Seminar: Biologie der Drogenabhängigkeit, SS 05
Leitung: Prof. Stephan Frings, PD Dr. Blanche Schwappach

Grundlegendes zu Kokain und Amphetaminen

Kokain
Aus Blättern von Erythroxylon coca (in Südamerika traditionell eingesetzt zur Steigerung der Ausdauer und des Wohlbefindens und Dämpfung des Hungergefühls)
1855 aktives Alkaloid isoliert, 1860 purifiziert und „Kokain“ genannt
Heute: Kokain-HCl (Crystal, Schnee) wasserlöslich für Lines und Injektion und Kokain-Base (Freebase, Crack), hitzestabil für Inhalation

Pharmakokinetik
Lines:   Crack:  Injektion:
50-100mg 250mg-1g 25-200mg
20-30%   6-32%    100% aufgenommen
Max.: 30min  Max.: 5min  Max.: 10min
Dauer: 6h  Dauer: 30min  Dauer: ?

Biologische Halbwertszeit: 50min (aber noch nach 8h im Hirn); Abbau zu Benzoylecgonin: 48h bis 2 Wochen im Urin nachweisbar
Interaktion mit Alkohol: Cocaethylen Ethylester, Aktiv wie Kokain aber mit längerer Halbwertszeit (150min); Potenzierung der Wirkung

Wirkung:
Lokal-Anästhetikum, Vasokonstriktor, psychoaktive Droge
Blockiert Wiederaufnahme von Dopamin, Noradrenalin, Serotonin dadurch größere Mengen im synaptischen Spalt (besonders durch Dopamin Euphorie, Belohnung, und Abhängigkeit im Nucleus Accumbens)
 

Amphetamine:
Über Struktur definiert: Amphetamin-Kern
Einsatz als Medikamente seit den 1930ern, ab 1940er Mißbrauch

Pharmakokinetik:
Wirkungsstärke: Amphetamin < Dextroamphetamin < Metamphetamin
Metamphetamin-HCl (Speed, Crystal, Crank, Go) zur oralen Einnahme, Injektion, Sniffen und Metamphetamin-Base (Ice) zum Rauchen

Beispiel Ice:
Sofortige Aufnahme,  Max.: 4h
Halbwertszeit: 12h (nur 60% abgebaut, Rest wird unverändert ausgeschieden)
Abbauprodukte bis zu 48h im Urin nachzuweisen

Wirkung:
Verstärkte Ausschüttung Dopamin, Noradrenalin
Schädigungen des Hirns noch Jahre nach Suchtende nachzuweisen
                                                                                 (Katrin Heuser)

Historical Review: Molecular and cellular mechanisms of opiate and cocaine addiction

Opiate wirken auf endogene Opioid Rezeptoren
Psychostimulantien wie Kokain und Amphetamine beeinflussen die Dopamin Wiederaufnahme/Abgabe

cAMP-Signalweg in der Opiat Toleranz und Abhängigkeit
cAMP und PKA sind an der Regulation der synaptischen Transmission beteiligt, welche eine wichtige Rolle in der Toleranz und Abhängigkeit gegenüber Opiaten spielt
1. Morphingabe senkt cAMP-Spiegel stark ab (Blockieren der Adenylatzyklase)
2. Adenylat-Zyklase wird hochreguliert, dadurch steigt der cAMP-Spiegel
3. es sind immer weitere Morphindosen nötig um den cAMP-Spiegel unten zu halten
Adaptationen im cAMP Signalweg scheinen zur Opiat Toleranz und Abhängigkeit beizutragen

Entzug bewirkt einen sprunghaften Anstieg des cAMP-Spiegels (die Adenylatzyklase ist immer noch hochreguliert, es entfällt jedoch die unterdrückende Wirkung der Droge)Opiate inhibieren die Adenylatzyklase und cAMP abhängige Protein Phosphorylierungen; diese Inhibition verschwindet mit chronischer Opiat Verabreichung (Toleranz, Abhängigkeit)
Die cAMP Werte steigen bei Entzug weit über Normalwerte (Entzugserscheinungen)

Locus coeruleus (LC)
hier sind die stärksten Auswirkungen von Opiaten zu verzeichnen
 Inhibition von LC Neuronen durch Opiate

1. Aktivierung von Kalium Kanälen (Kationenausstrom und Hyperpolarisation)
2. Inhibition der Adenylat-Zyklase (senkt über cAMP-Spiegel die elektrische Reizbarkeit der Zelle [Na-Kanäle])
3. Inhibition des cAMP-Signalwegs beeinflusst noch viele weitere Proteine
 verringert z.B. Phosphorylierungszustand von TF CREB (beteiligt Langzeitwirkung von Opiaten)

aber: chronische Einnahme von Opiaten hat gegenteiligen Effekt (Langzeiteffekte)!erhöht Level von (rote Pfeile):
AC1 und 8, PKA, CREB, TH (Tyrosin Hydroxylase) sowie die elektrische Erregbarkeit der Zelle

neurale Schaltkreise der Drogenabhängigkeit
Längsschnitt durch Mittel- und Kleinhirn der Maus
der wichtigste Gehirn-Belohnungs (brain-reward) Schaltkreis umfaßt Dopamin-enthaltende Neurone im VTA des Mittelhirns und ihre Zielgebiete im limbischen System, insbesondere NAc und Teile des cerebralen Cortex;
alle Drogen scheinen auf den VTA-NAc Schaltkreis einzuwirken und so Belohnungs-Signale zu erzeugen

Die wichtigsten Gehirn-Belohnungs-Schaltkreise:
gestrichelte braune Linie: limbische Afferenzen zum Nucleus Accumbens (NAc)
blaue Pfeile: Efferenzen vom NAc, die an Drogen-Belohnung (drug reward) beteiligt sind
rot: Dopamin enthaltende Neurone, Ursprung im VTA (ventral tegmental area)projizieren z.B. auf NAc (aber auch auf Amygdalla); essentieller Schaltkreis für die Drogenbelohnung!
grün: Neurone, die Opiod-Peptide enthalten/ausschütten; beteiligt an Opiat, Ethanol und Nicotin Belohnung
hell blaue Gebiete: enthalten GABA-Rezeptor-Komplexe, die an Ethanol Belohnung beteiligt sind
                                                                                         (Martin Moehmen)

DNA Microarray

Ein DNA Microarray ist eine miniaturisierte Anordnung von DNA Spots auf einer festen Oberfläche, wie z.B. Glas Plastik oder Silizium Chips.
Es handelt sich hierbei um eine direkte Weiterentwicklung des Southern Blottings, in dem fragmentierte DNA an ein Substrat gebunden wird und mit einer Sonde eines bekannten Gens markiert wird.

Bei der Microarray Technologie werden jedoch in umgekehrter Weise die Sonden direkt fixiert und mit der Proben-DNA markiert. Die Sonden sind in der Regel Oligonukleotide, die einem repräsentativen Ausschnitt eines bestimmten Gens entsprechen. Der GeneChip der Firma Affymetrix benutzt 25bp Sonden, die durch modifizierte Halbleiter-Manufakturen auf gewöhnlichen Siliziumchips fixiert werden und bei 6000 Genen pro Chip ganze Genome, bzw. Genomanschnitte repräsentieren.

Dadurch wird die simultane Messung des Expressionslevels einer Vielzahl von Genen eines bestimmten Zelltyps ermöglicht. Hierzu wird die mRNA einer Zellkultur extrahiert und mittels rtPCR amplifiziert und in cDNA umgesetzt. Zusätzlich werden enzymatisch Fluoreszenz-Tags angeheftet.
Ein Microarray Scanner misst die Fluoreszenz-Intensität der markierten Spots, deren Anordnung bekannt ist und kann somit ein genaues Gen-Expressionsmuster erstellen.
Durch unterschiedliche Fluoreszenz Tags können parallel die Expressionsniveaus einer Zelle unter unterschiedlichen Bedingungen gemessen werden.

Eine Flash-Animation zum Ablauf eines Microarrays lässt sich hier finden:
DNA Microarray Methodology

(Fabian Bartz)

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