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Im Rahmen der erarbeiteten Dissertation konnte aufbauend auf naßchemischen und Festphasen-Synthesemethoden eine Vielzahl von pharmakologisch interessanten Verbindungen hergestellt werden, die als Liganden an der Polyamin-Bindungsstelle des NMDA-Rezeptors wirken. Diese wurden mit Hilfe von Radioligand-Bindungsstudien sowohl als agonistisch, invers-agonistisch und partiell invers-agonistisch wirkende Liganden identifiziert. Durch die iterative Entwicklung kleiner Substanzbibliotheken konnten sowohl Liganden mit gesteigerter Affinität, als auch Verbindungen mit erhöhter Selektivität zur Polyaminbindungsstelle synthetisiert werden. Ausgehend von einer Thiophendialkandiamin-Leitstruktur 1 wurden sowohl Strukturderivate mit verkürzten Alkylseitenketten, als auch Verbindungen mit bioisosteren Substrukturen hergestellt. Hierbei konnte analysiert werden, daß das Vorhandensein einer einfachen p-Donor-Substruktur durchaus für eine ausreichende Ligand-Rezeptor-Interaktion sorgt, während ein vollständiges Fehlen der Substruktur nicht toleriert wird. Aufbauend auf der Basis weiterentwickelter Festphasensynthesetechniken konnten Ligandenbibliotheken durch Insertion amidischer Strukturelemente in die C8-Seitenkette erzeugt werden, wobei die Amidfunktionen durch je zwei Aminosäuren mit unterschiedlichen Seitenresten gebildet wurden. Die pharmakologische Wirkung der Liganden ließ sich mit den Aminosäureresten der gekoppelten Aminosäuren korrelieren. Hierbei konnten sowohl invers-agonistische, partiell invers-agonistische, als auch agonistisch wirkende Liganden identifiziert werden. Einer der potentesten inversen Agonisten, die identifiziert wurden, wird durch die Aminosäurekombination (L)-Tryptophan/(L)-Tryptophan 2 mit einem IC50-Wert von 15 µM und einem Sperminfaktor von 4,66 repräsentiert. Speziell bei der ein- oder zweifachen Anwesenheit der Aminosäure (L)-Tryptophan zeigte sich eine Verschiebung zu niedrigeren IC50-Werten, während Liganden mit insertierter Aminosäure (L)-Histidin einen schwächer ausgeprägten inversen Agonisrnus aufwiesen. Ein starker Agonismus wurde bei Verbindungen beobachtet, die mindestens eine basische Aminosäure in Form von Lysin enthielten. Struktur 3 mit der Kombination (D)-Lysin/(L)-Arg repräsentiert mit einem EC50-Wert von 0,97 µM einen der affinsten agonistisch wirkenden Liganden an der Polyamin-Bindungsstelle des NMDA-Rezeptors.
Die 2-DE-Technik wurde in der Mitte der 70er Jahre von O` Farrelle und Klose vorgestellt, die schon damals die Inhalte ganzer Zellen unter denaturierenden Bedingungen in hunderte bzw. tausende Proteinspots auftrennen konnten. Mangelnde Reproduzierbarkeit und fehlende Auswertungsmöglichkeiten verhinderten jedoch zu diesem Zeitpunkt eine breite Anwendung und damit größeres Interesse an der Methode. In den 80er Jahren erreichte die Methode mit der Einführung immobilisierter pH-Gradienten und der MALDI-Massenspektrometrie einen entscheidenden Wendepunkt. Seit dem Ende der 80er Jahren wird die Methode aufgrund der Möglichkeit der gleichzeitigen Proteinidentifizierung und Quantifizierung auch zunehmend in der Krebsforschung in der Suche nach neuen Markerproteinen eingesetzt. Das Uterusgewebe ist ein Organ, das während der reproduktiven Phase im Leben einer Frau ständig zyklisch verlaufenden physiologischen Änderungen unterworfen ist. Das Leiomyom, ein gutartiger monoklonaler Tumor aus den glatten Muskelzellen des menschlichen Uterus, ist eine der häufigsten gynäkologischen Erkrankung in der westlichen Welt, über deren Ursachen trotz intensiver Forschung nach wie vor fast nichts bekannt ist. Die 2-DE-Technik eignet sich in hervorragender Weise zur Untersuchung derartiger Abweichungen in der Proteinexpression während eines Krankheitsprozesses. Bezüglich der Methodenetablierung und ihrer Reproduzierbarkeit im speziellen Fall des Uterusgewebes bildet der Zellaufschluss der Probe, insbesondre aus harten Geweben, einen zentralen Punkt in der Erarbeitung der Methodik der 2-DE, da ein hohes Risiko besteht, einen großen Teil der Proteine schon während der ersten Probenbearbeitung zu verlieren. In der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Aufschlussmethode für die Aufarbeitung des zähen Muskelgewebes ohne größere Proteinverluste entwickelt, indem das Uterusgewebe zunächst mechanisch (Ultra-Turrax) und anschließend mit Ultraschall homogenisiert wird. Die Solubilisierung der Proteinprobe bildet den zweiten wichtigen Punkt der 2-DE-Methodik. Die Solubilisierung während der Proteinextraktion und des Eintritts der Proteinprobe in die fokussierende Gel-Matrix, die aufgetragene Proteinmenge, die Fokussierungsparameter und die zweite Dimension wurde so optimiert, dass die Proteinauflösung eine konstant hohe Qualität auf den Gelen erreichte und damit eine semiquantitative Auswertbarkeit gesichert wurde. Bezüglich der Reproduzierbarkeit der Methode wurden die methodeninhärenten Probleme wie Gelfärbung, Probenpräparation und Auswertungsverfahren untersucht. Die Methodenvalidierung bezüglich der Gelfärbung zeigte, inwieweit die Auswertung, insbesondre bei schwachen Spots, beeinflusst werden kann. Im allgemeinen wurde die angewendete 2-DE-Technik für die Proteinanalyse des Uterus für gut reproduzierbar gefunden. Die Bestimmung der HKP lieferte die Grundlage einer gewebetypischen Proteindatenbank und erlaubt es außerdem, über die Gele ein Koordinationssystem zu legen, mit dem nachfolgende Proteinidentifizierungen erleichtert werden können. In dieser Arbeit konnten 48 Spots als HKP identifiziert werden. Als thematischer Schwerpunkt der Dissertation wurden die Abweichungen der Proteinexpression im Fall des Uterus myomatosus im Vergleich zu einem Kollektiv ohne muskuläre Pathologie des Uterus untersucht. Die Analyse der 2-DE von Patientenproben ergab gegenüber einer schwachen Expression bei den Vergleichsproben eine Überexpression von Prohibitin (PHB1), alpha-2-Aktin und human Growth Hormon Rezeptorprotein (hGhRP) im Endometrium bzw. im darunter liegenden subendometrialen Myometrium und eine hohe Expression im Tumorgewebe (Myomgewebe). Weiteres zeigte die 2-DE-Analyse bei Patientenproben eine Downregulation von zwei Proteinen (beta-4-Proteasom und Fibrinogen) im Gegensatz zur Expression bei den Gesunden. Die analytischen Ergebnisse aus Tumorgeweben verglichen mit den SE-und SS-Geweben derselben Patientinnen zeigten eine deutliche Expression von einigen Proteinen (Desmin, F-Actin, Transaldolase, Thioredoxin-Peroxidase und mutative Glutathion-Transferase), deren Expression in den morphologisch unauffälligen Geweben aller Schichten des Uterus nicht zu beobachten war.
In der vorliegenden Arbeit wurden Liganden, die Strukturmerkmale von Glycin-Bindungsstellen-Antagonisten des NMDA-Rezeptors und von Dopamin-Rezeptor-Agonisten enthalten, synthetisiert und charakterisiert. Es handelte sich dabei um Hybrid-Moleküle vom überlappenden Typ. Als Leitstrukturen dienten Thienopyridinone, die bereits als Glycin-Antagonisten etabliert waren. In diese Strukturen wurden Funktionalitäten von Dopamin-Rezeptor-Agonisten integriert. Einige Verbindung enthalten die Aminoethyl-Funktion des endogenen Agonisten Dopamin und eine Verbindung die Aminomethyl-Funktion des D2-Agonisten Piribedil. Zunächst wurde durch einfache Methoden des Molecular Modeling und dem anschließenden Vergleich der pharmakophoren Deskriptoren der Liganden überprüft, ob eine duale Affinität der angestrebten Strukturen möglich ist. Die Kombination der Affinitäten wurde im Hinblick auf die Therapie des Morbus Parkinson ausgewählt. Dual affine Wirkstoffe sollten neben der Verbesserung der Symptomatik auch eine Verlangsamung des Fortschreitens der Krankheit, aufgrund der Verringerung des Zelluntergangs, bewirken. Es wurde ebenfalls versucht durch die Einführung verschiedener Aminoalkyl-Substituenten mit unterschiedlichem sterischen Anspruch (Aminoethyl-, N,N-Dimethylaminmethyl-, N,N-Dimethylaminethyl-, N,N-Di-propylaminmethyl- und N,N-Dipropylaminethyl-Substituenten) in 3-Position der Thieno[2,3 b]pyridinone weitere Aussagen über die Glycin-Bindungsstelle des NMDA-Rezeptors zu ermöglichen. Im Rahmen der Synthese wurden die Amino-Funktionalitäten zu Beginn der Synthese oder an Vorstufen der Cyclisierungen eingeführt. Zunächst wurden 2 Aminothiophene mit entsprechenden Amino-Substituenten in 4 Position und freier 5-Position, die Schlüsselverbindungen sind beim Aufbau der Zielstruktur, über verschiedene Modifikationen der Gewald-Reaktion hergestellt. Es wurden ebenfalls versucht entsprechend substituierte Cyclisierungsvorstufen mit Amino-Substituenten in 4–Position durch verschiedene Substitutionreaktionen herzustellen. Dies sollte durch die Synthese von 2-Aminothiophenen mit guten Abgangsgruppen, wie Tosylat oder Halogenide in der 4-Position erfolgen. Die Cyclisierungsreaktion wurde unter Verwendung unterschiedlicher Basen untersucht. Die duale Affinität der Liganden wurde durch pharmakologische in vitro Bindungsstudien untersucht. Zur Bestimmung der Affinitäten an der Glycin-Bindungsstelle des NMDA-Rezeptors wurden Glycin-Bindungsassays durchgeführt. Die Affinitäten an Dopamin-Rezeptoren wurde über Racloprid-Bindungsassays bestimmt. Die Verbindungen weisen Affinitäten im mikromolaren Bereich zur Glycin-Bindungsstelle auf. Allerdings zeigen Verbindungen der gleichen Verbindungsklasse mit sterisch vergleichbaren Substituenten in der 3- oder 2-Position des Thienopyridinon-Gerüstes deutlich bessere Affinitäten (niedriger nanomolarer Bereich auf). Dies lässt den Schluss zu, dass der Affinitätsverlust auf ungünstige elektrostatische Wechselwirkungen des geladenen Substituenten (Aminofunktion liegt bei pH 7.0 protoniert vor) des Liganden mit dem Rezeptorprotein zurückzuführen sind. Die Affinitäten der Verbindungen an Dopamin-Rezeptoren sind unbefriedigend. Hybrid-Moleküle vom überlappenden Typ, die neben der Thienopyridinon-Struktur auch Strukturmerkmale des Dopamin-Rezeptor-Agonisten Ropinirol enthalten, konnten trotz verschiedenster Syntheseansätze im Rahmen dieser Arbeit synthetisch nicht zugänglich gemacht werden. Weitere Anstrengungen wurden aufgrund des bereits deutlichen Affinitätsverlusts der Verbindungen mit einer freien Amino-Funktion nicht unternommen. Im Rahmen der synthetischen Arbeiten konnte eine Methode der Gewald-Reaktion bezüglich Ausbeuten und Anzahl der Nebenprodukte optimiert werden. Hybrid-Moleküle vom überlappenden Typ führten zu Verbindungen mit dualen Affinitäten an NMDA- und an Dopamin-Rezeptoren. Allerdings wurden für beide Rezeptortypen nur Affinitäten im mikromolaren Bereich erzielt, wobei deutlich bessere Affinitäten für den NMDA-Rezeptor resultierten. Dies ist sicherlich auf die gewählten Ausgangsstrukturen der Thienopyridinone zurückzuführen, die bereits als Antagonisten der Glycin-Bindungsstelle des NMDA-Rezeptors etabliert waren.
Am Anfang dieser Arbeit wurde die CE als hervorragende Methode zur Identifizierung und Charakterisierung von Nukleinsäuren und Nukleinsäure-Analoga etabliert. Die Anwendung der kommerziell erhältlichen Gelkapillaren führte zwar zu guten Trennergebnissen, zeigte jedoch erhebliche Mängel im praktischen Umgang (Giftigkeit der Agentien), eingeschränkte Lebensdauer der Gele aufgrund von Degradations-prozessen, in der Sensitivität sowie in der Reproduzierbarkeit der erhaltenen Ergebnisse. Aus diesem Grund wurde die Methode im Bezug auf die Gelbildner und die verwendete Detektionsmethode erheblich verbessert. Die Verwendung von Cellulosederivaten als Gelbildner führte zu einer extrem robuster, sensitiven, preiswerten und ungiftigen Methode zur Trennung von komplexen Nukleinsäuregemischen. Die Möglichkeit die Trennmatrix für jeden Lauf zu erneuern, verbesserte die Reproduzierbarkeit der Methode enorm. Für verschiedene Trennprobleme kann durch einfache Veränderung der Viskosität oder der Konzentration des Gelbildners die Methode einfach und schnell optimiert werden. Die etablierte Standardmethode konnte zur Detektion und Charakterisierung unterschiedlichster DNA Fragmente herangezogen werden. So konnte eine Reinheitsprüfung für Oligonukleotide eingeführt werden, Mutationen detektiert werden oder ein weiterer Parameter zur Charakterisierung von Antisense Oligonukleotide etabliert werden. Die zusätzliche Einführung der laserinduzierten Detektion (LIF) in die Standardmethode führte zu einer enormen Steigerung der Sensitivität der Methode. Hiermit können 100-fach kleinere Konzentrationen von Nukleinsäuren detektiert werden, als mit der herkömmlichen UV-Detektion. Basierend auf diesen Optimierungen ist es gelungen die entwickelte CE Methode als ein wesentlichen Bestandteil eines hochselektiven und spezifischen zellbasierten Modells zur Detektion von apoptotischen Vorgängen zu etablieren. Dieses Modell hat, im Gegensatz zu den zahlreichen, existierenden Cytotox-Assays, den entscheidenden Vorteil, dass es auf Wirkebene detektiert und nicht nur Surrogatparameter, wie zum Beispiel Zellmembranschäden, erfasst. Trotzdem ist es einfach und schnell durchführbar. Dadurch ist das etablierte Modell zur klaren Unterscheidung von Apoptose und Nekrose in der Lage. Diese klare Unterscheidung macht ein Wirkstoff-Screening von potentiell apoptose-induzierenden Wirkstoffen einfach und schnell möglich. Wie gezeigt wurde, kann durch die Verwendung von Tumorzelllinien mit verschiedenen Prädispositionen die Unterscheidung von unspezifisch induzierter Apoptose, wie z.B. durch Serumentzug, und von spezifisch induzierter Apoptose, wie z.B. durch Etoposid bei Caspase-3 enthaltenden Zelllinien und Vitamin-D-Analoga bei Vitamin-D3-Rezeptor tragenden Tumorzelllinien, möglich gemacht werden. Das Potential des etablierten Modells kann durch Einsatz verschiedenster Tumorzellen erweitert werden. So kann man die Wirksamkeit sowie die Resistenz der Tumorzellen gegenüber vorhandenen und neuen Tumortherapeutika ohne größere Probleme zeigen.
Pharmazeutische Proteomics
(2006)
Die vorliegende Arbeit setzt sich mit der Implementierung, Validierung und Anwendung der 2-dimensionalen Gelelektrophorese und der MALDI-TOF Massenspektrometrie unter pharmazeutischen Gesichtspunkten auseinander. Es wurde ein breites Spektrum aus dem Bereich der Pharmazeutischen Proteomics bearbeitet, beginnend mit einer detaillierten Methodenentwicklung für 2-DE, um die Methode zu optimieren, ihre Robustheit zu evaluieren und die Grenzen der Methode kennen zu lernen. Daran schließt sich eine Validierung für 2-DE / Silberfärbung an. Der Validierungsansatz orientiert sich an den üblicherweise in der pharmazeutischen Industrie bei der Validierung analytischer Methoden untersuchten Parametern. Hierzu zählen Präzision, Linearität, Richtigkeit und Spezifität. Ferner wurden Untersuchungen angestellt, inwiefern Daten aus unterschiedlichen Labors zusammengefasst werden können. Zur Dokumentation wurde ein auf MS Access® basierendes Laborinformationssystem erstellt. Hiermit können die von verschiedenen Mitarbeitern erzeugten Daten einheitlich und nachvollziehbar erfasst werden. Nach der Etablierung der methodischen Grundlagen wurden unterschiedliche, pharmazeutisch relevante Fragestellungen mittels 2-DE und MALDI-TOF-MS bearbeitet. Proben unterschiedlicher Komplexität wurden untersucht, die Milch eines transgenen Kaninchens, welches bovines FSH exprimiert, wurde analysiert. Über diese Versuche wurde der Einstieg in die Analytik rekombinanter Arzneistoffe geschaffen. Die 2-DE eignet sich sehr gut um die bei posttranslational modifizierten rekombinanten Proteinen auftretende Mikroheterogenität abzubilden. 2-DE und MALD-TOF MS sind alternative Methoden zu denen, die im europäischen Arzneibuch für die Analytik rekombinanter Arzneistoffe beschriebenen werden. Erythropoietin, einer der weltweit umsatzstärksten rekombinanten Arzneistoffe, zu dem auch eine Monographie im EuAB existiert, wurde näher untersucht. Bei diesem Protein wurden die Zuckerseitenketten selektiv abgespalten und es wurde untersucht, welche Auswirkung die Zucker auf das eletrophoretische Verhalten des Erythropoietins haben. Eine MALDI-TOF-MS Analytik von Erythropoietin war auch erst nach Abspaltung der Zuckerseitenketten möglich. Die Sequenzabdeckung konnte durch Verdau mit unterschiedlichen Enzymen gesteigert werden. Eine Technologie zur Sequenzierung von Proteinen mittels MALDI-TOF-MS wurde mit CAFTM für rekombinantes Chicken Annexin V etabliert. Weitere rekombinante Proteine, die im Rahmen dieser Arbeit untersucht wurden, sind Interferon-alfa-2a, Interferon-alf-2b, rh-HCG, Trastuzumab und Rituximab. Das anti-apoptotischen Bcl-xL ist ein Zielprotein für den Einsatz von Antisense Oligonucleotiden in der Tumortherapie. Für dieses Protein wurde eine 2-DE / Western blot-Methode entwickelt, die als in vitro Testsystem für das Screening von Oligonucleotiden genutzt werden kann. Aus dem Bereich der klinischen Proteomics wurden Serum, CSF und Urinproben von Patienten mit Bence Jones Proteinämie untersucht und mit den üblicherweise in der Klinik verwendeten CE-Analysen verglichen. In einzelnen Fällen konnten in vermeintlich Bence Jones negativen Proben mittels 2-DE doch noch Bence Jones Proteine nachgewiesen werden. Zusammenfassend kann man sagen, dass 2-DE und MALDI-TOF-MS vielseitig in der Pharmazie angewendet werden können. Die Komplexität eines jeden Proteoms und die physikochemische Heterogenität von Proteinen muss beachtet werden. In komplexen Proteinmischungen sind aufgrund sehr unterschiedlicher Konzentrationen, Löslichkeiten und der Heterogenität durch posttranslationale Modifikationen viele Proteine einem globalen 2-DE Ansatz nicht zugänglich, nichtsdestotrotz ist die 2-DE derzeit eine der leistungsfähigsten Methoden in der Proteomanalytik.
