Aus der Klinik für Urologie und Urologische Onkologie
im Zentrum Chirurgie der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH) Direktor: Prof. Dr. med. Markus A. Kuczyk
Funktionelle Effekte selektiver
Phosphodiesterase (PDE)-Inhibitoren auf die glatte Muskulatur der humanen Prostata
Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Medizin (Dr. med.) der Medizinischen Hochschule Hannover
vorgelegt von Michael Sormes aus Sangerhausen
Hannover 2009
Angenommen vom Senat der Medizinischen Hochschule Hannover am 07.07.2010
Gedruckt mit Genehmigung der Medizinischen Hochschule Hannover
Präsident: Professor Dr. med. Dieter Bitter-Suermann
Betreuer der Arbeit: Privatdozent Dr. rer. biol. hum. Stefan Ückert Referent: Professor Dr. med. Walter F. Thon
Korreferent: Professor Dr. med. Jens Jordan
Tag der mündlichen Prüfung: 07.07.2010
Prüfungsausschussmitglieder:
Professor Dr. med. Hermann Haller Professor Dr. med. Klaus Otto Professor Dr. med. Christoph Klein
1. Einleitung
1.1 Die Funktion und makroskopische Anatomie der Prostata 1 1.2 Mikroskopische Anatomie 3
1.3 Blutversorgung 3
1.4 Neuronale Innervation 4
1.5 Pharmakologie der Prostata
1.5.1 Mechanismen der Tonusregulation glatter Muskulatur: Die
Bedeutung von Ca2+ 4
1.5.2 Die Bedeutung der zyklischen Nukleotide cAMP und cGMP 7
1.5.3 Die Phosphodiesterase (PDE)-Isoenzyme 8
1.5.4 Adrenerge Mechanismen der Kontrolle der Funktion der Prostata 11 1.5.5 Cholinerge Mechanismen in der Kontrolle der Prostatafunktion 12 1.5.6 Nicht-adrenerge, nicht-cholinerge (NANC) Mechanismen der
Kontrolle der Prostatafunktion 13
1.6 Selektive PDE-Inhibitoren und ihre klinische Bedeutung 14 1.7 Das Benigne Prostata-Syndrom (BPS) - Ätiologie & Pathophysiologie 18 1.8 Die Pharmakotherapie des Benignen Prostata-Syndroms 22
2. Fragestellung
253. Material und Methoden
3.1 Gewebeasservierung 26
3.2 Funktionelle Organbad-Experimente 26 3.3 Bestimmung der intrazellulären Konzentration zyklischer Nukleotide
3.3.1 Inkubationsprotokoll und Extraktion von cAMP und cGMP 27 3.3.2 Radioimmunochemische Quantifizierung von cAMP und cGMP 28
3.4 Proteinbestimmung 29
3.5 Auswertung der In vitro - Experimente 29
3.6 Chemikalien 30
4. Ergebnisse
4.1 Organbad-Experimente
4.1.1 Effekte von PDE-Inhibitoren auf die durch NE induzierte Tension
isolierter Streifenpräparate der Prostata 31
4.1.2 Effekte von PDE-Inhibitoren auf die durch ET-1 induzierte Tension
isolierter Streifenpräparate der Prostata 35
4.2 Effekte der Testsubstanzen auf die zelluläre Produktion/Akkumulation
zyklischer Nukleotide 39
5. Diskussion
445.1 Funktionelle Organbad-Studien 46
5.2 Quantifizierung zyklischer Nukleotide 48
5.3 Selektive PDE-Inhibitoren: Eine neue Option in der Therapie des
Benignen Prostata-Syndroms? 51
5.4 Die Zukunft der Pharmakotherapie des BPS – Ein Ausblick 53
6. Zusammenfassung
577. Literatur
598. Anhang
8.1 Danksagung 74
8.2 Lebenslauf 75
8.3 Publikationen 76
8.4 Erklärung 77
1. Einleitung
1.1 Die Funktion und makroskopische Anatomie der Prostata
Die Prostata (gr. prostátes = Vorsteher, Vordermann), auch als Vorsteherdrüse bezeichnet, zählt mit den Bläschendrüsen und Cowper-Drüsen zu den akzessorischen Geschlechtsdrüsen des männlichen Urogenitaltrakts. Das exokrine Organ, welches in Form und Größe einer Rosskastanie ähnlich ist, wiegt beim gesunden jugendlichen Mann zwischen 17 g bis 28 g und füllt retrosymphysär den Raum zwischen kranial gelegener Harnblase und kaudal liegendem Diaphragma urogenitale, welches als bindegewebig- muskulöse Platte das vom Beckenzwerchfell (Diaphragma pelvis) freigelassene Levatortor abdeckt.
Abbildung 1: Anatomische Darstellung der Lokalisation der Prostata im männlichen Urogenitaltrakt Aus: Anatomie, hrsg. von A. Benninghoff, D. Drenckhahn, Band 1, 16. Auflage, Seite 796, Urban &
Fischer Verlag, München 2002
Die Prostata, die in ihrer Längsachse den etwa 2,5 cm langen prostatischen Anteil der Harnröhre umschließt, ist an ihrer Basis, dem der Harnblase zugewandten Anteil, nach ventral etwas abgesenkt und nach dorsolateral schulterartig hochgezogen. Ventral wird die Prostata über die Ligamenta puboprostatica, die im Spatium retropubicum liegen, an der Dorsalfläche der Symphysis pubica fixiert. Der stumpf kegelförmige Apex prostatae ist der kaudale Abschnitt der Prostata. Von der Hinterseite aus, an der sich die Prostata der Rundung des Rektums anpasst, kann man die beim Gesunden prall-elastische Drüse gut ertasten. Vom Rektum ist die Prostata durch die Fascia rectoprostatica (Septum rectovesicale), die auch als Denonvillier-Faszie bezeichnet wird, getrennt. Von dorsokranial aus perforieren die schräg verlaufenden, etwa zwei Zentimeter langen Spritzkanälchen (Ductús ejaculatorii), die das gemeinsame Endstück von Samenleiter (Ductus deferens) und Ductus excretorius der Samenbläschen (Vesiculae seminales) darstellen, den Drüsenkörper und münden am Samenhügel (Colliculus seminalis) beiderseits des Utriculus prostaticus, nur wenige Millimeter proximal des quergestreiften M. sphincter urethrae externus, in das Lumen der prostatischen Harnröhre. Die Prostata liegt extraperitoneal und ist in das Bindegewebe des Spatium subperitoneale eingebettet.
Schematisch lassen sich quer- bzw. ventrodorsal verlaufende Bindegewebszüge unterscheiden, die die Prostata in einer Art Kreuzgurtung in ihrer Position fixieren.
Makroskopisch lässt sich die Prostata in einen rechten und in einen linken Lappen (Lobus dexter et sinister), einen Isthmus prostatae, vor der Urethra gelegen, und einen mittleren Lappen (Lobus medius), der sich zwischen den Spritzkanälchen und der Urethra befindet, gliedern. Die Prostata liefert zusammen mit den Samenbläschen den Hauptanteil der Samenflüssigkeit, das Verhältnis beträgt 20% (Prostata) : 60% (Samenbläschen). Die erste Portion des Ejakulates enthält den Hauptanteil des prostatischen Sekretes, das bis zur Ejakulation in weiten Lumina der Drüsen gespeichert wird. Die rasche Entleerung der Drüsenlumina erfolgt durch die Kontraktion glatter Muskelzellen des Stromas. Das Sekret der Prostata ist dünnflüssig und milchig, sein pH-Wert liegt aufgrund eines hohen Gehalts an Zitronensäuren zwischen 6,3 und 6,5. Das Sekret der Prostata enthält neben Spermin, welches den typischen Geruch des Ejakulates hervorruft, zahlreiche Metallionen (Ca2+, Zn2+) und Enzyme (Proteasen, saure Phosphatase), die das Ejakulat verflüssigen und für die Aktivität und Beweglichkeit der Spermien von Bedeutung sind.
1.2 Mikroskopische Anatomie
Die Prostata besteht aus 30 - 50 verzweigten, epithelialen, tubuloalveolären Einzeldrüsen mit einem flach einreihigen bis hochprismatisch mehrschichtigen Epithel, die in ein Stroma aus Bindegewebe, elastischen Fasern und glatten Muskelzellen (fibromuskuläres Stroma) eingebettet sind. Die etwa 15 - 25 Ausführungsgänge (Ductuli prostatici) münden in den Sinús prostatici in die Urethra, seitlich des Colliculus seminalis, ein. Die Prostata wird von einer Bindegewebskapsel umgeben, die neben Bindegewebe auch glatte Muskelzellen enthält.
McNEAL (1972) unterscheidet vier histologisch verschiedene Zonen in der Prostata: das anteriore fibromuskuläre Stroma, welches nur wenige Drüsenzellen enthält, die die Ductús ejaculatorii umgebende zentrale Zone, die einen auf den Kopf stehenden Kegel bildet und etwa 25% des Prostatavolumens ausmacht, die periphere Zone, die den distalen Anteil der Urethra umgibt und etwa 75% zum Gesamtvolumen der Prostata beiträgt, sowie die Übergangszone (Transitional- zone), die histologisch der peripheren Zone ähnlich ist und eine zentrale Rolle in der Pathophysiologie und Genese der Benignen Prostatahyperplasie (BPH) spielt.
Abbildung 2: Die verschiedenen anatomischen Zonen der Prostata nach dem Modell von McNeal Aus: Terminologie und Diagnostik des benignen Prostatasyndroms, Autor: M. Oelke, Deutsches Ärzteblatt, Heft 33, Seite B2003, 2007
1.3 Blutversorgung
Die arterielle Versorgung der Prostata erfolgt hauptsächlich durch die A. vesicalis inferior und die A. rectalis media, selten auch durch die A. obturatoria, A. rectalis superior, Aa.
vesicales superiores, A. pudenda interna oder die A. ductús deferentis. Diese versorgen den Kapselplexus mit seinen arterioarteriellen Anastomosen, die spiraligen Parenchymgefäße und die dünnen periurethralen Gefäße. Der Hauptanteil der Gefäße liegt
dorsolateral, wobei einzelne Äste nach ventral ziehen und die dort liegenden Anteile des Organs sowie die Urethra versorgen. Der venöse Abstrom erfolgt über einen Kapselplexus, einen submukösen periurethralen Plexus und den weitlumigen, stark anastomisierenden und dünnwandigen Plexus venosus vesicoprostaticus, welcher der kaudolateralen Fläche der Prostata anliegt und auch die von ventral kommende V. dorsalis profunda penis aufnimmt. Dieser Plexus schließt sich zu 2 - 3 großen Sammelvenen (Vv. vesicales) zusammen, die dann in die V. iliaca interna münden.
1.4 Neuronale Innervation
Die Funktion der Prostata steht im Wesentlichen unter der Kontrolle des vegetativen Nervensystems. Die parasympathische Innervation der Prostata erfolgt aus den Segmenten S2- S4 des Sakralmarkes über die Nn. splanchnici pelvici, die sympathische Innervation aus den Segmenten Th12 - L2 des thorakolumbalen Rückenmarkes über die Nn. splanchnici lumbales und Nn. hypogastrici, die Teil des Plexus hypogastricus inferior bzw. Plexus pelvicus mit seinen präganglionären viszeroafferenten und –efferenten Fasern sind. Der Parasympathikus kontrolliert die Sekretionsfunktion der Drüsen in der Transitionalzone, der Sympathikus ist u.a. in den Vorgang der Entleerung des prostatischen Drüsensekretes in die proximale Urethra (Emission) während der Ejakulation involviert. Die vom Plexus hypogastricus inferior projizierenden sympathischen und parasympathischen Fasern ziehen in einem Geflecht entlang der Samenblasen nach kaudal und bilden den Plexus prostaticus, der dorsolateral und kranial an der Gefäß- Nerven-Leitplatte der Prostata anliegt und über postganglionäre Fasern intramural gelegene Ganglien des Zielorgans erreicht. Außerdem wird die Prostata von Fasern des Plexus rectovesicalis und Plexus deferentialis erreicht.
1.5 Pharmakologie der Prostata
1.5.1 Mechanismen der Tonusregulation glatter Muskulatur: Die Bedeutung von Ca2+
Der Tonuszustand glatter Muskulatur ist von der Konzentration des freien Kalziums ([Ca2+]i) im Zytoplasma des Myozyten abhängig. Im Ruhezustand liegt die Konzentration
im Sarkoplasma zwischen 120 und 170 nM, die Konzentration im extrazellulären Raum beträgt 1,5 - 2 mM. Dieser 10000fache Unterschied wird durch den aktiven, ATP- abhängigen Na+/Ca2+-Austausch über membranständige Ionenkanäle aufrechterhalten.
Werden Ca2+-Kanäle durch einen neuronalen oder hormonellen Stimulus geöffnet, kann Ca2+ entlang des Konzentrationsgradienten in die Zelle gelangen. In der glatten Muskelzelle ist der Einstrom von Ca2+der Auslöser der Kontraktion. Auch die Freisetzung von Ca2+-Ionen aus zellulären Speichern wie dem Sarkoplasmatischen Retikulum (SR) oder den Mitochondrien trägt zur Erhöhung der intrazellulären Ca2+-Konzentration bei.
Schon ein relativ geringer Anstieg der ([Ca2+]i) auf 550 nM – 700 nM führt zur Kontraktion glatter Muskulatur, dieser Vorgang wird durch zwei fundamentale physiologische Mechanismen vermittelt [1]: Die elektromechanische Kopplung beschreibt die Aktivierung (Öffnung) spannungsabhängiger Kalziumkanäle in der äußeren Membran als Folge eines (neuronalen) Aktionspotentials, das zu einer anhaltenden Depolarisation der Zellmembran führt. Das in die Zelle einströmende Ca2+aktiviert in einem Komplex mit dem Protein Calmodulin das Ca2+-abhängige Enzym Myosin Light Chain Kinase (MLCK), welches die Phosphorylierung der leichten 20-KD-Kette des Myosins katalysiert, somit die Interaktion zwischen Aktin und Myosin unter Spaltung von ATP ermöglicht und schließlich zu einer Kontraktion führt. Die pharmakomechanische Kopplung setzt die Bindung eines endogenen oder exogenen Liganden an einen Membranrezeptor – dabei kann es sich um einen Ca2+-Kanal oder ein mit einem GTP-bindenden Protein (G-Protein) assoziierten Rezeptor handeln – voraus. Die Aktivierung eines G-Proteins führt zur Bildung der intrazellulären Botenstoffe Inositoltriphosphat (IP3) und Diacylglycerol (DAG) aus Phospholipiden der Zellmembran unter der Einwirkung des Enzyms Phospholipase C [2].
Das wasserlösliche IP3 diffundiert ins Zytoplasma und bindet an Rezeptoren des Sarkoplasmatischen Retikulums (SR), wodurch es zu einem Ca2+-Efflux aus dem SR kommt. DAG, eine Verbindung aus Glycerin und den Fettsäuren Stearin- und Arachidonsäure, aktiviert die Proteinkinase C (PKC), die u.a. mikrotubuliassoziierte Proteine des Zytoskeletts und Myosin phosphoryliert und somit, synergistisch mit dem durch IP3 mobilisierten Ca2+, eine kontraktile Reaktion auslöst. Der IP3- und DAG- abhängige Signalübertragungsweg vermittelt die kontraktilen Effekte von alpha-Agonisten wie Noradrenalin, von muskarinergen Transmittern, welche an Rezeptoren des Typs M2 und M3 binden, sowie die der vasokonstriktorischen Peptide Endothelin-1 und Angiotensin
II [3]. Neben dieser Ca2+-vermittelten Kontraktion existiert auch ein Ca2+-unabhängiger Mechanismus, dessen wichtigste Reaktion die Phosphorylierung des Enzyms MLC- Phosphatase ist. Diese Reaktion und die darauf folgende Kontraktion glatter Muskelzellen setzt keine Veränderung der intrazellulären Ca2+-Konzentration voraus. Wesentliche Funktionsproteine dieser Kaskade sind das GTP-bindende Protein RhoA und das Enzym Rho-Kinase (ROK), welches die Phosphorylierung und damit Inaktivierung der MLC- Phosphatase vermittelt, die schließlich eine Kontraktion der Muskulatur auslöst [4,5].
Die Terminierung der kontraktilen Aktivität der Myozyten erfordert die Depletion des zytoplasmatischen Ca2+. Dies geschieht durch Wiederaufnahme in die intrazellulären Ca2+-Speicher Sarkoplasmatisches Retikulum und Mitochondrien, die Bindung an zelluläre Proteine und Membranstrukturen sowie den Efflux des Ions über die Zellmembran in den extrazellulären Raum. Dieser Transport von Ca2+ über die Membran erfolgt in der Regel gegen einen elektrischen und chemischen Gradienten, ist also ein energieabhängiger Vorgang, der ATP-abhängige Ca2+-Pumpen benötigt.
Abbildung 3: Mechanismen der Kontrolle des Tonus glatter Muskulatur durch Änderung der intrazellulären Ca2+-Konzentration und Modulation der Ca2+-Sensitivität. Aus: M. Steinhausen, E.
Gulbins (Hrsg.): Medizinische Physiologie. 5. Auflage, ecomed Medizin, Bremen 2003, Seite 381.
CaM = Calmodulin, cGMP = zyklisches Guanosinmonophosphat, MLCK = Myosin Light Chain Kinase, NO = Stickstoffmonoxid, SR = Sarkoplasmatisches Retikulum, IP3 = Inositoltriphosphat, DAG = Diacylglycerol, PKC = Proteinkinase C, Rho = Rho-GTPase, ROK = Rho-assoziierte Proteinkinase, MLCP = Myosin Light Chain Phosphatase, Myosin~P = phosphoryliertes Myosin
1.5.2 Die Bedeutung der zyklischen Nukleotide cAMP und cGMP
Seit mehr als 30 Jahren ist bekannt, dass die zyklischen Nukleotidmonophosphate (cNMP) zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP) und zyklisches Guanosinmonophosphat (cGMP) als universelle intrazelluläre Second Messenger auch an der Regulation der Kontraktion und Relaxation glatter Muskulatur beteiligt sind [6]. Für die Aktivierung der cNMP-Synthese ist ein System membrangebundener Proteine verantwortlich, das aus einem Rezeptor, einem Bindungsprotein und den Enzymen Adenylatzyklase (AC) und Guanylatzyklase (GC) besteht. Dieses System setzt die Bindung eines externen Liganden – dabei kann es sich um einen Neurotransmitter, ein Hormon oder einen anderen primären Botenstoff handeln – an einen (Membran/Protein)Rezeptor voraus. Die Wirkung von cAMP und cGMP beruht auf deren Bindung an regulatorische Untereinheiten cNMP-abhängiger Proteinkinasen (cAK, cGK), wodurch die katalytische Untereinheit dieser Enzyme für die Phosphorylierung zellulärer Proteine aktiviert wird.
Es wird vermutet, dass Proteinkinasen im aktivierten Zustand eine Untereinheit der MLCK und integrale Proteine des Sarkoplasmatischen Retikulums phosphorylieren. Dabei handelt es sich wahrscheinlich um Ca2+-Kanäle und Phospholamban, ein regulatorisches Protein SR-assoziierter, Ca2+-bindender ATPasen, die den Ca2+-Transport aus dem Myoplasma in das Lumen des SR energetisch vermitteln. Diese Phosphorylierungsreaktionen führen über eine Inaktivierung der MLCK, die Änderung der räumlichen Struktur von Ionenkanälen oder eine Aktivierung der ATPasen zu einer Verringerung der intrazellulären Konzentration freien Ca2+. Die Verarmung des zytosolischen Raumes an Ca2+ teilt sich dem kontraktilen Apparat der Muskelzelle mit und induziert eine Relaxation [7]. Das System aus Membranrezeptor, G-Protein (GTPase), Adenylatzyklase und cAMP vermittelt die durch ß- Sympathomimetika und andere Aktivatoren der AC (z. B. Forskolin) induzierte Relaxation [8]. Zentrale funktionelle Komponenten der cGMP-Kaskade sind die Stickoxid-Synthasen (NOS), die zytosolische (= lösliche) Guanylatzyklase (sGC) sowie die verschiedenen membrangebundenen Isoformen des Enzyms (Membrane Receptor GC, MR-GC) [9].
Die Reaktionskaskade beginnt mit der Produktion des gasförmigen Transmittermoleküls NO durch die neuronale oder endotheliale Isoform der Stickoxid-Synthase (nNOS, eNOS).
NO diffundiert in die Zellen des umgebenden Gewebes und induziert dort die Konversion von GTP zu cGMP durch die Aktivität der sGC. Die sGC ist ein Protein-Heterodimer aus zwei als alpha (α) und beta (β) bezeichneten Einheiten, die gemeinsam das katalytische Zentrum des Enzyms bilden. Die NO-bindende Komponente ist eine Hämgruppe, die über die Aminosäure Histidin mit der β-Untereinheit des Enzymproteins verbunden ist [10,11].
Neben der NO-abhängigen Aktivierung der sGC ist auch ein NO-unabhängiger Mechanismus bekannt, der die Bindung eines exogenen Liganden an die Hämgruppe oder eine regulatorische Domäne der alpha1-Untereinheit voraussetzt. Typische Vertreter der Substanzgruppe der sogenannten NO-unabhängigen sGC-Aktivatoren sind YC-1, BAY 41- 2272, BAY 41-8543 und BAY 58-2667 [12,13]. Diese Häm-abhängigen Aktivatoren (z. B.
BAY 41-8543), als auch unabhängigen Aktivatoren (z. B. BAY 58-2667) stimulieren die cGMP-Produktion der sGC synergistisch mit NO [14]. cGMP vermittelt die relaxierende Wirkung zahlreicher NO-freisetzender Vasodilatatoren wie Natriumnitroprussid (NNP) und endogener vasoaktiver Peptide wie dem Atrial Natriuretic Peptide (ANP) und C-Type Natriuretic Peptide (CNP). Die biologische Wirkung von cAMP und cGMP wird durch die hydrolytische Spaltung der Phosphodiesterbindung terminiert, diese Reaktion wird von Phosphodiesterasen (PDE = EC 3.1.4.17), einer großen und heterogenen Gruppe hydrolytischer Enzyme, vermittelt, die daher als Schlüsselenzyme in der Kontrolle des zellulären Umsatzes zyklischer Nukleotide gelten.
1.5.3 Die Phosphodiesterase (PDE)-Isoenzyme
Wie bereits beschrieben, werden die intrazellulären Konzentrationen der zyklischen Nukleotide cAMP und cGMP durch das Verhältnis zwischen ihrer Produktion durch zelluläre Adenylat- und Guanylatzyklasen und der Degradierung durch Phosphodiesterase (PDE)-Isoenzyme reguliert. Im humanen Genom kodieren 21 Gene für 11 verschiedene Familien von PDE-Proteinen (Isoenzymen). Durch ein der Translation folgendes Splicing der mRNS kodiert jedes Gen für mehr als ein Isoenzym. Bisher sind mehr als 40 PDE- Isoformen beschrieben, die sich in ihren kinetischen Eigenschaften, ihrer Affinität für die Substrate cAMP und cGMP, ihrer Sensitivität gegen Inhibitoren und allosterische Aktivatoren und ihrer Aminosäuresequenz unterscheiden. Jede PDE verfügt über eine hochkonservierte katalytische Domäne, die von 270 Aminosäuren gebildet wird und in der Nähe des Carboxyl (-CO2H)-Terminus des Proteins lokalisiert ist. Am Amino (-NH2)- Terminus finden sich in der Struktur einiger PDE-Isoenzyme regulatorische Domänen lokalisiert, die Ca2+, Calmodulin, cGMP oder Proteine binden können [15,16].
Zu den cAMP-spezifischen PDE (cAMP-PDE) zählen die Isoenzym-Familien PDE2, PDE3, PDE4, PDE7 und PDE8, cGMP-spezifische Isoenzyme (cGMP-PDE) sind die PDE5, PDE6 und PDE9, während die PDE1, PDE10 und PDE11 beide Substrate mit gleicher Affinität binden und umsetzen [17]. Die PDE1, die sich vor allem im zentralen Nervensystem und in
Blutgefäßen lokalisiert findet, ist eine Ca2+/Calmodulin-abhängige Isoform, die cAMP und cGMP mit equivalenter Affinität hydrolisiert [18]. Die PDE2, die ebenso wie die PDE3 als ein Leitenzym des kardiovaskulären Systems gilt, ist eine cAMP-spezifische PDE, deren Aktivität durch cGMP stimuliert wird. Im Gegensatz zur PDE2 wird die Hydrolyseaktivität der PDE3 durch cGMP inhibiert [19]. Beschrieben sind außerdem die PDE4 (cAMP-PDE) und die PDE5 (cGMP-PDE), Letztere ist eines der wichtigsten Funktionsenzyme in der Kontrolle des Tonuszustands der vaskulären und nicht-vaskulären glatten Muskulatur des Corpus cavernosum penis [20]. Die PDE6, die in erster Linie cGMP degradiert, ist bisher ausschließlich in den Zapfen- und Stäbchenzellen der Retina gefunden worden, wo sie wesentlich am Mechanismus der Photorezeption beteiligt ist [21]. Die Aktivität der PDE7, einem Isoenzym mit hoher Affinität für cAMP, das aber insensitiv gegen den (cAMP-)PDE- Inhibitor Rolipram ist, konnte in der quergestreiften Skelettmuskulatur und in immunkompetenten Zellen, den T-Lymphozyten, nachgewiesen werden [22]. Die PDE8, ebenfalls eine cAMP-PDE, wird vor allem in den Testes, im Ovar und in der intestinalen glatten Muskulatur des Menschen exprimiert [23]. Die Aminosäuresequenz der PDE9, ein Isoenzym, das aus der Milz, der Niere, dem Dünndarm und dem Gehirn des Menschen isoliert wurde, ist zu 34% mit derjenigen der PDE8 identisch [24]. Das Isoenzym ist hochspezifisch für cGMP und sensibel gegen die PDE5-Inhibitoren Zaprinast und SCH 51866 [25]. Die wichtigste Dual Substrate PDE ist neben der PDE1 die PDE11, die sich molekularbiologisch in der Prostata, den Hoden und der Skelettmuskulatur nachweisen ließ, die physiologische Funktion dieses Isoenzyms ist bisher allerdings nicht verstanden [26].
Arbeiten zur Verteilung der PDE-Isoenzyme in Geweben und Organen zeigen markante gewebsspezifische Unterschiede. Während einige Isoenzyme in zahlreichen Organsystemen vorkommen, ist die Verteilung anderer limitiert: Die PDE3 ist ein physiologisch relevantes Isoenzym der humanen Hepatozyten, der Thrombozyten und des Herzmuskels, während die hydrolytische Aktivität der PDE6 lediglich in den Zellen der Retina nachgewiesen werden kann [15,27]. In den Geweben und Organsystemen einer Spezies können außerdem verschiedene Isoformen einer Isoenzym-Familie präsent sein:
Die PDE1 aus Leber-, Hirn- und Fettgewebe einiger Säugetiere ist durch eine hohe Affinität für cGMP und eine geringe Affinität für cAMP charakterisiert, die Isoformen des Herzmuskels und der Nieren durch eine hohe Affinität zu beiden Substraten [18]. Aus der Leber, den Nieren und der glatten Muskulatur der Atemwege wurden Subtypen der PDE4 separiert, deren Sensitivitäten gegen die selektiven Inhibitoren Rolipram und Ro 20-1724 um einen Faktor 5 -15 variieren [28,29]. Die Anwesenheit eines PDE-Isoenzyms in einem
Gewebe ist nicht unbedingt ein Hinweis auf eine physiologische Bedeutung in den Zellen.
So entfällt in Gewebehomogenaten glatter Muskulatur der Atemwege des Hundes 85% der cAMP-Hydrolyse auf die PDE1C, 10% auf die PDE3 und lediglich 5% auf die PDE4, obwohl die PDE4 das regulatorisch relevante Isoenzym bei der Kontrolle des cAMP- Gehaltes und des Muskeltonus im intakten Gewebe zu sein scheint [28]. Deutliche Unterschiede zwischen der relativen PDE-Aktivität der zytosolischen und partikulären Fraktionen verschiedener Gewebe sind ebenfalls beschrieben: 50% - 70% der PDE- Aktivität in Herzmuskel-, Leber- und Fettzellen ist membrangebunden, 80% - 90% der PDE-Aktivität in glatter Muskulatur findet sich in der zytosolischen Fraktion [30].
Während also einige Gewebe fast alle PDE-Subtypen exprimieren, finden sich in anderen nur wenige Isoenzyme. Selbst in solchen Organen und Geweben, in denen zahlreiche PDE exprimiert werden, dominieren nur wenige die Regulation der zellulären Funktionen [31].
Diese relative Gewebespezifität und die Sensitivität gegen selektive Inhibitoren macht die Phosphodiesterasen zu einem interessanten Ziel der pharmakologischen Beeinflussung.
Bereits in den siebziger Jahren des letzten Jahrhunderts isolierten KUCIEL &
OSTROWSKI (1970) aus Gewebeexzidaten der Prostata die Aktivität einer Phosphodiester-Bindungen spaltenden Enzymfraktion [32]. Da seinerzeit noch keine systematische Nomenklatur nukleolytischer Enzyme verfügbar war, die biochemische und molekularbiologische Eigenschaften dieser Proteinfamilie berücksichtigte, konnten KUCIEL
& OSTROWSKI die von ihnen isolierte Aktivität keinem der heute beschriebenen PDE- Isoenzyme zuordnen. Erst mehr als dreißig Jahre später wurden die PDE-Isoenzyme der Prostata molekularbiologisch, biochemisch und immunhistochemisch charakterisiert. RT- PCR Analysen zeigten die Expression von mRNS-Transkripten, welche für die PDE- Isoenzyme 1, 2, 4, 5, 7, 8, 9 und 10 kodieren, in den verschiedenen anatomischen Bereichen der Prostata [33]. Mit der Methode der Anionen-Austauschchromatographie wurden in zytosolischen Überständen homogenisierter Gewebeexzidate des fibromuskulären Stromas der Transitionalzone die hydrolytischen Aktivitäten der PDE- Isoenzyme 4 (cAMP-PDE) und 5 (cGMP-PDE) dargestellt, immunhistochemische Studien zeigten die Distribution der Ca2+/Calmodulin-abhängigen PDE1 in den basalen Epithelzellen glandulärer Strukturen und der PDE4 und PDE5 im fibromuskulären Stroma ebenso wie im mehrschichtigen Gewebe der Drüsen [34].
1.5.4 Adrenerge Mechanismen der Kontrolle der Funktion der Prostata
Die glatte Muskulatur in der Transitionalzone der Prostata steht unter der Kontrolle des autonomen Nervensystems, repräsentiert durch adrenerge und cholinerge postganglionäre Nervenfasern, die das fibromuskuläre Stroma durchziehen [35]. Das System der alpha- (α) Adrenorezeptoren (AR) ist von fundamentaler Bedeutung für die Funktion der Prostata, es moduliert den Tonuszustand der vaskulären und nicht-vaskulären glatten Muskulatur ebenso wie die Sekretionsfunktion der drüsigen Anteile. In der Transitionalzone werden sowohl α1- als auch α2-AR exprimiert [36]. Untersuchungen zur Verteilung dieser Rezeptoren zeigten, dass im Stroma die Expression von α1-Rezeptoren dominiert, während der Subtyp α2A, welcher der einzige in der Prostata nachgewiesene α2-AR Subtyp ist, sich vor allem im glandulären Epithel und den Blutgefäßen lokalisiert findet [37].
Molekularbiologische Studien zeigten, dass sich in der Prostata drei Subtypen des α1-AR nachweisen lassen, die als α1A, α1B und α1D bezeichnet werden. Etwa 70% der α1-AR entsprechen dem Subtyp α1A, 30% sind identisch mit dem Subtyp α1D [38]. Die Ergebnisse funktioneller Untersuchungen lassen darauf schließen, dass die Kontraktilität der Myozyten in der Transitionalzone in erster Linie durch den α1A-AR vermittelt wird [39]. In der normalen Prostata beträgt das Verhältnis von fibromuskulärem Stroma zu glandulären Strukturen 2 : 1, diese Relation kann sich im hyperplastisch veränderten Organ auf bis zu 5 : 1 verschieben [40]. Das erklärt, weshalb in der hyperplastischen Prostata mehr α1-AR exprimiert werden und impliziert eine pathophysiologische Bedeutung der lokalen Zunahme der Aktivität des sympathischen Systems in der Genese der mit der BPH assoziierten Miktionssymptomatik [41,42]. Nicht nur die absolute Zahl der α1-AR nimmt mit der Entwicklung einer histopathologisch verifizierbaren BPH zu, auch das Verhältnis der Expression der α1-AR Subtypen α1A, α1Bund α1Dverändert sich: einem Anteil von 63 : 6 : 31 in Proben normalen Gewebes der Übergangszone steht eine Relation von 85 : 1 : 14 in der hyperplastischen Prostata gegenüber [43].
Neben den α1-AR sind in der Prostata mit immunhistochemischen Methoden auch β- Rezeptoren des Typs β1, β2und β3nachgewiesen worden [37,44]. In vitro blockierte die Stimulation von β-AR die von α1-AR vermittelte tonische Kontraktion isolierter Streifenpräparate aus der Transitionalzone der Prostata [45,46,47]. Die Beobachtung, dass die Expression von β-AR in hyperplastischem Gewebe deutlich vermindert ist und β- Agonisten den adrenergen Tonus isolierter Gewebestreifen histopathologisch normaler
Prostatae effektiver antagonisieren als die Tension hyperplastisch veränderter Exzidate, lässt vermuten, dass eine geringe Dichte an β-Rezeptoren zur tonischen (dynamischen) Komponente des Benignen Prostata-Syndroms (BPS) beiträgt [48].
1.5.5 Cholinerge Mechanismen in der Kontrolle der Prostatafunktion
Immunhistochemische Untersuchungen zeigten, dass Acetylcholinesterase (AChE)- positive Zellkörper in der Prostata im Bereich der dorsalen Kapsula, im fibromuskulären Stroma, in glandulären Strukturen sowie in enger räumlicher Beziehung zu den Blutgefäßen lokalisiert sind, allerdings ist die Dichte des die Prostata innervierenden Netzwerkes cholinerger Nerven geringer als die der sympathischen Fasern [49,50]. Die Lokalisation muskarinerger Rezeptoren in den glandulären Anteilen der Prostata weist auf eine Beteiligung cholinerger Nerven an der Kontrolle der sekretorischen Funktion des Organs hin, die Funktion der parasympathischen Nervenfasern, welche die prostatische glatte Muskulatur innervieren, ist dagegen noch unklar [51,52]. Es wird vermutet, dass eine Wechselwirkung zwischen dem cholinergen und adrenergen Nervensystem den Tonuszustand der prostatischen Myozyten kontrolliert [53]. Fünf Subtypen des Muskarin- Rezeptors, die mit M1, M2, M3, M4 und M5 bezeichnet werden, sind beschrieben, der dominierende Rezeptor in der humanen Prostata ist der Subtyp M1, der etwa 75% der dort exprimierten Muskarin-Rezeptoren repräsentiert [54]. Einige Arbeiten lassen vermuten, dass der M1-Rezeptor in die Regulation der Zellteilung in der Prostata involviert ist, seine Aktivierung soll zu einer Stimulation der Proliferationsaktivität des Drüsenepithels und fibromuskulären Stromas führen. Es wird daher spekuliert, ob dieser Subtyp möglicherweise von Bedeutung in der Pathophysiologie der BPH ist [55,56]. Allerdings scheint die Entwicklung einer infravesikalen Obstruktion infolge einer BPH nicht mit einer Änderung des Expressionsmusters oder der Bindungsaffinität dieses Muskarin-Rezeptors zu korrelieren [57]. Der Subtyp M2lässt sich ausschließlich in primären Kulturen glatter Muskelzellen der Prostata nachweisen, seine Expression ist also offensichtlich eine Reaktion auf die Kulturbedingungen [58,59].
1.5.6 Nicht-adrenerge, nicht-cholinerge (NANC) Mechanismen der Kontrolle der Prostatafunktion
Die Funktion glatter Muskulatur steht nicht ausschließlich unter der Kontrolle der sympathischen und parasympathischen Innervation, sondern unterliegt auch dem Einfluss des nicht-adrenergen, nicht-cholinergen (NANC) Systems, welches ebenfalls stimulierende (kontraktile) und inhibitorische (relaxierende) Transmitter sezerniert [60,61,62]. Obwohl die Bedeutung der NANC-Innervation im unteren Harntrakt bisher noch nicht umfassend charakterisiert ist, besteht kein Zweifel daran, dass das Stickstoffmonoxid (NO) einer der wichtigsten inhibitorischen NANC-Transmitter in den Geweben des Urogenitaltrakts des Menschen ist [63,64,65]. Eine mögliche Rolle der nitrinergen Innervation in der Regulation der vaskulären und nicht-vaskulären glatten Muskulatur und der sekretorischen Funktion der Prostata ergibt sich aus Arbeiten, die mit immunhistochemischen Methoden die Expression des Enzyms Stickoxid-Synthase (NOS) in varikosen Nervenfasern des fibromuskulären Stromas sowie in glandulären Strukturen zeigen [66,67,68]. BLOCH ET AL. (1997) beschrieben Immunsignale gegen die NADPH-Diaphorase (NADPH-D), die als unspezifischer Marker für NOS-Aktivität gilt, in glandulären Anteilen und neuronalen Geweben der Prostata sowie in kleinen Gefäßen, die drüsige Bereiche perfundieren.
Während sich die in den vaskulären Anteilen beobachtete NADPH-D Reaktion durch Verwendung spezifischer Antikörper gegen Isoformen der NOS der endothelialen Isoform des Enzyms (eNOS) zuordnen ließ, konnte das im glandulären Epithel registrierte NADPH- D Signal mit keiner der bekannten NOS-Isoformen korreliert werden [67]. Eine Arbeit von RICHTER ET AL. (2004) bestätigte die Lokalisation von nNOS, der neuronalen Isoform des Enzyms, in Nervenfasern und Axonen der Übergangszone, zeigte darüber hinaus die irreguläre Distribution von eNOS im Zytoplasma endothelialer Zellen prostatischer Arteriolen und beschrieb Immunreaktivität gegen nNOS in epithelialen Schichten drüsiger Strukturen. Diese Immunsignale zeigten sich in der elektronenoptischen Darstellung auf das Zytoplasma basaler Epithelzellen beschränkt [69]. Die Kolokalisation der nNOS mit den NANC Neuropeptiden VIP und NPY in autonomen Nervenfasern lässt außerdem vermuten, dass neben dem NO auch andere NANC-Transmitter die Funktion der Prostata kontrollieren [70,71,72]. Eine Beteiligung der NO-abhängigen Signaltransduktion und ihrer Schlüsselenzyme am Mechanismus der Relaxation der glatten Muskelzellen der Prostata ergibt sich aus den Ergebnissen funktioneller Untersuchungen [60,68]. Die induzierbare Isoform der NOS (iNOS), die als charakteristische NOS immunkompetenter Zellen gilt, konnte in Dünnschnitten normalen Prostatagewebes immunhistochemisch bisher nicht identifiziert werden, scheint aber in hyperplastisch verändertem Gewebe exprimiert zu
werden. Es wird daher postuliert, dass diese Isoform in die pathophysiologischen Mechanismen involviert ist, die zur Entstehung einer BPH führen [73,74].
1.6 Selektive PDE-Inhibitoren und ihre klinische Bedeutung
Das attraktive pharmakologische Profil der Phosphodiesterase (PDE)-Isoenzyme hat zur Entwicklung zahlreicher spezifischer Inhibitoren geführt, deren therapeutisches Potential in der selektiven pharmakologischen Beeinflussung von Organ- und Gewebefunktionen gesehen wird. Die wichtigsten Indikationsbereiche für PDE-Inhibitoren sind heute die Innere Medizin und die Urologie: In der Kardiologie finden die PDE3-Inhibitoren Milrinon, Amrinon und Enoximon in der Behandlung der akuten Herzinsuffizienz sowie zur inotropen Unterstützung und Senkung von Vor- und Nachlast während offener kardialer Eingriffe Verwendung, eine Erweiterung der Therapieindikationen um die pulmonale Hypertonie wird diskutiert [75,76,77]. Der PDE3-Inhibior Cilastazol verbessert bei Patienten mit Claudicatio intermittens durch seine gefäßerweiternde und aggregationshemmende Wirkung sowie antiproliferativen Effekte auf die vaskuläre glatte Muskulatur signifikant die Symptomatik [78,79].
Es waren in vivo – Experimente an anästhesierten Meerschweinchen, die zeigten, dass sowohl der PDE3-Inhibitor SK&F 94836 als auch der PDE4-Inhibitor Rolipram die durch die Gabe von Histamin induzierte Konstriktion des Bronchialbaums antagonisierten [80,81,82].
Diese Beobachtungen am Tiermodell konnten später in Studien mit dem dualen PDE3/PDE4-Inhibitor AH 21-132 bestätigt werden, der in Patienten mit Asthma bronchiale zu einer Reduktion der Bronchokonstriktion und Hyperreaktivität der Atemwege führte und die lokalen Entzündungsprozesse durch seine Wirkung auf basophile Granulozyten, Mastzellen und Makrophagen beseitigte [83,84]. Diese Befunde waren die Voraussetzung für die klinische Entwicklung von Roflumilast, einem selektiven PDE4-Inhibitor der zweiten Generation, dessen bronchodilatatorischen und entzündungshemmenden Eigenschaften in der Therapie von Asthma und COPD (Chronic Obstructive Pulmonary Disease) in Studien der Phase II und III demonstriert werden konnten [85,86,87]. Die chemische Struktur dieser Verbindung gewährleistet ein ausgezeichnetes Verhältnis von pharmakologischer Wirkung zu unerwünschten Nebenwirkungen, hier vor allem der emetischen Wirkung, einer zunächst charakteristischen Eigenschaft der Verbindungen aus der Gruppe der PDE4- Inhibitoren, die noch in den 1990er Jahren eine breite klinische Anwendung von Rolipram, das neben seinen antiphlogistischen und dilatatorischen Effekten auch antidepressive und positiv psychotrope Wirkungen vermittelt, in der Behandlung psychischer Erkrankungen verhinderte [88,89].
In der Urologie werden die selektiven PDE5-Inhibitoren Sildenafil (VIAGRA®), Vardenafil (LEVITRA®) und Tadalafil (CIALIS®) erfolgreich in der oralen Pharmakotherapie der Erektilen Dysfunktion (ED) eingesetzt [90,91]. Die PDE5 ist eines der funktionell relevanten PDE-Isoenzyme in der glatten Muskulatur des Corpus cavernosum penis (HCC) und der das HCC perfundierenden Gefäße. Die Relaxation dieser Muskulatur ist eine Voraussetzung für die Einleitung und Aufrechterhaltung der Erektion und wird durch die endotheliale und neuronale Freisetzung von Stickoxid (NO) vermittelt. Die PDE5- Inhibitoren hemmen den hydrolytischen Abbau von cGMP, das als primäres Produkt der NO-induzierten Aktivität der sGC die Depletion der intrazellulären Ca2+-Konzentration und somit die Relaxation der cavernösen Muskulatur vermittelt [9]. Die klinische Verwendung von PDE-Inhibitoren in dieser Indikation geht auf experimentelle Arbeiten von STIEF ET AL. (1995, 1996) zurück, die erstmals die Aktivität der PDE-Isoenzyme des Typs 3, 4 und 5 in der glatten Muskulatur des humanen Corpus cavernosum zeigten und mit der Organbad- Technik die relaxierenden Effekte selektiver PDE-Inhibitoren auf die durch Norepinephrin induzierte Kontraktion isolierter Streifenpräparate der Trabekularmuskulatur beschrieben [92,93]. Diese Untersuchungen und eine ebenfalls von der Gruppe um STIEF durchgeführte initiale klinische Studie, welche die Effektivität des PDE3-Inhibitors Milrinon in der Behandlung von Erektionsstörungen demonstrierte, fanden seinerzeit jedoch nur ein geringes Interesse der Fachwelt [94]. Erst die auf der Jahrestagung der American Urological Association (AUA) im Jahre 1996 erfolgte Vorstellung von Sildenafilcitrat (VIAGRA®) und seinem pharmakologischen Potential als oraler Wirkstoff zur Wiederherstellung der erektilen Funktion lenkten die Aufmerksamkeit erneut auf den klinischen Nutzen von selektiven PDE-Inhibitoren und die therapeutischen Perspektiven des Konzepts einer pharmakologischen Modulation der Aktivität von Schlüsselenzymen der cavernösen Signalübertragungswege.
Die Resultate klinischer Studien haben gezeigt, dass das Konzept der PDE5-Inhibition auch auf internistische und neurovaskuläre Erkrankungen anwendbar ist. So ist das Sildenafilcitrat inzwischen unter dem Handelsnamen REVATIO® für die Therapie der pulmonalen arteriellen Hypertonie (PAH) zugelassen, die empfohlene Dosierung beträgt 3 x 20 mg/Tag. Sildenafil reduziert durch die Erhöhung der cGMP-Konzentration in den vaskulären Myozyten den Widerstand der pulmonalen Gefäße und verbessert so die pulmonale Hämodynamik [95]. Im Fall einer mit der PAH assoziierten Rechtsherzinsuffizienz, die sich häufig als Folge hypertropher Veränderungen des Myokards entwickelt, führt die Inhibition der PDE5 im Herzmuskel zu einem positiv inotropen Effekt, der synergistisch mit der Senkung der Nachlast wirkt [96,97]. GALIE ET
AL. (2006) zeigten in einer Studie an 278 Patienten mit PAH nach der Gabe des PDE5- Inhibitors eine signifikante Zunahme der mittleren Gehstrecke, einen Rückgang des pulmonalen arteriellen Drucks und eine Verbesserung des WHO Function Scores [98].
Inzwischen sind auch positive Effekte der PDE5-Inhibitoren Vardenafil und Tadalafil auf die PAH-Symptomatik beschrieben worden [99,100].
Abbildung 5: Zielorgane der Wirkung von Sildenafil und anderen Wirksubstanzen aus der Klasse der PDE5-Inhibitoren im Urogenitaltrakt (Penis), dem kardiovaskulären System (Herzmuskel, vaskuläre glatte Muskulatur), Respirationstrakt (Bronchialmuskulatur) und dem zentralen Nervensystem (Gehirn). (aus: Uthayathas S. et al.: Versatile effects of sildenafil: recent pharmacological applications. Auburn University, Harrison School of Pharmacy, Division of Pharmacology & Toxicology, Auburn, AL, USA, 2007)
CAGLAYAN ET AL. (2006) untersuchten den Effekt von Vardenafil in Patienten mit primärem und sekundärem Morbus Raynaud, eines anfallsartig auftretenden, durch eine Vasokonstriktion der Arterien bedingten Ischämiezustands der Finger, der langfristig zur Schädigung der Gefäßwände (Intimaverdickung, Kapillaraneurysmen) mit der Folge der Bildung lokaler Nekrosen führen kann. Die Applikation von 2 x 10 mg Vardenafil (zweimal täglich für 14 Tage) resultierte in 70% der Probanden in einer signifikanten Zunahme des peripheren Blutflusses und einer Verbesserung der klinischen Symptome [101].
PDE Substrat Inhibitor(en) Aktivator (potentielle) klinische Indikation PDE1 cAMP/cGMP Papaverin, Vinpocetin,
Methoxymethyl-IBMX, Calmodulin-Antagonisten
Ca2+/Calmodulin Hypertension
zerebrale Durch- blutungsstörungen
Urge-Inkontinenz PDE2 cAMP
(>>cGMP)
EHNA (MEP1) cGMP Herz-Kreislauf-
Erkrankungen PDE3 cAMP
(>>cGMP)
Enoximon, Milrinon, Amrinon, Quazinon, Cilostamid, cGMP, SK&F 94120, Siguazodan
Herzinsuffizienz
Asthma bronchiale
Claudicatio intermittens PDE4 cAMP
(>>cGMP)
Rolipram, Ro 20-1724, Denbufyllin, Zardaverin, Etazolat, ZK 803616
senile Demenz
Depression
Asthma bronchiale
COPD
Urolithiasis
FSD PDE5 cGMP
(>>cAMP)
Sildenafil, NCX 911, (Sildenafilcitrat), Vardenafil, Tadalafil, Zaprinast, Dipyridamol, TA 1790 (Avanafil), Udenafil, Lodenafil, MY 5445,
E 4021
Erektile Dysfunktion (ED)
arterielle Thrombose
pulmonale Hypertonie
M. Raynaud
FSD PDE6 cGMP
(>>cAMP)
Sildenafil PDE7 cAMP
(>>cGMP) PDE8 cAMP
(>>cGMP)
Dipyridamol PDE9 cGMP
(>>cAMP)
Zaprinast, BAY 73-6691, SCH 51866, Papaverin
Antidiurese
M. Alzheimer PDE10 cAMP/cGMP
PDE11 cAMP/cGMP Exisulind, Tadalafil PCa
Tabelle 1: Die Phosphodiesterase (PDE)-Isoenzyme, ihre Substrate, selektiven Inhibitoren und allosterischen Aktivatoren und Möglichkeiten der klinischen Anwendung Isoenzym-spezifischer PDE-Inhibitoren. COPD = Chronic Obstructive Pulmonary Disease, ED = Erektile Dysfunktion, FSD
= Female Sexual Dysfunction, PCa = Prostatakarzinom
1.7 Das Benigne Prostata-Syndrom (BPS) - Ätiologie & Pathophysiologie
Die Benigne Prostatahyperplasie (BPH) ist eine gutartige Erkrankung der Prostata des alternden Mannes, die sowohl hinsichtlich der Zahl der betroffenen Patienten als auch der durch die Therapiemaßnahmen verursachten Kosten als Volkskrankheit zu bezeichnen ist [102]. Die Terminologie Benigne Prostatahyperplasie beschreibt ausschließlich eine histologische Diagnose. Histologische Veränderungen des Prostatagewebes können zu einer gutartigen Vergrößerung der Prostata, der sogenannten Benign Prostatic Enlargement (BPE) führen, welche mit einer Blasenauslass-Obstruktion (Bladder Outlet Obstruction = BOO) und/oder irritativen Symptomen, der Lower Urinary Tract Symptomatology (LUTS), assoziiert sein kann. Es besteht allerdings kein direkter kausaler Zusammenhang zwischen der Größe der Prostata und dem subjektiven Erleben der Symptomatik durch den Patienten [103,104]. Um das pathophysiologisch sehr dynamische Modell, das die klinische Symptomatik (LUTS), die histologisch-pathologisch manifeste BPH (pBPH) – die mit einer Vergrößerung der Prostata (BPE) einhergehen kann - , die Auslass-Obstruktion und die Tatsache der variablen Manifestation dieser Aspekte einschließt, korrekt zu beschreiben und die Terminologien in einen Zusammenhang zu stellen, wird heute die Bezeichnung Benignes Prostata-Syndrom (BPS) verwendet [102].
Die aktuelle Nomenklatur und die pathophysiologischen Zusammenhänge der BPS- assoziierten Veränderungen im unteren Harntrakt sind in der Tabelle 2 und in einem Ringdiagramm (Abbildung 6) zusammengefasst.
Terminologie LUTS Lower Urinary Tract Symptoms
(irritative Symptome des unteren Harntrakts) BPE Benign Prostatic Enlargement
(benigne Prostatavergrößerung) BOO Bladder Outlet Obstruction
(Blasenauslassobstruktion bzw. infravesikale Obstruktion) pBPH Benign Prostatic Hyperplasia
(Benigne Prostatahyperplasie als histologischer/pathologischer [p]
Befund)
BPO Benign Prostatic Obstruction
(benigne Prostataobstruktion; BOO durch BPE) BPS Benign Prostatic Syndrome
(Benignes Prostata-Syndrom; LUTS + BPE + BOO)
Tabelle 2: Nomenklatur der BPS-assoziierten Veränderungen im unteren Harntrakt
Abbildung 6: Das Benigne Prostata-Syndrom. Darstellung des Zusammenhangs zwischen Prostata-Vergrößerung (BPE), Miktionssymptomatik (LUTS) und Blasenauslaß-Obstruktion (BOO).
Bei etwa 8% der erwachsenen Männer sind erste histologische Zeichen einer BPH bereits in der 4. Lebensdekade feststellbar, die Prävalenz steigt dann mit zunehmendem Lebensalter kontinuierlich an, etwa 50% der Männer in der 6. Lebensdekade, 70% in der 7.
Lebensdekade und etwa 80% in der 8. Lebensdekade zeigen entsprechende hyperplastische Veränderungen der Prostata [105,106]. Dennoch entwickeln nur ca. 40%
der über 60-jährigen Männer eine symptomatische (klinische) BPH [107]. Die Resultate der Olmstedt County Study belegen allerdings, dass die Zahl der behandlungsbedürftigen Patienten mit zunehmendem Alter rapide ansteigt. Benötigen lediglich 17% der Patienten in der Altersgruppe von 50 – 59 Jahren eine Behandlung, so sind es in der Gruppe der 60 – 69-jährigen bereits 27% und schließlich 35% in der Altersgruppe der 70 - 79-jährigen [108].
Die Herner LUTS-Studie zeigte, dass in Deutschland zum Zeitpunkt der Erfassung der Daten 40,5% (4.862.000) der über 50-jährigen Männer an einer behandlungsbedürftigen LUTS litten (IPSS>7), 26,9% hatten eine vergrößerte Prostata (Prostatavolumen > 25 ml), 17,3% zeigten klinische Zeichen einer BOO (Qmax< 10 ml/s) [109].
Die klinischen Zeichen einer BPH sind charakteristische Miktions- und/oder Speichersymptome. Die auf eine infravesikale Obstruktion hinweisenden Miktionssymptome (Verzögerung des Miktionsbeginns, Pressen, Abschwächung des Harnstrahls, Nachträufeln, verlängerte Miktion, kleine Miktionsvolumina, Restharn/Harnverhalt, Überlaufinkontinenz) lassen sich durch einen erhöhten Auslasswiderstand im Bereich der prostatischen Harnröhre erklären, während die Ursachen der irritativen Beschwerden (Pollakisurie, imperativer Harndrang, Nykturie,
Dranginkontinenz) eine verminderte Compliance der Harnblase und das Auftreten von Detrusorinstabilitäten sind, die sich zystomanometrisch bei bis zu 70% der symptomatischen BPH-Patienten feststellen lassen [110,111,112].
Die Entscheidung für eine Therapie berücksichtigt neben dem Grad einer eventuellen Obstruktion die objektiven Symptome und den subjektiven Leidensdruck des Patienten.
Letztere werden heute mit standardisierten Fragebögen, sogenannten Symptom Scores, erfasst. In der klinischen Praxis haben sich der Symptom Score der American Urological Association (AUA – Symptom Score) und der davon abgeleitete International Prostate Symptom Score (IPSS) durchgesetzt [113,114]. Nach dem IPSS werden Patienten mit milder Symptomatik (IPSS<8) von solchen mit mittlerer (IPSS 8-19) und schwerer Symptomatik (IPSS 20-35) unterschieden. Eine Indikation zur Therapie wird in der Regel bei einem IPSS-Wert über 7 als gegeben gesehen.
Eine typische Komplikation der BPH ist die kompensatorische Hypertrophie der glatten Muskulatur der Harnblasenwand, die aufgrund ihres morphologischen Erscheinungsbildes als Balkenblase bezeichnet wird. Infolge des erhöhten infravesikalen Auslasswiderstandes kann eine Balkenblase zur Bildung von Pseudodivertikeln und Restharn führen und die Entstehung von rezidivierenden Infektionen sowie die Steinbildung begünstigen. Bei unbehandelten Patienten kann es im Endstadium der Dekompensation zu einem unkontrollierten Harnabgang (Überlaufinkontinenz), einer Stauung und Dilatation der oberen Harnwege sowie zu einer Niereninsuffizienz kommen. Ein akuter Harnverhalt (AUR
= Acute Urinary Retention) ist nicht nur ein häufiger Notfall in der urologischen Praxis, sondern auch ein Kriterium für die Progression der Krankheit. Die Wahrscheinlichkeit für ein AUR-Ereignis ist abhängig vom Lebensalter des Patienten, dem Grad der obstruktiven und irritativen Symptomatik, der Harnflussrate und dem Restharn – ein Harnfluss von Qmax
< 12 ml/sec gilt als Risikofaktor, ein Restharnvolumen von > 50 ml steigert die Wahrscheinlichkeit für einen Harnverhalt um das Dreifache – sowie dem Volumen der Prostata. Die der BPH zugrunde liegende Pathogenese, die sicher multifaktoriell ist, konnte bisher nicht sicher definiert werden [115]. Die im Folgenden zusammengefassten fünf Hypothesen zu den Ursachen der hyperplastischen Veränderungen in der Prostata, die Dihydrotestosteron (DHT)- und Östrogen-Hypothese, die Hypothese von der Stroma- Epithel-Interaktion, die Stammzelltheorie und die Theorie des verminderten Zelltodes, dominieren die wissenschaftliche Diskussion:
Androgen-Hypothese (Dihydrotestosteron-Hypothese)
Das Androgenhormon Testosteron ist essentiell für das Wachstum und die histologische Differenzierung der Prostata, es ist wahrscheinlich auch in der Pathophysiologie der BPH von Bedeutung. Testosteron wird durch das Enzym 5-alpha-Reduktase (5-AR) in die biologisch aktivere Form Dihydrotestosteron (DHT) konvertiert. Dieser Metabolit vermittelt seine physiologische Wirkung durch die Bindung an einen intrazellulären Androgen- Rezeptor (AR), der Komplex aus DHT und AR stimuliert nach Translokation in den Nukleus der Zelle Transkriptionsprozesse [116]. Bei Personen mit Erkrankungen, die einen chronischen Androgenmangel zur Folge haben – z.B. Hypopituitarismus, angeborener 5- AR-Mangel oder testikuläre Feminisierung (Androgenrezeptor-Defekt) -, ist die Prostata nur rudimentär angelegt und bleibt auch im Alter frei von hyperplastischen Veränderungen.
Durch eine chirurgisch oder pharmakologisch verursachte Androgen-Depletion (Kastration) wird der programmierte Zelltod (Apoptose) eingeleitet, das Volumen der Prostata nimmt ab.
Östrogen-Androgen – Hypothese
Es wird vermutet, dass altersabhängige Veränderungen des Verhältnisses zwischen Östrogenen und Androgenen Proliferationsprozesse in der Prostata induzieren. Eine mit dem Alter zunehmende lokale Aktivität des Enzyms Aromatase, welches Androgene in Östradiol konvertiert, ist belegt, Östrogen-Rezeptoren konnten im fibromuskulären Stroma nachgewiesen werden [117]. Die vermehrte Synthese von Östrogenen im Stroma der Transitionalzone kann die Proliferation von glatter Muskulatur und Bindegewebe stimulieren.
Hypothese der Stroma-Epithel – Wechselwirkungen
Diese Hypothese setzt eine Reaktivierung (Reawakening) embryonaler mesenchymaler Zellen des Stromas voraus. Die von diesen Zellen produzierten Wachstumsfaktoren – Fibroblast Growth Factor, Epidermal Growth Factor, Transforming Growth Factor ß oder Keratinocyt Growth Factor – könnten die Proliferation epithelialer Zellen zu glandulären Strukturen stimulieren [118]. Allerdings lässt das Verhältnis von Stroma zu Epithel, das in der hyperplastischen Prostata etwa 5 : 1 beträgt, vermuten, dass das Phänomen BPH eher das Stroma als epitheliale Strukturen betrifft.
Stammzell-Theorie
Diese Theorie postuliert eine genetisch bedingte gesteigerte Teilungsfrequenz von Stammzellen, die sich im basalen Epithel der drüsigen Anteile der Prostata finden. Dieses
führt zur Bildung zusätzlicher stromaler und epithelialer Zellen und somit zur Zunahme des Prostatavolumens [119].
Theorie des verminderten Zelltods
Die Theorie des verminderten Zelltods ist eine Erweiterung der Östrogen-Hypothese. Sie postuliert, dass die vermehrte Synthese von Östrogenen in der Prostata den Lebenszyklus der Zellen des Stromas und der drüsigen Anteile verlängert. Die Tatsache, dass die Mitoserate der Zellen in der hyperplastischen Prostata stark vermindert ist, unterstützt die Theorie einer Expansion der nicht teilungsaktiven Phase des Zellzyklus [120].
1.8 Die Pharmakotherapie des Benignen Prostata-Syndroms
Die heute verfügbaren Optionen der Pharmakotherapie des BPS schließen verschiedene Medikamente mit unterschiedlichen Mechanismen der Wirkung ein. Patienten mit milden bis moderaten Beschwerden werden häufig mit Phytopharmaka behandelt. Verwendung finden vor allem alkoholische Extrakte, die aus der Afrikanischen Lilie (Hypoxis rooperi) und Afrikanischen Pflaume (Pygeum africanum), den Wurzeln der Brennessel (Urtica radix), Früchten der Sägepalme (Serenoa repens), den Samen des Kürbis (Cucurbita pepo) oder aus Roggenpollen (Secale cereale) hergestellt werden. Diese pharmazeutischen Zubereitungen sind praktisch frei von Nebenwirkungen, allerdings ist ihre Effektivität in der Therapie, von wenigen Ausnahmen abgesehen, bis heute nicht im Rahmen von Studien, die dem internationalen Standard genügen, nachgewiesen worden [121,122]. Da die Extrakte aus den getrockneten und pulverisierten Pflanzenteilen darüber hinaus verschiedene aktive, z.T. nicht charakterisierte Komponenten enthalten, kann die (hypothetische) therapeutische Wirkung eines Präparates nur schwer einem der Inhaltsstoffe zugeordnet werden [123,124].
Die dominierenden Medikamente in der Pharmakotherapie von LUTS und BPH sind die 5- alpha-Reduktase-Inhibitoren (5-ARI) und die alpha1-Adrenozeptorantagonisten (alpha- Blocker). Diese Pharmaka wirken auf die statische und die dynamische Komponente der Erkrankung, in denen man die Ursache der (irritativen) Symptomatik sieht. Die 5-ARI Finasterid und Dutasterid blockieren die Konversion von Testosteron in den biologisch aktiveren Metaboliten Dihydrotestosteron (DHT), welcher eine Schlüsselrolle im Mechanismus der Proliferation der drüsigen Anteile in der Übergangszone der Prostata spielt [125,126]. Neben einer Proliferation drüsiger und fibromuskulärer Anteile ist die hyperplastische Prostata auch durch einen erhöhten Grundtonus der Myozyten in der
Transitionalzone charakterisiert, der seine Ursache wahrscheinlich in einer Zunahme der Expression von alpha1-Rezeptoren auf der Oberfläche der glatten Muskelzellen und einer verstärkten sympathischen Innervation hat [127]. Der adrenerge Tonus der Myozyten, die 40% zum gesamten Gewebevolumen der Prostata beitragen, kann zu einer Verengung der prostatischen Harnröhre und somit zu einer Erhöhung des Auslasswiderstands, den der abfließende Urin zu überwinden hat, führen. Die Reversion des Tonus der prostatischen Muskelzellen durch die Verwendung selektiver alpha1-Rezeptorantagonisten soll den urethralen Widerstand in der Prostata senken und die Miktionsparameter normalisieren.
Die klinische Effektivität der alpha-Blocker Alfuzosin, Doxazosin, Terazosin und Tamsulosin sowie der 5-ARI Finasterid und Dutasterid ist in zahlreichen randomisierten, Plazebo-kontrollierten, doppelblinden-Studien untersucht worden [128,129,130]. Die Präparate, die bei Patienten mit LUTS/BPH zu einer deutlichen Verbesserung der subjektiven und objektiven klinischen Parameter führen, unterscheiden sich hinsichtlich der Dauer bis zum Eintritt eines therapeutischen Effektes, dem Profil der Nebenwirkungen sowie der Wirkung auf die Progression der Erkrankung. Während die Wirkung der alpha- Blocker unabhängig vom Volumen der Prostata innerhalb von wenigen Wochen eintritt, profitieren Patienten mit einem Prostatavolumen von weniger als 30 ml – 40 ml erst nach 3 – 6 Monaten von der Therapie mit einem 5-ARI. Allerdings haben die alpha-Blocker keine Wirkung auf eine infravesikale Obstruktion, die 5-ARI reduzieren das Volumen der Drüse dagegen deutlich. Daher zeigten sich Finasterid und Dutasterid in Langzeitstudien dem alpha-Blocker Doxazosin im Hinblick auf die Reduktion des allgemeinen Risikos für eine AUR und der Zuführung zu einer chirurgischen Intervention überlegen. Es sind deshalb vor allem Patienten mit mäßiger bis mittelschwerer Symptomatik, die für eine Therapie mit alpha-Blockern infrage kommen, ältere Patienten mit ausgeprägter obstruktiver Symptomatik, d.h. mit einem niedrigen maximalen Harnfluss (Qmax < 10 ml/s) und hoher Restharnbildung (> 100 ml), einem Prostatavolumen > 30 ml und einem hohen Progressionsrisiko, sollten mit einem 5-ARI behandelt werden. Die MTOPS-Studie zeigte, dass der Therapieerfolg in diesem Kollektiv der Hochrisiko-Patienten durch die kombinierte Gabe eines alpha-Blockers und eines 5-ARI wesentlich verbessert werden kann [131,132].
Die häufigsten Nebenwirkungen unter der Therapie mit alpha-Blockern sind Müdigkeit, Schwindel, Kopfschmerzen sowie eine hypotone Dysregulation. Bedingt durch die Wirkung von 5-ARI auf die hormonelle Achse berichten Patienten unter der Einnahme von Finasterid oder Dutasterid über Impotenz, Libidoverlust, Ejakulationsstörungen und Gynäkomastie, diese Nebenwirkungen führen häufig zum Abbruch der Therapie.
Nachdem die Verwendung von Anticholinergika in der Therapie von LUTS lange Zeit als absolut kontraindiziert galt, werden diese Medikamente heute in der Therapie von
Patienten mit einer BPH-assoziierten OAB (Overactive Bladder)-Symptomatik verwendet [133,134]. Obwohl sich im glandulären Epithel und fibromuskulären Stroma der Prostata die Expression muskarinerger Rezeptoren nachweisen lässt, ist das Zielorgan der pharmakologischen Wirkung der Anticholinergika nicht die Prostata, sondern die glatte Muskulatur des Detrusors.
Da die konservativen Pharmakotherapien im Hinblick auf eine nachhaltige effektive Beseitigung der Symptomatik limitiert sind, müssen ca. 20% der Patienten einer (minimal)invasiven Behandlungsstrategie – einer transurethralen Resektion der Prostata (TURP), einer Form der transurethralen Thermotherapie (TUMT, TUNA), einer transurethralen Laserablation oder offenen suprapubischen transvesikalen Adenomenukleation - zugeführt werden.
2. Fragestellung
Das Benigne Prostata-Syndrom (BPS) hat aufgrund seiner hohen Prävalenz in der männlichen Bevölkerung der westlichen Industrienationen den Charakter einer Volkskrankheit. Die Zahl der behandlungsbedürftigen Patienten wird sich bis zum Jahr 2025 wahrscheinlich mehr als verdoppeln, damit steigt auch der Bedarf nach effektiven und, im Vergleich zu invasiven Verfahren wie der TURP (transurethrale Resektion der Prostata) und der offenen Adenomenukleation, kostengünstigen Optionen der medikamentösen Therapie. Die Konzepte der BPS-Pharmakotherapie befinden sich gegenwärtig in einem Zustand der kritischen Analyse ihrer Effektivität. Die Wirksamkeit der Phosphodiesterase (PDE)5-Inhibitoren Sildenafil (VIAGRA®), Vardenafil (LEVITRA®
)
und Tadalafil (CIALIS®) in der Therapie der Erektilen Dysfunktion hat dem pharmakologischen Konzept einer Beeinflussung cGMP-abhängiger Signalübertragungswege auch in der Urologie allgemeine Akzeptanz verschafft.Eine Modulation des Tonuszustands der Myozyten in der Transitionalzone und dem periurethralen Bereich der Prostata durch die Applikation selektiver PDE-Inhibitoren und die dadurch verursachte Akkumulation von cGMP (und/oder cAMP) erscheint gegenwärtig auch in der medikamentösen Therapie des BPS (LUTS, BPH, BOO) als interessante Option.
Um die Mechanismen der Wirkung von PDE-Inhibitoren auf die Symptomatik von LUTS und BPH zu charakterisieren, wurden die Effekte der PDE-Inhibitoren Vinpocetin (PDE1- Inhibitor), EHNA (PDE2-Inhibitor), Rolipram (PDE4-Inhibitor) und der PDE5-Inhibitoren Sildenafil, Vardenafil und Tadalafil auf die durch den alpha-Agonisten Norepinephrin oder das vasokonstriktorische Peptid Endothelin-1 induzierte Tension isolierter Streifenpräparate aus dem Bereich der Übergangszone der Prostata untersucht. Die Wirkung der Testsubstanzen auf die Produktion von cGMP und cAMP in isolierten Gewebepräparationen wurde mit radioimmun-chemischen Methoden quantifiziert.
3. Material und Methoden
3.1 Gewebeasservierung
Makroskopisch normales Gewebe aus der Übergangszone und dem periurethralen Bereich der Prostata wurde während radikalchirurgischer Eingriffe (Prostatavesikulektomie, Zystoprostatavesikulektomie) von insgesamt 31 männlichen Patienten (Alter: 58 - 90 Jahre, Durchschnittsalter: 69 Jahre) entnommen. Die Gewebeentnahme erfolgte in Übereinstimmung mit den zum Zeitpunkt der Asservierungen gültigen Empfehlungen und Richtlinien der lokalen Ethikkommission der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH).
Das Gewebematerial wurde unmittelbar nach der Entnahme in eine eisgekühlte organprotektive Lösung (CUSTODIOL®, Dr. Franz Köhler Chemie GmbH, Alsbach) verbracht und verblieb dort bis zur Verwendung in den experimentellen Protokollen.
3.2 Funktionelle Organbad-Experimente
Quaderförmige Streifenpräparate (ca. 0,8 cm x 0,5 cm x 0,3 cm) wurden unter Standardbedingungen in vertikaler Position in den Messkammern eines Organbad- Systems (IOA-5306, Föhr Medical Instruments GmbH, Seeheim) fixiert. Die Kammern, deren Volumen 10 ml betrug, waren mit einer modifizierten RINGER-KREBS Lösung (NaCl 120 mM, NaHCO3 25,6 mM, KCl 4,7 mM, CaCl2 2,5 mM, NaH2PO4 1,2 mM, MgCl 1,2 mM, Glukose 22 mM, 2 Na+ (Ca2+) EDTA 0,1 mM, pH 7,2 – 7,4) gefüllt, die auf 37
°
C temperiert war und kontinuierlich mit einem Gasgemisch aus 95% O2 und 5% CO2 (Carbogen) begast wurde. Dem Anlegen einer passiven Vorspannung von 5 mN (= 0.5 gr.) folgte eine Equilibrierungsphase von 60 min. ohne weitere mechanische Manipulation. Anschließend wurde die kontraktile Aktivität der Streifenpräparate durch die Gabe des alpha-Agonisten Norepinephrin-HCl (Arterenol®, 40 µM) oder vasokonstriktorischen Peptids Endothelin-1 (ET-1, 1 µM) stimuliert. Nach Erreichen stabiler Kontraktionsplateaus folgte die Zugabe der Testsubstanzen - Vinpocetin (PDE1-Inhibitor), EHNA (MEP1 = Erythro-9-(2-hydroxy-3- nonyl)adenin, PDE2-Inhibitor), Rolipram (PDE4-Inhibitor), Sildenafil, Vardenafil und Tadalafil (PDE5-Inhibitoren) – in kumulativer Dosierung (1 nM – 10 µM). Isometrische Spannungsänderungen der Streifenpräparate wurden mit Kraftaufnehmern registriert und mit einem analog-digitalen Registrierungssystem (MacLabTM, AD Instruments, Castle Hill, Australien) aufgezeichnet. Streifenpräparate, die nach Zugabe von 40 µM NE oder 1 µMET-1 eine tonische kontraktile Kraftentwicklung von weniger als 2.5 mN (= 250 mg) erreichten, blieben von der weiteren Verwendung in den Experimenten ausgeschlossen.
Abbildung 7: Übersichtsaufnahme des für die Messungen isometrischer Spannungsänderungen isolierter Streifenpräparate aus der Transitionalzone der Prostata verwendeten vertikalen Organbad- Systems Modell IOA-5306 (Föhr Medical Instruments GmbH, Seeheim).
3.3 Bestimmung der intrazellulären Konzentration zyklischer Nukleotide
3.3.1 Inkubationsprotokoll und Extraktion von cAMP und cGMP
Zur Bestimmung der Effekte der selektiven PDE-Inhibitoren Vinpocetin, EHNA, Rolipram, Sildenafil, Vardenafil und Tadalafil auf die intrazelluläre Konzentration der zyklischen Nukleotide cAMP und cGMP wurden Gewebestreifen aus der Transitionalzone und dem periurethralen Bereich der Prostata analog zu den Organbad-Experimenten in geeigneten Reaktionsgefäßen (2 ml), die mit 1,5 ml RINGER-KREBS Lösung gefüllt wurden, bei 37
