Cholinergics and 
Anti‐cholinergics

PHL-358-PHARMACOLOGY AND THERAPEUTICS-I

Mr. D.Raju, M.pharm,
Lecturer

Cholinergic Drugs

• Parasympathomimetics or cholinomimetics
• Stimulate parasympathetic nervous system in 
same manner as does acetylcholine

• May stimulate cholinergic receptors directly or 
slow acetylcholine metabolism at synapses 
(affect the enzyme acetylcholinesterase)

Cholinergic Drugs

• Useful in treating Alzheimer’s Disease, 
Myasthenia gravis and to tx atony of the 
smooth muscle of the GI system or urinary 
system

Cholinergic Drugs

• Normal neuromuscular function, acetylcholine 
binds to nicotinic receptors on cell 
membranes of muscle cells to cause 
contraction

• Myasthenia gravis autoantibodies presumably 
destroy nicotinic receptors; thus, acetylcholine 
less able to stimulate muscle contraction. 
Results in severe muscle weakness.

Cholinergic Drugs

• Acetylcholine important neurotransmitter affecting 
cognitive functioning, memory storage and retrieval

• In Alzheimer’s disease (AD), abnormalities of the 
cholinergic, serotonergic, noradrenergic, and 
glutaminergic neurotransmission systems

• In cholinergic system, patient with AD found to have 
loss of neurons that secrete acetylcholine

Cholinergic Drugs—GI effects

• Acetylcholine stimulates cholinergic receptors 
in the gut to promote normal secretory and 
motor activity

• Cholinergic activity in the gut will increase 
peristalsis and facilitates movement of flatus 
and feces

• The secretory functions of the salivary and 
gastric glands also stimulated

Cholinergic Drugs—GU effects

• Acetylcholine stimulates cholinergic receptors 
in the urinary system to promote urination

• Results in contraction of the detrusor muscle 
and relaxation of the urinary sphincter to 
facilitate emptying of the urinary bladder

Acetylcholine

• One of the main neurotransmitters of the ANS 
is acetylcholine

• Acetylcholine is released at preganglionic 
fibers of both the sympathetic and 
parasympathetic nervous system

• Also released from postganglionic sympathetic 
neurons that innervate the sweat glands and 
from motor neurons that innervate the 
skeletal muscles

Acetylcholine

• Sympathetic and parasympathetic divisions of 
the ANS are antagonistic to each other

• When acetylcholine acts on body cells that 
respond to parasympathetic stimulation, it 
interacts with two types of cholinergic 
receptors: nicotinic and muscarinic

Acetylcholine

• Nicotinic receptors are located in motor 
nerves and skeletal muscle

• Stimulation results in muscle contraction

Acetylcholine

• Muscarinic receptors are located in most 
internal organs. This includes the 
cardiovascular, respiratory, gastrointestinal, 
and genitourinary. Stimulation of the 
muscarinic receptors may result in either 
excitation or inhibition, depending on the 
organ involved.

Mechanisms of Action—
Direct Acting 
Cholinergics

• Direct acting cholinergics are lipid insoluble
• Do not readily enter the CNS so effects are 
peripheral

• Resistant to metabolism by 
acetylcholinesterase

• Effects are longer acting than with 
acetylcholine

Direct Acting Cholinergic 
Drugs cont.

• Widespread systemic effects when they 
combine with muscarinic receptors in cardiac 
muscle, smooth muscle, exocrine glands and 
the eye

Direct‐acting Cholinergic 
Drugs
Effects

• Decreased heart rate, vasodilation, variable BP 
effects

• Increased tone and contractility in GI smooth 
muscle, relaxation of sphincters, increased 
salivary gland and GI secretions

• Increased tone and contractility of smooth 
muscle in urinary bladder and relaxation of 
the sphincter

Direct Acting Cholinergic 
Drugs cont.

• Increased tone and contractility of bronchial 
smooth muscle

• Increased respiratory secretions
• Constriction of pupils (miosis) and contraction 
of ciliary muscle

Direct Acting Cholinergics

• Bethanecol (Urecholine)—given orally. Not 
given IM or IV. 

• Used to treat urinary retention due to bladder 
atony and for postoperative abdominal 
distention due to paralytic ileus

Indirect‐Acting 
Cholinergic Drugs

• Action is by decreasing the inactivation of 
acetylcholine in the synapse by the enzyme 
acetylcholinesterase

• Accumulation of acetylcholine then occurs 
which enhances the activation of the nicotinic 
and muscarinic receptors

Indirect‐Acting or 
Anticholinesterase Drugs 

cont.
• Anticholinesterase drugs are either reversible 
or irreversible inhibitors of 
acetylcholinesterase

• Reversible agents are such drugs 
as:edrophodium (Tensilon). Used to diagnose 
myasthenia gravis and for reversal of non‐
depolarizing neuromuscular blockers

Indirect‐acting agents cont.

• Neostigmine (Prostigmine)—prototype 
anticholinesterase agent. Used for long‐term 
tx of myasthenia gravis and as an antidote for 
tubocurarine and other non‐depolarizing 
agents in surgery. 

• Poorly absorbed orally so requires larger doses 
than when given parenterally.

• Can develop resistance to its action over time

Indirect Acting Agents

• Pyridostigmine (Mestinon) is the maintenance 
drug of choice for patients with Myasthenia 
gravis. Slow release. 

Indirect Acting—
Reversible cont.

• Physostigmine (Antilirium)—only 
anticholinesterase capable of crossing the 
blood brain barrier. Is more lipid soluble. Used 
as an antidote for overdosage of 
anticholinergics such as: atropine, 
antihistamines, TCA, phenothiazines. May also 
be used in tx of glaucoma.

Indirect Acting Agents 
used to treat 

Alzheimer’s disease
• Donepezil (Aricept)—said to delay progression of the 
disease by up to 55 weeks. Does not cause liver 
toxicity.

• Galantamine (Reminyl)—newest kid on the block
• Rivastigmine (Exelon) long acting. Twice a day dosing. 
• Tacrine (Cognex)—hepatoxic. Elevated liver enzymes 
usu. Within 18 wks. > in women.

Specific Conditions

• Distinction between cholinergic crisis and a 
myasthenic crisis

• Difficult to ascertain as both are characterized 
by respiratory difficulty or failure

• Need to distinguish as require opposite 
treatment measures

Specific Conditions—Cholinergic 
vs. Myasthenic Crisis

• Myasthenic crisis requires more anticholinesterase 
drug whereas cholinergic crisis requires 
discontinuation of the anticholinesterase drugs

• Diagnosis can be made by evaluating patient patient 
response to their medication (s/s one hour after 
medication often is cholinergic crisis, s/s 3 or more 
hours after medication often is myasthenic crisis

Myasthenia Gravis

• If s/s not clearly indicative of the problem, 
may have to intubate patient, inject dose of IV 
edrophonium. If dramatic improvement in 
breathing, diagnosis is myasthenic crisis. If 
edrophonium makes s/s worse, the diagnosis 
is cholinergic crisis. Patient must be intubated 
and assisted with mechanical ventilation to 
perform this test.

Toxicity of Cholinergic Drugs

• Atropine is the specific antidote to cholinergic 
agents

• Atropine reverses only the muscarinic effects 
of cholinergic drugs; heart, smooth muscle, 
and glands.

• Atropine cannot reverse the nicotinic effects 
of skeletal muscle weakness or paralysis due 
to overdose of indirect cholinergic drugs.

Toxicity of Irreversible 
Anticholinesterase Agents

• These agents are lipid soluble
• Can enter the body by the eye,skin, 
respiratory system and GI tract.

• Case in point, organophosphate insecticides 
(malathion, parathion) or nerve gases (sarin, 
tabun, soman)

• These agents cause excessive cholinergic 
stimulation (muscarinic) and neuromuscular 
blockade

Anticholinergics

• Also called cholinergic blocking agents or 
parasympatholytics

• Again, focus is on the parasympathetic 
nervous system

• Parasympathetic system acts as a resting and 
reparative function

• Functions include digestion, excretion, cardiac 
decelertion, anabolism and near vision

Parasympathetic Nervous System

• 75% of all parasympathetic nerve fibers are in 
the vagus nerves

• These nerves supply the thoracic and 
abdominal organs, which innervate the heart, 
lungs, esophagus, stomach, small intestine, 
proximal half of the colon, liver , gallbladder, 
pancreas and upper portions of the ureters

Parasympathetic Nervous System

• Also supply the muscles of the eyes, lacrimal, 
nasal, submaxillary, and parotid glands; 
descending colon and rectum; lower portions 
of the ureters, bladder and genitalia

• All are regulated by acetylcholine—exerts 
excitatory effects at nerve synapses and 
neuromuscular junctions; and inhibitory 
effects at peripheral sites e.g. heart

Anticholinergics

• Most anticholinergic drugs interact with the 
muscarinic receptors in the brain, secretory 
glands, heart, and smooth muscle

• A few can also affect the nicotinic receptors. 
Glycopyrrolate (Robinul) is an example

Mechanism of Action and Effects

• Act by occupying receptor sites at 
parasympathetic nerve endings, thereby 
leaving fewer receptor sites free to respond to 
acetylcholine

• Distribution of receptors is broad so effects of 
anticholinergics will be diffuse.

Effects on Body Tissues

1. CNS stimulation followed by depression, can 
result in coma and death (atropine, 
antiparkinson’s)

2. Decreased cardiovascular response to vagal 
stimulation resulting in tachycardia. 
Increases vagal tone. Ex. Atropine.

3. Bronchodilation and decreased respiratory 
tract secretions. 

Effects on Body Tissues

• Antispasmotics of GI tract due to decreased 
tone and motility. 

• Mydriasis and cyclopegia. Normally do not 
increase IOP but caution as can precipitate 
acute glaucoma.

• Can cause decreased oral secretions, 
decreased sweating, relaxation of urinary 
bladder

Indications for Use

• Uses include GI, GU, ophthalmic and 
respiratory disorders, bradycardia and in 
Parkinson’s disease.

• Used preoperatively

Use In GI Disorders

• Helpful in treating irritable colon or colitis
• Useful in gastritis, pylorospasm and ulcerative 
colitis as they slow motility

Use in GU disorders

• Antispasmotic effects seen in overactive 
bladder and in urinary incontinence

Ophthalmology

• Mydriatic and cycloplegia for examinations 
and surgery

Respiratory

• In bronchospasm whether related to asthma 
or COPD

• Atrovent very useful for its bronchodilating 
effects

Cardiology

• Atropine is used to increase heart rate in 
symptomatic bradycardias and higher blocks

Parkinson’s Disease

• Useful in those with minimal side effects
• Those who cannot take Levodopa
• Helpful in decreasing salivation, spasticity and 
tremors

Preop

• Help prevent vagal stimulation and potential 
bradycardia

• Reduce respiratory secretions as well

Contraindications

• BPH
• Myasthenia gravis
• Hyperthyroidism
• Glaucoma
• Tachydysrhythmias
• Not in situations whereby delaying of gastric 
emptying is a concern 

Individual Anticholinergic Drugs

• Atropine—prototype. Antidote. Belladonna alkaloid.
• Ipratropium (Atrovent). Useful in rhinorrhea. Also 
excellent bronchodilator.

• Scopolamine, similar to atropine. Depresses CNS and 
causes amnesia, drowsiness, euphoria, relaxation 
and sleep. Also good for motion sickness. Given 
parenterally, orally and transdermally.

Centrally Acting 
Anticholinergics

• Benztropine (Cogentin)—temporary use in 
Parkinson’s disease. Useful for dystonic 
reactions caused by antipsychotics. 

• Trihexyphenidyl (Trihexy)—also used for txing 
EPS by some antipsychotics. Contraindicated 
in glaucoma. 

Urinary Antispasmotics

• Flavoxate (Urispas)—relieves dysuria, urgency, 
frequency, and pain with GU infections

• Oxybutynin (Ditropan) has direct antispasmodic 
effects on smooth muscle and anticholinergic effects. 
Decreases frequency of voiding.

• Tolterodine (Detrol) is competitive, antimuscuranic 
anticholinergic that inhibits contraction. More 
selective for this area than elsewhere in the body.

Toxicity of Anticholinergics

• Anticholinergic overdose syndrome is 
characterized by: Hyperthermia, delirium, dry 
mouth, tacycardia, ileus, urinary retention. 
Seizures, coma and respiratory arrest may 
occur.

• Tx—activated charcoal, Antilirium, cooling 
agents (ice bags, cooling blankets, tepid 
baths).