Fyziologie vedení vzruchu a nervosvalového přenosu, MÚ lokálních

anestetik, relaxancia, relaxometrie

J. Málek, KAR 3. LF UK Praha

Nervy Estebe JP, Atchabahian A, 20172 Estebe and Atchabahian

Fig. 1

(a) (b)

Muscle

Epineurium

Epimysium

Perineurium

Epineurial space

Epineurium

Epineurial

space

Macro-

vascularization

Myelinated

axons

Unmyelinated

axons

Endoneurium

Molecules

Perineurium

(c) (d) Perineurial injection

Molecules

Macro-

vascularization

Anatomophysiopathology of the nerve from surrounding tissue to perineurium. (a) Typical nerve anatomy with usual organisation. (b) Passive diffusion of molecules (nutrients or drugs) through the epineurial membrane (from the extraneural space to the subepineurial space or epineurial space). (c) Diffusion of molecules (nutrients or drugs) through the vessels (macrovascularisation with fenestrations). (d) Mapping of effects due to an injection (or haematoma) into the epineurial space: compression of nerve structures and vessels.

Fyziologie nervového vzruchu

Přenos informací z vnějšího a vnitřního prostředí skrze CNS k jednotlivým buňkám v těle. Informace se šíří formou elektrických a chemických signálů.

https://www.shutterstock.com/cs/video/clip-3594203-stock-footage-slow-zoom-in-to-close-up-nerve-synapse-releasing-seratonin-serotonin-dopamine-electrical-activity.html?src=recommended/2567684:4https://www.shutterstock.com/cs/video/clip-2855962-stock-footage-microscopic-view-of-d-rendered-neurones-within-the-human-brain-anatomical-modelling-process-of.html?src=recommended/2567684:2

Schéma neuronu s myelinizovanýmaxonem

Ambler, Z.et al: Klinická neurologie, Triton, 2008. In Pokorný J.

Receptorová (dendritická oblast)Místo vzniku akčního potenciálu (iniciální segment)Osový válec (axon) přenáší vzruch (akce vše, nebo nic) k nervovým zakončenímNervová zakončení – místo, kde akční potenciál uvolní mediátor

Synaptický přenos: elektrický vs. chemický (receptorový)

Iontové kanály

• Kanály řízené napětím – mění propustnost na základě změny akčního potenciálu

• Kanály řízené chemicky – mění propustnost na základě reakce mezi receptorem a iontovým kanálem

– Receptor je součástí kanálu

– Receptor je aktivovaný prostřednictvím G-proteinu

Receptor je součástí iontového kanálu

Receptor spřažený s G proteinem

Excitace a vedení vzruchu• V nepřítomnosti aktivních dějů je

nervová tkáň vysoce rezistentní

• V případě aktivního vedení –spontánní šíření

• V klidu je vnitřek buňky vůči povrchu elektronegativní = membránový potenciál -70 mV

• Povrch buňky v klidu má nulový potenciál.

Akční potenciál

– počáteční depolarizace – cca o 15 mV

– v okamžiku spouštěcí úrovně (= prahové) narůstá rychlost depolarizace a překmitne do pozitivních hodnot - cca 35 mV

– následuje repolarizace - rychlý pokles ke klidové úrovni

– Rychlý pokles přechází v pomalý => následná depolarizace

– Po dosažení původní klidové úrovně stopa lehce překmitá do hyperpolarizace => následná hyperpolarizace

Zákon „vše nebo nic“

• Prahová intenzita = minimální intenzita stimulačního proudu, která vyvolá akční potenciál – prahová intenzita se mění s trváním podnětu.- čím

slabší je podnět, tím delší musí být jeho trvání a naopak

– další vzestup intenzity podnětu nevyvolá nárůst AP, ani jinou změnu

– podnět podprahové úrovně AP se neprojeví

• Akční potenciál podle podmínek buď vznikne nebo ne =>zákon „vše nebo nic“

• Podprahové podněty - nevyvolají akční potenciál, ale působí na mebránový potenciál

Vztah mezi akčním potenciálem a excitabilitou membrány

Šíření AP v nemyelinizovaném a myelinizovaném axonu

Iontová podstata excitace a vedeníKlidový stav

• Na+ je aktivně transportováno z neuronů/buněk a K+ do buněk

• K+ difunduje z buněk a Na+ do buněk

• Vzhledem k množství a funkci K+ kanálů je permeabilita pro K+ větší než pro Na+

• Protože membrána není propustná pro většinu aniontů není vytékání K+ provázeno adekvátním tokem aniontů. Membrána je udržována v polarizovaném stavu, kdy její povrch je pozitivní vůči povrchu vnitřnímu

• Lehký pokles klidového membránového potenciálu vede ke zvýšenému vytékání K+ a vtékání Cl- => obnoví se klidový membránový potenciál

Iontová podstata excitace a vedeníAkční potenciál

• Ligandem řízené Na+ kanály se otevírají a vedou k mírné depolarizaci

• Jestliže depolarizace překročí 7mV => začínají se otevírat napěťově řízené Na+ kanály = aktivace Na+ kanálů => je-li dosaženo spouštěcí úrovně vtok Na+ je tak velký že překoná repolarizační síly.

Iontová podstata excitace a vedeníUkončení akčního potenciálu

• Membránový potenciál stoupá (hodnoty rovnovážného potenciálu však nedosáhne) –vzestup vodivosti je jen krátkodobý – Na+ kanály se uzavírají => inaktivovaný stav (trvá několik ms) a vrací se do klidového stavu

• Repolarizace nastává v důsledku otvírání napěťově řízených K+ kanálů (pomaleji než Na+ kanálů) =>

• Vzestup vodivosti pro K+ přichází po vzestupu vodivosti pro Na+

• Pomalý návrat K+ do uzavřeného stavu vysvětluje následnou hyperpolarizaci

Změny vodivosti pro Na+ a K+ během akčního potenciálu

Akční potenciál

Sodíko-draslíková pumpa

https://www.youtube.com/watch?v=iBDXOt_uHTQ

?

Lokální anestetika

Místa působení LA

• Napětím ovládaný Na kanál

• Další iontové kanály: K, Ca

• Receptory sympatiku α i ß, dopaminové r., Ach i M cholinergní receptory, serotoninergní r.,

• Receptory spřažené s G-proteiny v nevzrušivých tkáních

• Enzymy (adenylcykláza, guanylcykláza, proteinkinázy, ATPázy

• Mitochondrie (blokáda tvorby ATP)

Lokálně anestetické účinky

• Dočasná blokáda přenosu axonem• Stupeň ionizace má největší vliv na rychlost nástupu

účinku (tj. na dobu latence)• Míra liposolubility ovlivňuje hlavně mohutnost účinku

(potence) • Rozsah vazby na bílkoviny určuje především trvání

účinku.• K vyvolání klinické blokády nervového vlákna v

periferních nervech je nezbytné postihnout alespoň 80 % sodíkových kanálů v určité délce vlákna, přičemž u myelinizovaných vláken se saltatorickým vedením vzruchů musí lokální anestetikum obklopit vlákno nejméně v délce tří Ranvierových zářezů.

Mechanismus účinku LA• Roztok ionizované a neionizované formy• Poměr závisí na pKa: čím vyšší je hodnota pKa, tím

je látka silnější bazí, tj. tím větší má schopnost přijmout proton a ionizovat se, tzn. že tím větší díl podané dávky existuje při pH tělesných tekutin kolem 7,4 v ionizované formě. Ionizovaná forma je více rozpustná ve vodě, neionizovaná forma je naopak více rozpustná v tucích.

• pKa: lidokain 7,4 (neioniz. 25 %), bupivakain 8,1 (neioniz. 15 %)

• Neionizovaná forma je nutná pro průnik do axonu, ionizovaná pro vlastní účinek – uzavírá Na kanál zevnitř

• Výjimka Na kanály v myokardu

https://www.youtube.com/watch?v=lXcosAKJqfs

Efekt LA v závislosti na stavu Na kanálu

• Sodíkové kanály procházejí v průběhu akčního potenciálu třemi stavy – zavřeným, otevřeným a inaktivovaným

• Afinitu LA k Na kanálům: kanály v otevřeném stavu > kanály inaktivované > kanály zavřené

• Blokáda šíření akčních potenciálů vzniká snáze, pokud vlákno vede nervové impulzy, tj. pokud se sodíkové kanály otevírají (frekvenční blokáda)

• K odeznění účinku LA anestetik je nutné, aby se sodíkové kanály otevřely a molekuly anestetik z nich mohly snáze difundovat ven.

• Vede-li vlákno jen málo impulzů, otevírají se sodíkové kanály jen zřídka. Lokální anestetika se k nim však mohou také vázat, byť s nejnižší afinitou (tonická blokáda).

Další účinky LA• Protizánětlivé a imunomodulační účinky lokálních anestetik brání

nadměrné stimulaci neutrofilů (polymorfonukleárních leukocytů) i makrofágů. Nejlépe a nejbezpečněji lze těchto účinků využít u sterilního zánětu vzniklého např. v důsledku ischemicko-reperfuzního poškození, při němž je přehnaná zánětlivá odpověď důležitým patogenetickým faktorem.

• Antimikrobiální účinek (proti bakteriím a ve vysoké koncentraci i proti virům) závislý na jejich koncentraci, teplotě a délce expozice. Bupivakain a lidokain inhibují růst bakterií více než ropivakain. Lokální anestetika mohou být příčinou falešně negativních výsledků mikrobiologického vyšetření.

• Lokální anestetika ovlivňují i fluidokoagulační rovnováhu. Působí proti hyperkoagulaci, k níž dochází v důsledku operačního traumatu.

• Tlumí agregaci trombocytů, zvyšují fibrinolytickou aktivitu, podporují uvolňování aktivátorů plazminogenu z žilního endotelu. Klinicky se tyto účinky projevují snížením náchylnosti k trombózám.

• Protinádorové účinky?

?

Neuromuskulární přenos

Svaly

• Svalové buňky mohou být (podobně jako nervové) drážděny podnětem – chemickým

– elektrickým

– mechanickým

za vzniku akčního potenciálu který se šíří po jejich buněčných membránách.

• Na rozdíl od neuronů jsou svalové buňky obdařeny kontraktilním aparátem, který je spouštěn akčním potenciálem

Rozdělení• kosterní svaly

– mají vyvinuté příčné pruhování

– nemohou se kontrahovat bez nervové stimulace

• srdeční sval

– rovněž příčně pruhovaný, ale je syncyciem

– kontrahuje se bez inervace vlivem buněk, které se aktivují spontánně (buňky pacemakeru)

• hladké svaly

– v dutých vnitřních orgánech, funkčně sycycium, obsahuje pacemakery, které se vybíjejí nepravidelně

Kosterní sval – funkční jednotkaSvalové vlákno = stavební jednotka kosterního svalu svalová vlákna jsou uspořádána paralelně => síla kontrakce každé jednotky se sčítá se silou kontrakce dalších jednotek Svalové vlákno je jedna mnohohojaderná dlouhá cylindrická buňka – obklopená sarkolemou svalová vlákna jsou složená z myofibril – které se skládají z filament = kontraktilní bílkoviny

Rozdíl mezi svalovými a nervovými ději

• Klidový membránový potenciál kosterního svalu je -90 mV• Akční potenciál trvá 2 – 4 ms a je veden po svalovém vláknu

rychlostí cca 5 m/s • Absolutní refrakterní fáze = 1 – 3 ms• Repolarizace je poměrně dlouhá • Svalové vlákno (obdobně jako nervové) je elektricky

refrakterní ve vzestupné a části sestupné hrotového potenciálu

• Kontraktilní mechanismus nemá refrakterní fázi => opakování stimulace před zahájením relaxace vyvolá další odpověď kontraktilních elementů, která se přičítá k dosud trvající kontrakci => sumace

• Tenze vyvolaná sumací je výrazně větší než tense jednotlivé kontrakce

Rozložení iontů v ICT a ECT kosterního svalu v klidu

Kontraktilní odpovědi

• Depolarizace membrány svalového vlákna

• => začíná na nervosvalové ploténce

• => akční potenciál se přenáší podél svalového vlákna

• => vyvolává kontraktilní odpověď

Ca++ je primární aktivátor kontrakce a relaxace !

• Reakce svalové buňky na akční potenciál v rámci nervosvalové ploténky>ovlivnění napěťově řízených Ca2+kanálů

• Zvýšení koncentrace vápníku v sarkoplazmě (cytoplazmě) uvolněním ze sarkoplazmatického (endoplazmatického )retikula a influxem z extracelulárního prostředí > změna konformace troponinu C > obnažení míst pro navázání aktinu a myozinu > kontrakce

• K relaxaci svalu dojde díky snížení koncentrace vápníku v sarkoplazmě (cytoplazmě).

• Vápník se musí aktivně -pomocí Ca2+ pump přečerpat zpět do sarkoplazmatického retikula a do extracelulárního prostoru. K tomu je potřeba opět energie ve formě ATP a hořečnaté ionty.

• Vápníková pumpa : antiport 1 iontu Mg2+ proti 2 iontům Ca2+ za hydrolýzy 1 molekuly ATP

• Role ATP jak při kontrakci, takpři relaxaci ! Konformační změna myosinu je důležitá pro samotný stah: dodáním ATP -ohnutím krčku dojde k posunutí aktinu a myosinu

• Rozpojení aktinu a myosinu vyžaduje opětovné navázání nového ATP na myosin(zásoba pro další hydrolýzu a následný stah)

• Přečerpávání vápníku vyžaduje ATP

Motorická jednotka = neuron + svalová vlákna jím inervovaná

• Jemné pohyby 3 – 6 vláken

• Zádové svaly > 100 vláken

Nervosvalová ploténka – chemická synapse

• Vápník -uvolňování mediátoru + samotná svalová kontrakce– T-tubuly –lepší propojení mezi sarkolemou a sarkoplazmatickým

retikulem

– Mediátor = acetylcholin

– Enzym=acetylcholinesteráza

– Receptor=acetylcholinový (nikotinový)

– Ionty: Na+,K+,Ca2+,Mg2+,Cl-

https://www.youtube.com/watch?v=CLS84OoHJnQ

https://www.youtube.com/watch?v=sIH8uOg8ddw

Nervosvalová ploténka

• AP přicházející na terminální zakončení => zvýší prostupnost pro Ca++ => exocytóza vezikul uvolní Ach

• Ach difunduje přes synaptickou štěrbinu k nikotinovým Ach receptorům na postsynaptické membráně (ve vrcholech palisád)

• vazba Ach na receptory => ploténkový potenciál => vzniká proudová branka (current sink) => depolarizuje svalovou membránu na spouštěcí úroveň =>

• vzniká AP na svalovém vláknu, který se šíří oběma směry podél svalového vlákna

• Ach ze štěrbiny je odstraněn AchE

?

Neuromuskulární blokáda

J. Málek

Svalová relaxancia

• Centrální

• Periferní

– Presynaptická

• Inhibice syntézy ACh (hemicholin)

• Inhibice uvolnění Ach (botulotoxin, intoxikace Mg2+, nedostatek Ca2+ , Streptomycin, Neomycin)

– Postsynaptická

• Nedepolarizující

• Depolarizující

Ach SYNTHESIS

Ach STORAGE

AP

AP

Ca++

Ach RELEASE

LOCAL ANAESTHETICSTETRODOTOXIN (TTX)

BUTULINUM TOXINEXCESS Mg++

STREPTOMYCIN

HEMICHOLIN

ACH+ + + + + + +

+ + ++ + +

– – – – – – –

– – –– – –

QUININE

Ca++

CURARE

DEPOLARISATION

MUSCLE

CONTRACTION

NEOSTIGMIN

CHEC-10, SUCCINYLCHOLIN

Ca++ defficiency

Ach SYNTHESIS

Ach STORAGE

AP

AP

Ca++

Ach RELEASE

LOCAL ANAESTHETICSTETRODOTOXIN (TTX)

BUTULINUM TOXINEXCESS Mg++

STREPTOMYCIN

HEMICHOLIN

ACH+ + + + + + +

+ + ++ + +

– – – – – – –

– – –– – –

QUININE

Ca++

CURARE

DEPOLARISATION

MUSCLE

CONTRACTION

NEOSTIGMIN

CHEC-10, SUCCINYLCHOLIN

Ca++ defficiency

Conotoxin

Tetrodotoxin

Conotoxin

Chondrodendron

Pralesničky strašlivé

Ach SYNTHESIS

Ach STORAGE

AP

AP

Ca++

Ach RELEASE

LOCAL ANAESTHETICSTETRODOTOXIN (TTX)

BUTULINUM TOXINEXCESS Mg++

STREPTOMYCIN

HEMICHOLIN

ACH+ + + + + + +

+ + ++ + +

– – – – – – –

– – –– – –

QUININE

Ca++

CURARE

DEPOLARISATION

MUSCLE

CONTRACTION

NEOSTIGMIN

CHEC-10, SUCCINYLCHOLIN

Ca++ defficirncy

Neuromuscular transmission

Svalová relaxancia periferní

• Depolarizující - suxametonium

• Nedopolarizující

– atrakurium

– cisatrakurium

– vekuronium

– pipekuronium

– rokuronium

– mivakurium

Zvláštní skupina farmak

• Vlastnosti jedů

• Nejrozsáhlejší skupina anesteziologik

• SR se zasloužila o– Vznik nových chirurgických oborů

– Rozvoj studia receptorů

– Vznik farmakogenetiky

– Výzkum vztahů mezi strukturou molekuly a účinkem

• Trvalý výzkum nových látek, možnost významných objevů

Strychnos toxifera

Chondrodendron tomentosum

Historie plná omylů

• 1516 Peter Martyr d´Anghera – jed smějí připravovat jen ženy

• 1811 (- 1945) Brodie – wourali působí centrálním útlumem

• 1814 Waterton terapie hydrofobie

• 1830 pokusy o léčbu tetanu

• 1938 léčba spastických nervových onemocnění

Nové objevy

• 1933-37 Henry Dale – objev role acetylcholinu v neuromuskulárním přenosu

• 1938 – izolace d-tubocurarinu

• 1940 – Squibb vyrobil Intocostrin

• 1942 – Harold Griffith a E. Johnson použili Intocostrin u 25 pacientů

• 1945/6 – d-tubocurarin

Účinky svalových relaxancií

K čemu je kurare dobré?

K čemu je kurare dobré?

K zabíjení

http://www.lf3.cuni.cz/cs/pracoviste/anesteziologie/vyuka/studijni-materialy/zaklady-anesteziologie/15_0-0_4-43_monitorace-hloubky-anestezie.html

Historie SR• 1942 kurare (Intocostrin)

• 1946 d- tubocurarin (Tubarine)

• 1947 - gallamin (Flaxedil)

• 1948 - decamethonium (Eulyssin, Syncurine, Procuran)

• 1952 - suxamethonium (Succinylcholin)

• 1967/8 - pancuronium (Pavulon)

• 1967/8 - alcuronium (Alloferin)

• 1975 - vecuronium (Norcuron)

• 1981 - atracurium (Tracrium)

• 1982 - pipecuronium (Arduan)

• 1991 - doxacurium (Nuromax)

• 1994 - rocuronium (Esmeron)

• 1994 - mivacurium (Mivacron)

• 1995 - cis-atracurium (Nimbex)

• 1999 - rapacuronium (Raplon)

Honba za „ideálním SR“

• Ultrakrátký nástup účinku

• Variabilní farmakokinetika odpovídající požadované délce akce (ultrakrátké trvání účinku)

• Selektivní účinek na N Ach receptory (žádné muskarinové vedlejší účinky)

Očekávání (a zklamání?)

• 1980 atracurium a vecuronium symbolicky pohřbívají suxamethonium, z dálky přihlíží pancuronium, metocurin, d-tubocurarin

• 2010:

– atracurium → cis-atracurium

– vecuronium → rocuronium

– v propadlišti zmizely docaxurium a rapacuronium

– používáme stále suxamethonium a neostigmin

Měření účinnosti

Měření účinnosti dříve

Měření účinnosti ve 40. letech

Měření účinnosti nyní

Proč měřit

• Pro bezpečné propuštění pacienta musí být zotaveno 90 % receptorů

• Bez měření je cca 30 % pacientů propuštěno s reziduální blokádou

– Porucha polykání

– Riziko aspirace

– Riziko hypoxie

Risk factors for development of complicationsfrom RNMB

Zrušení svalové blokády• spontánní odeznění (relaxometrie)

• neostigmin (+ atropin)

• Sugammadex

Jak měřit

• Klinicky

• Neurostimulátorem kvalitativně „od oka“ :-

• http://www.lf3.cuni.cz/cs/pracoviste/anesteziologie/vyuka/studijni-materialy/zaklady-anesteziologie/7-3_sledovani-ucinku-svalovych-relaxancii.html

• Neurostimulátorem měřením odpovědi oproti výchozímu stavu ☺

Režimy

• TOF

• Tetanus

• DBS double burst stimulation

• PTC post-tetanic count

• Single twitch