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Electrospinning is an advanced method for the generation of polymer-based fibers. This fabrication technique has gained great interest in the biomedical field in recent years due to its straightforward application and significant versatility of the resulting fiber mats. The process is carried out by dissolving a (biologically or synthetically derived) polymer or a combination of several polymers in a suitable inorganic or organic solvent and transferring these solutions into a syringe with a needle tip as a spinneret. The power source is connected to the syringe tip, allowing for the application of a high voltage to the polymer solution, and a metallic collector, often a rotating drum cylinder on which the yielded polymer fibers are deposited. The usual fiber diameters range between nano- and micrometers. The yielded fiber mats have distinct characteristics, such as a large surface area, mechanical stability, and good encapsulation efficiency. Therefore, the fiber mats can be used as a topical dosage form for a multitude of diseases (e.g., conjunctivitis, keratitis), as they can be easily applied on or into the human body to release the drug for a prolonged period of time. In addition, the fibers exhibit a high degree of resemblance with the human extracellular matrix, which consists predominantly of collagen fibrils. Therefore, the obtained fiber mats can also be employed as innovative substrates for the cultivation of cells. As a result, electrospinning is suitable for a wide range of applications in the biomedical context, specifically for the targeted, topical delivery of bioactives and also as a cell culture substrate for the cultivation of cells in an enhanced in vivo relevant situation.
One objective of this work was the development and characterization of drug-loaded electrospun fibers for application to the inflamed and infected eye to complement the existing therapy of eye drops as well as systemic administration of anti-infectives. In particular, the focus of the project was the development of ocular implants to treat a herpes simplex infection affecting the human cornea. Additionally, electrospun fibers, which immediately dissolve in the tear fluid upon application and prolong the contact time of the bioactives at the eye, were developed as a topical dosage form to treat bacterial conjunctivitis. An additional objective of this work was the development of electrospun fiber mats as an innovative substrate for the cultivation of human induced pluripotent stem cells to mimic the human blood-brain barrier in vitro. The final objective of the present work was establishing an analytical concept for the comprehensive characterization of electrospun fibers to obtain a greater comparability and reproducibility of data and results from different laboratories.
Herpes simplex keratitis is a viral disease of the cornea that can potentially lead to blindness. This disease commonly occurs after corneal transplantation. As the cornea is the most transplanted tissue worldwide, the incidence of this disease varies from 4.9% to 12.6% (high- and low-income countries). The current therapy involves the application of eye drops as many as six times a day, and in severe cases, the systemic use of antiviral agents is necessary but can cause serious side effects (e.g., renal failure). To prevent the occurrence of herpes simplex keratitis after transplantation, a biodegradable electrospun nanofiber mat with a sustained release of acyclovir was established. The rational development of the fibers was facilitated by correlating the surface wettability with the release kinetics of the individual polymers, which allowed for the successful generation of fiber mats releasing the bioactive acyclovir over three weeks. The molecularly dispersed drug is present as an amorphous solid dispersion within the PLGA-based polymer matrix. Evaluating the cell viability in in vitro models proved that neither acyclovir nor the polymers or the generated fiber mats caused any cytotoxicity. The mechanical stability of the fiber mats was evaluated to ensure adequate handling of the fibers during implantation. The findings demonstrated that the fiber mats exhibit direction-independent mechanical properties, and their mechanical load-bearing capacity is greater than that of an excised human cornea. As a result, the fiber mats are suitable for surgical implantation into the anterior chamber of the eye. An in vitro model of human keratinocytes was infected with herpes simplex virus to demonstrate the antiviral efficacy of the electrospun fiber mats. Immunostaining for two specific viral proteins demonstrated the spread of infection in the model. Hereby, it was found that the placebo- and drug-loaded fibers significantly slowed the spread of infection, which was quantified by plaque assay determination. This experiment revealed that the electrospun fibers exert a synergistic antiviral effect by simultaneously releasing acyclovir, which is a virustatic agent that inhibits the replication of the virus in infected cells, and adsorbing released viral particles onto the surface of the polymer fibers. This reduces the overall burden of released viral particles, which is associated with the severity of the infection outbreak. Thus, with the aid of electrospinning, an ocular implant was successfully generated, which is biodegradable over time and significantly reduces the viral particle burden in vitro. Hence, the fibers represent a potential alternative for the prevention of herpes simplex keratitis after corneal transplantation...
Redox homeostasis must be kept in balance for an intact redox signaling, which is necessary to control neuronal pathways such as growth cone pathfinding, synaptic plasticity and transmission (Oswald, Garnham, Sweeney, & Landgraf, 2018).
Nucleoredoxin (NXN) is an oxidoreductase and thioredoxin-like protein holding two conserved cysteine residues in its structure (Funato & Miki, 2007), which are essential for its redox-regulating functionality. The function of NXN in neurons is still less well studied. But the expression of NXN in neurons, which was confirmed through analyzing adult NXN-LacZ reporter mice, suggested a dominant functional role in neuronal pathways. Initial experiments revealed calcium-calmodulin-dependent kinase 2 a (Camk2a) as a potential interaction partner through a Yeast-2-Hybrid screen (not shown) which is the major protein to induce synaptic plasticity during neuronal activity. Therefore, neuronal expression of NXN and the potential interaction with Camk2a prompted us to investigate deeper into the neuronal pathway. The goal of this work was to confirm the interaction of Camk2a and NXN with further experiments and to characterize behavior of mice carrying a neuronal NXN deletion. To achieve a pan-neuronal depletion of NXN expression in our mouse model, we used the Cre/loxP system with a NestinCre driver. We did not achieve the expected complete deletion of NXN due to unknown compensatory mechanisms. Nevertheless, the partial deletion of NXN in our transgenic mouse model prevented embryonic lethality as occurring in complete NXN knockout mice (Funato et al., 2010). The interaction of Camk2a and NXN was confirmed through proximity ligation assay (PLA) and immunofluorescence staining of primary cortical neurons.
Investigations of the functional interaction revealed a lower redox-sensitivity of Camk2a activity in NXN-deficient brain samples. Additionally, the respiratory activity was significantly reduced in mitochondria of NXN deficient mouse brain pointing to possible dysfunctional mitochondria which is also observed in various neurodegenerative diseases, e.g.: Alzheimer, Parkinson, and Huntington disease (Norat et al., 2020). Unexpectedly, behavioral studies revealed only a subtle effect of the pan-neuronal NXN-deficiency. Significant differences between genotypes were found at the reduction of exploratory behavior and a reduced motivation for the voluntary wheel running in NesNXN-/- mice, which is normally seen as a joyful and rewarding activity. The observed behavior of NesNXN-/- mice potentially results from interaction mechanisms of NXN with Camk2a, as well as decreased oxidation of
Camk2a and further unidentified target proteins of NXN.
Conclusively, function of NXN was revealed as a non-essential redox modulator of Camk2a in neurons. The behavioral phenotype of NesNXN-/- mice is probably compensated through unknown mechanisms. Redox signaling of Camk2a in neurons is regulated through various components such as TXN or GSH, which can backup each other (Branco et al., 2017; Ren et al., 2017). NXN is an additional but not essential regulator.
Nukleäre Rezeptoren (NRs) sind ligandenaktivierte Transkriptionsfaktoren, die an der Regulation unzähliger (patho-)physiologischer Prozesse im Körper beteiligt sind, wodurch sie interessante therapeutische Zielstrukturen darstellen. Unter ihnen zählen die PPARs (α, γ und δ) zur Hälfte der gut erforschten NRs. Sie haben als Lipidsensoren vor allem metabolische Funktionen und ihre synthetischen Liganden sind als Arzneistoffe zugelassen, sind anderen Therapieoptionen jedoch aufgrund geringerer Wirksamkeit und klassenspezifischer Nebenwirkungen unterlegen. Daher ist der Bedarf an neuen Konzepten zur selektiven Modulation der PPARs groß. Den gut studierten NRs gegenüber steht die andere Hälfte der NRs, deren Funktionen noch nicht umfassend verstanden sind. Nurr1 ist ein solcher NR, dem großes therapeutisches Potential bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Parkinson, Alzheimer-Demenz und Multipler Sklerose zugeschrieben wird. Der konstitutiv aktive NR wird hauptsächlich im ZNS, und dort vor allem in dopaminergen Neuronen, exprimiert, wo er neuroprotektive und anti-entzündliche Effekte vermittelt. Trotz der jüngsten Erkenntnisse zu potenziellen endogenen Liganden der direkten Interaktion der Nurr1-Ligandbindedomäne (LBD) mit kleinen, wirkstoffartigen Molekülen, mangelt es an geeigneten chemischen Tools, um die Nurr1-Modulation als neues therapeutisches Konzept zu validieren. Ziel dieser Arbeit war daher die Identifikation, Entwicklung und Charakterisierung neuer tool compounds für die PPARs und Nurr1.
Das Konzept der Photopharmakologie eröffnet neue Möglichkeiten in der zeitlichen und räumlichen Kontrolle biologischer Effekte. Mit Hilfe computergestützten Designs wurden aus dem PPARγ-Agonist Rosiglitazon und dem pan-PPAR-Agonist GL479 Azobenzen-basierte photoschaltbare PPAR-Agonisten entwickelt und optimiert. Das Rosiglitazon-Azolog 36 wurde durch terminale Erweiterung als cis-präferenzieller selektiver PPARγ-Agonist erhalten, der durch Licht aktiviert werden konnte. Aus GL479 ging zum einen 38 als hochpotenter und selektiver PPARα-Agonist hervor, der in seiner trans-Konfiguration 35-mal potenter war als das entsprechende cis-Isomer. Zum anderen wurde ein dualer trans-präferenzieller PPARα- und -δ-Agonist (41) entwickelt. In einem eigens etablierten Fluoreszenz-Reportergenassay konnte durch die neuen photopharmakologischen Tools die PPAR-Aktivität in lebenden Zellen im zeitlichen Verlauf kontrolliert werden.
Auch die Identifikation und Charakterisierung endogener Liganden ist von großer Relevanz für die Modulation von NRs. Mit der Entdeckung der PPARγ-Aktivierung durch Garcinolsäure (48), einem Vitamin-E-Metaboliten, konnte ein neuer Aktivierungsmechanismus aufgedeckt werden, der ein besonderes Co-Regulator-Interaktionsprofil umfasst. Eine Co-Kristallstruktur der PPARγ-LBD im Komplex mit 48 zeigte, dass 48 sowohl die orthosterische als auch eine neue allosterische Bindestelle adressiert. Eine Genexpressionsanalyse in humanen Hepatozyten zeigte, dass sich dieser besondere Aktivierungsmechanismus von 48 auch in einer differenzierten Modulation der PPARγ-regulierten Genexpression widerspiegelte, woraus sich mögliche therapeutische Anwendungen für eine selektiv allosterische PPAR-Modulation ableiten lassen.
Der erste Ansatz zur Suche nach Nurr1-Modulatoren als tool compounds war von den Prostaglandinen A1 und A2 als potenziellen endogenen Nurr1-Liganden inspiriert. Da diese Entzündungsmediatoren durch Aktivität der Cyclooxygenasen (COX) 1 und 2 entstehen, entstand die Hypothese, dass synthetische COX-Inhibitoren, auch bekannt als nichtsteroidale Antirheumatika (NSARs), Nurr1 modulieren könnten. Dies konnte in einem Screening von 39 strukturell diversen NSARs im Gal4-Nurr1-Reportergenassay bestätigt werden. Mit Meclofenaminsäure als differenziellem Nurr1-Modulator sowie Oxaprozin und Parecoxib als den ersten inversen Nurr1-Agonisten konnte dabei außerdem gezeigt werden, dass die hohe konstitutive Nurr1-Aktivität bidirektional moduliert werden kann, und dass sowohl das Co-Regulator-Rekrutierungsprofil als auch das Dimerisierungsverhalten an der Vermittlung von Nurr1-Ligand-Effekten entscheidend beteiligt sind.
Die zweite Strategie beruhte auf den alten Antimalariawirkstoffen Amodiaquin (19) und Chloroquin (25), die zuvor als moderate Nurr1-Agonisten (EC50 Nurr1: 36 µM (19), 47 µM (25)) identifiziert wurden, aber aufgrund zahlreicher unspezifischer Effekte für den breiten Einsatz als tool compounds für Nurr1 ungeeignet sind. Eine Evaluation der einzelnen Strukturmerkmale dieses Chemotyps zeigte, dass das gemeinsame 7-Chlorochinolin-4-amin Grundgerüst ausreichend ist, um Nurr1 zu aktivieren (EC50 Nurr1: 259 µM). Basierend auf dieser Erkenntnis gingen durch gezielte Strukturmodifikationen dieses Grundgerüstes die Nurr1-Agonisten 71 und 73 hervor (EC50 Nurr1: 7,3 µM (71), 17 µM (73)), die die Leitstrukturen in ihrer Potenz übertrafen...
Die Beteiligung an Schlüsselfunktionen in zellulären Signalwegen macht Kinasen zu einem vielversprechenden Ansatzpunkt in der Wirkstoffentwicklung bei verschiedenen menschlichen Erkrankungen wie z.B. Krebs oder auch Autoimmun- und Entzündungskrankheiten. Die Prävention von post-translationalen Modifikationen durch Phosphorylierung und somit die Regulierung der nachgeschalteten Signalwege ist das Ziel von Kinaseinhibitoren. Die katalytische Aktivität von Kinasen ist abhängig von ATP, welches im hochkonservierten aktiven Zentrum bindet. Bedingt durch diese kinomweite hohe Konservierung stellt die Entwicklung von hoch selektiven ATP-mimetischen Inhibitoren eine Herausforderung dar. Typische ATP-Mimetika sind flach und die oft hydrophoben Moleküle weisen meist eine große Zahl an frei rotierbaren Bindungen auf. Um das aus dieser Flexibilität hervorgehende Problem der teils mangelnden Selektivität zu umgehen, kann eine bioaktive Konformation des Inhibitors durch Makrozyklisierung fixiert werden. Als Konsequenz dieser konformationellen Einschränkung können die entropischen Kosten während des Bindens reduziert werden und folglich zu einer gesteigerten Affinität gegenüber der Kinase führen.
Der Grundstein dieser Arbeit war der makrozyklische Pyrazolo[1,5-a]pyrimidin basierte FLT3 Kinaseinhibitor ODS2004070 (37). Im Rahmen eines kinomweiten Screenings konnten hohe Affinitäten zu verschiedensten Kinasen detektiert werden, was 37 zu einer guten Leitstruktur für das Design von potenten und selektiven Kinaseinhibitoren machte. Im Rahmen dieser Arbeit blieb das literaturbekannte Pyrazolo[1,5-a]pyrimidin basierte ATP-mimetische Bindemotiv sowie das makrozyklische Grundgerüst 37 bis auf einige wenige Variation unverändert.
Strukturelle Optimierungen zur Fokussierung der Selektivität wurden am sekundären Amin zwischen Bindemotiv und Linker als auch über die freie Carbonsäure durchgeführt. Mit einer Anzahl von mehr als 430 identifizierten Phosphorylierungsstellen ist die pleiotropisch und konstitutiv aktive Casein Kinase 2 (CK2) an verschiedensten zellulären Prozessen wie dem Verlauf des Zellzyklus, der Apoptose oder der Transkription regulatorisch beteiligt. Die Fehlregulation von CK2 wird häufig mit der Pathologie von Krankheiten wie zum Beispiel Krebs assoziiert, was CK2 zu einem vielversprechenden Ziel klinischer Untersuchungen macht.
Im Rahmen des CK2-Projekts war es möglich, durch spezifische Modifikationen an 37, die hoch selektiven und potenten CK2-Inhibitoren 47 und 60 zu entwickeln. Ebenfalls gezeigt wurde, dass kleine strukturelle Veränderungen, wie z.B. Makrozyklisierung, einen signifikanten Effekt auf Selektivität und Potenz des Inhibitors haben kann.
Weiter Untersuchungen der Verbindungen lenkten den Fokus weiterer Arbeiten u.a. auf die Serin/Threonin Kinase 17A (STK17A) oder auch death-associated protein kinase-related apoptosis-inducing protein kinase 1 (DRAK1) genannt. Sie ist Teil der DAPK Familie und gehört zusammen mit anderen Kinasen zu den weniger erforschten Kinasen. Bis heute ist nicht viel über ihre zellulären Funktionen und die Beteiligung an pathophysiologischen Prozessen bekannt. Berichtet wurde jedoch eine Überexpression in verschiedenen Formen von Hirntumoren des zentralen Nervensystems (Gliom). Strukturelle Modifikationen, unter Erhalt des makrozyklischen Grundgerüsts 37, führten zu dem hoch selektiven und potenten DRAK1 Inhibitor 121, der alle Kriterien für eine chemical probe Verbindung erfüllt.
Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die AP-2-assoziierte Protein Kinase 1 (AAK1) aus der NAK Familie, bestehend aus AAK1, BIKE und GAK. Sie ist als potenzielles therapeutisches Ziel für viele verschieden Krankheiten wie z.B. neuropathische Schmerzen, Schizophrenie und Parkinson identifiziert. Durch die Regulierung der Clathrin-mediierten Endozytose ist AAK1 an intrazellulären Bewegungen verschiedener nicht zusammenhängenden RNS- und DNSViren, wie beispielsweise HCV, DENV oder EBOV, beteiligt. Ebenfalls berichtet wurde eine mögliche Assoziation mit dem SARS-CoV-2 Virus, was das Interesse an neuen selektiven AAK1 Inhibitoren verstärkte. Die Entwicklung der hochpotenten und selektiven AAK1 Inhibitoren 61 und 63 basierte ebenfalls auf dem makrozyklischen Grundgerüst 37, das bereits im CK2- und DRAK1-Projekt verwendet wurde.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es im Rahmen dieser Arbeit gelungen ist, ausgehend von einem höchst unselektiven makrozyklischen Grundgerüst, hochpotente und selektive Kinaseinhibitoren für CK2, DRAK1 und AAK1 zu entwickeln und zu charakterisieren. Im Zuge von Untersuchungen verschiedener Struktur-Wirkungsbeziehungen wurde gezeigt, dass es durch geringfügige strukturelle Modifikationen möglich ist, die kinomweite Selektivität zu variieren und auf eine Kinase zu fokussieren. Diese Arbeit brachte nicht nur die erwähnten Inhibitoren hervor, sondern bildet auch die Grundlage für weitere Projekte zur Entwicklung von hoch potenten und selektiven Verbindungen als potenzielle chemische Werkzeuge für den Einsatz in der Forschung.
Alzheimer’s disease (AD) is the major cause of dementia. It is characterized by the accumulation of abnormal proteins (amyloid-β plaque and neurofibrillary tangles) leading to loss of synapses, dendrites, neurons, memory and cognition. Sporadic late-onset AD is the major type of AD characterized by unclear etiology and a lack of disease-modifying therapy. To understand this disease, an alternative AD hypothesis has been proposed: AD may resemble diabetes in the brain or “diabetes type 3”. This hypothesis is supported by the fact that (1) brain glucose hypometabolism precedes AD clinical symptoms and (2) diabetes increases the risk of AD. To test this hypothesis, wild-type rats receiving intracerebroventricular administration of streptozotocin (icv-STZ) were used as a model. Streptozotocin (STZ) is a glucosamine-nitrosourea compound commonly used to induce experimental diabetes by peripheral administration. A similar pathological mechanism to peripheral STZ is then proposed to explain icv-STZ toxicity: insulin receptor signaling impairment results in glucose hypometabolism leading to cognitive deficits.
Objective: Icv-STZ model seems promising as a toxin-induced, non-transgenic AD model with the possibility to connect AD and diabetes mellitus (DM), one of the risk factors for AD. However, the mechanisms of how icv-STZ induced AD-like symptoms are unclear. Therefore, using microdialysis as the main technique, we tested 2 AD hypotheses in this model: (1) the glucose hypometabolism as an alternative AD hypothesis and (2) the cholinergic deficit as an important characteristic of AD pathology. Hippocampus was chosen because cholinergic function in this region is severely affected in AD. In comparison, the striatum was chosen because it contains cholinergic interneurons and is less affected in AD.
Methods: In this study, we used male Wistar rats of 190-220 g body weight (5 weeks of age). The rats were injected intracerebrally with STZ at a dose of 3 mg/kg (2x1.5 mg/kg; „high dose“) and 0.6 mg/kg („low dose“) with saline as control. After 21 days, samples were collected to investigate cholinergic and metabolic changes using histology, biochemistry, and neurochemistry. Brain injury was confirmed using GFAP staining and Fluoro jade staining in the hippocampus. Mitochondrial toxicity was investigated by measurement of mitochondrial
respiratory function in both hippocampus and striatum. Cholinergic markers such as acetylcholinesterase (AChE) activity, choline acetyltransferase (ChAT) activity, and choline transporter (CHT-1) activity, commonly known as high-affinity choline uptake (HACU), were measured in both hippocampus and striatum using a spectrophotometer and a scintillator.
Microdialysis is the main technique in our study. It was done in awake animals under behavioral or pharmacological stimulation. We used a self-built probe with a semi-permeable membrane (pore size of 30 kDa) that was implanted in either hippocampus or striatum. The probes were then perfused with artificial cerebrospinal fluid (aCSF) supplemented with 0.1 μM neostigmine for extracellular acetylcholine level measurement. During the perfusion, small hydrophilic compounds from brain extracellular space diffuse into the dialysates. Dialysates of 15 minutes intervals were collected for 90 minutes and used for analysis. After collection of dialysates for the first 90 minutes (basal data), rats were moved to an open field box (35x32x20 cm) for behavioral stimulation. After collection of the second 90 minute dialysates, the rats were transferred back to the microdialysis cage and dialysates were collected for another 90 minutes. On day 2, after collection of dialysates under basal conditions, 1 μM scopolamine was added to the perfusion solution for stimulation of acetylcholine release. The dialysates were also collected for 90 min followed by another 90 min of dialysis without scopolamine. The microdialysate samples were then analyzed as follows. ACh level was measured by HPLC-ECD. Glucose metabolites (glucose, lactate, pyruvate) were measured by a CMA-600 microanalyzer. An alternative energy metabolite (beta-hydroxybutyrate/BHB) was measured by GC-MS. Choline and glycerol as membrane breakdown markers were also measured by HPLC-ECD and CMA-600 microanalyzer, respectively. Markers of oxidative stress (isoprostanes) were measured using a commercially available ELISA kit.
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Die Superfamilie der nukleären Rezeptoren umfasst 48 ligandenabhänige Transkriptionsfaktoren, die durch Veränderungen in der Genexpression unterschiedlichste (patho-)physiologische Vorgänge wie Metabolismus, Entzündungen und Zelldifferenzierung beeinflussen.
Für die Vertreter der Retinoid X Rezeptoren (RXRs) und Peroxisomen Proliferator-aktivierten Rezeptoren (PPARs) wurden in den letzten Jahren vielversprechende Effekte auf neurodegenerative Erkrankungen berichtet. Beide Rezeptorklassen beeinflussen u.a. Bildung, Transport und Abbau des neurotoxischen Amyloid-β, das als eine der Ursachen für die Entstehung einer Alzheimer Demenz (AD) vermutet wird. Außerdem gibt es Hinweise darauf, dass durch gezielte Modulation der RXRs (besonders RXRγ) eine Remyelinisierung auto-immun demyelinisierter Neurone und damit eine regenerative Therapie für die Multiple Sklerose (MS) möglich sein könnte. Die aktuell zur Verfügung stehenden Liganden der RXRs besitzen unzureichende Subtypenselektivität und meist unvorteilhafte physikochemische Eigenschaften, die der weiteren Erforschung im Wege stehen. Um diese Hindernisse zu überwinden, sollten im Rahmen dieser Arbeit neuartige RXR-Agonisten synthetisiert und umfassend charakterisiert werden.
Ein kürzlich publizierter RXR-Agonist besitzt eine ungewöhnlich lineare Biphenylgrundstruktur und offenbart ein attraktives Aktivitätsprofil: Während alle drei RXR-Subtypen mit einem ähnlichen EC50-Wert (RXRα/β/γ = 12/12/14 µM) adressiert werden, führt die Bindung an RXRα nur zu einer minimalen Aktivierung (max. 5-fache Aktivierung im Vergleich zur Grundaktivität), während RXRβ und γ deutlich stärker aktiviert werden (60-70-fache Aktivierung). Da für diesen Chemotyp bislang noch keine systematischen Studien vorlagen, wurden seine Struktur-Wirkungs-Beziehungen (SAR) erforscht. Durch Synthese und in vitro Charakterisierung von 24 Derivaten konnten sowohl selektivitäts- als auch potenzfördernde Strukturmerkmale identifiziert werden, die sich auch kombinieren ließen. Es wurden ein RXRβ-selektives Derivat, mehrere RXRα/β-präferierende Analoga und ein potentes Derivat mit annähernd 100-fach gesteigerter Potenz ((EC50(RXRα/β/γ) = 0,08/0,15/0,22 µM) erhalten. Im Zuge der Charakterisierung wurden außerdem strukturelle Variationen identifiziert, die eine Umgehung des LXR/RXR-Heterodimers ermöglichen könnten. Zusätzlich gelang die Kristallisation der Ligandbindedomäne (LBD) von RXRα im Komplex mit dem potentesten Vertreter der Serie und offenbarte Potential für weitere Optimierungen, u.a. der Möglichkeit eine kovalente Bindung mit Cys432 zu etablieren und damit eine weitere Potenzsteigerung zu erreichen.
Neben der mangelnden Subtypenpräferenz behindern auch die ungünstigen physikochemischen Eigenschaften von RXR-Liganden die weitere Entwicklung von RXR-basierten Therapieoptionen. Deshalb sollte eine neue Leitstruktur mit überlegenen physikochemischen Eigenschaften identifiziert und durch systematische SAR-Untersuchungen weiterentwickelt werden. Für den experimentellen Wirkstoff Wy14,643, einem dualen Agonisten an PPARα und γ, wurden im Laufe der letzten vier Jahrzehnte wiederholt Effekte patentiert, die sich mit dem bislang bekannten Aktivitätsprofil nicht erklären ließen. Er zeigte u.a. in einem Tiermodell der MS einen immunmodulierenden Effekt und reduzierte in vitro die Bildung von Amyloid-β.Im Rahmen dieser Arbeit konnte Wy14,643 als potenter RXR-Agonist (EC50 (PPARα/γ/δ) = 36/54/- µM¸ EC50(RXRα/β/γ) = 9,1/13/31 µM) mit überlegenen physikochemischen Eigenschaften (z.B. Löslichkeit in Wasser = 48,6 mg/L) identifiziert und dadurch dessen Wirkungen erklärt werden.
Wy14,643 wurde als Startpunkt einer systematischen Untersuchung der Ligand-Rezeptor-Interaktionen sowohl an den PPARs und den RXRs ausgewählt. Dabei wurden ein potenter selektiver PPAR-Agonist und ein potenter und ausgeglichener panRXR/panPPAR-Agonist erhalten. Der panRXR/panPPAR-Agonist konnte im Komplex mit der LBD von PPARγ kristallisiert werden, wo der Ligand gleich doppelt gebunden vorliegt. Eines der Moleküle bindet in einer alternativen Bindungstasche. Diese Erkenntnis könnte die Grundlage für die Entwicklung einer neuen Klasse von PPARγ-Modulatoren legen.
Durch Kombination des erlangten SAR-Wissens wurde ein selektiver RXR-Agonist (EC50 (PPARα/γ/δ) = -/-/- µM¸ EC50(RXRα/β/γ) = 0,09/0,14/0,36 µM) mit annähernd 100-fach gesteigerter Potenz synthetisiert, der die günstigen physikochemischen Eigenschaften der Leitstruktur erhalten konnte (Löslichkeit in Wasser = 14,3 mg/L). Mit diesem Profil ist es gelungen einen RXR-Agonisten zu kreieren, der dem bisherigen Goldstandard Bexaroten bei vergleichbarer Potenz in physikochemischen Eigenschaften überlegen ist.
Die Kristallstruktur des RXR-selektiven Derivats im Komplex mit der LBD von RXRα zeigte einen orthosterischen Bindemodus und legte weitere Optimierungen nahe: So gibt es sowohl ungenutzten Raum, der zukünftig durch strukturbasierte Substitutionen adressiert werden könnte, als auch die Möglichkeit eine kovalente Bindung zum Rezeptor (Cys432) zu initiieren. Durch diese Arbeit konnten nicht nur eine Reihe von potenten RXR-Liganden identifiziert werden, durch die Entwicklung eines Sets aus PPAR-selektiven, dual PPAR/RXR-aktiven und RXR-selektiven Derivaten gleichen Chemotyps, entstand auch ein nützliches pharmakologisches Werkzeug zur weiteren Entschlüsselung des Zusammenspiels dieser Rezeptoren.
Die systematische Entwicklung einer Leitstruktur, wie sie in den vorangegangenen Projekten praktiziert wurde, kann je nach deren Komplexität eine kostenintensive und synthetisch anspruchsvolle Aufgabe darstellen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine computergestützte Optimierung einer Leitstruktur als Teil einer selektiven Optimierung von Nebenaktivitäten (SOSA) etabliert, um den präparativen Aufwand der Strukturoptimierung zu reduzieren. Als Modellsubstanz wurde das Fettsäuremimetikum Cinalukast ausgewählt, das einen potenten Cysteinylleukotrienrezeptor 1 (CysLT1R)-Antagonisten darstellt, für den eine schwache Aktivität an PPARα entdeckt wurde. Ein automatisierter Arbeitsablauf testete eine virtuelle Bibliothek von annähernd 8000 Cinalukastanaloga auf ihre PPARα-Aktivität und die Derivate mit der besten vorhergesagten PPARα-Aktivität wurden durch maschinelles Lernen nach ihrem CysLT1R-Antagonismus klassifiziert. Die Synthese und Charakterisierung eines virtuell bevorzugten Derivats zeigte selektiven PPARα-Agonismus und konnte so den computergestützten Arbeitsablauf als wertvolles Instrument zur Optimierung von Fettsäuremimetika bestätigten.
Die vorliegende Arbeit hat bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung von zwei neuen Chemotypen als RXR-Liganden erreicht. Die Klasse der Biphenyl-Analoga kann als Ausgangspunkt für eine weitere Entwicklung von subtypenselektiven RXR-Agonisten dienen und könnte gleichzeitig die gezielte Umgehung einzelner Heterodimere ermöglichen. Das Set aus drei Derivaten von Wy14,643 mit identischem Chemotyp, aber drastisch unterschiedlichen Aktivitätsprofilen an den PPARs und RXRs ermöglicht eine intensive pharmakologische Untersuchung der beiden Rezeptorfamilien und deren Zusammenspiel. Außerdem entstand aus dieser Klasse einer der zurzeit fortschrittlichsten RXR-Agonisten. Zukünftig kann außerdem der im Zuge der Arbeit etablierte computergestützte Arbeitsablauf die Optimierung von Fettsäuremimetika deutlich beschleunigen.
Nukleäre Rezeptoren sind ligandenaktivierte Transkriptionsfaktoren, die das pharmazeutische Interesse als Zielstrukturen für antientzündliche Wirkstoffe und andere Indikationen erwecken. Entzündungen werden durch Noxen physikalischer, chemischer oder mikrobiologischer Art hervorgerufen. Dabei reagiert das geschädigte Gewebe mit zahlreichen Vorgängen, die vaskuläre und zelluläre Reaktionen mit Immunantworten verknüpfen und nach der Wiederherstellung des ursprünglichen Zustands streben. Bei andauernder Wirkung können Entzündungen jedoch in einen schädlichen Prozess umschlagen, sodass in solchen Fällen eine therapeutische Intervention Notwendigkeit erlangt. Ziel dieser Arbeit war es deshalb, neue Liganden nukleärer Rezeptoren als Kandidaten für antientzündliche Wirkstoffe zu identifizieren.
Leber X Rezeptoren (LXRs) sind Zielstrukturen für entzündliche und neurodegenerative Erkrankungen mit antiphlogistischem Potenzial. Zur Identifikation neuer LXR-Liganden wurde eine Datenbank mit zugelassenen Wirkstoffen mithilfe einer selbstorganisierenden Karte (SOM) auf Interaktion mit LXR gescreent. Die Retinoid X Rezeptor (RXR)-Agonisten Alitretinoin (37) und Bexaroten (38) konnten in der anschließenden in vitro Charakterisierung als potente duale LXRalpha/LXRbeta-Partialagonisten mit moderater Aktivierungseffizienz bestätigt werden. Während 37 und 38 synthetische LXR-Vollagonisten partiell antagonisierten, führten sie mit dem endogenen Partialagonisten 22(R)-Hydroxycholesterol (4) zur additiven Aktivierung von LXR. Die Charakterisierung von Alitretinoin (37) und Bexaroten (38) als duale LXR/RXR-Agonisten liefert nicht nur eine weitere Erklärung für in klinischen Studien beobachtete Nebenwirkungen, sondern könnte auch den Startpunkt zur Entwicklung neuer antientzündlicher LXR- und dualer LXR/RXR-Liganden bieten.
Der Peroxisomen Proliferator-aktivierte Rezeptor (PPAR) gamma ist ein nukleärer Rezeptor, der neben der Steigerung der Insulinsensitivität auch antientzündliche Effekte aufweist. Auf Grundlage seiner Y-förmigen und fettsäuremimetischen Struktur konnte das Urikosurikum Lesinurad (47) als PPARgamma-Partialagonist in vitro charakterisiert werden. Im Gegensatz zu PPARgamma-Vollagonisten wie Pioglitazon (31) oder Rosiglitazon (32) induzierte 47 nicht die Differenzierung muriner 3T3-L1 Zellen in reife Adipozyten, aber erhöhte in der humanen Leberzellkarzinomzelllinie HepG2 die Expression von Genen, welche die Insulinsensitivität und den Fettsäureabbau steigern könnten. Folglich erwies sich Lesinurad (47), das bei der Pharmakotherapie von Gicht Anwendung findet, als selektiver PPARgamma-Modulator (sPPARgammaM) ohne adipogene Nebenwirkungen. Insbesondere Patienten mit Komorbiditäten wie Diabetes mellitus Typ 2 oder anderen Erkrankungen des metabolischen Syndroms könnten von einer Behandlung mit 47 profitieren. Inwiefern PPARgamma an der Auflösung von Entzündungen bei Gicht beteiligt ist, bleibt in zukünftigen Studien zu klären.
Synthetische RXR-Agonisten haben ein vielversprechendes Potenzial zur Behandlung entzündlicher neurodegenerativer Erkrankungen, das jedoch von nachteiligen Eigenschaften dieser Rexinoide beeinträchtigt wird. Durch ein pharmakophorbasiertes Screening einer fokussierten Substanzbibliothek aus Fettsäuremimetika konnte ein fortschrittliches RXR-Ligandgerüst identifiziert werden. Eine geeignete Synthesestrategie wurde etabliert und die Leitstrukturen durch systematisches Studium der Struktur-Wirkungsbeziehung (SAR) optimiert. In vitro Experimente wie Reportergenassays und die Quantifizierung der Zielgenexpression bestätigten die RXR-partialagonistische Aktivität der dabei entwickelten nanomolaren Verbindung 89. Mit seiner hohen Selektivität, gesteigerten wässrigen Löslichkeit sowie reduzierter Lipophilie und Toxizität könnte 89 die Probleme bisheriger synthetischer RXR-Agonisten überwinden. Seine Präferenz von RXRgamma hinsichtlich der Aktivierungseffizienz könnte richtungsweisend für die Entwicklung subtypselektiver Liganden sein.
Die nichtalkoholische Steatohepatitis (NASH) ist eine Leberentzündung, die aus einer Steatose hervorgehen kann und deren multifaktorielle Natur eine hohe therapeutische Effizienz erfordert. Diese könnte durch duale Modulation der nukleären Rezeptoren Farnesoid X Rezeptor (FXR) und PPARdelta mit antientzündlichen Eigenschaften und unterschiedlichem Wirkprinzip erreicht werden. Zur Validierung dieses Ansatzes mit synergistischem Potenzial sollten duale PPARdelta/FXR-Agonisten ausgehend von einer in früheren Studien des Arbeitskreises identifizierten Leitstruktur mit moderater Potenz entwickelt werden. Dazu wurde ein fünfstufiges Verfahren zur Synthese von Derivaten der Leitstruktur erarbeitet und die Derivate hinsichtlich ihrer Aktivität auf den Zielstrukturen in vitro evaluiert. In systematischen SAR-Studien wurden dabei Strukturmotive charakterisiert, welche die Wirksamkeit und Maximalaktivierung auf PPARdelta und FXR steigerten. Darüber hinaus konnten Modifikationen identifiziert werden, welche eine Selektivität über PPARalpha und PPARgamma gewährten. Die Kombination dieser vorteilhaften Gruppen und Substituenten könnte neue Wirkstoffkandidaten zur Behandlung von NASH hervorbringen.
Insgesamt wurden in dieser Arbeit zahlreiche Wirkstoffe und Wirkstoffkandidaten erfolgreich als Liganden nukleärer Rezeptoren mit antientzündlichem Potenzial identifiziert. Alitretinoin (37) und Bexaroten (38) können als Leitstruktur zur Entwicklung neuer selektiver LXR- oder dualer LXR/RXR-Agonisten dienen. Die PPARgamma-partialagonistische Aktivität von Lesinurad (47) könnte einen Fortschritt in der Therapie von Gicht mit metabolischen Begleiterkrankungen bewirken. Zudem könnten im Zuge dieser Arbeit synthetisierte Serien von RXR- und dualen PPARdelta/FXR-Partialagonisten neue Therapieoptionen bei neurodegenerativen Erkrankungen oder NASH ermöglichen.
The liver as the biggest endocrine gland of the human body plays a central role in many metabolic pathways such as detoxification, storage of carbohydrates and distribution of lipids. As the liver receives blood supply from the gut by the portal vein, liver cells are often challenged with high concentrations of nutrients and components of our commensal microbiota. Therefore, the immune system of the liver induces a tolerant state, meaning no or low inflammatory reactions to those constant stimuli. Yet, as various pathogens target the liver, the hepatic immune system also needs the capability to induce strong immune responses quickly. Chronical damage to the liver, which can be caused by alcohol, pathogens or toxins, might lead to liver cirrhosis, where the amount of functional liver tissue is decreased dramatically. This pathology can worsen and lead to acute-on-chronic liver failure, whose high mortality is due to high inflammation and multi-organ failure. Interleukin-7 is a cytokine known for its pro-survival functions especially in lymphopoiesis. However, it is also very important for maintenance of mature immune cells in the liver. As mouse experiments have demonstrated an induction of Interleukin-7 in the liver as a response to bacterial lipopolysaccharide, we aimed to characterize the role of Interleukin-7 in hepatic immunoregulation in both health and disease.
The experiments were mostly based on in vitro approaches. Induction of Interleukin-7 in liver cells was analyzed using ELISA, quantitative PCR, and Immunoblotting. Knockdown of signal transduction components was performed by siRNA transfection. Primary immune cells isolated from healthy donor buffy coat were studied for their ability to respond to Interleukin-7. Activation of downstream signal transduction was assessed by Immunoblotting. Functional consequences of Interleukin-7 signaling, such as alterations in cellular metabolism, cellular survival and endotoxin tolerance, were studied in monocyte-derived macrophages. Finally, serum concentrations of Interleukin-7 and frequencies of Interleukin-7 receptor positive immune cells were quantified in patients with compensated or decompensated liver cirrhosis or acute-on-chronic liver failure.
Interleukin-7 expression could be observed in human hepatic cell lines and primary hepatic sinusoidal endothelial cells when stimulated with IFNα or IFNγ, but not IFNλ. IRF-1 was identified as a key regulator of Interleukin-7 expression, as its transcription, translation and nuclear translocation were induced and enhanced upon IFNα or IFNγ, but not IFNλ treatment. We identified LPS-primed macrophages as innate immune target cells of Interleukin-7, which responded by an inhibitory phosphorylation of GSK3. This signal transduction led to enhanced production of pro-inflammatory cytokines and abolished endotoxin tolerance. In parallel, cellular fitness was reduced as demonstrated by reduced intracellular ATP concentration and intracellular WST-1 staining. Finally, we could identify components of the in vitro signal transduction also in liver cirrhosis patients. However, Interleukin-7 serum concentrations were significantly in liver cirrhosis patients compared to healthy controls. In addition, the frequencies of Interleukin-7 receptor positive immune cell populations differed in patients and controls.
We identify Interleukin-7 as a pro-inflammatory cytokine in hepatic immunoregulation. It is part of a cascade where its induction is regulated by type I and type II Interferons and mainly restricted by the presence of IRF1. We demonstrate the importance of Interleukin-7 also for innate immune cells, where the abolishment of endotoxin tolerance may provide an interesting strategy of liver cirrhosis patients. In addition, reduced viability of macrophages in response to Interleukin-7 is a striking contrast to the well-described survival functions in lymphocytes. The decrease of serum Interleukin-7 levels and alterations of Interleukin-7 receptor positive immune cell populations suggest an important role for Interleukin-7 also in the diseased liver. Due to the identified mechanisms of action, Interleukin-7 may be an interesting candidate for immunotherapeutic approaches of liver cirrhosis and acute-on-chronic liver failure.
Der Name Histamin hat seinen Ursprung aus dem griechischen Wort "histos" (Gewebe) und spielt auf sein breites Spektrum an Aktivitäten, sowohl unter physiologischen als auch unter pathophysiologischen Bedingungen an. Histamin ist eines der Moleküle mit welchem man sich im letzten Jahrhundert am intensivsten beschäftigt hat.
Im Jahr 1907 wurde das Histamin erstmals synthetisiert. Drei Jahre später gelang es, dieses Monoamin erstmals aus dem Mutterkornpilz Claviceps purpurea zu isolieren. Weitere 17 Jahre vergingen, ehe Best et al. Histamin aus der humanen Leber und der humanen Lunge isolieren konnten. Best konnte somit beweisen, dass dieses biogene Amin einen natürlichen Bestandteil des menschlichen Körpers darstellt. Nach der Entdeckung wurden dem Histamin mehrere Effekte zugeschrieben. Dale et al. beobachteten, dass Histamin einen stimulierenden Effekt auf die glatte Muskulatur des Darms und des Respirationstraktes hat, stimulierend auf die Herzkontraktion wirkt, Vasodepression und ein schockähnliches Syndrom verursacht.
Popielski demonstrierte, dass Histamin dosisabhängig einen stimulierenden Effekt auf die Magensäuresekretion von Hunden hat. Lewis wiederum beschrieb erstmals, dass Histamin einen Effekt auf der Haut hervorruft. Dies zeigte sich durch verschiedene Merkmale, wie geröteter Bereich aufgrund der Vasodilatation und Quaddeln aufgrund der erhöhten Gefäßpermeabilität. Des Weiteren wurde Histamin eine mediatorische Eigenschaft bei anaphylaktischen und allergischen Reaktionen zugeschrieben. Zusätzlich spielt das biogene Amin eine entscheidende Rolle im zentralen Nervensystem (ZNS), unter anderem beim Lernen, bei der Erinnerung, beim Appetit und beim Schlaf-Wach-Rhythmus. Von den zahlreichen physiologischen Effekten des Histamins ist seine Rolle bei Entzündungsprozessen, der Magensäuresekretion und als Neurotransmitter am besten verstanden.