New Aspects of Cellular Thallium Uptake. Tl⁺-Na⁺-2Cl^–-Cotransport Is the Central Mechanism of Ion Uptake^[*]

Summary

Cellular uptake mechanisms of ²⁰¹T1⁺ were studied in Ehrlich mouse ascites tumor cells. ²⁰¹Tl⁺ passes the cell membrane of tumor cells using three transport systems: the ATPase, the Tl⁺-Na⁺-2Cl⁻-cotransport, and the Ca⁺⁺-dependent ion channel. In the case of ²⁰¹T1⁺ the main route for entering the cells was the cotransport, its importance increasing with the age of the cells; in parallel, the ATPase activity was reduced. In contrast, the transport capacities of the ATPase and the cotransport were of the same magnitude in the case of ⁴²K⁺ and ⁸⁶Rb⁺. This change in ion distribution was not brought about by varying velocity relations but by changing the number of transport systems in the cell membrane. There was no relationship between transport rates and diameters of the ions. ²⁰¹T1⁺ distribution is proportional to that of K⁺ with a higher intracellular concentration of about 30%. Under physiological conditions the cotransport was reversible suggesting the ability to regulate steady state during varying extracellular ion concentrations. Cells and medium were two compartments, kinetically seen. Due to the significant difference of transport capacities between the three systems with the respective ions the term “potassium-thallium-analogy” may be misleading as it erroneously assumes identical uptake conditions.

Zusammenfassung

Die zellulären Aufnahmemechanismen für ²⁰¹T1⁺ wurden an Ehrlich-Maus-Aszites-Tumorzellen untersucht. An diesen Zellen gelangt ²⁰¹T1⁺ über die ATPase, einen Tl⁺ - Na⁺-2Cl⁻-Cotransport und über den Ca⁺⁺-abhängigen Ionenkanal in die Zellen. Quantitativ überwiegt für ²⁰¹T1⁺ der Cotransport, wobei dessen Leistung – reduzierbar mit Furosemid – mit steigendem Zellalter auf Kosten der ATPase zunimmt. Im Gegensatz hierzu liegen die Leistungen der ATPase und des Cotransportes für ⁴²K⁺ und ⁸⁶Rb⁺ in der gleichen Größenordnung. Diese Änderung des Ionentransportes beruht dabei nicht auf einer Änderung der Transportgeschwindigkeiten, sondern auf einer Änderung der Anzahl der einzelnen Transportsysteme in der Zellmembran. Eine Abhängigkeit der Transportraten vom im Kristallgitter gemessenen Ionenradius wurde nicht bestätigt. ²⁰¹T1⁺ verteilt sich proportional der Kaliumverteilung und erreicht intrazellulär eine etwa um 30% höhere Konzentration. Unter physiologischen Bedingungen erwies sich der Cotransport als reversibel und kann somit bei Veränderungen der extrazellulären Ionenkonzentration zu einer neuen Fließgleichgewichtseinstellung beitragen. Vom kinetischen Aspekt her sind Zellen und Medium als ein Zwei- Kompartiment-System anzusehen. Aufgrund des markanten Unterschiedes der Leistungen der einzelnen Transportsysteme bei den entsprechenden Ionen kann der verwendete Begriff der »Kalium-Thallium-Analogie « zu Mißverständnissen führen, da gleichartige Aufnahmebedingungen vorgetäuscht werden.

• REFERENCES

• 1 Bakker-Grunwald T. Movement of thallous ion across the ascites cell membrane. J. Membr. Biol 1979; 47: 171-83.
• 2 Bradley-Moore PR, Lebowitz E, Greene MW, Atkins H. L, Ansari A. N. Thallium-201 for medical use. II.: Biologic behavior. J. nucl. Med 1975; 16: 156-60.
• 3 Britten J. S, Blank M. Thallium activation of the (Na⁺, K⁺) activated ATPase of rabbit kidney. Biochim. biophys. Acta 1968; 15: 160-6.
• 4 Deetjen P. Mikropunktionsuntersuchungen zur Wirkung von Furosemid. Pflügers Arch 1965; 284: 184-90.
• 5 Geck P, Pietrzyk C, Burckhardt B. C, Pfeiffer B, Heinz E. Electrically silent cotransport of Na⁺, K⁺ and Cl⁻ in Ehrlich cells. Biochim. biophys. Acta 1980; 600: 432-47.
• 6 Gehring P. J, Hammond P. B. The interrelationship between thallium and potassium in animals. J. Pharmacol, exp. Ther 1967; 155: 187-201.
• 7 Hamilton G. W, Narahara K. A, Yee H, Ritchie J. L, Williams D. L, Gould K. L. Myocardial imaging with thallium-201: Effect of cardiac drugs on myocardial images and absolute tissue distribution. J. nucl. Med 1978; 19: 10-6.
• 8 Hook J. B, Williamson H. E. Influence of probenecid alterations in acid-base balance on the saluretic activity of furosemide. J. Pharmacol, exp. Ther 1972; 149: 404-8.
• 9 Kotyk A, Janáâek K. Cell Membrane Transport, Principles and Techniques. Plenum Press; New York, London: 1970
• 10 Lebowitz E, Greene M. W, Fairchild R, Bradley-Moore P. R, Atkins H. L, Ansari A. N, Richards R, Belgrave E. Thallium-201 for medical use I. J. nucl. Med 1975; 16: 151-5.
• 11 Mullins L. G, Moore R. D. The movement of thallium ions in muscle. J. gen. Physiol 1960; 43: 759-75.
• 12 Passow H. In: The Red Blood Cell. Bishop C, Surgenor D. M. eds. 113-20 Academic Press; New York: 1964
• 13 Riordan J. R, Passow H. In: Comparative Physiology. Bolis L, Schmidt-Nielson K, Maddrell S. H. P. eds. 543-81 North-Holland Amsterdam; 1973
• 14 Rinck P. A, Beckmann H. O. New aspects of the uptake of thallous ion into myocardial tissue. Europ. J. Radiol 1981; 01: 173-7.
• 15 Sessler MJ. Zellulärer Aufnahmemechanismus und klinische Anwendung von Thallium in der onkologischen Nuklearmedizin. Rita G. Fischer, Frankfurt/ M. 1983
• 16 Skulskii I. A, Mannien V, Jörnefelt I. Interaction of thallium ions with the cation transport mechanism in erythrocytes. Biochim. biophys. Acta 1973; 298: 702-9.
• 17 Weich H. F, Strauss H. W, Pitt B. The extraction of thallium-201 by the myocardium. Circulation 1977; 56: 188.