Cholinesterase

We distinguish between acetylcholinesterase (ACHS), which selectively hydrolyzes acetylcholine, is produced at synapses of cholinergic nerves and in neuromuscular junctions, and is contained in erythrocytes; and between a related enzyme, sometimes referred as ``pseudocholinesterase'', which also cleaves other choline esters. It is produced in the ribosomes of liver cells and is secreted into the bloodstream. A reduction in CHS activity in the blood serum is considered pathological. ACHS is sometimes measured in the amniotic fluid when looking for congenital hereditary defects.

Testing
To test the activity of ACHS, the substrate used is mostly ``butyrylthiocholine iodide, which ACHS cleaves into butyrate and ``thiocholine iodide, which further reacts with 5,5´-dithiobis-2-nitrobenzoic acid to form a colored substrate named 5-mercapto-2 nitrobenzoate, measurable at 410 nm, or thiocholine iodide reduces Fe2+ and the decrease in absorbance is measured at 405 nm. The test is performed on non-hemolytic serum or on blood plasma with an addition of heparin or EDTA. ACHS activity is stable in serum for up to 17 days at 4 °C, and up to 3 months at −20 °C.

Evaluation
Possible causes of the ""reduction"" of activity in the serum can be proteosynthesis disorder in severe hepatopathy, but also protein malnutrition (chronic starvation, tumor cachexia). The reduction can also be caused by intoxication with organophosphates, which are non-competitive inhibitors of this enzyme (chemical warfare agents, but also some insecticides). An inherited defect in cholinesterase synthesis is clinically silent in familial idiopathic acholinesterasemia, but there is a risk of an apneic pause due to cholinesterase deficiency after succinylcholine (a muscle relaxant) is given.

An "increase" in serum activity occurs, for example, in patients with increased proteosynthesis in nephrotic syndrome, in the recovery phase after hepatitis, in alcoholism, and in some other conditions. It has no diagnostic value. In patients with myasthenia gravis, autoantibodies directed against acetylcholine receptors are found in the serum; the symptoms of the disease are caused by an insufficient response to acetylcholine, i.e. muscle weakness to paresis. Among other things, cholinesterase inhibitors are used as the therapy of this condition.

ACHS physiological values at 37 °C are 87-140 µkat/l for children up to 15 years,66.7-210.4 µkat/l for men and 85.2–195.4 µkat/l for women.

Historie
Existence enzymů, které mohou hydrolyzovat neurotransmitery acetylcholinu (ACh) byla předpovězena v roce 1914 (Dale), ještě před skutečným objevem enzymů, jako výsledek zvířecí reakce po podání ACh. V roce 1926 alkaloid kalabarského bobu (jedovatá látka ochrnující centrální nervstvo), (používaný již dříve v čarodějnictví), který byl používán v biochemii jako inhibitor, prokázal další existenci cholinesteráz. V roce 1940 byly objeveny 2 hlavní formy ChE (Alles and Hawes). Dvě hlavní úzce související hydrolázy z této rodiny byly nazvány acetylcholinesterázy. Oba enzymy jsou typu B karboxypeptidázy díky jejich biochemickým vlastnostem. Oba enzymy také existují ve více molekulárních formách, oba jsou distribuovány všudypřítomně. AChe je více tkáňově specifická než BChE. Obě jsou citlivé na organické inhibice. U savců AChE a AChB mají silnou primární homologní strukturu. Přesto, že struktura ChEs byla studována přes 75 let, mnoho charakteristik je neznámých.

Cholinesteráza a léčba demence
U lehkých a středních forem demence se mohou indikovat inhibitory cholinesteráz, čehož se využívá u Alzheimerovy nemoci. Samozřejmě se najdou nemocní, kteří lečbu snášejí dobře a ti, kteří ji nepřijmou. Individuální variabilita může být dána formou nemoci, diagnostickými nepřestnostmi, abnormalitami v metabolizmu acetylcholinu a dalšími přidatnými chorobami tělesnými i duševními, nebo také morfologickými změnami CNS. Princip léčby je v ovlivnění acetylcholinergního systému podáním inhibitorů cholinesteráz, podáním prekurzorů acetylcholinu, podáním agonistů nikotinových a muskarinových receptorů, ovlivněním acetylcholinergního systému cestou jiných mediátorů a některými dalšími cestami. Úspěšně se v léčbě uplatňuje hlavně aplikace inhibitorů cholinesteráz (IChE).

Vedlejší účinky
Charakter vedlejších účinků se liší tím, v jaké fázi léčby se inhibitory podávají. Při titrační fázi léčby (akutní) jsou základním titračním intervalem při podávání IChE čtyři týdny. Titrace je nezbytná u rivastigminu a galantaminu, abychom snížili výskyt nežádoucích gastrointestinálních účinků. U donepezilu není titrace nezbytná. Akutní nežádoucí a vedlejší účinky jsou totožné pro celou skupinu IChE, jsou proto nazývány "class-effects". Tyto účinky jsou způsobeny zvýšenou centrální cholinergní aktivitou v area postrema hypotalamu. Jednoznačně dominujícími nežádoucími účinky této fáze jsou gastrointestinální. Nežádoucí účinky v této fázi lečby jdou snížit např. pozvolným zvyšováním dávky (titrací). Pokud je podáváme s jídlem nebo krátce po jídle, dochází ke snížení. Muži a nemocní s vyšší hmotností mají menší výskyt akutních nežádoucích účinků. Závažnější stádia nemoci bývají doprovázena nižší mírou vedlejších příznaků. K jejich zvýšení dochází při zanedbání titrace, podávání nalačno, u žen, v lehčích stadiích nemoci a také u vaskulárních demencí, rizikem je rovněž současné podávání léků blokujících jaterní metabolizmus IChE.

Dlouhodobá fáze léčby
V této fázi se nežádoucí a vedlejší účinky liší pro jednotlivé IChE. Liší se tím, že se na jejich výskytu uplatňuje kromě centrální i periferní cholinergní aktivita, významný vliv má také blokáda jednotlivých izoforem cholinesteráz, především G1, G2 a G4. Jednotlivé izoformy se liší chemickou stavbou a topografickým rozmístěním v CNS i na periferii. Nejdůležitější je blokáda izoformy G1. Ta se nachází v kortexu, hypokampu a amygdale, tedy v těch oblastech CNS, které jsou pro rozvoj AD nejdůležitější. Masivní blokáda je terapeuticky žádoucí, má ale za následek vyšší četnost gastrointestinálních nežádoucích účinků v akutní fázi léčby, zejména při rychlém zvyšování dávky. Méně specifický terapeutický efekt má blokáda G4 izoformy. Ta se díky vyššímu zastoupení v medulla oblongata, mozkovém kmeni a nucleus caudatus uplatňuje rovněž v ovlivnění spánku, na vzniku možných kardiovaskulárních nežádoucích účinků a případně extrapyramidových efektů. G2 forma je lokalizována převážně periferně. Vliv na kognitivní funkce je relativně malý, negativně se může uplatnit v rozvoji nežádoucích muskulárních účinků.

Farmakokinetické a farmakodynamické problémy při léčbě inhibitory cholinesteráz
Nemocní s AD jsou většinou vyššího věku a mají často ještě další chronické nemoci, hlavně tělesné. Také dochází k lékovým interakcím, protože nemocní užívají řadu léků rozdílných farmakologických vlastností. Např. donepezil může způsobit metabolické interakce, ale má vhodně dlouhý poločas, tudíž poskytuje dobrou stabilitu hladin. U galantaminu se také uvádějí metabolické interakce, má kratší poločas, tudíž kolísání hladin. Užívají se inhibitory CYP 450 a induktory tohoto enzymu. Při léčbě IChE dochází k posílení cholinergního přenosu nejen v klinicky žádoucích, ale i v dalších oblastech CNS a periferních orgánech. U kardiovaskulárního ústrojí může dojít k bradyarytmii, v gastrointestinálním traktu k nauzee, dyspepsii a průjmu. V respiračním systému může dojít k bronchokonstrikci. I přes tato rizika jsou IChE léky bezpečné, je však důležité léčbu monitorovat, protože každý pacient se s ní vypořádá jinak.

Biologické monitorování
S cholinesterázou také souvisí biologické monitorování, což je stanovení sledované chemické škodliviny nebo jejích metabolitů přímo v organismu. K vyšetření se používá moč, stolice, vydechovaný vzduch, vlasy nebo sliny. Stanovovaná látka se nazývá biomarker expozice. Chemická škodlivina může narušit normální biochemické pochody v organismu a to se projeví změnou hladin fyziologicky se vyskytujících látek v moči nebo krvi. Příkladem je právě cholinesteráza, která je zodpovědná za přenos nervových vzruchů. Pokud se člověk setká s organofosfátovými insekticidy, vede to k inhibici a poklesu aktivity cholinesterázy.

Metody analýzy
S biologickým materiálem se často provádí extrakce, nakoncentrování a převedení na snáze analyzovatelnou formu. Vzorky na analýzu kovů se před měřením mineralizují. Využívá se metod chromatografických a to hlavně plynové chromatografie s univerzálním plamenoionizačním detektorem, případně se selektivním detektorem pro dusíkaté látky nebo detektorem elektronového záchytu pro sloučeniny s atomy halogenů a HPLC s UV detektorem. Pro stanovení kovů se využívá AAS a hmotnostní spektrometrie.