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Bei vielen malignen Erkrankungen sind deregulierte Signalübertragungswege bedeutsam für die Pathogenese. Modellcharakter hierfür haben die Philadelphia (Ph) Chromosom positiven Leukämien, zu denen 90 % der chronisch myeloischen Leukämien und etwa 15 - 30 % akuten lymphatischen Leukämien des Erwachsenen gehören. Das Philadelphia Chromosom, das durch die reziproke Translokation von Chromosom 9 und 22 entsteht, codiert für ein tumorspezifisches Fusionsprotein, die BCR-ABL Tyrosinkinase. Diese ist konstitutiv überaktiviert und führt zu autonomen Wachstum und maligner Entartung der Philadelphia positiven Zellen. Ein neuer therapeutischer Ansatz, die Hemmung des pathogenetisch bedeutsamen Signalweges, ist mit dem BCR-ABL spezifischen Tyrosinkinase Inhibitor Imatinib möglich. Der starke antileukämische Effekt von Imatinib gegenüber BCR-ABL positiven Leukämien konnte in klinischen Studien mit Ansprechraten von etwa 60 % bei der Ph+ALL gezeigt werden. Dieser Erfolg wird jedoch von der Resistenzentwicklung gegenüber Imatinib getrübt. So entwickelt die Mehrzahl der Patienten mit Ph+ALL nach einer medianen Behandlungszeit von 2 Monaten ein Rezidiv. Ein häufiger Resistenzmechanismus bei Polychemotherapien ist die erhöhte Expression der pleiotrope Zytostatikaresistenz vermittelnden Proteine P-gp und MRP-1. Diese Arbeit sollte untersuchen, ob die ABC-Transportproteine P-gp und MRP-1 bei der Imatinibresistenz beteiligt sind. MRP-1 und das durch das MDR-1 Gen codierte P-gp sind membranständige Transportproteine, die Tumorzellen durch Auswärtstransport von vielen unterschiedlichen, chemisch nicht verwandten Zytostatika, Resistenzen gegenüber diesen Substanzen verleihen. Um die Rolle von P-gp und MRP-1 bei der Entwicklung der Imatinibresistenz zu bestimmen, wurde untersucht, ob Imatinib ein Substrat von P-gp oder MRP-1 ist, und ob es während der Behandlung mit Imatinib zu einem Anstieg der funktionellen Aktivität dieser Proteine kommt. Mittels transfizierter Zelllinien ließ sich zeigen, dass die P-gp Substrate Calcein AM und Tritium-markiertes Vinblastin in Anwesenheit von Imatinib schlechter transportiert werden. Bei Annahme eines kompetetiven Mechanismus lag die Vermutung nahe, dass Imatinib nicht nur ein Inhibitor des P-gp bedingten Transports von Calcein AM und Vinblastin ist, sondern selbst ein Substrat. Durch Verwendung einer P-gp transfizierten Zelllinie in einem Transwellassay, in dem diese einen vektoriellen Substrattransport bewirkt, konnte direkt gezeigt werden, dass Imatinib durch P-gp nicht aber durch MRP-1 und MRP-2 transportiert wird. Somit ist P-gp potentiell in der Lage, Resistenzen gegen Imatinib auszulösen. Um die funktionelle Aktivität von P-gp in den mononukleären Zellen der mit Imatinib behandelten Patienten bestimmen zu können, wurde eine durchflusszytometrische Methode unter Verwendung von Calcein AM etabliert. Die untersuchten Patientenzellen zeigten jedoch bei niedrigem Ausgangsniveau keinen Anstieg der funktionellen P-gp Aktivität nach Resistenzentwicklung, so dass weder MRP1 noch P-gp Anteil an der Resistenzentwicklung bei Ph+ALL gegenüber Imatinib zu haben scheinen. Die Möglichkeit, die konstitutiv aktive Tyrosinkinase von BCR-ABL mit Imatinib zu inhibieren, ermöglicht es, pathogenetische Charakteristika der BCR-ABL positiven Leukämien zu untersuchen. Die Ph+ALL ist charakterisiert durch ihre schlechte Prognose mit einem Langzeitüberleben von weniger als 10 % bei konventionellen chemotherapeutischen Regimes. Ob die Zytostatikaresistenz vermittelnden Proteine Pgp und MRP-1 hierfür ursächlich sind, sollte in einem weiteren Teil der Arbeit untersucht werden. Durch Hemmung der BCR-ABL spezifischen Tyrosinkinase von Philadelphia Chromosom positiven Zelllinien mit Imatinib kam es bei einem Teil dieser Zelllinien zur Abnahme des MRP-1 Proteinniveaus und der MRP-1 mRNA Expression. Dies begründete die Hypotheose, dass die aktivierte BCR-ABL Tyrosinkinase zu einer Hochregulation der MRP-1 Transkription führt, und damit für die schlechte Prognose ursächlich ist, lag nahe. Weder c-kit noch die BCR-ABL nachgeschalteten Signalproteine RAS-MAP-Kinase, c-MYC und STAT 5 waren bei der Herrunterregulation von MRP-1 unter Imatinib beteiligt. Durch den Nachweis der vorwiegend zytoplasmatischen Lokalisation von MRP-1 in den untersuchten Lymphoblasten mittels konfokaler Immunfluoreszenzmikroskopie und durch den Nachweis einer sehr niedrigen funktionellen Aktivität von MRP-1 in diesen Zellen mittels Durchflusszytometrie eine Bedeutung von MRP-1 für die schlechte Prognose nicht anzunehmen.
Der COX-2-selektive Inhibitor Celecoxib ist zurzeit das einzigste NSAID, das von der FDA für die adjuvante Therapie von Patienten mit der FAP-Erkrankung zugelassen wurde. Die antineoplastischen Mechanismen dieses Wirkstoffes werden nur teilweise verstanden, jedoch spielen COX-2-abhängige, aber auch COX-2-unabhängige Mechanismen eine wichtige Rolle. Um zu untersuchen, in welchem Ausmaß die antikarzinogenen Effekte von Celecoxib von der COX-2-Expression der Tumor-Zelle abhängig sind, wurden humane Caco-2-Kolonkarzinom-Zellen mit pcDNA-Vektoren transfiziert, in denen die humane COX-2-cDNA sowohl in sense- (hCOX-2-sense), als auch in antisense- (hCOX-2-as) Orientierung einkloniert wurde. Die pcDNA-Kontrollzellen wurde nur mit dem leeren pcDNA-Vektor transfiziert. Caco-hCOX-2-s-Zellen zeigten eine starke Überexpression der COX-2, pcDNA-Kontrollzellen nur eine schwache Expression von COX-2 und hCOX-2-as-Zellen waren COX-2-defizient. Die Behandlung dieser Zellen mit steigenden Konzentrationen an Celecoxib (0-100 µM) führte in Proliferationstests zu einer starken Verminderung der Überlebensrate, die durch die Induktion einer G0/G1-Zellzyklusblockade und durch die Auslösung von Apoptose mit Aktivierung von Caspase-3 und -9 sowie Freisetzung von Cytochrom C charakterisiert ist. Sowohl die Verminderung der Überlebensrate, als auch die Induktion von Apoptose waren in COX-2-defizienten hCOX-2-as-Zellen schwächer ausgeprägt als in COX-2-exprimierenden pcDNA- und hCOX-2-s-Zellen. Im Gegensatz hierzu erfolgte die Induktion der G0/G1-Zellzyklusblockade durch Celecoxib unabhängig vom COX-2-Expressionsstatus der Zellen und war durch einen starken Abfall der Expression von Cyclin A und Cyclin B1 sowie eine Induktion der Zellzyklusinhibitoren p21 und p27 gekennzeichnet. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass die antikarzinogenen Effekte von Celecoxib sowohl über COX-2-abhängige, als auch COX-2-unabhängige Mechanismen erklärt werden können. Zahlreiche Studien konnten zeigen, dass Mutationen im APC- oder Beta-Catenin-Gen eine entscheidende Rolle bei der Entstehung von kolorektalen Polypen und Karzinomen spielen. Weiterhin ist der Beta-Catenin/APC-Signaltransduktionsweg ein wichtiger Regulator von Apoptose und Zellzyklusprogression. Daher wurde im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit untersucht, ob Celecoxib einen Einfluss auf den Beta-Catenin/APC-Signaltransduktionsweg in humanen Kolonkarzinom-Zellen besitzt. So wurde nach Behandlung von humanen Caco-2-Zellen mit 100 µM Celecoxib eine schnelle Translokation von Beta-Catenin von seiner überwiegend Membran-assoziierten Lokalisation in das Zytoplasma beobachtet, die durch die Aktivität der GSK-3ß vermittelt wird und somit durch Phosphorylierung von Beta-Catenin stattfinden könnte. Tatsächlich führte die Behandlung von Caco-2-Zellen mit 100 µM Celecoxib bereits nach 2 Stunden Behandlungsdauer zu einer Reduktion des Ser-9-Phosphorylierungsstatus der GSK-3ß und somit zu deren Aktivierung. Die zytosolische Akkumulation von Beta-Catenin war ferner von einem schnellen Anstieg der Beta-Catenin-Spiegel im Zellkern begleitet, der bereits nach 30 Minuten Inkubationsdauer zu beobachten war. Überraschenderweise kam es parallel hierzu zu einem zeitabhängigen Abfall der DNA-Bindungsaktivität von Beta-Catenin. Nach dieser zellulären Reorganisation konnte nach 8 Stunden Behandlungsdauer mit 100 µM Celecoxib ein starker, Proteasom- und Caspase-abhängiger Abbau von Beta-Catenin beobachtet werden. Ein im Vergleich zu Caco-2-Zellen verminderter Beta-Catenin Abbau wurde sowohl in humanen MCF-7-Mammakarzinom-Zellen, die keine funktionale Caspase-3 exprimieren, als auch in humanen HCT-116-Zellen, in denen ein GSK-3ß-abhängiger Abbau von Beta-Catenin aufgrund einer Mutation im Beta-Catenin-Protein nicht stattfindet, beobachtet. Interessanterweise fand ein Abbau von Beta-Catenin weder nach Behandlung der Caco-2-Zellen mit dem stark antikarzinogen wirksamen NSAID R-Fluriprofen, noch mit dem COX-2-selektiven Inhibitor Rofecoxib statt. Die Ergebnisse aus diesem Teil der Arbeit deuten darauf hin, dass der Abbau von Beta-Catenin bei der Auslösung der COX-2-unabhängigen antikarzinogenen Effekte von Celecoxib eine wichtige Rolle spielt. In den letzten Jahren kamen weitere strukturverwandte NSAIDs vom Coxib-Typ auf den Markt, die eine höhere COX-2-Selektivität als Celecoxib besitzen. Die Experimente des dritten Teils dieser Arbeit sollten die Frage klären, ob die antikarzinogene Wirksamkeit einen Klasseneffekt aller Coxibe darstellt, oder nur spezifisch nach Behandlung von Tumor-Zellen mit Celecoxib zu beobachten ist. Mittels Proliferationstests konnte gezeigt werden, dass Celecoxib und Methylcelecoxib (Strukturanalogon von Celecoxib mit schwacher COX-2-inhibitorischer Aktivität) starke wachstumshemmende Effekte (Zellzyklusblockade und Apoptose) in COX-2-überexprimierenden HCA-7-, als auch in COX-2-defizienten HCT-116-Kolon-karzinomzellen verursachen. Unter Behandlung dieser Zellen mit den selektiven COX-2-Inhibitoren Rofecoxib, Etoricoxib, Lumiracoxib und Valdecoxib wurden nur schwache antiproliferative Effekte beobachtet. Die Analyse der Zellzahl in der SubG1-Phase mittels Durchflusszytometrie sowie der Spaltung von PARP mittels Western Blot-Analyse konnte demonstrieren, dass sowohl HCT-116-, als auch HCA-7-Zellen deutlich sensitiver auf die Apoptose-induzierende Wirkung von Methylcelecoxib reagierten als auf Celecoxib. Zudem zeigten COX-2-überexprimierende HCA-7-Zellen nach Behandlung mit Celecoxib und Methylcelecoxib eine höhere Apoptoserate als HCT-116-Zellen, bei denen jedoch die Induktion einer G1-Zellzyklusblockade mit Induktion von p27 und Abbau von Cyclin D1 ausgeprägter als in HCA-7-Zellen war. Eine LC/MS/MS-Analyse der Coxibkonzentrationen in Medium ergab, dass aufgrund der starken Proteinbindungen die freien Coxibkonzentrationen teils deutlich niedriger sind als die totalen eingesetzten Coxibkonzentrationen in Medium mit 10% FCS. Ferner konnte mittels LC/MS/MS demonstriert werden, dass es nach Behandlung von HCT-116- und HCA-7-Zellen mit Celecoxib und Methylcelecoxib zu einer intrazellulären Aufkonzentrierung der Wirkstoffe relativ zur freien Coxibkonzentration im Medium kommt, die nach Behandlung der Zellen mit Rofecoxib, Etoricoxib, Lumiracoxib und Valdecoxib jedoch nicht beobachtet wurde. Die Aufkonzentrierung von Celecoxib in den Kolonkarzinom-Zellen könnte bei der Auslösung der antikarzinogenen Effekte möglicherweise eine Rolle spielen. Die Ergebnisse aus diesem Teil der Arbeit konnten belegen, dass die antiproliferativen Effekte spezifisch und weitgehend COX-2-unabhängig nach Behandlung der Tumor-Zellen mit Celecoxib auftreten und daher keinen Klasseneffekt aller COX-2-selektiven NSAIDs darstellen.
Valproinsäure (VPA) gehört zu den am häufigsten verordneten Antiepileptika und Mood Stabilisern. Der Histondeacetylase (HDAC)-Inhibitor VPA wurde mit der Stimulierung der Replikation von einigen Viren in Zusammenhang gebracht. Hierzu gehören HCMV, HIV, HHV-6, HHV-8, Masernviren und Polioviren Typ 1. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von therapeutischen VPA-Konzentrationen und strukturell veränderten VPA-Derivaten auf die HCMV-Replikation in humanen Vorhautfibroblasten untersucht. Die Bestimmung der HCMV IEA Expression in Vorhautfibroblasten zeigte, dass eine 24 Stunden lange Vorbehandlung der Zellen mit VPA in Konzentrationen bis 1 mM, welche auch im Blutplasma der mit VPA behandelten Patienten erreicht wird, die HCMV-Infektionsrate erhöht. Es wurden vergleichbare Ergebnisse für das Patienten-Isolat HCMV Hi91 und die Laborstämme AD169 und Towne erhalten. Strukturell modifizierte VPA-Derivate zeigten einen unterschiedlichen Einfluss auf die HCMV-Replikation. Kettenverzweigung in 3-Position (3-Propylhexansäure und 3-Propylheptansäure) oder Verzweigung in der Seitenkette (2-Ethyl-4-Methylpentansäure) zeigten keinen Einfluss auf die HCMV-Replikation. Verlängerung der gesättigten aliphatischen Kette (2-Propylhexansäure) und Einfügen einer Dreifachbindung in Position 4 (2-Pentyl-Pent-4-insäure und 2-Hexyl-Pent-4-insäure) führten zu einer erhöhten HCMV IEA- und LA-Expression. Die Verbindungen mit einer Dreifachbindung in Position 4 zeigten die stärkste Stimulation. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Stimulation der HCMV-Replikation durch die VPA-Derivate sehr stark strukturabhängig ist. Histonacetylierung wurde als Marker für eine HDAC-Hemmung untersucht. VPA-Derivate, die die HCMV-Replikation nicht stimulierten, zeigten keinen Einfluss auf die Acetylierung des Histons H4. VPA und VPA-Derivate, die die Virusreplikation stimulierten, führten zur Akkumulation des acetylierten Histons H4. Die stärkste Akkumulation wurde, analog der HCMV-Replikation, unter dem Einfluss der Verbindungen mit einer Dreifachbindung in Position 4 beobachtet. Die Ergebnisse zeigen eine Korrelation der Akkumulation des acetylierten Histons H4 als Zeichen einer HDAC-Hemmung und der Expression der HCMV IEA und LA. Dies deutet darauf hin, dass die VPA-induziere HDAC-Hemmung zu der erhöhten HCMV-Antigen-Expression beiträgt.
Untersuchung der Wirkung von Cyclooxygenase-Inhibitoren auf die Entstehung der Arteriosklerose
(2006)
In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der COX-2-selektiven NSAIDs Celecoxib und Rofecoxib sowie des traditionellen nichtselektiven NSAIDs Naproxen auf die Entstehung und Entwicklung von Arteriosklerose in ApoE-defizienten Mäusen untersucht. Befunde über kardiovaskuläre Risiken dieser Medikamentengruppe sowie die Beobachtung, dass COX-2 in arteriosklerotischen Plaques exprimiert wird, ließen sowohl die Hypothese von pro- als auch von antiatherogenen Wirkungen zu. Zunächst wurde die Funktionsfähigkeit des Versuchsdesigns nachgewiesen. In den Aorten von Diätgefütterten ApoE-defizienten Mäusen entwickelten sich im Alter von 22 Wochen Plaques, in denen typische atherogene sowie proinflammatorische Proteine exprimiert wurden. Die Effektivität und Selektivität der jeweiligen NSAIDs wurde durch Messung der Urinkonzentration relevanter Metabolite nachgewiesen, die aus der COX-2-vermittelten PGI2- und der COX-1-vermittelten TXA2-Synthese stammten. Erwartungsgemäß hemmten sowohl die Coxibe als auch Naproxen die Synthese von PGI2, während die TXA2-Produktion nur unter Naproxen reduziert wurde. Im Vergleich zu Kontrolltieren führte die chronische Behandlung mit Celecoxib und Rofecoxib tendenziell zu kleineren Plaques in der Aorta von diätgefütterten ApoE-defizienten Mäusen. In den Plaques wurde die Proteinexpression von COX-2 durch die Behandlung mit den NSAIDs nicht beeinflusst. Dies deutet darauf hin, dass die Reduktion der Plaques in den Aorten eher durch eine Hemmung der COX-2-Aktivität oder durch COX-unabhängige Effekte als über eine Inhibition der COX-2-Proteinexpression zustande kommt. Die Blutfettwerte wurden durch die eingesetzten NSAIDs nicht verändert, was den Daten aus der Literatur entspricht. ApoE-defiziente Mäuse, die normales Futter erhalten hatten und mit Celecoxib oder Rofecoxib behandelt wurden, entwickelten vereinzelt intimale Läsionen, während Kontrolltiere oder Naproxen-behandelte Mäuse in keinem Fall Plaques zeigten. Diese Ergebnisse könnten einen Hinweis dafür liefern, dass durch Coxibe COX-unabhängige Effekte ausgelöst werden, welche die Arteriogenese einleiten. Die umfangreichen Untersuchungen lassen auf eine unterschiedliche Beteiligung von NSAIDs bei der Arteriogenese schließen. Dabei scheinen die selektiven COX-2-Inhibitoren Celecoxib und Rofecoxib eine andere Rolle als Naproxen, dem nichtselektiven COX-2-Inhibitor, zu spielen. In ApoEdefizienten Diät-Mäusen wurde die Arteriosklerose durch Celecoxib und Rofecoxib über COX-2-abhängige Mechanismen inhibiert, wobei der Effekt vermutlich durch den stärker ausgeprägten Effekt der Hypercholesterinämie überlagert war. In den Kontroll-Mäusen (mit Normalfutter) dagegen könnte die Arteriogenese unter Celecoxib und Rofecoxib durch COX-unabhängige Mechanismen eingeleitet worden sein. Dabei scheint das Stadium der Arteriosklerose eine wichtige Rolle zu spielen. Zusammenfassend deuten die Ergebnisse daraufhin, dass Coxibe die Initiation der Arteriosklerose eher begünstigen, während bei weiter fortgeschrittenen Plaques tendenziell antiatherogene Effekte zu beobachten waren, die möglicherweise auf die entzündungshemmenden Eigenschaften der Substanzen zurückzuführen sind. Nachdem jedoch diese Effekte bisher nur in Maus-Modellen beobachtet und untersucht wurden, bleibt die Frage, wie NSAIDs thrombotische Ereignisse im Patienten auslösen, weiterhin offen. Erst kürzlich wurde beschrieben, dass unter Rofecoxib schon nach kurzer Behandlungsdauer Herzinfarkte ausgelöst werden können (Levesque et al. 2006). Weitere Daten deuten daraufhin, dass NSAIDs über COX-unabhängige Mechanismen dazu führen, dass sogar nach dem Absetzen des Medikament auf lange Sicht ein erhöhtes Risiko für die Entwicklung kardiovaskuläre Erkrankungen bestehen bleibt (Merck, APPROVe Report 2006; unter www.merck.com). Die genauen Mechanismen dieser Langzeiteffekte von NSAIDs auf das vaskuläre System sind zurzeit nach wie vor unklar. Abschließend kann jedoch aufgrund der aktuellen Datenlage vermutet werden, dass Coxibe eine Schädigung von vaskulären Zellen verursachen können und das Risiko für kardiovaskuläre Effekte eher erhöhen als antiatherogene Effekte zu erzeugen und die Arteriosklerose zu verbessern.
Bei inflammatorischen Schmerzen kann durch Hemmung der COX-2 im Rückenmark die zentrale Sensibilisierung reduziert werden. Da die Hemmung der gesamten COX-2 vermittelten Prostaglandinsynthese jedoch zahlreiche unerwünschte Nebenwirkungen verursacht, wird in jüngster Zeit diskutiert, ob eine selektive Hemmung der PGE2 Synthese auf Ebene der mPGES-1 für die Therapie passagerer Schmerzen sinnvoller ist. Um die funktionellen Rollen von COX-2 und mPGES-1 im Rückenmark zu charakterisieren, wurden in der vorliegenden Arbeit die Folgen einer COX-Inhibierung und mPGES-1-Deletion auf den spinalen Eicosanoidmetabolismus, die neuronale Erregbarkeit, die Synthese proinflammatorischer Zytokine und das nozizeptive Verhalten untersucht. Das proinflammatorische Zytokin TNFa induzierte in primären Rückenmarksneuronen eine COX-2- und mPGES-1-Expression und eine erhöhte PGE2 Synthese. Diese Induktion der PGE2 Synthese konnte durch den selektiven COX-2 Inhibitor Rofecoxib und den „selektiven COX-1 Inhibitor“ SC-560 gleichermaßen potent gehemmt werden. Da der Effekt von SC-560 unerwartet war, wurde sein Wirkmechanismus genauer untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass SC-560 in Rückenmarkskulturen weder die COX-2 und mPGES-1 Expression, die PLA2 Aktivität, die mPGES-1 Aktivität noch den PGE2 Transport hemmte. Durch Experimente mit Zellen aus COX-1-/- Mäusen konnte gezeigt werden, dass SC-560 in Rückenmarkskulturen die COX-2 unabhängig von COX-1 in nanomolaren Konzentrationen inhibiert. Da dieses Ergebnis den postulierten COX-1-selektiven Eigenschaften von SC-560 widersprach, wurde nach der Ursache für den Verlust der COX-1-Selektivität gesucht. Es zeigte sich, dass SC-560 in einer zellfreien in vitro Synthese und im Vollbluttest mit klarer Selektivität COX-1 hemmt. In kultivierten Rückenmarkszellen, RAW-Makrophagen und Blutzellen (Monozyten und Thrombozyten) inhibiert SC-560 allerdings d beide COX-Isoformen potent. Es wurde dadurch deutlich, dass die zelluläre Einbindung von COX-2 sowie ein niedriger Proteingehalt im extrazellulären Medium die halbmaximalen Konzentrationen (IC50) für die COX-2-Hemmung durch SC-560 stark reduzieren kann und hierdurch die COX-1-Selektivität der Substanz verloren geht. Neben einer COX-2 Hemmung verursachte auch eine mPGES-1-Deletion in Rückenmarkskulturen sowie im adulten Rückenmark eine Reduktion der PGE2 Synthese. Überrachenderweise bewirkte jedoch die mPGES-1-Defizienz im Gegensatz zur COX-2 Hemmung durch Etoricoxib im Zymosanmodell keine Reduktion der mechanischen Hyperalgesie. Um die Ursache für die unterschiedliche antihyperalgetische Wirkung der COX-2-Hemmung und mPGES-1-Deletion zu finden, wurden zunächst die Konsequenzen für die gesamte Prostaglandinsynthese untersucht. Die Analyse mittels LC-MS/MS zeigte, dass im Rückenmark mPGES-1-defizienter Mäuse verstärkt PGI2, PGF2a und PGD2 synthetisiert wird. Da für alle drei Prostaglandine bereits pronozizeptive Effekte beschrieben wurden, wurde die Expression von den entsprechenden Rezeptoren im Rückenmark und die Konsequenzen der Rezeptoraktivierung auf die neuronale Erregbarkeit untersucht. Mittels „calcium imaging“ wurde demonstriert, dass selektive IP Rezeptoragonisten in Rückenmarksneuronen eine PKA und PKC vermittelte Phosphorylierung der NMDA Rezeptoren verursachen und die Aktivierbarkeit der NMDA Rezeptoren sensibilisieren. Eine Verstärkung des NMDA induzierten Calciumeinstromes konnte nach Applikation der anderen Prostaglandine nicht beobachtet werden. Die Ergebnisse zeigen daher, dass in mPGES-1-defizienten Mäusen durch die Umleitung der Prostaglandinsynthese zu Prostacyclin die exzitatorischen NMDA Rezeptoren sensibilisiert und hierdurch die antihyperalgitische Wirkung von PGE2-Synthesehemmung kompensiert werden kann. Zusammenfassend lässt sich aus den Ergebnissen schlussfolgern, dass mPGES-1 als Zielmolekül für die Schmerztherapie eher nicht eignet ist. mPGES-1-defiziente Tiere zeigten in inflammatorischen Schmerzmodellen ein normales nozizeptives Verhalten. Dies kann dadurch erklärt werden, dass es nach einer mPGES-1 Deletion im Rückenmark zwar zur Reduktion der PGE2 Synthese aber auch gleichzeitig zur verstärkten Synthese anderer pronozizeptiv wirkender Prostaglandine kommt.
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.
Cancer microenvironment is now recognized as a critical regulator of all stages of cancer development. Beside the tumor vasculature and tumor-infiltrating immune cells, other stromal cells such as cancer-associated fibroblasts (CAFs) regulate tumor growth. Fibroblasts are ubiquitous cells in connective tissue, where they shape the extracellular matrix (ECM). Fibroblasts are usually quiescent but get activated when tissue homeostasis is disturbed. Then, activated fibroblasts rebuild the ECM and communicate with local cells to participate in wound repair. These repair properties can go awry when being unchecked, which can lead to fibrosis and subsequently cancer development. CAFs can promote cancer development by fostering tumor cell growth, polarizing immune cells to an immunosuppressive phenotype, and crosslinking collagen to enable tumor cell invasion. Molecular mechanisms of CAF activation, thus, need to be understood to target these cells in tumors. Prostanoid prostaglandin E2 (PGE2) is viewed as a pro-tumor lipid mediator as suggested by studies pharmacologically or genetically targeting the enzymes producing PGE2, such as microsomal PGE synthase-1 (mPGES-1) in tumor models. Similar to CAFs, PGE2 drives tumor cell growth and tumor-associated immune suppression. Therefore, I hypothesized that PGE2 may play a role in CAF activation.
This hypothesis was tested in two mouse models of breast cancer (orthotopic grafting model, and polyoma middle T oncogene transgenic model), besides using isolated mammary gland (MG) fibroblasts in vitro. As expected, given the pro-tumor function of PGE2, knocking out mPGES-1 reduced the growth of oncogene-driven and transplanted mammary tumors. Surprisingly, CAF density was markedly increased when mPGES-1 was depleted. Importantly, despite reduced primary tumor growth, I observed enhanced lung metastasis upon mPGES-1depletion. Using MG-derived fibroblasts in vitro furthermore revealed that treatment with PGE2 reduced a TGFβtriggered CAF-like activation state. Importantly, bioinformatics analysis of a human breast cancer patient dataset revealed a negative correlation of a PGE2 production signature with fibroblast marker genes. In a next step I investigated if the increased CAF infiltrate was connected to the reduced tumor growth upon depletion of PGE2. To unravel this, I first asked through which E prostanoid (EP) receptor PGE2 signals in fibroblasts. MG fibroblasts mainly expressed EP3, and EP3 KO fibroblasts showed a hyper-proliferative and activated phenotype, indicating EP3 as the main PGE2 receptor in MG fibroblasts. Co-injecting of EP3 KO MG fibroblasts and tumor cells in WT mice suppressed tumor growth, whereas co-injection of WT fibroblasts with tumor cell in mPGES-1 KO mice increased tumor growth. These data indicate that PGE2 restricts CAF levels through EP3, which supports tumor growth. Whole transcriptome mRNAsequencing of WT and mPGES-1 KO FACS-sorted CAFs combined with immunohistochemical data suggested a role of p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) in the modulation of fibroblast activation by PGE2.
In summary, I showed in two breast cancer models that mPGES-1 depletion delays breast cancer progression, which is probably driven by the EP3-PGE2 signaling axis in host stroma. PGE2 appears to be a potent anti-fibroblast activation agent in tumors via EP3 and downstream p38 MAPK signaling. This study therefore hits the dogmatic perception of the general pro-tumor nature of PGE2; showing that PGE2 might be a double-edged mediator that can promote tumor growth at the primary site by restricting CAF expansion, which may in turn hinder infiltration of tumor cells to a secondary site.
Bei Entzündung oder Verletzung peripherer Gewebe und Nerven kommt es zur Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) im schmerzleitenden System. Welche ROS-generierenden Systeme hierbei beteiligt sind, ist jedoch nur ansatzweise verstanden. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die ROS-produzierende NADPH Oxidase 4 (Nox4) einen wichtigen ROS-Generator im nozizeptiven System darstellt. Nox4 wird in unmyelinisierten nicht-peptidergen sowie in myelinisierten primär afferenten Neuronen exprimiert. In Modellen für akute und inflammatorische Schmerzen zeigten Nox4-/--Mäuse ein ähnliches Verhalten wie ihre wildtypischen Wurfgeschwister, jedoch war ihr Schmerzverhalten in Modellen für neuropathische Schmerzen reduziert. Eine Microarray-Analyse des lumbalen Rückenmarks nach peripherer Nervenverletzung zeigte eine Hochregulation der Expression Myelin-spezifischer Gene in Wildtyp-, nicht aber in Nox4-/- Mäusen. Darüber hinaus wurden in Wildtyp-Mäusen Myelin-spezifische Proteine im N. ischiadicus nach peripherer Nervenverletzung herab reguliert, während in Nox4-/--Mäusen keine Regulation dieser Proteine beobachtet wurde. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Nox4 eine essentielle Rolle bei Myelinisierungsprozessen spielt und so die Verarbeitung neuropathischer Schmerzsignale beeinflusst.
Neben dem ROS-produzierenden System Nox4 wurde auch die Rolle des Peroxid-abbauenden Proteins Sestrin 2 (Sesn2) im nozizeptiven System untersucht. Nach peripherer Nervenverletzung wurde Sesn2-mRNA in den Spinalganglien und Sesn2-Protein im peripheren Nerv hochreguliert. Sesn2-/--Mäuse zeigten ein normales Verhalten in Modellen für akute und inflammatorische Schmerzen. Ihr Schmerzverhalten war jedoch im Formalin-Test und nach peripherer Nervenverletzung verstärkt.
Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass sowohl Nox4 als auch Sesn2 bei der Verarbeitung neuropathischer Schmerzsignale wichtige Funktionen einnehmen. Während Nox4 pronozizeptiv wirkt, weist Sesn2 antinozizeptive Effekte auf. Die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies scheint daher ein wichtiger endogener Faktor der Sensibilisierung im Rahmen von neuropathischen Schmerzen zu sein.