Einfluss von Methotrexat auf den Homocysteinstoffwechsel

Abstract

Der Folsäureantagonist Methotrexat (MTX) wird zur Behandlung rheumatoider und onkologischer Erkrankungen eingesetzt. Hochdosiertes MTX (> 1 g/m², HDMTX) mit anschließendem Calciumfolinat-Rescue wird heute insbesondere zur Therapie von Osteosarkomen, primären Lymphomen des zentralen Nervensystems (PZNSL) und der akuten lymphatischen Leukämie (ALL) verabreicht. Die Hochdosis-Chemotherapie mit MTX konnte die Prognosen dieser malignen Erkrankungen entscheidend verbessern, brachte andererseits aber auch ein hohes Maß an akut und chronisch auftretenden neurotoxischen Symptomen mit sich. Die Genese der MTX-induzierten Neurotoxizität ist im Wesentlichen unklar. Es gibt allerdings Hinweise, dass der Interaktion von MTX mit dem Homocysteinstoffwechsel eine größere Rolle bei der Entstehung der Neurotoxizität zukommen könnte. <br /> Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, welchen Einfluss die hochdosierte Gabe von intravenös und/oder intraventrikulär verabreichtem MTX auf den Homocysteinstoffwechsel ausübt. Hierzu wurden unter anderem Homocystein, sowie deren exzitatorischen Metaboliten - Homocysteinsulfinsäure (HCSA) und Homocysteinsulfonsäure (HCA) bzw. Cysteinsulfinsäure (CSA) und Cysteinsulfonsäure (CA) - mittels einer neu entwickelten HPLC- und einer neu entwickelten kapillarelektrophoretischen Methode in Plasma- bzw. Liquorproben von Tumorpatienten bestimmt, die unter einer Chemotherapie mit MTX standen. All diese genannten Substanzen sind potentiell neurotoxisch und daher als Auslöser für MTX-induzierte neurologische Komplikationen diskutiert worden. <br /> Untersuchungen an insgesamt 116 pädiatrischen ALL-Patienten zeigten, dass die häufig angewendete Kombination aus intravenös (2,5-5 g/m², HDMTX) und intrathekal verabreichtem MTX (8-12 mg, ITMTX) einen raschen Anstieg der Plasma-Homocystein­konzen­trationen hervorruft. Bereits 18 Stunden nach Ende der 24-stündigen MTX-Infusionen (kurz vor Beginn der Rescue-Therapie mit Calciumfolinat) wurden annähernd doppelt so hohe Homocystein­konzentrationen im Plasma ermittelt wie vor MTX-Gabe, der Unterschied war höchstsignifikant. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass die wiederholte Exposition mit MTX die Plasma-Homocysteinkonzentrationen ähnlich stark ansteigen lässt und -entgegen bisheriger Vermutungen - keine adaptiven Mechanismen zum Tragen kommen, die diesen unerwünschten Effekt einer hochdosierten MTX-Therapie abschwächen könnten. Ähnlich umfassende Untersuchungen zu dieser Thematik sind bislang nicht durchgeführt worden. <br /> Detaillierte Untersuchungen, die an vier erwachsenen PZNSL-Patienten durchgeführt wurden, lieferten vor allem Informationen darüber, welche biochemischen Veränderungen MTX im Liquor hervorrufen kann. Anhand des Kollektivs der PZNSL-Patienten wurde erstmals gezeigt, dass eine einzige Gabe von intravenös (HDMTX) oder intraventrikulär appliziertem MTX (ICVMTX) einen deutlichen Anstieg der Homocysteinkonzentration im Liquor bewirken kann. 24 Stunden nach HDMTX (3-5 g/m²) bzw. ICVMTX (3 mg) wurden ungefähr dreifach erhöhte Homocystein­konzentrationen ermittelt. Darüber hinaus konnte demonstriert werden, dass drei - im zeitlichen Abstand von jeweils einem Tag - aufeinander folgende intraventrikuläre Instillationen von MTX mit einer besonders ausgeprägten Erhöhung der Liquor-Homocysteinkonzentrationen einhergingen. <br /> Weiterhin wurde eindeutig gezeigt, dass HDMTX bzw. ICVMTX auch eine Akkumulation von HCSA im Liquor bedingen kann. HCSA ist normalerweise nicht im Liquor nachweisbar und steht im Verdacht, an der Entstehung neurodegenerativer Erkrankungen beteiligt zu sein. <br /> Ob Homocystein und HCSA Biomarker für akut bzw. subakut auftretende Symptome der MTX-induzierten Neurotoxizität darstellen und/oder prädiktiv für neurologische Spätfolgen einer MTX-haltigen Chemotherapie sind, müssen weitere prospektiv angelegte Studien an großen Patientenkollektiven zeigen.

<strong>Influence of Methotrexate on the Metabolism of Homocysteine: Studies with Leukemia and Lymphoma patients</strong><br /> Methotrexate (MTX) is an antifolate drug which is widely used in the treatment of rheumatoid and malignant diseases. High-dose methotrexate (> 1 g/m², HDMTX) followed by calcium folinate rescue is particularly used in the therapy of osteogenic sarcomas, primary lymphomas of the central nervous system (PCNSL) and acute lymphoblastic leukemias (ALL). This treatment modality was shown to significantly improve the prognoses of these malignant diseases. However, HDMTX is also associated with a high rate of acute and chronic neurotoxicity. The pathogenesis of MTX-induced neurotoxicity remains unclear but there are indications that the interference of MTX with the metabolism of homocysteine could be partly responsible for at least some symptoms of neurotoxicity. <br /> In this work the influence of intravenously administered HDMTX and/or intracerebroventricularly administered MTX (ICVMTX) on the metabolism of homocysteine was investigated. Therefore, homocysteine and its excitatoric metabolites - homocysteine sulfinic acid (HCSA), homocysteic acid (HCA), cysteine sulfinic acid (CSA), and cysteine sulfonic acid (CA) - were determined with a newly developed HPLC and a newly developed capillary electrophoresis method in plasma and cerebrospinal fluid (CSF) samples of patients receiving MTX for the treatment of cancer. All of these substances are considered to be neurotoxic and hence discussed as mediators of MTX-induced neurotoxicity. <br /> Studies with 116 pediatric ALL patients revealed that the combination of HDMTX (2.5-5 g/m²) and ICVMTX (8-12 mg), which is frequently administered to PCNSL patients, induces a rapid increase of plasma homocysteine concentrations. As soon as 18 hours after the end of the 24 hour lasting MTX infusion (shortly before starting rescue therapy with calcium folinate) plasma homocysteine concentrations were approximately twice as high as before the infusion of MTX, the difference was highly significant. It could be further shown that the repeated exposition with MTX led to comparably high concentrations of homocysteine in plasma and – in contrast to past assumptions – that there are no adaptive mechanisms which could attenuate this undesired side effect of HDMTX therapy. Similar comprehensive investigations on this topic have not been accomplished so far. <br /> Detailed investigations, which were accomplished with four PCNSL patients, provided particular insights which biochemical changes can occur in the CSF. In the PCNSL patients it was shown for the first time that levels of homocysteine in CSF were strongly elevated by only one dose of HD- or ICVMTX: 24 hours after HDMTX (3-5 g/m²) or ICVMTX (3 mg) concentrations of homocysteine were approximately three times higher than before the start of the therapy. Furthermore, it could be demonstrated that three subsequent doses of intracerebroventricularly administered MTX were accompanied by extremely high CSF concentrations of homocysteine. <br /> In addition, it was shown that both HDMTX and ICVMTX can cause an accumulation of HCSA in the CSF. HCSA is normally not present in the CSF and considered to be involved in the development of neurodegenerative diseases. <br /> Whether homocysteine or HCSA are biomarkers for acute and/or subacute neurotoxic symptoms and whether they are predisposing for neurological sequelae has to be demonstrated in further studies with a large number of patients.