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Um die Rolle von potentiell schmerzauslösenden Substanzen bei der Entstehung von menschlichem Muskelschmerz und von muskulärer Hyperalgesie zu beurteilen, wurde bei dieser Arbeit das DOMS Muskelschmerzmodell und das hypertone NaCl Muskelschmerzmodell in Kombination mit der Mikrodialysetechnik verwendet. Dabei wurden bei 10 gesunden, untrainierten Probanden metabolische Änderungen im Glucosestoffwechsel (Glucose, Laktat) und Fettstoffwechsel (Glycerol), Änderung der Glutamat Freisetzung und Änderungen von inflammatorischen Mediatoren (PGE2, NO, Substanz P) in den schmerzhaften und in den Kontrollmuskeln untersucht. Studienbegleitend erfolgte zur Beurteilung der Effektivität der Übungen und des dabei entstandenen Muskelschadens die Bestimmung von Serum CK, Serum Laktat, des Muskelumfangs und der Muskeldruckschmerzschwelle (PPT). Die Probanden gaben regelmäßig die Schmerzintensität auf einer visuellen Analogskala (VAS) an. Die DOMS Muskelschmerzen wurden 24 Stunden vor dem Beginn der Mikrodialyse durch konzentrisch/ exzentrische Kontraktionen der Wadenmuskulatur im Verum Bein ausgelöst. Während der Mikrodialyse erfolgte die Schmerzstimulation der Wadenmuskulatur durch Plantar- und Dorsalflexion des Fußes. Die Schmerzauslösung beim hypertonen NaCl Modell geschah während der Mikrodialyse durch sequentielle Injektionen von hypertoner NaCl Lösung ( 5 ∗ 200 µl 5.8% NaCl Lösung in 2 Minuten Intervallen) in den Bizepsmuskel am Oberarm. Die Zuordnung der Behandlung (Verum vs. Kontrollmuskel) erfolgte jeweils nach dem Zufallsprinzip.
Direkt nach den DOMS Übungen kam es zu einem signifikanten Anstieg von Laktat im Serum, nach 24 Stunden zu einem signifikanten Ansteigen der CK Aktivität und einer Zunahme des Muskelumfangs. Mit beiden Modellen konnte zuverlässig ein Muskelschmerz erzeugt werden, wobei die Schmerzintensität bei wiederholter Stimulierung abnahm und dies im DOMS Modell stärker ausgeprägt war. Eine mechanische Hyperalgesie konnte nur an den Waden beobachtet werden, die dort aber beidseitig auftrat und damit eine Art „zentraler Übererregbarkeit“ vermuten lässt. Die Dialysatkonzentrationen von Glutamat, PGE2 und Substanz P zeigten aufgrund der Schmerzstimulation im DOMS Bein einen lokalen Anstieg (Glutamat 125 ± 20 µM [p=0.005], PGE2 239 ± 45 pg/ml, Substanz P 64 ± 11 pg/ml). Dabei traten im Kontrollbein keine signifikanten Änderungen auf. Während der Mikrodialyseperiode war die NO Konzentration im DOMS Bein signifikant geringer als im Kontrollbein (p = 0.02), zeigte dabei aber keine Beeinflussung durch die Schmerzstimulation. Gleichzeitig war dabei die Laktatkonzentration im DOMS Bein im Vergleich zum Kontrollbein erhöht. Die Glucose- und Glycerolkonzentrationen wiesen durch die Schmerzauslösung keine bedeutenden Veränderungen auf.
Im Bizepsmuskel kam es infolge der hypertonen NaCl Injektionen zu einem signifikanten Anstieg der Glutamat Konzentration im Dialysat (50 ± 3 µM, p = 0.003), wobei diese im Kontrollmuskel konstant blieb. Die Injektionen hatten aber keinen Einfluss auf die Werte von Glucose, Laktat, Glycerol, NO, PGE2, des Muskelumfangs und der PPT.
Möglicherweise ist ein inflammatorischer Prozess an den peripheren Mechanismen der Muskelschmerzentstehung beim DOMS Modell beteiligt. Die Injektion von hypertoner NaCl Lösung löst den Muskelschmerz vermutlich direkt durch die hohe extrazelluläre Natrium Konzentration aus, wobei es zu einer Depolarisation der Nozizeptormembran mit einer nachfolgenden Glutamat Freisetzung aus den aktivierten Nozizeptoren kommt. Die Vorteile dieses Modells sind die Wiederholbarkeit und die kurze Dauer des Muskelschmerzes. Die dem ausgelösten Schmerz zugrundeliegenden Mechanismen ähneln jedoch nicht den Mechanismen die dem klinischen Muskelschmerz zugrunde liegen. Deshalb könnte es sein, dass die Bedeutungen der Ergebnisse aus diesem Modell relativ beschränkt sind und die Nützlichkeit insbesondere für pharmakologische Studien damit auch eingeschränkt ist.
Der Neurotransmitter Glutamat ist an den peripheren Mechanismen der Muskelschmerzentstehung beteiligt, da die Glutamat Freisetzung direkt mit dem Muskelschmerz beim DOMS Modell und beim Hypertonen NaCl Modell assoziiert war. Die beim DOMS Modell erhöhten Konzentrationen von Laktat, PGE2, sowie die Änderungen von Substanz P und die erniedrigten NO Konzentrationen könnten auch zu der Entstehung von Muskelschmerz beitragen.
Der beobachtete Rückgang der Schmerzintensität bei wiederholter Stimulierung lässt auf eine Art „Gewöhnung“ schließen, die bei Anwendung des DOMS Modells für pharmakologische Untersuchungen einen Nachteil darstellen könnte.
Slack (sequence like a Ca2+ -activated K + channel; also termed Slo2.2, Kcnt1, or KNa 1.1) is a Na+ -activated K + channel that is highly expressed in the peripheral and central nervous system. Previous studies have shown that Slack is enriched in the isolectin B4binding, non-peptidergic subpopulation of C-fiber sensory neurons and that Slack controls the sensory input in neuropathic pain. Recent single-cell RNA-sequencing studies suggested that Slack is highly co-expressed with transient receptor potential (TRP) ankyrin 1 (TRPA1) in sensory neurons. By using in situ hybridization and immunostaining we confirmed that Slack is highly co-localized with TRPA1 in sensory neurons, but only to a minor extent with TRP vanilloid 1. Mice lacking Slack globally or conditionally in sensory neurons (SNS-Slack─/─ ), but not mice lacking Slack conditionally in neurons of the spinal dorsal horn (Lbx1-Slack─/─ ), displayed increased pain behavior after intraplantar injection of the TRPA1 activator allyl isothiocyanate. Patch-clamp recordings with cultured primary neurons and in a HEK-293 cell line transfected with TRPA1 and Slack revealed that Slack-dependent K + currents are modulated in a TRPA1-dependent manner. Taken together, these findings highlight Slack as a modulator of TRPA1-mediated activation of sensory neurons.
Furthermore, we investigated the contribution of Slack in the spinal dorsal horn to pain processing. Lbx1-Slack ─/─ mice demonstrated normal basal pain sensitivity and Complete Freund’s Adjuvant-induced inflammatory pain. Interestingly, we observed a significantly increased spared nerve injury (SNI)-induced neuropathic pain hypersensitivity in Lbx1-Slack ─/─ mutants compared to control littermates. Moreover, we tested the effects of pharmacological Slack activation in the SNI model. Systemic and intrathecal, but not intraplantar administration of the Slack opener loxapine significantly alleviated SNI-induced hypersensitivity in control mice, but only slightly in Lbx1Slack ─/─ mice, further supporting the inhibitory function of Slack in spinal dorsal horn neurons in neuropathic pain processing.
Altogether, our data suggest that Slack in sensory neurons controls TRPA1-induced pain, whereas Slack in spinal dorsal horn neurons inhibits peripheral nerve injury induced neuropathic pain. These data provide further insights into the molecular mechanisms of pain sensation.
Development of treatment strategies of chronic inflammatory disorders relies on on-going progress in drug discovery approaches and related molecular biologics. This study presents a gene reporter-based approach of phenotypic screening for anti-inflammatory compounds in the context of rheumatoid arthritis (RA).
CEBPD gene, used as the target gene for the screening readout, encodes CCAAT/enhancer binding protein delta (C/EBPδ) transcription factor (TF). Structural and regulatory characteristics of CEBPD gene as well as function of C/EBPδ TF in the context of inflammation satisfied assay requirements. C/EBPδ TF acts as a key regula-tor of inflammatory gene transcription in macrophages (Mϕ) and is observed to con-tribute to disease development in both a rodent model of RA and RA patient biopsies.
Despite well-described pro-inflammatory effects of C/EBPδ TF, it functions as a cell context-specific signal integrator showing also an anti-inflammatory activity. Conse-quently, both activation and inhibition of CEBPD alike may display a desired anti-inflammatory effect. The aim of this study was to develop a high-throughput screening assay for
CEBPD-modulating compounds and confirm hit compounds’ anti-inflammatory effects via gene expression analysis.
Generation and characterization of a multi-gene-reporter cassette 1.0 encoding enzy-matic secreted alkaline phosphatase (SEAP) gene reporter was a priority during the assay development. Chemiluminescent SEAP assay demonstrating high assay sensitivi-ty, broad linear range, high reproducibility and repeatability was chosen to monitor activity of the defined CEBPD promoter (CEBPD::SEAP). PMA-differentiated and M1-polarized THP-1-derived Mϕ stably expressing multi-gene-reporter cassette 1.0 were used as the assay’s cellular system. mRNA expression of both reporter CEBPD::SEAP and endogenous CEBPD mirrored each other in response to a LPS and IFN-g-triggered inflammatory stimulus (M1 treatment), even though the defined CEBPD promoter re-gion, utilized in the assay, contained only the most proximal and known regulatory se-quences. SEAP chemiluminescence in the reporter cells´ supernatant reliably correlat-ed with the M1 treatment-induced CEBPD::SEAP gene expression. The final screening protocol was developed for semi-automatic screening in the 384-well format.
In total, 2054 compounds from LOPAC®1280 and ENZO®774 libraries were screened twice
using the enzymatic SEAP readout with subsequent analysis of 18 selected compounds: nine with the highest and nine with the lowest signals, further characterized by qPCR. Gene expression levels of endogenous CEBPD, CEBPD::SEAP reporter as well as, IL-6,
IL-1β, and CCL2 as inflammatory markers were quantified. qPCR assays failed to corre-late to SEAP readout in 15 compounds within three standard deviations (SDs) from sol-vent control: nine low signal and six high signal compounds. Demonstrating both assay sensitivity and specificity, a correlation between qPCR gene expression and SEAP readout was observed for three hit compounds with signals above three SDs: BET inhib-itors (BETi) GSK 1210151A and Ro 11-1464 as well as an HDAC inhibitor (HDACi) vori-nostat. The control compound trichostatin A (TSA) that reproducibly upregulated SEAP readout is also an HDAC inhibitor with a similar structure to vorinostat and was there-fore included in the anti-inflammatory phenotype analysis.
The observed suppression of IL-6, IL-1ß, and CCL2 gene expression by hit compounds suggested their anti-inflammatory effect in THP-1 reporter Mϕ. mRNA expression of
IL-6 and CCL2 was suppressed by HDACi and BETi at both 4 and 24 hours, while BETi reduced IL-1β mRNA expression 24 hour time point. BETi significantly upregulated gene expression of both reporter CEBPD::SEAP and endogenous CEBPD, 4 hours after M1 treatment. At the same time point, HDACi completely abolished the mRNA expres-sion of the endogenous CEBPD, while simultaneously upregulating mRNA expression of the reporter CEBPD::SEAP. The use of the most proximal 300 base pairs region of en-dogenous CEBPD promoter, making the upstream regulatory elements unavailable in the assay, may account for differential expression levels of SEAP and C/EBPδ TF. This observation corroborated the need to include a longer and more extensive CEBPD´s gene regulatory area. Thus, an improved multi-gene-reporter cassette 2.0 was gener-ated to be used on the basis of a bacterial artificial chromosome (BAC) covering CE-BPD´s genomic area of about 200,000 base pairs.
The generated screening assay is flexible, reliable, and sensitive displaying potential for drug discovery and drug repurposing. The pharmacological modulation of CEBPD gene expression, first reported for GSK 1210151A, Ro 11-1464, and vorinostat, contrib-utes to the understanding of inflammatory responses in Mϕ and may have RA thera-peutic applications.
Type 1 diabetes (T1D) is precipitated by the autoimmune destruction of the insulin-producing beta-cells in the pancreatic islets of Langerhans. Chemokines have been identified as major conductors of the islet infiltration by autoaggressive leukocytes, including antigen-presenting cells and islet autoantigen-specific T cells. We have previously generated a roadmap of the gene expression in the islet microenvironment during T1D in a mouse model and found that most of the chemokine axes are chronically upregulated during T1D. We focused our attention on CXCL10/CXCR3, CCL5/CCR5, CXCL16/CCR6, CX3CL1/CX3CR1, and XCL1/XCR1. First, we found that the absence of CCR6 and of CX3CR1 diminished T1D incidence in a mouse model for T1D. Further, the XCL1/XCR1 chemokine axis is of particular interest, since XCR1 is exclusively expressed on convention dendritic cells type 1 (cDC1) that excel by their high capacity for T cell activation. Here we demonstrate that cDC1 expressing XCR1 are present in and around the islets of patients with T1D and of islet-autoantibody positive individuals. Further, in an inducible mouse model for T1D, we show that XCL1 plays an important role in the attraction of highly potent dendritic cells expressing XCR1 to the islets. XCL1-deficient mice display a diminished infiltration of XCR1+ cDC1 and subsequently also a reduced magnitude and activity of islet autoantigen-specific T cells. XCR1-deficient mice display a reduced magnitude and activity of islet autoantigen-specific T cells. A 3D-visualization of the entire pancreas reveals that both XCL1-deficient mice and XCR1-deficient mice indeed maintain most of their functional islets after induction of the disease. Thus, the absence of XCL1 results in a profound decrease in T1D incidence. The XCR1-deficiency also reduces T1D incidence, even if in a less drastic way compared to XCL1-deficiency. An interference with the XCL1/XCR1 chemokine axis might constitute a novel target for the therapy for T1D.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Anaylsenmethoden zur Quantifizierung von Ceramiden und Prostanoiden in verschiedenen biologischen Matrices unter Verwendung von Nano-LC gekoppelt mit Tandemmassenspektrometrie entwickelt und bei diversen biologischen Fragestellungen angewendet.
Die analytische Methode zu Quantifizierung der Ceramide ermöglichte deren Bestimmung in einem Probenvolumen von 2 μL CSF. Diese neu entwickelte Methode ist die erste publizierte Nano-LC-MS/MS-Methode zur Quantifizierung der Ceramide in biologischen Proben, gleichzeitig ist es auch diejenige analytische Methode mit der höchsten Empfindlichkeit [171]. Die beschriebene Methode umfasste die Substanzen C8:0, C16:0, C18:1, C18:0, C20:0, C24:1 und C24:0 Ceramid, als interner Standard wurde C17:0 Ce-ramid verwendet. Die Probenaufarbeitung bestand in einer einfachen Proteinfällung und Verdünnung mit Methanol, die chromatografische Trennung der Analyten erfolgte mit einer RP-C8 Säule unter Verwendung eines Gradientenprogramms. Die Methode wurde anhand von FDA-Richtlinien bezüglich Linearität, Bestimmungsgrenze, Präzision, Richtigkeit und Autosampler-Stabilität validiert. Die erreichten Bestimmungsgrenzen betrugen 0,225 pg auf der Säule (2,25 pg/μL CSF) für alle Ceramide außer C24:0 Ceramid, für das der Wert von 0,75 pg auf der Säule (7,5 pg/μL CSF) ermittelt wurde. Mit der durchgeführten Validierung wurde die Zuverlässigkeit der Methode für die Quantifizierung der Ceramide in CSF gezeigt. Mit einem Standardadditionsexperiment konnte belegt werden, dass PBS als Ersatzmatrix für CSF geeignet ist und somit die Ergebnisse der Validierung mit dotierten PBS-Proben auf CSF-Proben übertragbar sind. Das entwickelte Verfahren wurde für die Quantifizierung der Analyten in murinen CSF-Proben im Rahmen eines Projekts zur Erforschung der Rolle der Ceramide bei Multipler Sklerose angewendet. Anhand der Ergebnisse wurde die Hypothese bestätigt, dass die Konzentration von C16:0 Ceramid in CSF von EAE-Mäusen erhöht ist.
Die zweite entwickelte Nano-LC-MS/MS-Methode ermöglichte die Quantifizierung der Prostanoide PGE2, PGD2, 6-keto PGF1α, PGF2α und TXB2 in einer geringen Anzahl Immunzellen. Für eine erfolgreiche Bestimmung der Analyt-Konzentrationen waren nur 5.000 T-Zellen oder 40.000 Mastzellen erforderlich. Damit ist die beschriebene Methode geeignet für die Quantifizierung in Zellen, die durch Isolation aus tierischen Geweben oder Organen erhalten werden, ohne dass das Vereinigen mehrerer Proben erforderlich ist. Durch die Messung dieser bestimmten Zellpopulationen kann, im Unterschied zur Vermessung des gesamten Organs, eine differenziertere Analyse der Lokalisation der gemessenen Analyten erfolgen. Mittels der entwickelten Methode konnten die Prostanoide PGE2, PGD2, 6-keto PGF1α, PGF2α und TXB2 quantifiziert werden. Als interner Standard stand für jedes dieser Prostanoide ein vierfach deuteriertes Strukturanalogon zur Verfügung. Die Aufarbeitung der Immunzell-Proben erfolgte durch Flüssig-Flüssig-Extraktion mit Ethylacetat, die Chromatografie wurde mit einer RP-C8-Säule und einem Gradientenprogramm durchgeführt. Eine Validierung erfolgte für die Quantifizierung in T-Lymphozyten und Mastzellen für die Parameter Linearität, Bestimmungsgrenze, Präzision, Richtigkeit, Wiederfindung, Selektivität und Stabilität. Auch ein Standardadditionsexperiment mit beiden Matrices wurde durchgeführt. Die Bestimmungsgrenzen betrugen 75 fg auf der Säule für PGE2 und PGD2 sowie 112,5 fg für 6-keto PGF1α, PGF2α und TXB2, damit zeichnet sich die Methode durch höchste Empfindlichkeit aus. Die Me-thode wurde zur Messung der Prostanoid-Konzentration in T-Zellen, die im Rahmen eines Kontaktallergie-Modells aus dem Blut von unterschiedlich behandelten Mäusen isoliert worden waren, angewendet. Es konnte kein Unterschied in den Prostanoid-Konzentrationen in den T-Zellen sensibilisierter und nicht-sensibilisierter bzw. provozierter und nicht-provozierter Mäuse festgestellt werden. Bei einer zweiten Anwendung wurden die Prostanoide in murinen Mastzellen, die nach Zymosan-Injektion in die Hinterpfote zu verschiedenen Zeitpunkten nach dem Auslösen der Entzündung aus dem entstandenen Ödem isoliert worden waren, gemessen. Zusätzlich für diese Anwendung wurden einige Leukotriene in die Methode integriert. Es wurde festgestellt, dass die Konzentrationen von PGE2, PGD2 und PGF2α in Mastzellen nach der Injektion von Zymosan-Injektion ansteigen, wobei die gemessenen Konzentrationen für PGE2 48 Stunden nach der Injektion verglichen mit denen nach 24 Stunden, bezogen auf die anderen beiden Prostaglandine, am stärksten ansteigen. Außerdem wurde mittels der für die Immunzellen entwickelten Methode die Prostanoide in murinem Urin, humanem Plasma und humaner Tränenflüssigkeit quantifiziert.
Zusammenfassend ermöglichen die entwickelten Methoden die Analyse geringer Ana-lytkonzentrationen in sehr kleinen Probenmengen und damit eine Reduktion von Versuchstierzahlen und Kosten.
Die akute Nierenschädigung ist ein häufiges klinisches Erscheinungsbild, das trotz der heutigen Erkenntnisse über pathophysiologische Abläufe in der Niere mit einer erhöhten Morbidität und Mortalität assoziiert ist. Die eigene Fähigkeit der Niere zur Regeneration stellt ein Potenzial dar, das durch die Unterstützung pro-regenerativer Faktoren das Patientenüberleben verbessern kann. Das Wissen, dass die akute Nierenschädigung ein reversibles Ereignis darstellt, bestärkt den Einsatz der Forschung pro-regenerative Einflussfaktoren zu bestimmen, deren Zusammenhang darzustellen und eine mögliche Strategie zur innovativen Therapie zu entwickeln. Um eine akute Nierenschädigung darzustellen und anschließend auf regenerative Prozesse zu untersuchen, wurde ein Cisplatin-induziertes in vitro-Schädigungsmodell an primären Tubulusepithelzellen (mTEZ) aus Wildtyp Mäusen etabliert. Nach Isolation und Kultivierung primärer mTEZ erfolgte die Schädigung mit Cisplatin, die anhand eines Zytotoxizitätsnachweises quantifiziert wurde. Makrophagen zeichnen sich durch ihre funktionale Vielfalt in physiologischen als auch pathophysiologischen Abläufen aus. Ihre Plastizität ermöglicht es ihnen, sich entsprechend des umgebenden Milieus mit ihrem Phänotyp anzupassen und folglich in Form eines pro-regenerativen Makrophagen Proliferation und Reparaturprozesse zu unterstützen. Für die Untersuchung einer Makrophagen-vermittelten, pro-regenerativen Wirkung auf geschädigte mTEZ wurden primäre Zellen aus dem Knochenmark von Mäusen isoliert und zu Makrophagen differenziert. Zur Ausprägung eines pro-regenerativen Makrophagen Phänotyps erfolgte die Stimulation der kultivierten Makrophagen durch Inkubation mit Interleukin-10 (IL-10) und die Herstellung eines konditionierten Mediums (KM). Lipocalin-2 (Lcn-2) ist bekannt als früher Biomarker im Rahmen der akuten Nierenschädigung, aber zeichnet sich zusätzlich durch seine pro-proliferative Wirkung und regenerative Funktion aus. Lcn-2 ist ein Protein, das Eisen mit hoher Affinität bindet und in Makrophagen als alternativer Eisen-Transportmechanismus dient. In der vorliegenden Untersuchung stellte sich bei Stimulation mit IL-10 ein pro-regenerativer Makrophagen Phänotyp dar, der sich durch eine erhöhte Eisenfreisetzung und dem erhöhten Nachweis von Eisen-beladenen Lcn-2 im KM auszeichnete (holo-Lcn-2). Um den Zusammenhang von Lcn-2 aus IL-10-stimulierten Makrophagen und die regenerativen Eigenschaften auf mTEZ zu untersuchen, wurde ein Versuchsaufbau etabliert, indem mTEZ mit Cisplatin geschädigt und anschließend ein KM von IL-10-stimulierten Wildtyp (WT) oder Lcn-2 knockout Makrophagen hinzugefügt wurde. Zusätzlich wurde ein rekombinantes holo-Lcn-2 hergestellt, das als Zugabe zu KM von Lcn-2 knockout Makrophagen der Wiederherstellung und der Untersuchung eines Lcn-2-abhängigen Mechanismus diente. Als Merkmal einer Zellregeneration wurden die epitheliale Integrität und die Reorganisation des Zytoskeletts bestimmt. Ergänzend konnte mit Hilfe der Expression von Proliferationsmarkern sowie einer Echtzeitmessung der Proliferationsrate eine zunehmende Proliferation geschädigter mTEZ nach Zugabe von KM aus Makrophagen in Abhängigkeit von Lcn-2 bewiesen werden. Anschließend wurde eine Analyse des Eisengehalts im Zelllysat von mTEZ durchgeführt. Hierbei konnte ein signifikanter Anstieg des Eisengehaltes in mTEZ nach Zugabe von KM aus WT Makrophagen als auch durch Ergänzung von rekombinanten holo-Lcn-2 zu KM aus Lcn-2 knockout Makrophagen nachgewiesen werden. In der Korrelation zwischen Eisenmenge im Zelllysat der mTEZ und der Proliferationsrate ergab sich eine zunehmende Proliferation mit Anstieg des Eisengehaltes der Zelle. Zusammenfassend ergaben unsere Untersuchungen, dass KM aus pro-regenerativen Makrophagen die Überlebensfähigkeit von mTEZ nach Cisplatin-Schädigung steigert. Es zeigte sich auch eine durch Lcn-2 geförderte epitheliale Integrität sowie ein pro-proliferativer Effekt. Die regenerativen Effekte an mTEZ wurden durch Lcn-2 aus KM von IL-10-stimulierten Makrophagen über seine Eisen-bindende Funktion vermittelt. Über die Ausschüttung von Lcn-2 vermitteln pro-regenerative Makrophagen vermutlich die Zell-Regeneration von mTEZ, indem Lcn-2 toxisches Eisen von geschädigten und apoptotischen Zellen aus der Umgebung bindet, es Zielzellen als holo-Lcn-2 zur Verfügung stellt und hierdurch die Proliferation induziert.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Epoxyeicosatriensäuren (EETs) hinsichtlich ihrer Beteiligung an der Verarbeitung nozizeptiver Information untersucht. Im ersten Teil der Arbeit lag der Fokus auf der löslichen Epoxidhydrolase (sEH) und der drei von ihr metabolisierten EETs, 8,9-, 11,12-, und 14,15-EET. Dabei stellte sich heraus, dass sEH-defiziente Mäuse eine verlängerte mechanische Hyperalgesie bei zymosan-induziertem pathophysiologischen Nozizeptorschmerz aufwiesen. Anhand von Lipidmessungen mittels LC-MS/MS konnte gezeigt werden, dass zum Zeitpunkt des stärksten Schmerzempfindens (48 Stunden nach Zymosan-Injektion) vorwiegend 8,9-EET in den Dorsalwurzelganglien der sEH-defizienten Mäuse akkumuliert. Zudem wurde anhand von Calcium-Imaging-Versuchen gezeigt, dass 8,9-EET Calcium-Einströme in primär afferenten Neuronen von Wildtyp-Mäusen hervorruft, und eine Stimulation von Ischiasnerven mit 8,9-EET zu erhöhter Freisetzung des pronozizeptiven Peptids CGRP führt. Schließlich konnte gezeigt werden, dass Wildtyp-Mäuse nach intraplantarer 8,9-EET-Injektion eine geringere mechanische Schmerzschwelle aufweisen. Die Resultate dieses Teils der Arbeit weisen darauf hin, dass die lösliche Epoxidhydrolase (sEH) eine wichtige Rolle in der späten Phase des pathophy-siologischen Nozizeptorschmerzes spielt, indem sie 8,9-EET zu seinem bioinaktiven Metaboliten 8,9-DHET umsetzt. Im zweiten Teil der Arbeit wurde 5,6-EET gesondert untersucht, da es nicht durch sEH metabolisiert wird. Dabei wurde beobachtet, dass 5,6-EET bei akutem Schmerz in DRGs freigesetzt wird. In Calcium-Imaging-Versuchen mit DRG-Neuronen aus Wildtyp- TRPV4- und TRPA1-defizienten Mäusen sowie transfizierten Zelllinien zeigte sich, dass schon geringe Konzentrationen an 5,6-EET den TRPA1- (transient receptor potetntial ankyrin 1-) Kanal aktivieren (EC50 193 nM) und den TRPV1-Kanal sensibilisieren können. Auch die CGRP-Freisetzung am Ischiasnerv ist nach 5,6-EET-Stimulation signifikant erhöht. Zudem konnte beobachtet werden dass eine periphere Injektion von 5,6-EET zu akuter mechanischer Hyperalgesie in Wildtyp-, aber nicht in TRPA1-defizienten Mäusen führt. Die Resultate dieses Teils der Arbeit weisen 5,6-EET als bisher potentesten endogenen TRPA1-Aktivator aus, und implizieren eine wichtige Rolle dieses Lipids beim Übergang von physiologischem zu pathophysiologischem Nozizeptorschmerz und zu neruogener Inflammation. Darüber hinaus leisten die Resultate einen Beitrag zum grundlegenden Verständnis endogener TRP-Kanal-Aktivatoren bei der Schmerzwahrnehmung.
Die NO/cGMP-Kaskade spielt bei der nozizeptiven Transmission im Hinterhorn des Rückenmarks eine wichtige Rolle. In der vorliegenden Arbeit wurden bekannte cGMP-Targets (PKG-1, CNG-Kanäle, PDE-2 und -3) sowie synaptische Vesikelproteine (Synapsin 2, Rabphilin) als potentielle Targets der NO/cGMP-Kaskade mit Hilfe von molekularbiologischen Methoden und nozizeptiven Verhaltensstudien hinsichtlich einer Beteiligung an der nozizeptiven Transmission im Rückenmark untersucht. Im Formalintest reduzierte der PKG-1-Inhibitor Rp-8-Br-cGMPS (0,1 - 0,5 µmol i.t.) die nozizeptive Antwort, während der PKG-1-Aktivator 8-Br-cGMP in hoher Dosis (2,5 µmol i.t.) einen gegenteiligen Effekt zeigte. Überraschenderweise wirkte 8-Br-cGMP in niedriger Dosis (0,1 - 0,25 µmol i.t.) antinozizeptiv, was durch die gleichzeitige Applikation des PKG-Inhibitors weiter verstärkt wurde. Im Gegensatz zu Rp-8-Br-cGMPS oder 8-Br-cGMP beeinflussten weder der CNG-Kanal-Inhibitor L-cis-Diltiazem (0,5 mg i.t.), noch die PDE-Inhibitoren EHNA (0,25 µmol i.t.) oder Milrinon (5 - 10 mg/kg i.p.) die nozizeptive Antwort im Formalintest. Mit Western Blot-Analysen konnte gezeigt werden, dass die Formalininjektion in eine Hinterpfote im Lumbalmark nach 48 - 96 h eine Steigerung der PKG-1-Proteinkonzentration zur Folge hat. Dies wurde durch Vorbehandlung der Versuchstiere mit Rp-8-Br-cGMPS (0,1 - 0,5 µmol i.t.) oder Morphin (2,5 - 5 mg/kg i.p.) verhindert, während 8-Br-cGMP (2,5 µmol i.t.) die Formalin-induzierte Steigerung der PKG-1-Konzentration im Lumbalmark verstärkte. Die Formalininjektion in eine Hinterpfote veränderte auch die Synapsin 2b-Konzentration im Lumbalmark: 10 min bis 8 h nach der Injektion wurde die Synapsin 2b-Proteinkonzentration gesenkt, nach 48 h war jedoch eine Zunahme zu beobachten. Diese späte Zunahme der Synapsin 2b-Proteinkonzentration wurde durch eine Steigerung der Genexpression hervorgerufen, denn mit quantitativer Realtime RT-PCR wurden erhöhte mRNA-Konzentrationen 24 - 48 h nach der Formalininjektion gemessen. Die rasche Formalin-induzierte Abnahme der Synapsin 2b-Proteinkonzentration ging jedoch weder mit Änderungen der mRNA-Konzentration, noch mit veränderten Solubilisierungseigenschaften bei der Proteinaufbereitung einher, und wurde durch Vorbehandlung der Versuchstiere mit Morphin (10 mg/kg i.p.), Diclofenac (10 mg/kg i.p.), Metamizol (1 g/kg i.p.) oder dem NOS-Inhibitor L-NAME (10 - 100 mg/kg i.p.) verhindert. Demgegenüber führte die Vorbehandlung mit dem NO-Donor NOC-5 (4 - 20 µg i.t.), 8-Br-cGMP (0,1 - 2,5 µmol i.t.), Rp-8-Br-cGMPS (0,1 - 0,25 µmol i.t.) oder der Kombination von 8-Br-cGMP und Rp-8-Br-cGMPS (0,1 + 0,1 und 0,5 + 0,5 µmol i.t.) zu einer Verstärkung der Formalin-induzierten raschen Senkung der Synapsin 2b-Konzentration. Die funktionelle Relevanz dieser Befunde wurde in mehreren nozizeptiven Tiermodellen überprüft. Durch eine kontinuierliche i.t. Infusion von Antisense-Oligonukleotiden wurde die Synapsin 2-Konzentration im Lumbalmark der Ratte gesenkt, was eine Reduktion der nozizeptiven Antwort im Formalintest zur Folge hatte. Bei Synapsin 2-Knockout-Mäusen war im Vergleich zu Wildtyp-Mäusen eine verminderte nozizeptive Antwort im Formalintest und eine Reduktion der mechanischen Hyperalgesie bei Zymosan-induzierter Pfotenentzündung zu beobachten. Im Hot-Plate-Test zeigten die Knockout-Mäuse im Vergleich zu Wildtyp-Mäusen kürzere Latenzzeiten. Im Gegensatz zu Synapsin 2b wurde die Rabphilin-Konzentration im Lumbalmark durch Formalininjektion in eine Hinterpfote nicht beeinflusst. Allerdings führte die Verabreichung von Metamizol (500 mg/kg i.p.) oder Diclofenac (5 mg/kg i.p.) nach 1 h zu einer Steigerung der Rabphilin-Proteinkonzentration, welche nicht von Änderungen der mRNA-Expression begleitet war. Eine Senkung der Rabphilin-Proteinkonzentration wurde durch Applikation von NOC-5 (4 - 20 µg i.t.), 8-Br-cGMP (0,5 - 2,5 µmol i.t.), oder Rp-8-Br-cGMPS (0,1 - 0,25 µmol i.t.) hervorgerufen. Zusammenfassend bestätigen diese Ergebnisse die Hypothese, dass im Rückenmark PKG-1 einen Effektor der NO-induzierten Hyperalgesie darstellt. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass NO/cGMP über noch unbekannte Mechanismen die Verfügbarkeit bestimmter synaptischer Vesikelproteine moduliert, die vor allem bei starker oder anhaltender nozizeptiver Erregung für die Transmitterausschüttung und damit für die nozizeptive Transmission notwendig sind. Interessanterweise führt NO/cGMP über diese Mechanismen eher zur Hemmung der Nozizeption, was die bei niedrigen intrathekalen Dosen beobachteten antinozizeptiven Effekte von 8-Br-cGMP erklären kann. Die These der NO-induzierten Hyperalgesie kann aufgrund der Untersuchungen in dieser Arbeit und früherer Studien um eine insbesondere in niedriger Dosis auftretende NO/cGMP-vermittelte Antinozizeption erweitert werden.
LC-MS/MS-Systeme haben sich in den vergangenen Jahren trotz der hohen Anschaffungskosten von mehreren hunderttausend Euro zu einer Standardmethode in analytischen Laboratorien entwickelt und bieten im Vergleich zu herkömmlicher HPLC mit UV- und Fluoreszenz-Detektoren eine höhere Sensitivität und bessere Selektivität. Aufgrund dieser Vorteile war es das Ziel dieser Arbeit, verschiedene LC-MS/MS-Methoden zu entwickeln, mit der Eicosanoide sensitiv und selektiv in verschiedenen biologischen Flüssigkeiten quantifiziert werden können und diese Assays dann in biologischen Fragestellungen einzusetzen. Ein Problem der Eicosanoidanalytik mittels LC-MS/MS besteht in der Strukturähnlichkeit vieler Prostaglandine, die große Schwierigkeiten während einer Methodenentwicklung verursachen. Zwei sehr wichtige Prostaglandine, PGE2 und PGD2, besitzen das gleiche Fragmentspektrum und können nicht über das Selektionsprinzip des Tandem-Massenspektrometers quantifiziert werden, sondern müssen vor der Detektion chromatographisch getrennt werden. Die chromatographischen Bedingungen, die für eine Trennung von PGE2 und PGD2 nötig sind, gehen allerdings mit einem erheblichen Empfindlichkeitsverlust des Massenspektrometers einher. Die beste Empfindlichkeit wurde mit einem neu entwickelten Säulenmaterial, Synergi Hydro-RP, erreicht, was in allen entwickelten Methoden verwendet wurde. Zur Quantifizierung von PGE2 und PGD2 in Mikrodialysaten (max. Volumen 75 µl) musste eine Empfindlichkeit von mindestens 40 pg/ml PGE2 erreicht werden. Nach der Validierung des Systems konnte eine Quantifizierungsgrenze von PGE2 und PGD2 von 25 pg/ml bzw. 50 pg/ml erreicht werden. Bei Formalin-behandelten Ratten stieg PGE2 innerhalb von 15 Minuten auf 380 pg/ml an, womit frühere Ergebnisse, die auf der Verwendung von Immunoassays basieren, bestätigt werden konnten. Für PGD2 konnte kein Unterschied zu Kontroll-Ratten festgestellt werden und ist deswegen im Gegensatz zu PGE2 nicht an der Nozizeption im untersuchten Modell beteiligt. Mit Hilfe des mPGES-1-Enzym-Assays wurde mPGES-1 als ein weiteres Target für die drei COX-Inhibitoren Celecoxib, R- und S-Flurbiprofen identifiziert. Da mit Celecoxib ab einer Konzentration von 100 µM keine weitere Hemmung der mPGES-1 erreicht werden kann, hemmt Celecoxib die mPGES-1 wohl nicht kompetitiv und bindet nicht im katalytischen Zentrum der mPGES-1. Für Rofecoxib und Paracetamol konnte keine Hemmung der mPGES-1 festgestellt werden. Während der Methodenentwicklung wurde ein Störpeak zwischen PGE2 und PGD2 beobachtet, der in den Versuchen immer im gleichen Verhältnis zu PGE2 gebildet wurde. Mit Hilfe eines Fingerprints wurde dieser Störpeak als 5-trans-PGE2 identifiziert, welches ein bisher nicht beschriebenes Nebenprodukt der mPGES-1 zu sein scheint. In der letzten Methode sollte eine Methode entwickelt werden, mit der PGE2, PGD2, PGF2alpha, 6-keto-PGF1alpha und TXB2 in Humanplasma bestimmt werden können. Im direkten Vergleich war die validierte LC-MS/MS-Methode einem handelsüblichen Immunoassay überlegen. Zum einem waren die Standardabweichungen der LC-MS/MS-Methode wesentlich niedriger und zum anderen waren die Basalwerte des Immunoassays unphysiologisch hoch. In einer Studie wurde der Einfluss einer Mutation (-765G -> C) im Promotor der COX-2 auf die COX-2-Aktivität untersucht, für die eine reduzierte COX-2-Expression um den Faktor 2 in Monozyten beschrieben wurde. Zwischen den 2 Gruppen konnten weder in den Prostaglandin-Konzentrationen, der COX-2-mRNA-Expression noch in der COX-2-Protein-Expression statistische Unterschiede festgestellt werden und stehen damit im Widerspruch zu bisherigen Veröffentlichungen. Die entwickelten LC-MS/MS-Methoden ermöglichen eine bessere Sensitivität und schnellere Analysenzeiten im Vergleich zur HPLC und durch ihre gute Sensitivität kann der Einsatz von problematischen Immunoassays vermieden werden. Im Falle der Mikrodialysemethode, wo PGE2 in einer relativ einfachen Matrix bestimmt werden sollte (ACSF), liefert die LC-MS/MS-Methode die gleichen Ergebnisse. Im Falle von Humanplasma ist der Immunoassay allerdings unbrauchbar. Ein weiterer Vorteil der LC-MS/MS-Methoden gegenüber Immunoassays besteht darin, dass mehrere Prostaglandine in einer einzigen Probe bestimmt werden können. Gegenüber GC-MS und GC-MS/MS-Methoden fehlt den LC-MS/MS-Methoden zwar einiges an Empfindlichkeit, allerdings wird hierfür keine Derivatisierung benötigt.
The µ-opioid receptor is the primary target structure of most opioid analgesics and thus responsible for the predominant part of their wanted and unwanted effects. Carriers of the frequent genetic µ-opioid receptor variant N40D (allelic frequency 8.2 - 17 %), coded by the single nucleotide polymorphism A>G at position 118 of the µ-opioid receptor coding gene OPRM1 (OPRM1 118A>G SNP), suffer from a decreased opioid potency and from a higher need of opioid analgesics to reach adequate analgesia. The aim of the present work was to identify the mechanism by which the OPRM1 118A>G SNP decreases the opioid potency and to quantify its effects on the analgesic potency and therapeutic range of opioid analgesics.
To elucidate the consequences of the OPRM1 118A>G SNP for the effects of opioid analgesics, brain regions of healthy homozygous carriers of the OPRM1 118A>G SNP were identified by means of functional magnetic resonace imaging (fMRI), where the variant alters the response to opioid analgesics after painful stimulation. Afterwards, the µ-opioid receptor function was analyzed on a molecular level in post mortem samples of these brain regions. Finally, the consequences of the OPRM1 118A>G SNP for the analgesic and respiratory depressive effects of opioids were quantified in healthy carriers and non-carriers of OPRM1 118A>G SNP by means of experimental pain- and respiratory depression-models.
To identify pain processing brain regions, where the variant alters the response to opioid analgesics after painful stimulation, we investigated the effects of different alfentanil concentration levels (0, 25, 50 and 75 ng/ml) on pain-related brain activation achieved by short pulses (300 msec) of gaseous CO2 (66% v/v) delivered to the nasal mucosa using a 3.0 T magnetic head scanner in 16 non-carriers and nine homozygous carriers of the µ-opioid receptor gene variant OPRM1 118A>G. In brain regions associated with the processing of the sensory dimension of pain (pain intensity), such as the primary and secondary somatosensory cortices and the posterior insular cortex, the activation decreased linearly in relation to alfentanil concentrations, which was significantly less pronounced in OPRM1 118G carriers. In contrast, in brain regions known to process the affective dimension of pain (emotional dimension), such as the parahippocampal gyrus, amygdala and anterior insula, the pain-related activation disappeared already at the lowest alfentanil dose, without genotype differences.
Subsequently, we investigated the µ-opioid receptor-expression ([3H]-DAMGO saturation experiments, OPRM1 mRNA analysis by means of RT-PCR), the µ-opioid receptor affinity ([3H]-DAMGO saturation and competition experiments) and µ-opioid receptor signaling ([35S]- GTPγS binding experiments) in post mortem samples of the human SII-region, as a cortical projection region coding for pain intensity, and lateral thalamus, as an important region for nociceptive transmission. Samples of 22 non-carriers, 21 heterozygous and three homozygous carriers of OPRM1 118A>G SNP were included into the analysis. The receptor expression and receptor affinity of both brain regions did not differ between non-carriers and carriers of the variant N40D. In non-carriers, the µ-opioid receptors of the SII-region activated the receptor bound G-protein more efficiently than those of the thalamus (factor 1.55-2.27). This regional difference was missing in heterozygous (factor 0.78-1.66) and homozygous (factor 0.66-1.15) carriers of the N40D variant indicating a reduced receptor-G-protein-coupling in the SII-region.
Finally, the consequences of the alteration of µ-opioid receptor function in carriers and noncarriers of the genetic variant was investigated using pain- and respiratory depression-models. Therefore, 10 healthy non-carriers, four heterozygous and six homozygous carriers of the µ- opioid receptor variant N40D received an infusion of four different concentrations of alfentanil (0, 33.33, 66.66 and 100 ng/ml). At each concentration level, analgesia was assessed by means of electrically (5 Hz sinus 0 to 20 mA) and chemically (200 ms gaseous CO2 pulses applied to the nasal mucosa) induced pain, and respiratory depression was quantified by means of hypercapnic challenge according to Read and recording of the breathing frequency. The results showed that depending on the used pain model, both heterozygous and homozygous carriers of the variant N40D needed 2 – 4 times higher alfentanil concentrations to achieve the same analgesia as non-carriers. This increase seems to be at least for homozygous carriers unproblematic, because to reach a comparable respiratory depression as non-carriers, they needed 10-12 times higher alfentanil concentrations.
The results of this work demonstrate that the µ-opioid receptor variant N40D causes a regionally limited reduction of the signal transduction efficiency of µ-opioid receptors in brain regions involved in pain processing. Thus, the painful activation of sensory brain regions coding for pain intensity is not sufficiently suppressed by opioid analgesics in carriers of the variant N40D. Due to the insufficient suppression in hetero- and homozygous carriers of the variant N40D, the concentration of opioids has to be increased by a factor 2 - 4, in order to achieve the same analgesia as in non-carriers. At the same time, the respiratory depressive effects are decreased to a greater extent in homozygous carriers of the N40D variant as they need a 10 - 12 times higher opioid concentration to suffer from the same degree of respiratory depression as non-carriers. Due to the increased therapeutic range of opioid analgesics, an increase of the opioid dose seems to be harmless, at least for homozygous carriers of the N40D variant.