Een schilderij van de eerste operatie onder algehele verdoving met ether, in 1846 in Boston.

Hoe veroorzaakt volledige verdoving bewusteloosheid? Medisch mysterie na 175 jaar opgelost

Operatieve ingrepen zijn nu ondenkbaar zonder algehele anesthesie, volledige verdoving, en het is dan ook merkwaardig dat dokters en wetenschappers niet kunnen verklaren door welk mechanisme patiënten onder anesthesie tijdelijk het bewustzijn verliezen, ondanks het feit dat algehele anesthesie al bijna 175 jaar toegepast wordt. Een nieuwe studie van Scripps Research heeft nu een oplossing voor het raadsel gevonden: blootstelling aan anesthesie veroorzaakt een tijdelijke verandering in een opeenhoping van vetten in het celmembraan, wat leidt tot een reeks van gebeurtenissen waardoor de neuronen, de zenuwcellen, niet meer kunnen vuren. En daardoor verliest de patiënt tijdelijk het bewustzijn.

Dankzij moderne microscopische technieken op nanoschaal en vernuftige experimenten in levende cellen en fruitvliegen konden de onderzoekers tonen hoe opeenhopingen van lipiden in het celmembraan dienst doen als een tot nu toe ontbrekende tussenstap in een uit twee delen bestaand mechanisme. Lipiden zijn vetten en het celmembraan is de 'huid' van een cel. 

Een tijdelijke blootstelling aan anesthesie maakt dat die opeenhopingen, clusters, van lipiden van een geordende staat overgaan naar een ongeordende staat, en dan weer terug. Dat leidt tot een heel aantal van verdere effecten die uiteindelijk veranderingen in het bewustzijn veroorzaken. 

De ontdekking door chemicus en dokter Richard Lerner en moleculair bioloog doctor Scott Hansen maakt een einde aan een wetenschappelijk debat dat al een eeuw lang woedt: werken verdovingsmiddelen direct in op ionenkanalen, een soort van poortjes in het celmembraan, of werken ze op het membraan in door cellulaire veranderingen op een nieuwe en onverwachte manier door te geven? 

Het bleek het tweede te zijn, maar het heeft bijna 5 jaar van experimenten, debatteren en uitdagingen gevergd om tot de conclusie te komen dat het een proces in twee stappen is, dat begint in het membraan, zo zeggen de twee onderzoekers. De verdovingsmiddelen verstoren geordende opeenhopingen van lipiden in het celmembraan die bekend staan als 'lipid rafts' (lipide vlotten) om het signaal in gang te zetten. 

De onderzoekers denken overigens dat hun nieuwe bevindingen ook nog andere toepassingen zullen kennen en nieuwe onderzoeksmogelijkheden zullen openen. "We denken dat het weinig twijfel lijdt dat deze nieuwe signaalroute ook gebruikt wordt voor andere hersenfuncties naast het bewustzijn, wat ons nu zal toelaten om vooruitgang te boeken in het oplossen van nog andere raadsels in verband met de hersenen", zei Lerner. 

De 'anesthesiehoek' in een moderne operatiekamer.
Coronation Dental Specialty Group/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0

Ether

Het vermogen van ether om bewustloosheid te veroorzaken werd voor het eerst in praktijk gebracht - na een demonstratie op een student - bij een operatie op een patiënt met een tumor in het Massachusetts General Hospital in Boston in 1846.

Dat gebeurde in een operatiezaal die bekend kwam te staan als de 'Ether Dome' en de procedure had zo'n verstrekkende gevolgen dat ze vereeuwigd werd in een beroemd schilderij 'First Operation Under Ether' door Robert Hinckley (foto bovenaan) en dat ze korte tijd later nagespeeld werd door een aantal mensen om er een daguerrotype van te maken - een vroege vorm van fotografie (zie laatste foto). 

De Duitse farmacoloog Hans Horst Meyer kwam in 1899 terecht tot de conclusie dat de sterkte van een verdovingsmiddel bepaald werd door de oplosbaarheid ervan in vet, en hij werd daarin gevolgd in 1901 door de Britse bioloog Charles Ernest Overton.  

En het was terwijl Hansen een aanvraag voor subsidie aan het invullen was om die historische vraag over de rol van vetten in het proces verder te onderzoeken, dat hij op Google ging zoeken, ervan overtuigd dat hij niet de enige kon zijn die overtuigd was van het feit dat de 'lipid rafts' in het celmembraan daarbij betrokken waren. 

Tot zijn grote vreugde vond hij een illustratie uit een artikel van Lerner dat in 1997 in de Proceedings of the National Academy of Sciences gepubliceerd was, 'A hypothesis about the endogenous analogue of general anesthesia'. Hansen kende Lerner, hij had letterlijk lange tijd naar hem opgekeken, namelijk toen hij als predoctoraal student bij Scripps Research in San Diego in een laboratorium in een kelder werkte met een raam dat uitkeek op de voorbehouden parkeerplaats van Lerner. 

"Ik nam contact met hem op, en ik zei 'Je gaat dit nooit geloven. Jouw illustratie uit 1997 beschreef op een intuïtieve manier wat ik hier en nu in onze gegevens zie'", zei Hansen. "Het was briljant."

Ook voor Lerner was het een opwindend telefoontje. "Dit is het grootste van alle medische mysteries", zo zei hij. "Tijdens mijn medische opleiding in Stanford was dit het probleem dat ik wilde oplossen. Anesthesie was praktisch gezien zo belangrijk, dat ik niet kon geloven dat we niet wisten hoe al deze verdovingsmiddelen ervoor konden zorgen dat mensen het bewustzijn verliezen."

Veel andere wetenschappers hadden al een eeuw lang experimenten uitgevoerd om de antwoorden te vinden, maar ze misten een aantal sleutelelementen, zei Hansen. Ten eerste, microscopen die in staat zijn om biologische complexen te visualiseren die kleiner zijn dan de diffractielimieten van licht, en ten tweede recente inzichten in de aard van celmembranen, en in de complexe organisatie en functie van de grote verscheidenheid aan lipide complexen waaruit de membranen bestaan. 

"Ze hadden gekeken in een hele zee van lipiden, en het signaal werd weggespoeld, ze zagen het gewoon niet, voor een groot deel door een gebrek aan technologie", zei Hansen. 

Een geordende cholesterolcluster (links, cholesterol is een vetachtige stof) in een celmembraan gaat tijdelijk over naar een ongeordende vorm (rechts) als hij wordt blootgesteld aan chloroform, een verdovingsmiddel. Terwijl de lipidecluster zijn inhoud verspreidt, legt de dSTORM-microscoop vast dat hij PLD2-moleculen vrijgeeft. Die veroorzaken een verdere verstoring naarmate ze zich verspreiden en leiden uiteindelijk tot de activering van kaliumkanalen.

Van orde naar wanorde

Een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Hansen baadde cellen in het verdovingsmiddel chloroform en bekeek ze met microscopische technologie die een Nobelprijs had opgeleverd, meer bepaald een microscoop die dSTORM genoemd wordt, wat staat voor 'direct stochastical optical reconstruction microscopy'. Wat hij zag leek op de openingsstoot van een partijtje biljarten. 

Het blootstellen van de cellen aan chloroform vergrootte de diameter en de oppervlakte erg van lipideclusters in het celmembraam die GM1 genoemd worden, zo zei Hansen. Wat de onderzoeker zag was een verschuiving in de organisatie van de GM1-clusters, een verschuiving van een dicht opeengepakte bal naar een verstoorde warboel, zei Hansen. Terwijl het meer en meer ongeordend werd, verspreidde GM1 zijn inhoud, waaronder een enzym dat phospholipase D2 (PLD2) genoemd wordt. 

De onderzoekers merkten PLD2 met een fluorescerende stof en Hansen was in staat om door de dSTORM-microscoop te zien hoe PLD2 zich als een biljartbal weg bewoog van zijn GM1-thuisbasis en overliep naar een andere lipidecluster, PIP2, waarvoor het minder een voorkeur had. Dit activeerde dan weer bepaalde sleutelmoleculen in de PIP2-clusters, waaronder TREK1 kaliumionenkanalen en hun lipide activator, fosfatidinezuur (phosphatidic acid, PA). De activering van TREK1 bevriest in essentie het vermogen van zenuw- of hersencellen om te vuren - om een signaal door te geven -, en leidt zo tot het verliezen van het bewustzijn, zei Hansen.   

"De TREK1 kaliumkanalen geven kalium vrij en dat hyper-polariseert de zenuw - het maakt het moeilijker om te vuren - en dat legt de zenuw gewoon stil", zo zei Hansen. 

Lerner stond erop dat ze bevindingen bevestigden in een levend diermodel en de fruitvlieg Drosophila melanogaster - een van de meest gebruikte proefdieren - leverde die data.  Als de onderzoekers verhinderden dat PLD tot uitdrukking werd gebracht in de vliegen - dat wil zeggen dat de onderzoekers het gen dat codeert voor PLD onklaar maakten zodat het niet aangemaakt werd -, werden de vliegen resistent aan de effecten van verdoving. Ze moesten blootgesteld worden aan een twee keer zo grote dosis van het verdovingsmiddel om dezelfde reactie te verkrijgen. 

"Al de vliegen verloren uiteindelijk het bewustzijn, wat doet veronderstellen dat PLD helpt om een drempel in te stellen maar niet de enige signaalweg is die de gevoeligheid voor anesthesie controleert", zo schrijven de onderzoekers. 

Een daguerreotype van een re-enscenering van de eerste operatie onder volledige verdoving door middel van ether, enkele dagen na de echte operatie in dezelfde operatiezaal.
Public domain

Slaap

Hansen en Lerner zeggen dat de ontdekkingen een resem aanlokkelijke nieuwe mogelijkheden bieden om andere raadsels van de hersenen te kunnen verklaren, onder meer de gebeurtenissen op moleculair niveau die maken dat we in slaap vallen. 

De oorspronkelijke hypothese van Lerner uit 1997 in verband met de rol van 'lipide matrixen' bij het doorgeven van signalen, kwam voort uit zijn onderzoek naar de biochemie van de slaap en zijn ontdekking van een slaapverwekkend lipide dat hij oleamide noemde. 

Hansen en Lerner zetten hun samenwerking op dit gebied intussen voort. "We denken dat dit fundamenteel is en dat hier de grondslagen van iets nieuws worden gelegd, maar er moet nog veel meer werk verricht worden, en dat moet gedaan worden door veel mensen", zei Hansen. 

Lerner is het daar mee eens. "Mensen zullen dit gaan onderzoeken voor alles wat je je kunt voorstellen: slaap, bewustzijn en alle aandoeningen die daarmee verband houden. Ether was een gift die ons helpt het probleem van bewustzijn te begrijpen. Hij heeft licht laten schijnen op een tot hiertoe onbekende signaalroute die de hersenen duidelijk ontwikkeld hebben om functies van een hogere orde te controleren", zo zei hij. 

Het artikel 'Studies on the mechanism of general anesthesia' van Lerner, Hansen en hun collega's bij Scripps Research Mahmud Arif Pavel, E. Nicholas Petersen en Hao Wang is gepubliceerd in PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van Scripps Research.