I 2003 skrev jeg tre artikler til Dansk Kemi om Position Emissions Tomografi (PET) [1] i forbindelse med PET centeret på Århus Universitetshospitals 10 års fødselsdag. De handlede om, hvordan man med en cyklotron producerer de ustabile isotoper 11C, 14N, 15O og 18F, og hvordan man ved hjælp af organisk kemi indbygger disse PET-isotoper i større molekyler. I denne serie gives eksempler på, hvad PET kan bruges til – nemlig til at opnå indsigt og viden om kroppens biokemiske processer in vivo.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 9, 2008 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.
Af Svend Borup Jensen
I den første artikel vil jeg starte med et forskningsprojekt, der kunne vise sig at være meget kontroversiel. Den hypotese, som vi ønskede at undersøge, var nemlig, om den kemiske påvirkning, som tobaksrygere udsætter deres krop for, medfører, at de har en forøget risiko for at ende i et misbrug af hårdere stoffer?
I diskussionen om fri hash har man gentagne gange benyttet argumenter som, at brugen af hash kan føre til misbrug af hårdere stoffer; man har ligefrem kaldt hash et ”gateway-drug”, til hårdere stoffer. En meget stor del af stofmisbrugere er rygere, ca. 80-90 %, et tal, der er meget større end for den tilsvarende øvrige befolknings, der ikke er misbrugere. Vi har ønsket at belyse spørgsmålet ”om tobaksrygning kan føre til en forøget risiko for brug af hårdere stoffer”. Vores forsøg belyser udelukkende de kemiske processer og ignorerer eventuelle sociale forhold.
Ideen bag undersøgelsen bygger på, hvad der sker med dopaminsystemet i hjernen, når man indtager forskellige misbrugsstoffer, herunder tobaksrøg. Dopamin er et neurotransmitter-molekyle eller et hjernesignalstof, om man vil, dvs. et kemisk stof, der bliver brugt til at transportere ”beskeder” mellem neuronerne i hjernen. Dopamin bliver syntetiseret i hjernen i neuronerne ud fra aminosyren tyrosine via dihydroxyphenylalanine – også kaldet dopa (figur 1). Ud over at dopamin er et signalstof, er den også et intermediat til andre signalstoffer, nemlig noradrenaline og adrenalin, men det er en helt anden historie, som vi ikke vil behandle yderligere her.
Essentielt stof
Dopamin som neurotransmitter er meget essentiel for os og har indvirkning på mange forskellige og forskelligartede hjerneprocesser, så som at kontrollere vores bevægelser, følelser, fornemmelse af smerte og fornøjelse.
Når dopamin er blevet syntetiseret, lagrer neuronen dopaminmolekylerne i vicikler i nerveenderne klar til senere brug og beskyttet fra mono amino oxidase enzymet kaldet (MAO). MAO-enzymet gør præcis det, man forventer, nemlig at oxidere monoaminer (figur 2). Når nerveenderne modtager et elektrisk signal, bliver viciklerne tømt ud i mellemrummet mellem nerveenderne, kaldet synapsen. Dopaminmolekylerne kan så gå over og sætte sig på receptoren på andre nerveender, signalet bliver igen lavet om til et elektrisk signal og transporteret videre. Den del af dopaminen, der ikke sætter sig på receptorerne, vil blive optaget af nerven igen vha. re-uptakessites eller vil blive nedbrudt af MAO enzymet.
Røg påvirker dopamin
Man har i en del år vidst, at rygning påvirker dopaminniveauet direkte, ved at nikotin (figur 3) medfører dopaminfrigivelse, men som noget relativ nyt har man fundet, at nogle af de over 4000 kemiske stoffer[2], der er blevet identificeret i cigaretrøg, også har en indirekte påvirkning. Det er nemlig blevet påvist, at rygere har et nedsat MAO-enzymniveau på 40-50 %, så ikke nok med at rygning øger dopaminniveauet, det fjerner også ca. halvdelen af det enzym, der skal hjælpe med at fjerne dopaminen fra synapeserne. Man må derfor forvente, at rygere får en længerevarende og måske højre påvirkning af frigivet dopamin end ikke-rygere.
Dopaminens effekt er meget kompleks og heller ikke fuldt ud forstået endnu, men det ser ud til, at dopamin spiller en rolle i hjernes belønningssystem. Dopamin- niveauet i hjernen er for eksempel øget, når man spiser, drikker eller har sex. Det øges ikke alene ved at udføre/få noget, vi kan lide, men tanken om det er nok. Øget dopamin-niveau ses for eksempel hos fodboldspilleren, der forestiller sig, at han/hun score et vigtige mål, eller ved forventningen til et kommende restaurant besøg. Der er mange misbrugsstoffer, der får misbrugerne til at føle velvære og/eller harmoni, hvilket påvirker dopaminniveauet opad, men herom mere i en senere artikel i denne serie.
Eksperimentet
Hvordan kan vi designe et eksperiment, der kunne være med til at besvare ovenstående spørgsmål? På PET-centeret i Århus har vi et kulstof -11mærket sporstof, der hedder raklopride, der indirekte kan bruges til at finde ud af, hvor meget dopamin der er i synapserne (figur 4). Der findes også et andet kulsof-11mærket sporstof, harmin, der kan bruges til at måle mængden af monoaminooxidase (MAO) niveauet (figur 4). Den måde, hvorpå vi opnår den viden, sker ved, at raclopride og harmin sætter sig på henholdsvis dopaminreceptorerne og MAO-enzymet. Hvis der er meget dopamin i synapserne, så er en relativ stor del af dopaminreceptorerne allerede optaget af dopamin, dvs. at der vil være færre dopaminreceptorer ledige, til at raclopride kan sætte sig. Da raclopride er mærket med den radioaktive isotop kulstof-11, vil der være mindre radioaktivitet akkumuleret i synapserne som følge af, at der bliver frigivet dopamin. Ved hjælp af samme ”konkurrenceagtige” metode undersøger man MAO-enzyme niveauet.
På scannedag 1 undersøger vi MAO niveauet vha. C11-harmine og dopaminniveauet vha. C11-raclopride. Vi kunne så give et misbrugsstof som for eksempel amfetamin, som man jo ved, forøger mængden af dopamin i synapserne. Det vi så gør, er at undersøge denne forøgelse vha. af en nr. to C-11-raclopride. I vores PET scanner vil vi så se en mindre binding af C11-raclopride til dopaminreceptorerne i forhold til den første C11-racloprideskanning. Dette fald kan sættes i relation til mængden af det amfetaminfrigivede dopamin. Det foretrukne forsøgsdyr på PET-centeret i Århus er grisen. Det kan tænkes, at det ville være vanskelig at lave en gris om til en kæderyger (grisens relative høje intelligens taget i betragtning). Man kan derfor give et andet stof, der hedder pargyline, der irreversibelt binder til MAO (dvs. slår enzymet ihjel), og det er lige det, vi ønskede at checke, for det er præcis den effekt ved rygning, vi ønsker at undersøge.
Vi undersøgte om MAOniveauet påvirker den af amfetaminen introducerede dopamin ved at gentage forsøget fra første skanne dag (figur 5, sporstof som funktion af tiden). Først C11-harmine for at finde ud af, i hvor stort omfang vi har blokeret MAO, og derefter C11-raclopride før og efter amfetaminen for at finde de to dopaminniveauer.
Vi syntetiserede det kulstof-11 mærkede raclopride og harmin ved methyleringer af aromatiske alkoholgrupper for at lave methylesteren (figur 4). Resultaterne fra vores PET-skanninger er vist i figur 6 og 7; vi har skannet 3 grise efter protokollen (skitseret i figur 5) og har så lagt billederne fra de tre grise oven i hinanden[3]. Grunden til, at man gør det på den måde, er selvfølgelig, for at de biologiske effekter af amfetamin i relation til mængden af MOA-enzymet skal træde frem for støjen og den biologisk varians. Figur 7 viser et PETbillede af grisens hjerne før og efter, man har givet pargyline. I de doser, vi har givet pargyline, ser vi, at pargyline kraftigt reducerer Vd (volumen of distribution) pB (binding potential) for 11C-harmin; Vd og pB er udtryk for bindingen af harmin. Vi har tæt på fjernet MAO-enzymerne i hjernen; det er selvfølgelig mere, end hvad rygningen forårsager, nemlig kun en 40-50 % reduktion. I figur 8 ser vi igen på et gennemsnit af de tre grise i 4 forskellige situationer. Øverst er grisene kun påvirket af narkosen, nedenunder ser vi, at der sker et fald i bindingen af raclopride som følge af, at man har givet amfetamin. C og D er fra skannedag to efter pargyline, hvor man gentager forsøget uden og med amfetamin. Man ser at pargyline i sig selv forårsager et fald i bindingen af raclopride som udtryk for, at der er mere dopamin i synapserne eller færre bindingssites for dopamin/raclopride. Det, vores hypotese gik ud på, var at rygere bliver påvirket mere af amfetamin end ikkerygere, og om det fald mellem situation C og D (figur 8) relativt er større end det, man ser mellem A og B (figur 8); det var ikke tilfældet. Vi kan derfor ikke konkludere, at rygere har større risiko for at blive afhængige af hårdere stoffer som f.eks. amfetamin ud fra disse forsøg. Hvis man ønsker en mere omfangsrig gennemgang af vores fund, så er det publiceret i synapse [4].
Figur 1 In-vivo syntesen af Dopamin.
Figur 2 Metabolisering af Dopamin.
Figur 3 Nikotin.
Figur; 4 Kulstof-11 mærkning at raklopride og harmin.
Figur 5 Scanninger som funktion af tiden.
Figur 6; [11C]-Harmine skanninger af grisens hjerne før og efter man har givet pargyline.
Figur 7; Her har vi et gennemsnit af de tre grise i 4 forskellige situationer. Øverst er grisene kun er påvirket af narkosen, nedenunder ser vi at der sker et fald i bindingen af raclopride som følge af at man har givet amfetamin. C og D er fra skan dag to efter pargyline hvor man gentager forsøget, uden og med amfetamin.
Referencer:
1. Jensen S.B., 2003. PET – på Århus Kommunehospital – fylder rundt. Dansk Kemi nr. 9, 10 og 11.
2. EPA, 1992. Respiratory health effects of passive smoking: lung cancer and other disorders. Washington, DC. EPA Report/600/6-90/006F
3. Grisene er under fuld narkose forsøgene igennem og lider derfor ingen overlast ved at skulle ligge helt stille i skanneren.
4. Jensen SB, Olsen AK, Pedersen K, Cumming P., (2006), Effect of monoamine oxidase inhibition on amphetamine-evoked changes in dopamine receptor availability in the living pig: A dual tracer PET study with [C-11]Harmine and [C-11]Raclopride, Synapse, 59, (7): 427-434.
