und –sekretion. Sie haben dadurch broncholytische Wirkung bei vagal bedingten Bronchospasmen (Bronchitis), führen aber zur Bildung zähen Schleims, so dass die Kombination mit anderen Wirkstoffen in der Therapie der COB sinnvoll erscheint (FREY et al., 1996).
Abb. 6: Strukturformeln von Parasympatholytica
Atropin (D,L-Hyoscyamin)
N
H3C O C CH CH2OH O
Ipratropium
N O C CH CH2OH H7C3 O
H3C
BROADSTONE et al. (1988) untersuchten die Wirkung des Atropins auf die Atemwege gesunder und an COB erkrankten Ponies während eines akuten Schubes bzw. in Remission. Bei den gesunden Ponies und bei den an COB Erkrankten in Remission zeigte Atropin keine Wirkung, während der akuten Phase verringerte es den Lungenwiderstand erkrankter Tiere, hatte aber keinen Einfluss auf die dynamische Compliance.
DUVIVIER et al. (1997) untersuchten die Wirkung der Inhalation von Ipratropiumbromid an fünf gesunden und sechs an COB erkrankten Pferden, deren Lungenfunktion vor, 15 und 60 Minuten nach Gabe von Ipratropium oder Placebo getestet wurde. Bei einer Dosis von 1200 Mikrogramm/Pferd verringerte sich der Lungenwiderstand und erhöhte sich die dynamische Compliance innerhalb von 15 Minuten; dieser Effekt hielt während der Dauer des Experiments (1 Stunde) an. Eine weitere Steigerung der Dosis brachte keine weitere, signifikante Besserung der Symptome. Systemische Nebenwirkungen wurden weder bei den gesunden, noch bei den an COB erkrankten Tieren gefunden.
Das kurzwirksame Anticholinergikum Ipratropium scheint in der Wirkung kurzwirksamen ß-Adrenergika wie dem Albuterol überlegen zu sein, langwirksame ß-Adrenergika ( z.B. Salmeterol oder Formoterol) sind in der Wirkungsstärke etwa gleich, in der Wirkungsdauer jedoch überlegen. Das Salmeterol zeigt außerdem entzündungshemmende Wirkungen, die nicht auf Bronchodilatation beruhen: Es stimuliert die mukoziliäre Clearence, hemmt die allergenbedingte Ödematisierung der Atemwege und schützt die Bronchien vor der Zerstörung durch Haemophilus influencae und Pseudomonaden. Es verringert somit die Frequenz der COB- Verschlechterungen.
Das langwirksame Anticholinergikum Tiotropium zeigt beim Menschen eine Wirkungsdauer von 24 Stunden. Seine bronchodilatatorischen Eigenschaften sind stärker als die des Salbutamols. Da es außerdem das FEV1 (forciertes exspiratorisches Volumen in einer Sekunde) bei COPD-Patienten deutlich erhöht, zeigt es nicht nur symptomatische, sondern ursächliche Wirkung.
Eine negative Nebenwirkung des Ipratropiums ist die Verringerung des transepithelialen Widerstandes, so dass der Elektrolytransport der nasalen Atemwegsschleimhaut beeinflusst wird (JEPSEN et al., 2000).
5.3 PDE4-Hemmstoffe (z.B. Cilomilast)
Die Phosphodiesterase (PDE) ist ein intrazelluläres Enzym, das den Abbau von cAMP oder von cGMP bewirkt. Diese beiden Stoffe sind Second Messenger für eine Reihe von Rezeptor-vermittelten Effekten und nur eine Stufe in der Kaskade, in deren Folge weitere Enzyme (z.B. Kinasen) aktiviert werden. Eine Erhöhung der intrazellulären cAMP-Konzentrationen erfolgt z.B. bei Stimulation der ß- Rezeptoren. Wenn der Abbau des cAMP durch PDE-Hemmer vermindert wird, kommt es zu einer Erhöhung von cAMP, was einer indirekten sympathomimetischen Wirkung entspricht (FREY et al., 1996; KANEHIRO et al., 2000). Seit wenigen Jahren ist bekannt, dass zur PDE mehrere Isoenzyme gehören. Während für die kardialen Effekte die PDE-3 von ausschlaggebender Bedeutung ist (FREY et al., 1996), scheint für die Lunge PDE4 eine größere Rolle
