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Das Gleichgewicht zwischen den Sphingolipiden Ceramid und Sphingosin-1-Phosphat (S1P) spielt eine entscheidende Rolle für das Schicksal einer Zelle. Es ist bekannt, dass Ceramid proapoptotisch wirkt, wohingegen S1P antiapoptotische und entzündungshemmende Signalwege induziert [6]. Eine Beeinflussung der Sphingolipid-metabolisierenden Enzyme sowie eine daraus resultierende gestörte Balance zwischen Ceramid und S1P ist somit ein Merkmal diverser entzündlicher Krankheiten wie der Asthma bronchiale, der Colitis ulcerosa [148] oder auch verschiedenen Arten von Tumoren [199]. Das Hauptziel dieser Arbeit lag in der Untersuchung der Ceramid-abbauenden neutralen Ceramidase (NCDase) und der S1P-synthetisierenden Sphingosinkinase 1 (SK1) in verschiedenen Nierenzellen. Ein Fokus wurde dabei auf die Regulierung dieser Enzyme durch entzündungshemmende Corticosteroide in Ratten Mesangiumzellen gelegt, wobei diese Zellen entscheidend in der Entstehung entzündlicher Nierenerkrankungen wie einer Glomerulonephritis sind. Weiterhin wurde der Einfluss der Mutation putativer Phosphorylierungsstellen der NCDase auf die Regulierung dieses Enzyms in HEK293 Zellen untersucht und in einem dritten Teil der Arbeit schließlich die Expression und die Funktion der SK1 in der humanen Niere im Vergleich zum Nierenzellkarzinom analysiert.
Es konnte gezeigt werden, dass Glucocorticoide (GCs) Mesangiumzellen durch eine Steigerung der intrazellulären S1P-Konzentrationen vor durch Stress induzierter Apoptose schützen. Diese Beeinflussung des Sphingolipid-Rheostats beruhte auf einer gesteigerten mRNA- und Proteinexpression der Sphingosinkinase 1 (SK1) und der neutralen Ceramidase (NCDase). Außerdem wurde nachgewiesen, dass der Promotor der NCDase durch GCs aktivierbar ist und dass zwei Glucocorticoid-responsive-Elemente (GREs) innerhalb der Promotorsequenz durch die Bindung von Glucocorticoidrezeptoren (GRs) diese Aktivierung bewirken. In vivo Experimente mit isolierten Glomeruli, die aus mit Dexamethason behandelten Mäusen gewonnen wurden, zeigten ebenfalls eine Erhöhung der mRNA-Expression und Aktivität der SK1 sowie eine gesteigerte Proteinexpression der NCDase. Somit wurde erstmals ein direkter Einfluss von GCs auf den Sphingolipidmetabolismus in Mesangiumzellen beschrieben.
In einem zweiten Teil dieser Arbeit wurde gezeigt, dass eine Mutation zweier putativer Proteinkinase C (PKC)-Phosphorylierungsstellen (T253A und T420/23A) in der Sequenz der murinen NCDase zu einem verlangsamten Reifungsprozess dieses Enzyms führt. Western Blot-Analysen ergaben, dass der überexprimierte NCDase-WT zwei unterschiedlich glykosylierte Isoformen mit einem Molekulargewicht von 120 und 130 kDa exprimiert, welche stetig durch einen aktiven Prozess sezerniert werden. Im Gegensatz dazu war in den Mutanten ausschließlich die 130 kDa-Form im Zellkulturüberstand und die 120 kDa-Form im Lysat zu finden. Im Gegensatz zum WT lokalisierten die Mutanten lediglich an intrazellulären Membranen und nicht zusätzlich an der Plasmamembran. In Lysaten von Zellen die die Mutanten exprimierten, konnte eine verringerte relative Aktivität gemessen werden, die der sezernierten mutierten Formen hingegen war erhöht. Daher wurde vermutet, dass die 130 kDa-Form die reife Plasmamembran-gebundene und anschließend sezernierte, aktivere Isoform der NCDase darstellt. Die Inkubation von Mesangiumzellen mit Zellkulturüberständen, die den sezernierten NCDase-WT enthielten, führte zum Schutz vor durch Stress induzierter Apoptose. Somit kann eine auto- bzw. parakrine Funktion der sezernierten NCDase angenommen werden.
Dem dritten Teil der Arbeit lag die erstmalige Beschreibung der SK1-Expression in der gesunden humanen Niere zugrunde. Es konnte gezeigt werden, dass diese im Zytoplasma sowie an Membranen von Zellen des proximalen Tubulus sowie in geringerem Maße in Podozyten und Mesangiumzellen des Glomerulus exprimiert wird. Im Gegensatz dazu wurde die SK1 in Biopsien von Patienten mit Nierentumor im Nukleus gefunden. Die Untersuchung der SK1-Expression in 5 verschiedenen Nierentumorzelllinien im Vergleich zu Epithelzellen des proximalen Tubulus (Human Kidney 2 - HK2-Zellen) ergaben, dass sowohl die Protein- als auch die mRNA-Expression der SK1 in Föhn-Zellen stark erhöht, in ACHN3-Zellen hingegen signifikant niedriger war. Zudem konnte auch in den Föhn-Zellen eine nukleäre Expression der SK1 nachgewiesen werden. Die Behandlung von HK2-, ACHN3- und Föhn-Zellen mit dem Transforming Growth Factor-ß2 (TGF-ß2) resultierte in einer transkriptionellen Steigerung der SK1-Expression. Die Herunterregulierung der SK1 in diesen Zellen führte zu einem Arrest der Zellen in der S Phase, wohingegen die Überexpression der SK1 in den ACHN3-Zellen zu einem signifikanten Schutz vor Apoptose führte.
Zusammenfassend sind die Sphingolipid-metabolisierenden Enzyme NCDase und SK-1 ein interessanter therapeutischer Ansatzpunkt zur Behandlung von Krankheiten, die mit pathologischen Prozessen wie Entzündung, Apoptose und Proliferation einhergehen, wie es bei Glomerulonephritiden und bei Nierentumoren der Fall ist.
5-Lipoxygenase (5-LO) katalysiert die ersten beiden Schritte in der Biosynthese der Leukotriene, die an Reaktionen des Immunsystems beteiligt sind. Die 5-LO-Aktivität wird durch verschiedene Faktoren wie Ca2+, Phospholipide und den zellulären Redoxstatus beeinflusst. Die 5-LO besteht aus einer katalytischen und einer N-terminalen, C2-ähnlichen Domäne. Durch Oxidation des Eisens im aktiven Zentrum zur Fe3+-Form wird das Enzym aktiv. Die C2-ähnliche Domäne bindet Ca2+ und PC und ist für die Membranbindung der 5-LO verantwortlich. In der vorliegenden Arbeit wurde die Aktivierung der 5-LO durch das Diacylglycerid OAG untersucht. Bekannt war die Stimulation der Agonist-induzierten 5-LO-Aktivität in intakten Zellen durch OAG, die nicht auf den bekannten Aktivierungswegen wie Translokation, Phosphorylierung oder Ca2+-Mobilisierung beruht. Hier kann nun die direkte Aktivierung des 5-LO-Enzyms durch OAG in vitro gezeigt werden. Untersucht man den Einfluss von OAG auf die 5-LO-Aktivität in Anwesenheit von 1 mM Ca2+, lässt sich weder an Homogenat, S100 noch am partiell aufgereinigten Enzym aus PMNL ein Effekt beobachten. Entfernt man dagegen Ca2+ aus den Versuchsansätzen, induziert OAG (30 µM) bei Substratkonzentrationen unter 20 µM AA die 5-LO-Aktivität im S100 und am partiell aufgereinigten Enzym. Auch andere Glyceride wie DOG, OG und EAG aktivieren die 5-LO, nicht jedoch SAG. OAG stabilisiert die 5-LO-Aktivität vor der Hemmung durch die Glutathionperoxidase (GPx), dies vermögen ebenfalls andere Glyceride. Damit ähnelt der Einfluss von OAG auf die 5-LO dem bereits bekannten Effekt von Ca2+: es ist in der Lage, vor allem bei niedrigen Substratkonzentrationen die 5-LO-Produktmenge direkt zu erhöhen und kann die 5-LO-Aktivität gegen den inhibitorischen Effekt der Glutathionperoxidase (GPx) stabilisieren. Ähnlich wie Ca2+ scheint OAG die Affinität der 5-LO für das Substrat AA zu erhöhen und das Bedürfnis für aktivierende Hydroperoxide zu erniedrigen. Durch Untersuchungen im Rahmen dieser Arbeit kann eine Beteiligung der Ca2+-Bindungsstelle an der Interaktion zwischen 5-LO und OAG ausgeschlossen werden, da OAG auch an der loop2 mut-5LO die Aktivität zu steigern vermag. Der Anstieg der 5-LO-Produktbildung durch OAG in S100 und am partiell aufgereinigten 5-LO-Enzym lässt sich durch die Zugabe von PC und anderen Phospholipiden unterbinden. Damit erklärt sich gleichzeitig, weshalb OAG am Homogenat aus PMNL keine Effekte zeigt, da hier noch Zellmembran-Bestandteile enthalten sind. Der OAG-Effekt wird wohl über die drei Tryptophan-Reste Trp-13,-75 und -102 der Phospholipid-Bindungsstelle auf der C2-ähnlichen Domäne der 5-LO vermittelt. Dies zeigen auch Untersuchungen an der 3W mut-5LO, bei der die drei Tryptophan-Reste zu Alanin-Resten mutiert sind. Die Aktivität dieser Mutante lässt sich durch OAG unter den bereits beschriebenen Versuchsbedingungen nicht steigern. Ein weiterer Hinweis auf die Phospholipid-Bindungsstelle ist die Interaktion zwischen OAG und dem 5-LO-Inhibitor Hyperforin. Hyperforin selbst hemmt die 5-LO über diese Bindungsstelle, durch OAG wird der IC50-Wert von Hyperforin deutlich erhöht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Lipid Protein Overlay Assay für 5-LO ausgearbeitet, ein direkter Nachweis der Bindung zwischen OAG und 5-LO ist aber bisher nicht gelungen. OAG steigert nicht die Aktivität des 5-LO-Enzyms aus serumfrei kultivierten MM6-Zellen, BL41-E95-A Zellen und transfizierten HeLa-Zellen, auch die Produktmenge der Sojabohnen-LO kann nicht durch OAG beeinflusst werden. Untersucht man die Interaktion von OAG mit aufgereinigter regulatorischer Domäne (MBP-Fusionsprotein, MBP-5LO1-128), so zeigt sich eine weitere Steigerung der durch OAG-induzierten 5-LO-Aktivität, obwohl MBP-5LO1-128 bei höheren Konzentrationen eine Hemmung der 5-LO-Aktivität durch Reduktion der gebildeten 5-HPETE verursacht. Diese Ergebnisse lassen sich damit erklären, dass OAG das Bedürfnis der 5-LO für Hydroperoxide senkt und damit geringere Mengen an 5-HPETE zur Aktivierung der 5-LO ausreichen. Betrachtet man das 5-HETE/5-HPETE-Verhältnis, führt die Zugabe OAG in Abwesenheit von Ca2+ und bei 10 µg MBP-5LO1-128 zu einer geringen Abnahme des 5-HETE-Anteils. Im zweiten Teil der Arbeit wurden neue 5-LO-Inhibitoren identifiziert. Aus der Reihe der Pirinixinsäure-Derivate konnte durch entsprechende Modifikationen der potente 5-LO-Inhibitor LP 119 mit einem IC50-Wert von 0,6 µM in intakten PMNL-Zellen identifiziert werden. Durch systematisches Durchsuchen virtueller Datenbanken konnten mindestens zwei Substanzen gefunden werden, die sowohl an intakten Zellen wie auch am partiell aufgereinigten Enzym die 5-LO-Aktivität hemmen, weitere Untersuchungen ergaben, dass es sich wohl zumindest bei einer Strukturklasse um einen direkten 5-LO-Inhibitor handelt.
In this thesis I have investigated the regulation of eicosanoid synthesizing-enzymes by cannabinoid receptor agonists. Rat renal mesangial cells were used as a model system. I could show that all three (CB1, CB2, and GPR55) cannabinoid receptors are expressed on the mRNA level in rat renal mesangial cells – but with differing expression profiles. The CB1 and GPR55 receptors are expressed in comparable amounts, whereas the CB2 receptor is considerably less expressed than the CB1 and the GPR55 receptors. Furthermore I could show that stimulation of renal mesangial cells with CB1 receptor agonists, such as R(+)MA or ACEA, increased IL-1β-induced cPLA2, sPLA2-IIa, and COX2 protein and mRNA expression which subsequently led to an enhanced IL-1β-induced PGE2 formation. Additionally, the IL-1β- induced sPLA2-IIa promoter activity was also increased by CB1 receptor stimulation. Besides the modulated expression of the eicosanoid synthesizing enzymes, I could show that CB1 agonists also led to an increase of IL-1β-induced iNOS expression and subsequent NO formation. In contrast, stimulation with CB2 selective agonists led to a decrease in IL-1β- induced sPLA2-IIa protein expression and PGE2 formation. Accordingly, the IL-1β-induced sPLA2-IIa promoter activity was also reduced by CB2 receptor agonists. IL-1β-induced iNOS expression and subsequent NO formation were not influenced by CB2 recptor activation. Matching the results I obtained with CB1 receptor agonists on IL-1β-induced PGE2 formation, I could observe an increased cPLA2 protein and mRNA expression with a subsequent increase in IL-1β-induced PGE2 formation by GPR55 stimulation. Stimulation with THC, an unselective CB agonist, increased the IL-1β-induced sPLA2-IIa protein expression and subsequently led to an enhanced IL-1β-induced PGE2 formation. Subjecting the cells to higher THC concentrations surprisingly led to a reduction of the IL-1b-induced sPLA2-IIa protein expression and PGE2 formation. A possible explanation may be the differential expression of the three CB receptors. At low concentrations THC may predominantly activate CB1 and GPR55 and with increasing concentration CB2 receptors may also be activated, slightly reversing the enhancing effect. Moreover, I could show that the CB1 receptor stimulation mediated phosphorylation and hence the activation of ERK1/2 MAPK. Additionally to ERK1/2, there was also a phosphorylation and activation of NFkB observed by CB1 receptor stimulation. In my thesis I could show for the first time that PPARα was activated by IL-1β in rMC. The IL-1β-induced PPARα promoter activity was completely inhibited by addition of the CB2 receptor agonist, JWH015. These findings were confirmed by inhibition of the IL-1β-induced PGE2 formation by a PPARα antagonist (MK-886). In summary, I could show that activation of CB1 receptors in our system led to a worsening of an inflammatory condition, whereas activation of the CB2 receptors led to the complete opposite; namely a reduction of the inflammatory response by reducing the sPLA2-IIa expression and PGE2 formation. GPR55 activation did not display any alteration of inflammatory conditions, since the classical inflammatory pathway was not influenced.
Nukleäre Rezeptoren sind ligandenaktivierte Transkriptionsfaktoren, die das pharmazeutische Interesse als Zielstrukturen für antientzündliche Wirkstoffe und andere Indikationen erwecken. Entzündungen werden durch Noxen physikalischer, chemischer oder mikrobiologischer Art hervorgerufen. Dabei reagiert das geschädigte Gewebe mit zahlreichen Vorgängen, die vaskuläre und zelluläre Reaktionen mit Immunantworten verknüpfen und nach der Wiederherstellung des ursprünglichen Zustands streben. Bei andauernder Wirkung können Entzündungen jedoch in einen schädlichen Prozess umschlagen, sodass in solchen Fällen eine therapeutische Intervention Notwendigkeit erlangt. Ziel dieser Arbeit war es deshalb, neue Liganden nukleärer Rezeptoren als Kandidaten für antientzündliche Wirkstoffe zu identifizieren.
Leber X Rezeptoren (LXRs) sind Zielstrukturen für entzündliche und neurodegenerative Erkrankungen mit antiphlogistischem Potenzial. Zur Identifikation neuer LXR-Liganden wurde eine Datenbank mit zugelassenen Wirkstoffen mithilfe einer selbstorganisierenden Karte (SOM) auf Interaktion mit LXR gescreent. Die Retinoid X Rezeptor (RXR)-Agonisten Alitretinoin (37) und Bexaroten (38) konnten in der anschließenden in vitro Charakterisierung als potente duale LXRalpha/LXRbeta-Partialagonisten mit moderater Aktivierungseffizienz bestätigt werden. Während 37 und 38 synthetische LXR-Vollagonisten partiell antagonisierten, führten sie mit dem endogenen Partialagonisten 22(R)-Hydroxycholesterol (4) zur additiven Aktivierung von LXR. Die Charakterisierung von Alitretinoin (37) und Bexaroten (38) als duale LXR/RXR-Agonisten liefert nicht nur eine weitere Erklärung für in klinischen Studien beobachtete Nebenwirkungen, sondern könnte auch den Startpunkt zur Entwicklung neuer antientzündlicher LXR- und dualer LXR/RXR-Liganden bieten.
Der Peroxisomen Proliferator-aktivierte Rezeptor (PPAR) gamma ist ein nukleärer Rezeptor, der neben der Steigerung der Insulinsensitivität auch antientzündliche Effekte aufweist. Auf Grundlage seiner Y-förmigen und fettsäuremimetischen Struktur konnte das Urikosurikum Lesinurad (47) als PPARgamma-Partialagonist in vitro charakterisiert werden. Im Gegensatz zu PPARgamma-Vollagonisten wie Pioglitazon (31) oder Rosiglitazon (32) induzierte 47 nicht die Differenzierung muriner 3T3-L1 Zellen in reife Adipozyten, aber erhöhte in der humanen Leberzellkarzinomzelllinie HepG2 die Expression von Genen, welche die Insulinsensitivität und den Fettsäureabbau steigern könnten. Folglich erwies sich Lesinurad (47), das bei der Pharmakotherapie von Gicht Anwendung findet, als selektiver PPARgamma-Modulator (sPPARgammaM) ohne adipogene Nebenwirkungen. Insbesondere Patienten mit Komorbiditäten wie Diabetes mellitus Typ 2 oder anderen Erkrankungen des metabolischen Syndroms könnten von einer Behandlung mit 47 profitieren. Inwiefern PPARgamma an der Auflösung von Entzündungen bei Gicht beteiligt ist, bleibt in zukünftigen Studien zu klären.
Synthetische RXR-Agonisten haben ein vielversprechendes Potenzial zur Behandlung entzündlicher neurodegenerativer Erkrankungen, das jedoch von nachteiligen Eigenschaften dieser Rexinoide beeinträchtigt wird. Durch ein pharmakophorbasiertes Screening einer fokussierten Substanzbibliothek aus Fettsäuremimetika konnte ein fortschrittliches RXR-Ligandgerüst identifiziert werden. Eine geeignete Synthesestrategie wurde etabliert und die Leitstrukturen durch systematisches Studium der Struktur-Wirkungsbeziehung (SAR) optimiert. In vitro Experimente wie Reportergenassays und die Quantifizierung der Zielgenexpression bestätigten die RXR-partialagonistische Aktivität der dabei entwickelten nanomolaren Verbindung 89. Mit seiner hohen Selektivität, gesteigerten wässrigen Löslichkeit sowie reduzierter Lipophilie und Toxizität könnte 89 die Probleme bisheriger synthetischer RXR-Agonisten überwinden. Seine Präferenz von RXRgamma hinsichtlich der Aktivierungseffizienz könnte richtungsweisend für die Entwicklung subtypselektiver Liganden sein.
Die nichtalkoholische Steatohepatitis (NASH) ist eine Leberentzündung, die aus einer Steatose hervorgehen kann und deren multifaktorielle Natur eine hohe therapeutische Effizienz erfordert. Diese könnte durch duale Modulation der nukleären Rezeptoren Farnesoid X Rezeptor (FXR) und PPARdelta mit antientzündlichen Eigenschaften und unterschiedlichem Wirkprinzip erreicht werden. Zur Validierung dieses Ansatzes mit synergistischem Potenzial sollten duale PPARdelta/FXR-Agonisten ausgehend von einer in früheren Studien des Arbeitskreises identifizierten Leitstruktur mit moderater Potenz entwickelt werden. Dazu wurde ein fünfstufiges Verfahren zur Synthese von Derivaten der Leitstruktur erarbeitet und die Derivate hinsichtlich ihrer Aktivität auf den Zielstrukturen in vitro evaluiert. In systematischen SAR-Studien wurden dabei Strukturmotive charakterisiert, welche die Wirksamkeit und Maximalaktivierung auf PPARdelta und FXR steigerten. Darüber hinaus konnten Modifikationen identifiziert werden, welche eine Selektivität über PPARalpha und PPARgamma gewährten. Die Kombination dieser vorteilhaften Gruppen und Substituenten könnte neue Wirkstoffkandidaten zur Behandlung von NASH hervorbringen.
Insgesamt wurden in dieser Arbeit zahlreiche Wirkstoffe und Wirkstoffkandidaten erfolgreich als Liganden nukleärer Rezeptoren mit antientzündlichem Potenzial identifiziert. Alitretinoin (37) und Bexaroten (38) können als Leitstruktur zur Entwicklung neuer selektiver LXR- oder dualer LXR/RXR-Agonisten dienen. Die PPARgamma-partialagonistische Aktivität von Lesinurad (47) könnte einen Fortschritt in der Therapie von Gicht mit metabolischen Begleiterkrankungen bewirken. Zudem könnten im Zuge dieser Arbeit synthetisierte Serien von RXR- und dualen PPARdelta/FXR-Partialagonisten neue Therapieoptionen bei neurodegenerativen Erkrankungen oder NASH ermöglichen.
Extracts of Boswellia serrata, also known as Indian frankincense, have been used to treat inflammatory diseases in the Indian ayurvedic medicine or Chinese traditional medicine (TCM) for over 3000 years, but the molecular mechanisms of the anti-inflammatory effects are still not well understood. It is obvious that the boswellic acids, the major compounds in the extracts, are responsible for the efficacy. This work employed a protein fishing technique to identify putative targets of boswellic acids at different stages within the inflammatory cascade. For fishing experiments, boswellic acids were immobilized to sepharose and incubated with cell lysates. After washing and boiling, fished proteins were separated by SDS-PAGE and analysed by MALDI-TOF-MS. CatG, DNA-PK and the protein kinase Akt were identified by protein pulldowns with immobilised BAs and characterised as selective and important targets for BAs with an IC50 in the range of physiologically achievable plasma levels up to 5 microM. In addition, the influence on several signal transductions by BAs was tested. Calcium influx, arachidonic acid release, platelet aggregation and TNFalpha-release were assayed to reveal further pharmacological effects of BAs. Celecoxib is a well-known selective COX-2 inhibitor that is in clinical use. In this work, it is demonstrated that celecoxib is also a highly potent direct 5-LO inhibitor. Celecoxib is used in arthritis and its gastro-intestinal side effects are reduced compared to non-selective NSAIDs. In patients with a familiar disposition to polyp forming, celecoxib reduced polyps and the incidence of colon cancer. Because of lowered leukotriene levels in patients under celecoxib therapy it was plausible to test whether celecoxib interferes with 5-LO. Here it is shown that the activity of 5-LO is inhibited in PMNL and cell-free assays with IC50 of 8 microM in intact cells, 20 microM with supplemented arachidonic acid and 30 microM in cell-free systems. Thus, celecoxib is a dual inhibitor of COX-2 and 5-LO. Since 2006, celecoxib has been approved as an orphan drug for the treatment of familial adenomatous polyposis. Aside from this indication, it could be useful for treatment of asthma and other diseases where 5-LO is implicated.
Für die geplanten Untersuchungen wurde eine eigene Methode für die Kultur primärer humaner Bronchialepithelzellen etabliert. Die Bronchialepithelzellen wurden aus Lungenteilresektaten durch eine cytologische Bürstung gewonnen. Die verwendeten Kulturschalen wurden mit Kollagen beschichtet. Als serumfreie Kulturmedien wurden ein Expansionsmedium und ein Differenzierungsmedium verwendet. Dabei enthielt das Expansionsmedium proliferationsfördernde Supplemente, was zu einer deutlich gesteigerten Zellausbeute gegenüber der Verwendung handelsüblicher Medien führte. Im Differenzierungsmedium wurden Supplemente verwendet, die für die Differenzierung und Ziliogenese bronchialer Epithelzellen erforderlich sind. Die Kultur erfolgte an einer Luft-Medium-Grenzfläche, die für Bronchialepithelzellen eine physiologische Umgebung darstellt. Die Charakterisierung der Kulturen zeigte keine Verunreinigungen mit Fibroblasten, Muskelzellen oder Zellen mesenchymalen Ursprungs. Das charakteristische kopfsteinplasterartige Erscheinungsbild, sowie der immunhistochemische Nachweis von Cytokeratin 18 belegten den bronchoepithelialen Charakter der Kulturen. In der vorliegenden Arbeit wurde mit der RT-kompetitive Multiplex-PCR (RCMP) eine Technik entwickelt, mit deren Hilfe die Expression von Genen in niedriger Kopienzahl oder aber in Proben mit geringer RNA-Menge nachgewiesen werden kann. Geringe Ausgangsmengen an RNA wiesen vor allem die Primärkulturen von humanem Bronchialepithel, als auch frische Gewebebürstungen des Bronchial- und Nasenepithels auf. Die RCMP basiert auf einer kompetitiven PCR und kombiniert eine exogen interne und endogen interne Standardisierung. Damit wurde die mRNA-Expression von bis zu vier Genen in einem Ansatz analysiert. Die RCMP löst dabei mehrere Probleme herkömmlicher PCR-Verfahren: 1. mRNAs mit hoher oder niedriger Kopienzahl können in einem Ansatz koamplifiziert werden. 2. Die semiquantitative Quantifizierung ist unabhängig von den Syntheseeffizienzen von Target und Referenzgenen. 3. Die RCMP kontrolliert Schwankungen der initialen RNA-Menge. 4. Die Unabhängigkeit der RCMP von der Kenntnis der initialen RNA Menge erlaubt auch die Bestimmung von Probenmaterial in dem nur geringe mRNA-Mengen vorhanden sind. Damit eignet sich die RCMP besonders für Expressionsstudien Materialien wie Bioptaten, Nasal- oder Bronchialbürstungen, sowie den Kulturen primärer Bronchialepithelzellen. Mit Hilfe der RCMP wurden erstmals die mRNA der Osmolyttransporter BGT-1, SMIT und TAUT in Bronchialepithelzellen nachgewiesen. Nach Behandlung mit hyperosmotischen Medien wurde die mRNA-Expression dieser Transporter stark induziert. Bronchialepithelzellen perzeptieren osmotische Belastungen und versuchen, ihnen entgegenzuwirken. Hyperosmotische Belastungen können in Bronchialepithelien zu einer Inflammation ohne zugrunde liegende Infektion führen. Dabei wird zeit- und dosisabhängig sowohl die Sekretion als auch die Expression von IL-8 induziert. An dieser Induktion ist die p38 MAP-Kinase beteiligt. Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) sind sowohl an der Induktion der IL-8 Sekretion und Expression beteiligt, als auch an der Aktivierung der p38 MAPKinase. Weiterhin zeigte sich, dass die Induktion der Sekretion von IL-6 und IL-8 abhängig von osmotisch bedingten Änderungen des Zellvolumens ist. Auch hier wird bereits die p38 MAP-Kinase durch das Zellvolumen reguliert. Die Ergebnisse legen ein mögliches Modell für die initialen Vorgänge in der CF-Lunge nahe. Die Veränderungen des Ionenhaushalts bei der cystischen Fibrose, sowie die eingeschränkte Zellvolumenkontrolle bei CF-Zelllinien, weisen darauf hin, dass ein defektes CFTR-Protein zu einer von neutrophilen Granulozyten dominierten Inflammation führen kann, ohne das die Lunge bereits mit Erregern besiedelt wurde.
Type 1 Diabetes (T1D) is an autoimmune disorder in which the own immune system attacks the insulin producing _-cells in the pancreas. Therapy of T1D with anti-CD3 antibodies (aCD3) leads to a blockade of the autoimmune process in animal models and patients resulting in reduced insulin need. Unfortunately, this effect is only temporal and the insulin need increases after a few years. In the first approach, I aimed at a blockade of the cellular re-entry into the islets of Langerhans after aCD3 treatment by neutralising the key chemokine CXCL10, which is important for the T cell migration. In the second approach I tried to block the transmigration of leukocytes trough the endothelial layer into inflamed tissue with an anti-JAM-C antibody (aJAM-C) after aCD3 treatment.
I used the well-established RIP-LCMV-GP mouse model of T1D. As target autoantigen in the _-cells, such mice express the glycoprotein (GP) of the lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) under control of the rat insulin promoter (RIP). These mice develop T1D within 10 to 14 days only after LCMV-infection. In the combination therapy (CT) I treated diabetic RIP-LCMV-GP mice with 3 5g aCD3 per mouse (3 injections in 3 days) followed by administration of a neutralising anti-CXCL10 (CT) or aJAM-C (CT-J) monoclonal antibody (8 injections of 100 5g per mouse over 2.5 weeks).
CT reverted T1D in RIP-LCMV-GP mice significantly (CT: 67 % reversion; control: 16 % reversion) and with superior efficacy to monotherapies with aCD3 (38 % reversion) and aCXCL10 (36 % reversion).
The CD8 T cells in the spleen have fully regenerated at day 31 after infection. However, the frequency of islet antigen (GP)-specific CD8 T-cells was significantly reduced by 73 % in the spleen after CT compared to isotype control treated mice. In contrast, in aCD3 treated mice the T cells were only reduced by 56 % of the frequency of isotype control treated mice. Flow cytometry and immunohistological examinations demonstrated a marked reduction of CD8 T cells in the pancreas of CT treated mice. Importantly, the number of GP-specific CD8 T cells was reduced dramatically by 78 % in the pancreas of CT treated mice, whereas aCD3 treatment led to a less pronounced reduction of the GP-specific CD8 T cell number (23 %). This reduction of infiltration was long lasting since in the pancreas of CT treated mice the _-cells produce insulin and there were almost no infiltrating T cells present at day 182 post-infection. aCD3 treated mice also showed many insulin producing cells after 182 days post-infection. Nevertheless, their pancreas displayed also some infiltrates around the islets.
In order to confirm my data I treated non-obese diabetic (NOD) mice with CT. In contrast to RIP-LCMV-GP mice, NOD mice develop spontaneous T1D within 15 to 30 weeks after birth, due to a mutation in the CTLA-4 gene. Strikingly CT cured 55 % of diabetic NOD mice, whereas only 30 % showed T1D reversion with aCD3 alone and none reverted after isotype control administration.
The impact of CT on GP-specific T cells (Teff) was stronger in the RIP LCMV-GP than in the NOD model. In contrast, regulatory T cells (Tregs) were induced predominantly in NOD mice rather than in RIP-LCMV-GP mice. However, looking at the Treg/Teff ratio and compared to isotype control antibody treated mice, I found a significant 4-fold increase in the pancreas of CT treated RIP LCMV-GP mice and a 17-fold increase in the PDLN of CT treated NOD mice. In addition, a tendency for an increase in Treg/Teff ratio was obtained in the spleen of CT-treated RIP LCMV-GP as well as NOD mice compared to aCD3 and isotype control antibody treated mice.
In the second combination therapy with neutralising aJAM-C, CT-J (51 % reversion) slightly improved the aCD3 therapy (41 % reversion). However, there was no significant difference between CT-J and aCD3 administration in terms of total CD8 and GP-specific CD8 T cells.
JAM-C also interacts with the integrin receptor macrophage-1 antigen (MAC-1), which is among others expressed by neutrophils. Accordingly, JAM-C could be involved in neutrophil transmigration to the pancreas. Indeed, I found a significant reduction for the infiltrating neutrophils into the pancreas of mice after CT-J compared to aCD3 monotherapy.
In summary the addition of aJAM-C to aCD3 monotherapy showed a small improvement, which was associated with a reduced neutrophil migration into the pancreas. However, JAM C seemed to play only a minor role in T1D development and some other adhesion molecules might be more important. Nevertheless, the combination of aCD3 and aCXCL10 resulted in a significant and long lasting reduction of aggressive T cells in the pancreas in two independent mouse models. Furthermore a protective immune balance was obtained. Since both antibodies are available for as well as tested in humans and the therapy is only for a short period of time after disease onset, this combination therapy might kick-start a novel therapy for T1D.
Pharmakophore sind ein zentrales Konzept der medizinischen Chemie. Im Liganden-basierten Design abstrahieren sie physikochemische Eigenschaften einer Menge aktiver Liganden und lassen dadurch Rückschlüsse auf die möglichen Interaktionen mit einem Target zu. Umgekehrt werden im Struktur-basierten Design Kristallstrukturen von Proteinen genutzt um zu modellieren, welche Eigenschaften die Bindetasche besitzt und welche Eigenschaften das entsprechende Gegenstück möglicher Liganden habe sollte. Diese Informationen können genutzt werden, um neue Substanzen zu identifizieren, welche die im Pharmakophore-Modell modellierten Interaktionen mit dem Target eingehen können. Durch die Abstraktion können hierbei sowohl Verbindungen mit neuen Grundgerüsten (scaffold) als auch mit veränderten funktionellen Gruppen gefunden werden. Im ersten Fall spricht man dabei von „scaffold hopping“, der letzte Fall ist eng verbunden mit dem Konzept des bioisosteren Ersatzes.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Pharmakophore genutzt, um in drei Studien neue Inhibitoren der Arachidonsäurekaskade zu finden. Die Arachidonsäurekaskade ist ein Stoffwechselweg in der aus Arachidonsäure eine Reihe von Lipidmediatoren synthetisiert wird. Viele dieser Mediatoren spielen eine entscheidende Rolle in Entzündungsprozessen und damit einhergehenden Krankheitsbildern. Es wurde außerdem eine neue Methode zur automatischen Generierung von Pharmakophor-Modellen aus einer Menge bekannter Liganden entwickelt.
In der ersten Studie wurde ein Struktur-basiertes Pharmakophor-Modell der Bindetasche der löslichen Epoxidhydrolase (sEH) erstellt, welches die möglichen, relevanten Interaktionsmöglichkeiten abbilden sollte. Dieses Pharmakophor-Modell wurde zum Screening einer Datenbank kommerziell erhältlicher Verbindungen genutzt und führte zu zwei Verbindungen mit IC50-Werten im niedrigen mikromolaren Bereich sowie einer dritten Verbindung mit einem bisher nicht für Inhibitoren der sEH beschriebenem Chemotyp. Zwar war diese Verbindung in höheren Konzentration unlöslich war, jedoch erreichten Derivate ebenfalls IC50-Werte im niedrigen mikromolaren Bereich und könnten als mögliche Startpunkte für eine neue Substanzklasse von sEH-Inhibitoren dienen.
In einer zweiten Studie wurde ein Liganden-basierter Ansatz gewählt um neue Inhibitoren der Leukotrien-A4 Hydrolase (LTA4H) zu suchen. Im Rahmen dieser Studie wurde außerdem eine neue Methode zur automatischen Generierung von Pharmakophor-Modellen entwickelt, welche auf einem wachsenden neuronalen Gas basiert, einer Methode aus dem Bereich des maschinellen Lernens. Die Methode wurde retrospektiv anhand mehrerer Benchmark-Datensätze validiert. Unter anderem wurde überprüft, inwiefern die Methode in der Lage ist die bioaktive Konformation eines Liganden vorherzusagen. Hierzu wurden, ausgehend von co-kristallisierten Liganden, automatisch Modelle generiert, welche im Anschluss genutzt wurden um Konformations-Datenbanken der Liganden zu durchsuchen. Je näher die beste gefundene Konformation an der co-kristallisierten Konformation lag, desto besser war das erzeugte Modell. Die entwickelte Methode war in nahezu allen Fällen in der Lage ein Modell zu erzeugen, mit welchem die durchschnittliche Abweichung zwischen co-kristallisierter und gefundener Konformation unter 2 Å lag. Im Rahmen der Studie wurde die neu entwickelte Methode auch in einem prospektiven Virtual Screening nach neuen Liganden der LTA4H genutzt. Hierzu wurden basierend auf 24 Kristallstrukturen mehrere Pharmakophor-Modelle für LTA4H-Liganden erstellt. Durch zusätzliche Nutzung des ESshape3D Fingerprints konnte außerdem die Form der Bindetasche der LTA4H erfasst werden. Diese Modelle wurden anschließend eingesetzt um eine Datenbank kommerziell erhältlicher Verbindungen zu durchsuchen und führten zur Identifizierung von zwei Substanzen mit IC50-Werten im unteren mikromolaren Bereich. Des Weiteren war die neue Methode in der Lage, den Bindemodus des genutzten Referenzinhibitors vorherzusagen, welcher durch Röntgenstrukturanalyse bestätigt wurde.
In zwei weiteren Studien wurde versucht, duale Inhibitoren der sEH und der 5-Lipoxygenase (5-LO) zu finden. Die erste dieser beiden Studien nutzte hierfür „duale“ Pharmakophor-Modelle: für beide Targets wurde basierend auf einer Vielzahl publizierter, aktiver Liganden eine Reihe von Pharmakophor-Modellen erstellt. Diese Modelle wurden paarweise miteinander verglichen; Modelle, welche eine ausreichend hohe Überlappung an Features besaßen, dienten als Ausgangspunkt für die Suche nach potentiell dualen Liganden. Durch die Suche in einer Fragment-Datenbank konnten neun Verbindungen identifiziert werden, welche eine Aktivität gegenüber einem der beiden Targets zeigten. Diese Verbindungen besaßen zum Teil noch nicht in der Literatur für sEH- oder 5 LO Inhibitoren beschriebene Strukturmerkmale. Eine der Verbindungen war außerdem in der Lage beide Targets im niedrigen mikromolaren Bereich zu inhibieren und könnte als Ausgangspunkt zur Entwicklung weiterer dualer 5-LO/sEH-Inhibitoren dienen. In der zweiten Studie wurde eine auf selbst-organisierenden Karten (SOM) basierende Methode genutzt um potentiell duale Liganden zu suchen. Hierzu wird je eine SOM mit repräsentativen (Sub-) Strukturen von Liganden beider Targets trainiert. Die DrugBank, eine Datenbank zugelassener Wirkstoffe, dient hierbei als Hintergrundverteilung und stellt den Raum wirkstoffartiger chemischer Strukturen dar. Durch einen automatischen Vergleich der trainierten SOMs können mögliche gemeinsame Substrukturen identifiziert werden. Die Anwendung dieser Methode auf bekannte Inhibitoren der sEH und der 5-LO identifizierte neun Fragmente, die auf einem der beiden Targets, sowie fünf Fragmente welche auf beiden Targets im niedrigen mikromolaren Bereich inhibierend wirken. Eine Substruktursuche nach einem dieser Fragmente in einer internen Datenbank lieferte eine Verbindung, welche beide Targets im nanomolaren Bereich inhibiert und eine vielversprechender Basis als Leitstruktur für die Entwicklung dualer 5-LO/sEH-Inhibitoren darstellt.
Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit mehrere Ansätze vorgestellt wie Pharmakophore in der Wirkstoffsuche eingesetzt werden können. Im Rahmen mehrerer Virtual Screenings konnten eine Reihe neuer Inhibitoren gefunden werden, einige mit nicht zuvor beschriebenen Strukturmerkmalen für das jeweilige Target. Es wurde außerdem eine neue Methode zur automatischen Generierung von Pharmakophor-Modellen entwickelt, welche sowohl retrospektiv als auch prospektiv validiert wurde.