Cystische fibrose; pathofysiologie van het elektrolyttransport en mogelijke invloed van amiloride

Inleiding

Cystische fibrose (CF) is de meest voorkomende letale erfelijke aandoening onder mensen van het Kaukasische ras.1 De ziekte wordt gekenmerkt door een toename van de viscositeit van het secreet van de meeste exocriene klieren met onder andere als gevolg recidiverende luchtweginfecties en spijsverteringsstoornissen waardoor normale gewichtstoename achterblijft. In de ernst van de symptomen bestaat een grote interindividuele variatie. CF is een autosomaal recessief overervende genetische stoornis waarvan in Europa de incidentie ongeveer 1 op 2500 bedraagt.2 Het CF-gen ligt op de korte arm van chromosoom 7 en bij 70 van de Westeuropese patiënten bestaat het gendefect uit een deletie van drie baseparen op positie 508. Deze mutatie wordt aangeduid als 6F508. Verondersteld wordt dat het CF-gen codeert voor een eiwit dat een belangrijke functie heeft bij het transport van elektrolyten over de celmembraan, het zogenaamde ‘cystic fibrosis transmembrane conductance regulator’ (CFTR)-eiwit.3 Een afwijkend CFTR-eiwit leidt tot een stoornis van het elektrolyttransport, vooral van het transport van natrium en chloor over de celmembraan. Het gevolg daarvan is dat de twee genoemde elektrolyten in mindere mate worden uitgescheiden door de meeste epitheelcellen. Aangezien het watertransport over de celmembraan passief gekoppeld is aan het natrium- en het chloortransport, zijn de lichaamssecreten bij CF-patiënten minder waterhoudend.4 De viscositeit van de secreten is derhalve groter. Deze toegenomen viscositeit van interne lichaamssecreten staat centraal in de pathofysiologie van cystische fibrose.

Het is dus logisch te veronderstellen dat de ernst van symptomen van de aandoening te beïnvloeden is door de viscositeit van de secreten te verminderen. De viscositeit van het secreet neemt af als het elektrolyt- en daarmee het watergehalte ervan toenemen. Van de urinewegen is bekend dat diuretica de terugresorptie van natriumionen door de epitheelcellen doen afnemen, hetgeen een toename van zout- en watergehalte van de voorurine tot gevolg heeft. Met dit gegeven als uitgangspunt is de afgelopen 10 jaar onderzocht of diuretica een zelfde effect hebben op het elektrolyttransport van luchtwegepitheelcellen. Dit betreft zowel in vitro-onderzoek op geïsoleerde luchtwegepitheelcellen als in vivo-onderzoek waarbij de diuretica in vernevelde vorm aan de luchtwegen aangeboden worden bij CF-patiënten.

In dit artikel wordt een overzicht gegeven van de resultaten van onderzoeken die zijn uitgevoerd met amiloride, een stof die specifiek de natriumterugresorptie door epitheelcellen beïnvloedt.

Fysiologie van het elektrolyttransport op celniveau

Het elektrolyttransport in de epitheelcel is in 4 processen onder te verdelen (figuur). De epitheelcel kent, in tegenstelling tot vele andere lichaamscellen, een duidelijke polariteit in structuur en daarmee ook in functie:5 de cel heeft een apicale en een basolaterale membraan, waarover verschillende soorten van elektrolyttransport plaatsvinden. Aan de basolaterale membraan vindt een actief transport plaats waarbij natriumionen de cel uit en kaliumionen de cel in gepompt worden. Dit transport wordt gereguleerd door de natriumkaliumpomp. Als gevolg van dit transport blijft het intracellulaire natriumgehalte laag, waardoor natrium door andere kanalen passief terug de cel in zal diffunderen. Bij deze passieve influx gaat elk natriumion vergezeld van 1 kalium- en 2 chloorionen. Het gevolg is dat de intracellulaire concentratie van kalium- en chloorionen toeneemt. De kaliumionen diffunderen passief terug naar het interstitium. De apicale membraan kent natrium- en chloorkanalen via welke deze ionen passief de cel in respectievelijk de cel uit bewegen.

De natriumkaliumpomp is dus de motor van het cellulaire elektrolyttransport. Door aan de basolaterale membraan natriumionen actief de cel uit te pompen worden een passieve natriuminflux en daaraan gekoppeld een chloorinflux bewerkstelligd. De consequentie hiervan is dat aan de apicale membraan een natriuminflux en een chloorefflux plaats dienen te vinden ter handhaving van het elektrochemische evenwicht.6

Pathofysiologie van het elektrolyttransport bij cystische fibrose

Bij het bespreken van de pathofysiologie moet een onderscheid gemaakt worden tussen de zweetklierepitheel- en de overige epitheelcellen. Voor de laatstgenoemde cellen geldt bij CF-patiënten dat het basolaterale elektrolyttransport ongestoord verloopt.6 De stoornis is gelegen aan de apicale membraan en kan worden beschouwd als tweeledig.

Allereerst scheiden de epitheelcellen bij CF-patiënten nauwelijks chloor uit. In vitro-onderzoek heeft uitgewezen dat de chloorkanalen niet ondoorgankelijk zijn. Indien deze kanalen bij in vitro-onderzoek adequaat elektrisch gestimuleerd worden, openen ze zich normaal.5 Behalve elektrische signalen is ook de intracellulaire ‘second messenger’ cyclisch AMP (cAMP), gevormd na stimulatie, in staat om de chloorkanalen te openen. Hoewel in epitheelcellen van CF-patiënten de stimulatie tot cAMP-produktie normaal verloopt, wordt na deze stimulatie geen doorgankelijkheid van de chloorkanalen gevonden. De conclusie is dat het cAMP niet in staat is de chloorkanalen bij CF-patiënten te openen. Verondersteld wordt dat het receptoreiwitcomplex voor cAMP op de apicale membraan, waar het CF-gen voor codeert, afwijkend is.7 De chloorkanalen kunnen zich op die manier nauwelijks openen, met als gevolg een verminderde chloorsecretie naar het lumen en een ophoping van chloorionen in de cel.

Een tweede aspect van de elektrolytstoornis bij CF-patiënten betreft het apicale natriumtransport. De natriuminflux is vele malen groter dan normaal.8 Over de oorzaak hiervan is niet veel bekend. Mogelijk is er een relatie met de intracellulaire ophoping van chloorionen en probeert de cel door middel van een versterkte natriuminflux het elektrisch evenwicht in de cel te handhaven.

In het epitheel van de zweetklier speelt zich een zelfde pathofysiologisch proces af. De zweetklier is een buisvormige structuur bekleed met epitheelcellen. Deze cellen hebben een verschillende functie, afhankelijk van hun lokalisatie. Onder in de zweetklier wordt door passieve diffusie een secreet gevormd dat rijk is aan natrium- en chloorionen. De normaliter optredende terugresorptie van beide ionen boven in de zweetklier wordt bepaald door de heropname van chloor. Daar bij CF de chloorkanalen van alle lichaamsepitheelcellen functioneel ondoorgankelijk zijn, is de resorptie van chloorionen en daarmee van natriumionen op deze plaats sterk verminderd. Het gevolg is dat het zweet van CF-patiënten een hogere concentratie van natrium- en chloorionen bevat.9 Hierop berust de toepassing van de zweettest bij het stellen van de diagnose ‘cystische fibrose’.

Amiloride en cystische fibrose

Amiloride is een stof met een zwak natriuretische werking. Het is reeds jaren in gebruik als diureticum en oefent zijn werking uit op het epitheel van de distale tubulus, waar het de terugresorptie van natrium uit de voorurine vermindert en zo een toename van de diurese geeft.10 In de wetenschap dat het natriumtransport in alle lichaamsepitheelcellen op identieke wijze verloopt, is de gedachte ontstaan luchtwegepitheelcellen bloot te stellen aan amiloride. Dit heeft geleid tot de hypothese dat amiloride, op een vergelijkbare wijze als in de niertubulus gebeurt, de natriumterugresorptie van de luchtwegepitheelcellen zou kunnen remmen (zie figuur). Per saldo zou er op deze wijze meer natrium in de luchtwegen achterblijven, waardoor het sputum meer waterhoudend en minder visceus zou worden. Dit zou tot een verbetering van de mucociliaire klaring kunnen leiden, met mogelijk als gevolgen een verbetering van het gastransport en een vermindering van het aantal luchtweginfecties.4

In vitro zijn de elektrofysiologische eigenschappen onderzocht van een geïsoleerde membraan van luchtwegepitheelcellen van CF-patiënten. Een dergelijke membraan gedraagt zich als een ohmse weerstand. Dat houdt in dat een verandering van de spanning over de membraan een verandering van de stroom, in dit geval het elektrolyttransport, tot gevolg heeft. Omgekeerd leidt een verandering in het elektrolyttransport over een membraan tot een verandering in de potentiaal over die membraan. Bij CF-patiënten werd bij elektrofysiologisch onderzoek een toegenomen potentiaal over de membraan van geïsoleerde luchtwegepitheelcellen gevonden, hetgeen duidt op een stoornis in het elektrolyttransport. Perfusie van de apicale zijde van de membraan met amiloride doet het potentiaalverschil dalen. Het blijkt uit hiervoor genoemd onderzoek dat amiloride, dat specifiek op het natriumtransport werkt, ook in staat is het natriumtransport van de CF-epitheelcel te beïnvloeden. In dit onderzoek werden de apicale zijde van dezelfde epitheelcellen geperfundeerd met indometacine, een selectieve inhibitor van het chloortransport. Hierop veranderde de membraanpotentiaal niet. Dit resultaat komt overeen met de suggestie dat de apicale chloorkanalen van epitheelcellen van CF-patiënten geen chloorionen doorlaten.8

Om het klinische effect van amiloride te bestuderen werd in vivo-onderzoek verricht. In een gerandomiseerd onderzoek werden amiloride en een placebo gedurende drie weken in vernevelde vorm aan 23 patiënten aangeboden. Zowel na een eenmalige als na een 3 weken durende inhalatie bleken mucociliaire klaring, natriumgehalte en bacterieklarend vermogen bij de met amiloride behandelde CF-patiënten significant te zijn toegenomen. Na 3 weken vernevelen met amiloride kon een overeenkomstig gunstig effect worden vastgesteld op de vitale capaciteit, hoewel de toename hiervan slechts gering was. De viscositeit van het sputum was statistisch significant afgenomen.3 Een soortgelijk onderzoek van App en medewerkers gaf overeenkomstige resultaten te zien.4 Verder toonde deze onderzoeksgroep aan dat de daling van de vitale capaciteit statistisch significant minder was in de groep van CF-patiënten, die gedurende een jaar met vernevelde amiloride behandeld waren, ten opzichte van de niet met amiloride behandelde CF-patiënten. Bijwerkingen van amiloride, bekend van orale toediening, zoals hypokaliëmie of nierfunctiestoornissen, werden niet gezien.4

Hoewel amiloride een positieve invloed lijkt te hebben op de schoonmaakfunctie van de luchtwegen bij CF-patiënten, dient benadrukt te worden dat het hier de resultaten van slechts één lange-termijnonderzoek betreft. Meer onderzoek is vereist om tot een oordeel over de mogelijke toepasbaarheid van amiloride bij de behandeling van patiënten met CF te komen.

Conclusie

Na het bekend worden van het functionele defect in de natrium- en chloorterugresorptie in de epitheelcellen van de exocriene klieren bij CF-patiënten is een aantal in vitro- en in vivo-onderzoeken verricht om te pogen de natriumterugresorptie in gunstige zin te beïnvloeden. Amiloride, een zwak diureticum, in vernevelde vorm aangeboden aan patiënten met CF, is in staat de natriumterugresorptie in de luchtwegen te doen afnemen. In een beperkt aantal, maar overigens qua resultaten overtuigende, klinische onderzoeken is gebleken dat toediening van amiloride aan CF-patiënten zowel op korte als op lange termijn leidt tot een toename van het natrium- en watergehalte van het sputum alsmede tot een toename van de mucociliaire klaring. Ook wordt een toename van het bacterieklarend vermogen gemeten. Deze resultaten wijzen erop dat amiloride zowel in vitro als in vivo (in vernevelde vorm toegediend), het elektrolyttransport in gunstige zin kan beïnvloeden. Mogelijk dat deze vorm van behandeling in de nabije toekomst een profylactische therapie voor de luchtwegproblemen bij CF-patiënten zou kunnen worden.