Myoungki Baek

Dynamic System Analysis of Receptor Interaction and Effectuation Mechanisms of Digoxin in the Rat Heart

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 06.04.2005

Abstract
Diese Arbeit untersucht den kardialen Transport, die Rezeptor-Bindungskinetik und den positiv-inotropen Effekt von Digoxin in normalen, hypertrophierten und septischen Rattenherzen unter Anwendung eines mathematischen Modells. Die Methode der Pharmakokinetik/Pharmakodynamik-Modellierung liefert Informationen über den Mechanismus der Arzneimittelwirkung, die mit Hilfe von Steady-state-Experimenten nicht gewonnen werden können. Diese Methode der nicht-destruktiven Messungen des Membrantransports und der Rezeptor-Bindungskinetik am intakten Herzen liefert erstmalig eine integrierte Beschreibung der kardialen Kinetik und Dynamik von Herzglykosiden. Es ist möglich, dass die Ergebnisse der Arbeit offene Fragen bezüglich der funktionellen Rolle der Na+,K+-ATPase- Isoformen, die gegenwärtig noch kontrovers diskutiert werden, erklären können. Passiver transkapillärer Transport, gefolgt von der Bindung an zwei verschiedene sarkolemmale Rezeptorpopulationen, bestimmt die kardiale Kinetik und, in Übereinstimmung mit der Pumpenhemmungs-Hypothese, auch den inotropen Effekt von Digoxin. Der Zeitverlauf des inotropen Effektes war der funktionellen Rezeptor-Besetzung (Stimulus) proportional, d.h. die konsekutive Hemmung der 2- und dann der 1-Isoformen der Na+,K+-ATPase vermittelt den positiv-inotropen Effekt von Digoxin bei Dosissteigerung. Die Digoxin-Empfindlichkeit wird mit abnehmender externer Kalzium-Konzentration in Folge einer gesteigerten Stimulusverstärkung erhöht. Eine Hemmung des Na/Ca-Austauschers durch KB-R7943 verminderte den Digoxin induzierten positiv-inotropen Effekt besonders bei höheren Dosen (30 und 45 g) (wahrscheinlich in Folge einer Hemmung des Kalzium-Einstroms) und führte zu einer gesättigten und verzögerten Rezeptorbesetzungs-Effekt-Beziehung. Die Ergebnisse liefern weitere Hinweise für eine funktionelle Heterogenität der Na+,K+-ATPase und lassen vermuten, dass die durch KB-R7943 vermittelte Reduktion des Kalzium-Einstroms über den Na/Ca-Austauscher (reverse mode) der begrenzende Faktor in der Erzeugung des Digoxin-Effektes ist. Ein weiteres Ziel der Arbeit war die Klärung der komplexen experimentellen Resultate über die veränderten inotropen Effekte von Herzglykosiden in hypertrophierten Herzen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Isoprenalin-induzierte Herzhypertrophie die Erzeugung des inotropen Effektes von Digoxin pro gehemmter Na-Pumpe reduziert. Die Dichte der 2-Rezeptoren war signifikant reduziert und die ihre Digoxin-Bindungsaffinität erhöht (in Folge eine Abnahme der Dissoziationsgeschwindigkeitskonstanten beider Rezeptortypen. Die inotrope Wirkung von Digoxin wurde auf zellulärem Niveau (Stimulus-Effekt-Beziehung) vermindet. Unter dem Einfluss von KB-R7943 wurde die Effektentwicklung bei höheren Digoxin-Dosen auf die gleiche begrenzende Stimulus-Effekt-Beziehung in beiden Gruppen reduziert. In durch Lipopolysaccharid (Endotoxin) induzierter Sepsis wurde die kardiale Kontraktilität und der inotrope Effekt von Digoxin vermindert. Die Abnahme des Stimulus-Effekt-Kopplungsfaktors und die Erhöhung der Rezeptoraffinität waren signifikant mit dem Ansteigen der Körpertemperatur (Fieber) korreliert. Die Anwendung des mathematischen Modells in Kombination mit spezifisch geplanten Experimenten erlaubt eine quantitatives Verstehen der Konsequenzen einer abnehmenden Kalzium-Konzentration und einer Hemmung des Na/Ca-Austauschers auf den inotropen Effekt von Digoxin im normalen und erkrankten Rattenherzen. Die Methode gestattet eine Differenzierung zwischen den Effekten auf dem Rezeptor- und Postrezeptor-Niveau und liefert Parameter, die die funktionelle Heterogenität der Na+,K+-ATPase charakterisieren. Das Modell erlaubt außerdem erstmalig eine Erklärung der Effekte der kardialen Hypertrophy und Sepsis auf die Digoxin-Wirkung. Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der kardialen Pharmakokinetik und Pharmakodynamik von Digoxin in normalen und krankhaft veränderten Herzen bei.

This study investigates cardiac uptake, receptor binding kinetics and the positive inotropic effect of digoxin in normal, hypertrophic and septic rat hearts using a mathematical modeling approach. Pharmacokinetic/Pharmacodynamic modeling provides information about the mechanisms of drug action, which is unavailable from equilibrium studies. This methodology for the nondestructive measurement of membrane transport and receptor binding kinetics in intact hearts provides, for the first time, an integrated description of cardiac kinetics and dynamics of digitalis drugs. It is possible that the results may resolve some of the controversy regarding the functional role of Na+,K+-ATPase isoforms. Passive transcapillary uptake followed by binding to two distinct sarcolemmal receptor populations determines cardiac kinetics and, in accordance with the pump inhibition hypothesis, also the inotropic effect of digoxin. The time course of inotropic response was linked to receptor occupation, i.e., consecutive inhibition of first the 2- and then the 1- isoform of Na+,K+-ATPase mediates the positive inotropic effect of digoxin with increasing dosage. Digoxin sensitivity increased with decreasing external Ca2+ concentration due to higher stimulus amplification. Na+/Ca2+ exchanger inhibition with KB-R7943 significantly reduced the positive inotropic effect of digoxin at higher doses, 30 and 45 g and led to a saturated and delayed receptor occupancy-response relationship in the cellular effectuation model. The results provide further evidence for the functional heterogeneity of the Na+,K+-ATPase and suggest that in the presence of KB-R7943 a reduction of the Ca2+ influx rate via the reverse mode Na+/Ca2+ exchanger might become the limiting factor in digoxin response generation. This study was also designed to clarify the complex experimental results on cardiac hypertrophy induced changes in inotropic response to cardiac glycosides. The results of this study indicated that isoprenaline induced cardiac hypertrophy reduces the development of inotropic effect per inhibited sodium pump. In the hypertrophied rat heart, the amount of 2 receptors was significantly reduced and digoxin binding affinity was increased due to a decrease in dissociation rate constants of both receptor subtypes. The inotropic responsiveness to digoxin was attenuated on the stimulus-response level. Coadministration of KB-R7943 significantly reduced cellular response generation at higher digoxin doses to the same limiting stimulus-response relationship in both groups. In lipopolysaccharide (endotoxin) induced sepsis, baseline contractility and inotropic response to digoxin were attenuated. The decrease in the stimulus-response ratio and the increase in receptor affinity were correlated with rise in body temperature (fever). The modeling approach combined with specifically designed experiments offers a quantitative understanding of effects of decreasing external Ca2+ concentration and Na+/Ca2+ exchanger inhibition on inotropic response of digoxin in normal and deseased rat hearts. It allows differentiation between the effects elicited at the receptor and postreceptor level and provides parameters characterizing the functional heterogeneity of the Na+,K+-ATPase. The model analysis also allowed, for the first time, to elaborate the effects of cardiac hypertophy and sepsis on the positive inotropic response to digoxin.

Keywords:
Pharmakokinetik/Pharmakodynamik, Mathematisches Modell, Digoxin, Rezeptor, Rattenherz, Inotroper Effekt

Pharmacokinetic/Pharmacodynamic, Mathematical Model, Digoxin, Receptor, Rat heart, Inotropic effect

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Inhaltsverzeichnis
Title page, Table of Contents, List of Abbreviations (2, i-iii)
1. Introduction (1-15)
2. Materials and Methods (16-20)
3. Model development and data analysis (21-29)
4. Results and Discussion (30-78)
5. Summary (79-80)
6. Zusammenfassung und Ausblick (81-82)
7. References (83-90)
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