支氣管擴張劑作用的分子藥理機制

1、支氣管擴張劑作用的分子藥理機制支氣管擴張劑作用的分子藥理機制 上海市瑞金醫(yī)院上海市瑞金醫(yī)院 黃紹光黃紹光 Control of airway diameter Epidemiology / pathology 自主神經(jīng)參與調節(jié)許多氣道功能，影自主神經(jīng)參與調節(jié)許多氣道功能，影 響氣道平滑肌，粘液分泌，血管、微響氣道平滑肌，粘液分泌，血管、微 血管通透性，炎癥細胞的遷移和釋放。血管通透性，炎癥細胞的遷移和釋放。 神經(jīng)機制在氣道炎癥疾病中可放大或神經(jīng)機制在氣道炎癥疾病中可放大或 調節(jié)炎癥反應，其中膽堿能神經(jīng)是引調節(jié)炎癥反應，其中膽堿能神經(jīng)是引 起氣道收縮的主要因素。起氣道收縮的主要因素。 Incre

2、ased maximal airway narrowing in asthma Thickening and increased stiffness Inner airway wall Hypertrophy and increased contractility Airway smooth muscle Loss of elastio parenchymal recoil NormalCOPD Disrupted alveolar attachments (emphysema) Mucosal inflammation and fibrosis Mucus hypersecretion Ai

3、rway held open by alveolar atteachments Airway obstructed by llossof attachments lMucosal inflammationand fibrosis lMucus obstruction of lumen Airway pathology in COPD 抗膽堿能藥物抗膽堿能藥物 2-受體激動劑受體激動劑茶堿茶堿 平滑肌細胞平滑肌細胞 收縮收縮舒張舒張 cAMP AMP M1 M2 M3 三大類支氣管擴張劑作用機制三大類支氣管擴張劑作用機制 cGMP 腎上腺素能受體激動劑做為最主要腎上腺素能受體激動劑做為最主要 的

4、支氣管擴張劑在支氣管哮喘及慢性的支氣管擴張劑在支氣管哮喘及慢性 阻塞性肺?。ㄗ枞苑尾。–OPD）等慢性氣道疾）等慢性氣道疾 病的治療中得到了廣泛的應用。病的治療中得到了廣泛的應用。 b2-Agonists EosinophilMast cell Cholinergic nerve b2-Agonists Smooth muscle Acetylcholine Histamine LTD4 - - - ? 所有受體激動劑都是苯乙胺的衍生物，其兒 茶酚環(huán)上的羥基位置與作用持續(xù)時間相關，改 變羥基位置，如間羥異丙腎上腺素、或加上其 他基團作為替代物，如沙丁胺醇（配基糖苷 類），可防止兒茶酚氧甲基轉

5、移酶 （COMT）的代謝；而N端的結構則關系到作 用的選擇性，其取代基越大對受體的選擇性 就越強，而受體的活性就下降（如異丙腎上 腺素），還可促進對單胺氧化酶（MAO）的 抵抗，進一步增加N端的結構則對2受體的選 擇性更強。 b受體激動劑的母核 a ab b CHCHNH 苯乙胺核 b2-agonists化學結構 Formoterol: medium side chainSalbutamol: short side chain Salmeterol: long side chain OH N H O CHCH2NHCHCH2 H O CH3 OHCH3 CHCH2NH CH2 OH CH3 C

6、H3 CH3 OH OH CHCH2NH CH2 OH OH OOHCH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2CH2 CH2 CH2 CH2 人類b b2腎上腺受體的分子結構 糖基化 413氨基酸 b2激動劑結合點 TMD I 胞漿 COOH IIIIIIVVVIVII 4 3 2 IL1 EL12 3 細胞外 細胞膜 NH2 棕櫚?；瘷?受體是通過細胞內腺苷酸環(huán)化酶增加而受體是通過細胞內腺苷酸環(huán)化酶增加而 介導其活化過程。介導其活化過程。受體的信號轉導系統(tǒng)受體的信號轉導系統(tǒng) 是核苷酸調節(jié)蛋白是核苷酸調節(jié)蛋白Gs，受體和腺苷酸環(huán)受體和腺苷酸環(huán) 化酶的偶聯(lián)是通過三維體化酶的偶聯(lián)是通過三維體G

7、s蛋白，包括蛋白，包括、 、亞單位，亞單位，G蛋白可以興奮（蛋白可以興奮（Gs）或）或 抑制（抑制（Gi）腺苷酸環(huán)化酶，因此可以增）腺苷酸環(huán)化酶，因此可以增 加或減少細胞加或減少細胞cAMP的濃度。的濃度。 b b2激動劑激動b b2受體(b b2 AR)程序圖 Blocked by CHARYBDOTOXIN Cell membrane a s b g a s b g b2-Agonist b2AR GS GS ATPCyclic 35AMP Ca2+-activated K+ channel activation PI hydrolysis Na+/Ca2+ exchange Na+/K+

8、 ATPase MLCK PKGPKA AC K+ GS：興奮型G鳥核苷酸結合蛋白（Gs）；AC：腺苷酸環(huán)化酸；PKA：蛋白激酶A PI：磷酸肌醇；MLCK：肌凝蛋白輕鏈激酶 Barnes PJ AJRCCM 1995 Anderson., Life Sci 1993 Aqueous biophase Cell membrane with 2-receptor Salbutamol Hydrophilic Short duration Fast onset Formoterol Intermediate Long duration Fast onset Salmeterol Lipophili

9、c Long duration Slow onset 微動力彌散理論 福莫特羅 中度親脂性 長作用 起效快 微動力學 微動力學 沙美特羅 親脂性 長作用 起效慢 油/水23000/1 膜吸收(methachaline/histamine protection = Mast cell stabilising effect Allergen Adenosine Histamine LTD4 Indirect Mast cell Histamine Methacholine MAST CELL b b2-DRENOCEPTIORS Direct Airway Smooth muscle b2-Ago

10、nists EFFECT OF INHALED b b2-AGONWISTS ON PLASMA EXUDATION IN AIRWAYS Guinea pig trachea Formoterol Salbutamol b2-Agonist Histamine Plasma exudation ? control 70 60 50 40 30 20 10 0 Ptopranolol Formoterol Contraction (% control) e-NANC Venceen G et al: J Appl Physiol 1992 100 80 60 40 20 0 EFFECT OF

11、 FORMOTEROL ON AIRWAY SENSORY NERVES Guines pig bronchiinvitro EFS: 40v, 0.5ms,6Hz SP SP SP SP Sensory nerve b b2-receptor Smooth 5P 減敏機制減敏機制 包括三個主要過程：1.受體從 腺苷酸環(huán)化酶上解偶聯(lián)； 2.解偶聯(lián)的受體從細胞膜上內 陷； 3.內陷后的受體磷酸化。 P P P P P P Cell membrane B Arrestin COOH BARK (GRK) as NH2 b2-Agonist cAMP PKA PKC PTK b 受體磷酸化，導致受體

12、功能缺失。 磷酸化過程中，通過b2受體特異激酶活化，使受體與G蛋白介偶 聯(lián) 該 過 程 涉 及CAMP依賴蛋白激酶A(PKA),b腎上腺素受體激酶 (b ARK) 和 其 他G 蛋 白 受 體 激 酶(GRK) B2 AC DOWN-REGULATION Cell membrane mRNA Nucleus B2-Receptor Gene CREB ATP cAMP PKA b2-Agonist B2 as g B P P cAMP PKA CREB B2 mRNA STABILITY TRANSCRIPTION UNCOUPLING 發(fā)生在接觸激動劑后數(shù)小時,可能是抑制了受體基因的轉錄或是

13、增加了細胞內mRNA轉錄后的分解代謝 細細 胞胞 表表 面面 受受 體體 數(shù)數(shù) 目目 減減 少少( 下下 調調 現(xiàn)現(xiàn) 象象) 受體從細胞膜的內陷，引起細胞表面受 體某種程度的缺失，該過程又稱為隔離 。 CNS Nodose ganglion Laryngeal Esophageal afferents C fibre A fibre C fibre receptors Irritant receptors Airway irritants, mediators Airway epithelium Vagus nerve Parasympathetic nerve ACh Parasympath

14、etic ganglion ACh ACh Submucosal gland Inflammatory cell Cholinergic Pathways Barnes PJ (1999) P P Uncoupling Down-regulation Reduced adrenergic responsiveness B2 Gs AC PKC PLC R Gq IP3Dlacylglycerol Ca2+ Infammatory mediator Acetylcholine b2-agonist 炎 癥 介 質，乙酰膽堿及M 受 體 的 關 系 + + + - 節(jié)前神經(jīng)節(jié)前神經(jīng) 副交感神經(jīng)節(jié)副

15、交感神經(jīng)節(jié) N M1 節(jié)后神經(jīng)節(jié)后神經(jīng) M2 ACH M3 氣道平滑肌氣道平滑肌 膽堿能受體膽堿能受體 ReceptorLocation in Human Lung M1Autonomic ganglia Submucosal glands Alveolar walls M2Post-ganglionic parasympathetic nerves M3Airway smooth muscle Submucosal glands Endothelial cells M4Not detected M5Not detected Muscarinic Receptors in the Lungs

16、Para sympatheticPost-ganglionic Airway ganglion cholinergic nervesmooth muscle M1 M2 M3 AgonistMcN-A-343Pilocarpine AntagonistPirenzepineGallamine4-DAMP TelenzepineAF-DX 116HHSiF Methoctramine Muscarinic Receptor Subtypes M1M2 M3 Pre-ganglionic nerve Parasympathetic ganglion Post-ganglionic nerve AC

17、h Airway smooth muscle Nicotinic receptors (+) M1 receptors (+) M2 receptors () M3 receptors (+) Muscarinic Receptor Subtypes in Airways Barnes PJ. Eur Respir Rev (1996) 抗膽堿藥物 神經(jīng)機制在氣道炎癥疾病中可放大或調節(jié)炎癥反應， 其中膽堿能神經(jīng)是引起氣道收縮的主要因素。它表現(xiàn) 為迷走神經(jīng)張力增加，乙酰膽堿釋放增多，作用氣道 平滑肌細胞膜上的M3受體，通過偶合G蛋白（GP/GQ） 使磷脂酶C活化，后者促使二磷酸肌醇轉化為三磷酸

18、肌醇，從而使細胞內鈣離子釋放，導致平滑肌收縮， 乙酰膽堿還作用于M2受體，通過耦合抑制性G蛋白 （Gi），降低腺苷酸環(huán)化酶的活性，從而減少cAMP 的生成，膽堿能拮抗劑的應用，有其重要意義。 抗膽堿藥物 有效的支氣管擴張劑1,2 通過抑制膽堿能受體來防止支氣管收縮。 作用時間長于沙丁胺醇1 異丙托溴銨 : 4-6 小時 噻托溴銨 : 24 小時 2 適合用于維持治療 和其它支氣管擴張劑一起使用，可增加運動量和改善癥 狀及生活質量2,3 1. 1. PauwelsPauwels et al. 2001 et al. 2001 2. 2. CasaburiCasaburi et al. 2002

19、et al. 2002 3. 3. VinckenVincken et al. 2002 et al. 2002 正常COPD 迷走張力迷走張力 迷走神經(jīng)迷走神經(jīng) 乙酰膽堿乙酰膽堿 抗膽堿能藥物抗膽堿能藥物 阻力阻力1/1/半徑半徑4 4 COPDCOPD沒有支氣管沒有支氣管 痙攣時也可明顯痙攣時也可明顯 降低氣流阻力，降低氣流阻力， 緩解呼吸困難。緩解呼吸困難。 COPDCOPD穩(wěn)定期，膽穩(wěn)定期，膽 堿能張力為氣流堿能張力為氣流 阻塞主要可逆因阻塞主要可逆因 素。素。 - - Peter J. Barnes, Peter J. Barnes, “Theoretical aspects “Th

20、eoretical aspects of anticholinergic of anticholinergic treatment”treatment” 異丙托溴銨異丙托溴銨的作用不僅限于解除支氣管痙攣的作用不僅限于解除支氣管痙攣 調節(jié)膽堿能張調節(jié)膽堿能張 力，有效舒張氣道。力，有效舒張氣道。 愛全樂與氣道平滑肌愛全樂與氣道平滑肌 上上M M受體受體 ( (毒蕈堿受毒蕈堿受 體體) )結合，阻斷由膽結合，阻斷由膽 堿能神經(jīng)引起的支堿能神經(jīng)引起的支 氣管痙攣氣管痙攣 支氣管痙攣支氣管痙攣 膽堿能阻斷劑膽堿能阻斷劑 膽堿能阻斷劑解除支氣管痙攣的機制膽堿能阻斷劑解除支氣管痙攣的機制 P P Unco

21、upling Down-regulation Reduced adrenergic responsiveness B2 Gs AC PKC PLC R Gq IP3Dlacylglycerol Ca2+ Infammatory mediator Acetylcholine b2-agonist b2 受 體 激動劑和 抗膽堿能藥物 茶堿 相對其它支氣管擴張劑來說，應用的較少 僅當吸入支氣管擴張劑無法使用時才考慮使用緩釋茶堿 適度的支氣管擴張劑 在治療劑量范圍內可常見有副作用 治療指數(shù)窄，因此其它支氣管擴張劑優(yōu)先考慮 和許多藥物有相互作用 吸煙能影響茶堿的代謝 PauwelsPauwels et

22、 al. 2001 et al. 2001 茶堿的支氣管擴張作用是通過抑制磷酸茶堿的支氣管擴張作用是通過抑制磷酸 二酯酶（二酯酶（PDE）而產(chǎn)生的，該作用打斷）而產(chǎn)生的，該作用打斷 了細胞內核苷的循環(huán)途徑，從而使細胞了細胞內核苷的循環(huán)途徑，從而使細胞 內環(huán)磷酸腺苷（內環(huán)磷酸腺苷（cAMP）和環(huán)磷酸鳥苷）和環(huán)磷酸鳥苷 （cGMP）的濃度升高。茶堿是一種非選）的濃度升高。茶堿是一種非選 擇性擇性PDE抑制劑。抑制劑。 Theophylline as an inhibitor of phosphodiesterases Cyclic adenosine monophosphate Agonist R

23、eceptor Guanylate cyclase Guanosine triphosphate Cyclic guanosine monophosphate Guanosine monophosphate Agonist Receptor Adenylate cyclase Adenosine triphosphate Adenosine monophosphate Protein kinase A Inflammatory cell inhibition Protein kinase G Bronchodilatation Theophylline Phosphodiesterase 3,

24、4Phosphodiesterase 5 InhibitionInhibition 腺苷酸受體抑制劑（包括A1和A2受體)，這提 示了其支氣管擴張作用的基礎， 增強兒茶酚胺的釋放，茶堿可增加腎上腺髓質 分泌腎上腺素 Multiple action of theophylline in asthma Eosinophil T lymphoctye Mast cell Macrophage Endothelial cell Airway smooth muscle Bronchodilatation Mechanism? Effects? Bone marrow Diaphragm Sensory

25、 nerve Phosphodiesterase Mediators Mediators Mediators Neuropeptides Leak Migration of Lymphocytes? Numbers Trafficking? Cytokines? Strength theophylline 聯(lián)合治療 聯(lián)合不同作用機理和持續(xù)時間藥物進行治療可以增加支氣 管擴張的程度，而副作用相等或更少1 已確定的聯(lián)合用藥: 短效b2-受體激動劑 + 短效的抗膽堿劑 新的聯(lián)合用藥: 長效的b2-受體激動劑 + 吸入激素 1. 1. PauwelsPauwels et al. 2001 et al.

26、 2001 急性炎癥急性炎癥 急性炎癥急性炎癥 激素治療的激素治療的 應答狀況應答狀況 時間時間 哮喘炎癥過程 Barnes PJ Effect of wall area on airway resistance during Airway smooth muscle shortening R = airway resistance ASM = airway smooth muscle Wall area = 20% R = 1 R = 1 Wall area = 40% R = 1.8R = 80 R = 7.8 30% ASM shortening ASM shortening 30% 癥

27、癥 狀狀 炎炎 癥癥 致致 敏敏 重重 塑塑 氣道高反應性氣道高反應性 激發(fā)因子，氣道高反應性及哮喘癥狀的關系 序貫 激發(fā)因子 氣道炎癥 BHRBHR 可變性氣道堵塞 癥狀 分離旁路 激發(fā)因子 氣道炎癥 BHRBHR 癥狀癥狀 可變性氣道堵塞 平行 激發(fā)因子 激發(fā)因子 氣道炎癥 BHRBHR 氣道上皮 可變性氣道 損傷 堵塞 癥狀 ASTHMA CONTROL Airway Smooth muscls Mast cells Plasma leak INFLAMMATIONS Genes Atopy Environmental factors CPRTTCDSTERPODSLAb2-Agonis

28、ts SYMPTOM CONTROL Corticosteroids Virus? AIRWAY HYPERRESPONSIVENESS MacrophageEosinophil T-lymphocyte b2-Agonists BRONCHOCONSTRICTION Treatment of asthma: cellular effects Antigen Virus? Adenosine Exercise Fog Mast cell Airway smooth muscle Cellular effects of glucocorticoids CORTICOSTEROIDS Eosino

29、phil T-lymphocyte Mast cell Macrophage Dendritic cell Numbers (apoptosis) Cytokines Numbers Cytokines Numbers Inflammatory cells Epithelial cell Endothelial cell Airway smooth muscle Mucus gland Cytokines Mediators Leak 2-Receptors Mucus secretion Structural cells Cytokines mRNA GRb hsp90 Cytokines

30、Adhesion mols Enzymes Lipocortion-1 b2-AdrenoceptorsGR Corticosteroid Nucleus +GRE-GRESteroid-responsive Target genes EFFECT OF STEROIDS ON b b2- ADRENOCEPTORS GREGRE GREb2-Receptor gene Glucocortiaid receptor Nucleus b2AR mRNA Corticosteroid 激素與激素與激動劑的協(xié)同作用示意圖激動劑的協(xié)同作用示意圖 b b2 2-AGONISTS ACTIVATE GLU

31、COCORTICOID RECEPTORS b2-Agonists l Nuclear localisation of glucocorticoid receptors l Gre binding lBlocked by propranolol lMimicked by cgclic AMP l expression of a steroid lInducible gene(P21(WAF1/CIP1) Eickelberg O ct al: J Biol chem 1999 A FR0 0.5 2.5 4 60 0.5 2.5 4 6 0 0.5 2.5 4 60 0.5 2.5 4 6FR B GR/GRE complex unspecific band freeprobe GR/GRE complex unspecific band freeprobe + fluticasone+ dexamothasone + salmeterol