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Diese Arbeit beschreibt die Identifizierung, Klonierung und Charakterisierung von zwei neuen humanen S1P-Rezeptoren. Damit wird die Familie der S1P-Rezeptoren um einen hochaffinen und einen niedrig affinen Rezeptor erweitert. Die Untersuchungen der Expressionsprofile aller humanen S1P/LPA-Rezeptoren sowohl in Herz-Kreislauf-relevanten Geweben als auch in Endothelzellen und glatten Muskelzellen erfolgten bisher nicht im Sinne der hier dargestellten familienübergreifenden Betrachtung. Zusätzlich wurde in dieser Arbeit erstmalig auch der hS1P5-Rezeptor mit eingeschlossen. Wir konnten zeigen, dass zur Beurteilung der S1P- und LPA-Effekte in den untersuchten Gewebe- und Zellarten neben den bisher bekannten sieben Rezeptoren auch der hS1P5-Rezeptor betrachtet werden muss. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da in bisherigen Untersuchungen insbesondere bei der Interpretation der S1P-Wirkungen nur die Rezeptoren S1P1-3 berücksichtigt wurden. In dieser Arbeit wurde außerdem zum ersten Mal eine große Anzahl potentieller Lipidliganden an den S1P-Rezeptoren S1P1-3 und 5 sowie am hGPR63 getestet. Auch wenn hierbei keine neuen Liganden identifiziert werden konnten, grenzen unsere Untersuchungen die Zahl potentieller zusätzlicher Liganden ein. Außerdem konnten wir zeigen, dass Suramin nicht - wie bisher vermutet - ein spezifischer Antagonist des S1P3-Rezeptors ist, sondern auch S1P5-Rezeptor-vermittelte Effekte blockieren kann. Hierdurch kann eine Fehlinterpretation von durch Suramin-hemmbaren Effekten verhindert werden. Ein wichtiger Befund dieser Arbeit, insbesondere für die pharmazeutische Industrie, ist die speziespezifische Expression des S1P5-Rezeptors. Während in der Ratte hauptsächlich eine Verteilung des Rezeptors im ZNS zu beobachten ist, findet sich das humane Homologe hauptsächlich in peripheren und hier insbesondere Herz-Kreislauf-relevanten Geweben. Der Einsatz von Tiermodellen, bei denen es sich in der Regel um Nager handelt, zur Untersuchung der S1P-Effekte muss daher kritisch überdacht werden, da in diesem Fall ein im Menschen potentiell relevanter Rezeptor nicht in den peripheren Geweben der Ratte vorhanden und somit nicht an den S1P-Wirkungen beteiligt ist. Zudem konnten wir auch funktionelle Unterschiede zwischen den beiden Rezeptoren unterschiedlicher Spezies beobachten, was zusätzlich gegen die Verwendung von Tiermodellen zumindest bei Untersuchungen des S1P5-Rezeptors spricht. Neben der erstmaligen Charakterisierung der Signaltransduktionswege des S1P5-Rezeptors konnte im Laufe dieser Arbeiten eine weitere neue Eigenschaft des S1P5-Rezeptors festgestellt werden: Dieser ist in der Lage, ligand-unabhängige Effekte hervorzurufen. Dies ist von Bedeutung, da häufig Rezeptoren, die aufgrund von Mutationen konstitutiv aktiv sind, für die Ausbildung von Krankheiten verantwortlich sind. Wir konnten darüberhinaus zeigen, dass der zweite in dieser Arbeit identifizierte S1P-Rezeptor, der orphan-hGPR63, von relativ hohen Konzentrationen an S1P sowie von doPA angeschaltet wird. Wenngleich die Affinität des hGPR63 zu doPA niedrig ist, ist dies jedoch der erste Rezeptor, der auf dieses Lipid reagiert. Welche physiologische Bedeutung diesem Rezeptor zukommt, ist noch völlig offen, die primäre Expression im Hirn weist jedoch auf eine zumindest partielle zentrale Wirkung hin. Zusätzlich zu den molekularbiologischen Befunden können aus dieser Arbeit wichtige Informationen für das Screenen von GPCRs und hier insbesondere von Lipid-GPCRs abgeleitet werden. Allgemein gilt, dass der Auswahl des richtigen Versuchssytems im Hinblick auf die Fragestellung und das zu untersuchende Protein eine entscheidende Bedeutung zukommt. Während bei Rezeptoren mit einer restriktiven Gewebeverteilung die Suche nach einem geeigneten Zellsystem keine Schwierigkeiten bereitet, stellt dies das Hauptproblem in der Lipidforschung dar. Da es keine Säugerzellen gibt, die nicht auf S1P reagieren, muss jedes Versuchssystem erneut auf Eignung und optimale Zellart untersucht werden. So konnten in transient transfizierten CHO-K1-Zellen hintergrundfreie S1P-Signale im FLIPR-Versuch gemessen werden, während in den MAP-Kinase-Versuchen in CHO-K1-Zellen der hohe endogene Hintergrund das Versuchsfenster auf ein Minimum reduzierte. Während die Messung von LPA-Effekten in CHO-K1-Zellen mit der FLIPR-Technologie aufgrund der endogenen Signale nicht möglich ist, können LPA-Effekte in McARH7777-Zellen ohne störenden Hintergrund gemessen werden. In diesem Zellsystem ist wiederum die Messung von S1P nicht oder nur begrenzt möglich. Auch wenn diese Beispiele spezifisch für Lipidrezeptoren sind, lässt sich doch aus dieser Arbeit die Notwendigkeit ableiten, neben der richtigen Substanz-Bibliothek besonders bei der Suche nach Liganden für orphan-GPCRs das richtige zelluläre System einzusetzen.
Im Herzen kommen ATP-sensitive Kalium-Kanäle (KATP-Kanäle) in drei verschiedenen Strukturen vor: in der sarkolemmalen Zellmembran der Myozyten, in den glatten Muskelzellen der Koronargefäße und in der inneren Mitochondrienmembran von Herzmuskelzellen. Charakterisierung von Inhibitoren des sarkolemmalen KATP-Kanals: Die Aktivierung von sarkolemmalen KATP-Kanälen unter Ischämie führt durch die Erhöhung der K+-Permeabilität zu einer Verkürzung der Aktionspotentialdauer und somit zu einer Heterogenität der Aktionspotentialdauer zwischen normoxischen und ischämischen Gebieten, wodurch kreisende elektrische Erregungen und somit Kammerflimmern entstehen können. Daher stellen Inhibitoren des sarkolemmalen KATP-Kanals ein neues therapeutisches Prinzip gegen den plötzlichen Herztod dar. Diese Inhibitoren sollen möglichst selektiv sein und weder den pankreatischen KATP-Kanal beeinflussen noch die oben beschriebenen KATP-Kanäle in glatten Gefäßmuskelzellen und in Mitochondrien. In dieser Arbeit wurde das Modell des isolierten, perfundierten Herzens nach Langendorff so optimiert, dass Inhibitoren des sarkolemmalen KATP-Kanals unter ischämischen Bedingungen untersucht werden konnten. Hierzu wurden durch eine Verminderung des Koronarflusses und des Sauerstoffs ischämische Bedingungen geschaffen, die zur Verkürzung der Dauer des monophasischen Aktionspotentials (MAPD) führten. In Gegenwart von Inhibitoren des sarkolemmalen KATP-Kanals war diese MAPD-Verkürzung reduziert. Außerdem wurde der Koronarfluss in separaten Experimenten durch Hypoxie erhöht (Vasodilatation). Es wurde untersucht, ob die Inhibitoren des sarkolemmalen KATP-Kanals als Nebenwirkung den Koronarfluss beeinträchtigen. Ausgehend vom bereits therapeutisch eingesetzten Antidiabetikum Glibenclamid wurden verschiedene Strukturvarianten untersucht, um eine Selektivität für sarkolemmale KATP-Kanäle des Myokards zu finden. Die wichtigsten Struktur-Wirkungs-Beziehungen sind folgende: · Der Sulfonylharnstoff Glibenclamid sowie die Benzoesäurederivate Meglitinid und Repaglinid sind unselektive Hemmstoffe der sarkolemmalen und vaskulären KATP-Kanäle. · Eine Schwefelsubstitution im Sulfonylharnstoff zum Sulfonylthioharnstoff (S 94 1638 und HMR 1098) bewirkt eine Verstärkung der Aktivität auf den sarkolemmalen KATP-Kanal sowie eine Verringerung der Effektivität auf den Koronarfluss. · Die meta- statt para-Positionierung der Sulfonylthioharnstoffgruppe führt ohne Beeinflussung des Gefäßtonus zu einer weiteren Verbesserung des Wirkprofils mit einer guten Wirksamkeit auf die ischämische Aktionspotentialverkürzung (HMR 1402 und HMR 1098). · Substitution der Benzamidfunktion von HMR 1402 durch eine Zimtsäuregruppe (S 0000 405) bewirkt eine zur Verringerung der Selektivität. Dies zeigt, dass neben der Sulfonylthioharnstoffgruppe auch die Benzamidfunktion die selektive Wirkung auf sarkolemmale KATP-Kanäle im Herzen beeinflusst. Untersuchung von Aktivatoren des mitochondrialen KATP-Kanals: Öffner des mitochondrialen KATP-Kanals können den endogenen Schutzmechanismus der ischämischen Präkonditionierung nachahmen. Um den neuen mitochondrialen KATP-Öffner S1526 zu untersuchen, wurde an isolierten, perfundierten Rattenherzen eine Globalischämie mit Reperfusion durchgeführt und die Infarktgröße bestimmt. Es konnte nachgewiesen werden, dass Vorbehandlung mit S1526 zu einer signifikanten Reduktion der Infarktgröße führt. Diese Protektion wurde durch den mitochondrialen KATP-Kanalblocker Natrium-5-hydroxydecanoat, nicht aber durch den selektiven sarkolemmalen KATP-Kanal-Blocker HMR 1098 aufgehoben. S1526 hat gegenüber Diazoxid, einem bekannten Öffner des mitochondrialen KATP-Kanals, den Vorteil einer nur geringfügigen Beeinflussung vaskulärer KATP-Kanäle. Daher könnte S1526 als Ausgangspunkt für eine Entwicklung von Arzneistoffen, die eine Verringerung von Ischämieschäden im Herzen bewirken, betrachtet werden.
Die linksventrikuläre Hypertrophie ist einer der stärksten Prädiktoren für die spätere Abnahme der Blutauswurfleistung des Herzens mit einer Gefährdung der Organdurchblutung und drohendem Kreislaufversagen, einem klinischem Syndrom, welches als Herzinsuffizienz bezeichnet wird. Die Herzhypertrophie ist eine Folge vieler verschiedener Herzerkrankungen wie koronarer Herzkrankheit, dilatativer Kardiomyopathie oder Hypertonie. Ein besseres Verständnis dieser Entwicklung auf molekularer Ebene könnte dazu beitragen, mit neu zu entwickelnden Medikamenten gezielt in diese Prozesse eingreifen zu können, sie abzuschwächen, zu verhindern oder gar rückgängig zu machen. Das Ziel dieser Arbeit war, die molekularen Ursachen der Herzhypertrophieentwicklung durch eine globale Genexpressionsanalyse zweier Hypertrophiemodelle näher zu untersuchen und dabei neue Hypertrophiemarker zu identifizieren. Dazu wurde sowohl aus Herzproben PKBgamma1-überexprimierender transgener Mäuse, welche eine massive Herzhypertrophie entwickeln, als auch aus alpha1-adrenerg stimulierten neonatalen Rattenkardiomyozyten RNA isoliert und mit dieser cDNA-Micro-arrays hybridisiert. Die Auswertung der differentiell exprimierten Gene in beiden Modellen ergab keine eindeutigen Hinweise auf universelle Faktoren, die für die Hypertrophieentwicklung verantwortlich gemacht werden könnten. Bei näheren Untersuchungen zeigte sich jedoch, dass die Mehrzahl der regulierten Gene einen Versuch der Kardiomyozyten repräsentiert, die Hypertrophieentwicklung zu kompensieren. Im Modell der PKBgamma1-überexprimierenden Mäuse konnte durch eine „in silico“-Promotoranalyse ein möglicher Einfluss von Transkriptionsfaktoren der Forkhead-Klasse auf die differentielle Expression vieler regulierter Gene gefunden werden. Unter Zuhilfenahme eines Forkhead-Reporter-Systems konnte in verschiedenen Zellkulturmodellen ein funktioneller Zusammenhang zwischen dem konstitutiv-aktiven Transgen und eben diesen Transkriptionsfaktoren gezeigt werden. Darüber hinaus gelang es, anhand zweier Reportersysteme für die wichtigen Hypertrophiemarker ANF und BNP zu zeigen, dass sich diese beiden Gene durch die Koexpression eines Forkhead-Transkriptions-faktors induzieren lassen. Im Modell der alpha1-adrenerg stimulierten neonatalen Rattenkardiomyozyten gelang es, durch eine „in silico“-Promotoranalyse cAMP-abhängige Transkriptionsfaktoren sowie Faktoren der EGR-Klasse als mögliche Auslöser der beobachteten Genregulation zu identifizieren. Dieses Ergebnis passte sehr gut zu den beobachteten transkriptionellen Veränderungen, da sowohl die Transkriptionsfaktoren selbst, als auch viele in den cAMP-Stoffwechsel involvierte Transkripte sehr stark induziert waren. In beiden untersuchten Modellen stimmten nur wenige differentiell exprimierte Transkripte überein und diese bestanden vorwiegend aus den klassischen Hypertrophiemarkern. Als möglicher neuer Hypertrophiemarker wurde das „Cardiac Adriamycin Responsive Protein“ (CARP) identifiziert, welches in beiden Modellen deutlich induziert war. In Kombination mit der Beobachtung, dass viele der jeweils regulierten Gene mit einer antihypertrophen Wirkung in Verbindung gebracht werden, legt den Schluss nahe, dass die transkriptionellen Veränderungen den Versuch der Zellen widerspiegeln, der Hypertrophie entgegenzuwirken, und dass die hypertrophieauslösende Wirkung durch andere, nicht-transkriptionelle Steuerungsmechanismen der Zelle vermittelt wird. Frühere Arbeiten, welche die transkriptionellen Veränderungen in anderen Hypertrophiemodellen untersuchten, sowie neuere Hinweise aus der Literatur und weitere in der Abteilung durchgeführte Untersuchungen lassen darauf schließen, dass die Hypertrophieentwicklung eher auf translationaler Ebene reguliert wird. Unterstützt wird dies durch die Tatsache, dass PKBgamma1-überexprimierende Mäuse die größte jemals beobachtete Herzhypertrophie entwickeln und der PKB/GSK-3beta-Signalweg bekanntermaßen translationelle Vorgänge in der Zelle steuert. Weitere Arbeiten in dieser Richtung könnten somit neue, vielversprechende Therapieansätze eröffnen.
Die Rolle der löslichen Guanylatzyklase in der Signaltransduktion durch Superoxidanionradikale
(2005)
Im kardiovaskulären System ist die lösliche Guanylatzyklase (soluble guanylyl cyclase, sGC) ein Schlüsselenzym der •NO/cGMP-Signaltransduktion. Stickstoffmonoxid (•NO) aktiviert durch direkte Anbindung an das Häm-Eisen die Produktion von zyklischem 3’,5’-Guanosinmonophosphat (cGMP). In glatten Muskelzellen führt ein erhöhter cGMP-Spiegel zur Aktivierung von cGMP-abhängigen Proteinkinasen (cGK) und letztendlich zur Vaso-dilatation. Superoxidanionradikale (•O2-) sind an der Entstehung und Progression von Herz-Kreis¬lauferkrankungen beteiligt. Im vaskulären Gewebe stellt •O2- einen Gegenspieler zum •NO dar. So führt eine vermehrte Produktion von •O2- zu einer eingeschränkten Bioverfügbarkeit von •NO (•O2- + •NO -> ONOO-) (Ohara et al., 1993a). Im Rahmen dieser Arbeit sollte aufgeklärt werden, ob bei einer vaskulären Störung des •NO-Systems die Funktion der sGC durch •O2- auch direkt betroffen ist. Damit könnte dem Superoxid eine weit größere biologische Bedeutung zukommen als bisher angenommen, nämlich die Funktion als Signaltransduktionsmolekül mit der sGC als definiertem Rezeptor und Effektor. Die sGC-Aktivitätsuntersuchungen mit gereinigter sGC zeigten eine konzentrationsab¬hängige Hemmung der basalen und der YC-1- (100 µM) stimulierten (•NO-unabhängigen) sGC-Aktivität durch das •O2--generierende System Xanthinoxidase/Hypoxanthin (XO/HX) (IC50 (basal) = 0,0031 vs. IC50 (YC-1) = 0,022 mU/ml). Die Aufhebung dieser Hemmung durch Superoxiddismutase (SOD, 100 U/ml) deutete auf eine spezifische und schnell-reversible Hemmung der sGC-Aktivität durch •O2- hin. Die in-vitro gezeigte Hemmung der sGC-Aktivität durch •O2- konnte auch in-vivo nach¬gewiesen werden. Die Produktion von •O2- in kultivierten glatten Muskelzellen der Rattenaorta (VSMC) konnte mit Elektronenspinresonanz (ESR) und Lucigenin-abhängiger Chemilumineszenz gezeigt werden. Dabei wurde mit ESR eine ca. 5-fache Steigerung der basalen •O2--Produktion mit dem intrazellulären Redoxcycler Dimethoxynaphtochinon (DMNQ, 10 µM) beobachtet. Auch die Aktivierung membranständiger NADPH-Oxidasen durch die physiologischen Aktivatoren Angiotensin II (Ang II, 100 nM) und platelet-derived growth factor (PDGF, 50 ng/ml) führten zu einer ca. 2-fach gesteigerten •O2--Produktion. Die Hemmung der cGMP-Produktion durch •O2- in kultivierten VSMC konnte in-vivo mittels Enzym-Immuno-Assays (cGMP-EIA) [YC-1 (100µM) = 100 % vs. YC-1 + DMNQ (10 µM) = 21 % vs. YC-1 + PDGF (50 ng/ml) = 76,6 %] nachgewiesen werden. Zusätzlich wurde die Auswirkung von •O2- auf die cGMP-abhängige Signaltransduktion mit Immu¬noblotting (Western-Blot) von phosphoryliertem Vasodilator-stimulierten Phosphoprotein (VASP, vasodilator-stimulated phosphoprotein) gezeigt. Intrazelluläre •O2--Produktion durch Redoxcycling (DMNQ, 10 µM) reduzierte die YC-1-stimulierte Phosphorylierung von VASP um 44,4 %. In weiteren Untersuchungen sollte der molekulare Mechanismus der schnell-reversiblen Hemmung der sGC durch •O2- auf Ebene der sGC aufgeklärt werden. Dabei wies die direkte Detektion von Sulfinyl-Radikalen auf eine Oxidation von Proteinthiolen durch •O2- hin. Der spezifische Austausch von Cysteinen der sGC mittels Punktmutation und die Expression der sGC-Mutanten in COS1-Zellen zeigte, dass Thiol-Gruppen der sGC mit •O2- interagieren. Dabei stellte sich heraus, dass die sGC-Mutanten a1/b1C541S und a1C238S/b1 viel sensitiver auf •O2- (XO 3 mU/ml) reagieren als die Wildtyp-sGC (WTa1/WTb1 = -62 % vs. WTa1C238S/WTb1 = -93,7 % vs. WTa1/b1C541S = -90,2 %). Um zu untersuchen, ob das Häm-Eisen der sGC an der Aktivitätshemmung durch •O2- beteiligt ist, wurde einerseits das Häm entfernt (Tween 20), andererseits das Häm-Fe2+ zum Häm-Fe3+ oxidiert (NS2028). Beide Behandlungen führten zu einer weitgehend YC-1-insen¬sitiven sGC. Die mit Protoporphyrin IX (PIX) aktivierte Häm-freie sGC und die mit HMR3448 aktivierte Häm-oxidierte sGC wurden durch XO/HX wesentlich weniger potent gehemmt als die YC-1-sensitive sGC. Dieser Befund deutet auf eine Beteiligung des Häm-Eisens bei der Aktivitätshemmung der sGC durch •O2- hin. Die in dieser Arbeit gezeigte direkte und schnell-reversible Hemmung der sGC-Aktivität durch •O2- weist der löslichen Guanylatzyklase eine neue biologische Funktion zu. Die sGC könnte als Rezeptor- und Effektorenzym die Signaltransduktion des Signalmoleküls •O2- vermitteln.
Das orale Antidiabetikum Glibenclamid ist ein potenter Inhibitor des K ATP Kanals. Die Funktion dieses Kanals ist entscheidend für die Ischämische Präkonditionierung, die Myokardschäden unter Sauerstoffmangel vermindern kann. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluß der Sulfonylharnstoffe Glimepirid und Glibenclamid in Kombination mit Rilmakalim auf die Kontraktilität isolierter Kardiomyozyten des Meerschweinchens mittels digitaler Bildanalyse untersucht. Weiterhin wurde der Einfluß dieser Substanzen auf die Vitalität isolierter Kardiomyozyten des Meerschweinchens unter elektrischer Stimulation durch LDHBestimmungen bestimmt. Rilmakalim verminderte die Kontraktilität der isolierten Kardiomyozyten konzentrations abhängig. Die Sulfonylharnstoffe Glimepirid und Glibenclamid zeigten in den untersuchten Konzentrationen keinen Einfluß auf die kardiomyozytäre Kontraktilität. In Kombination mit Rilmakalim konnte gezeigt werden, daß Glimepirid in den untersuchten Konzentrationen (0,03 µmol -- 9 µmol) den kontraktilitätsmindernden Effekt von Rilmakalim geringer hemmt als Glibenclamid. Ein Einfluß auf die Vitalität der Kardiomyozyten unter elektrischer Stimulation konnte bei keiner Substanz in den untersuchten Konzentration nachgewiesen werden. Die durchgeführten Untersuchungen legen den Schluß nahe, daß der Einfluß der Sulfonylharnstoffe auf kardiale K ATP Kanäle unterschiedlich ausgeprägt ist. Glimepirid scheint im Vergleich zu Glibenclamid in geringerem Ausmaß den sarkolemmalen K ATP Kanal zu blockieren. Dies läßt vermuten, daß auch kardiovaskuläre Nebenwirkungen, die über den Einflußt auf den K ATP Kanal vermittelt werden, unter einer Glimepiridtherapie geringer ausgeprägt sind. Inwieweit diese Annahme zutrifft, muß durch Untersuchungen an humanen Kardiomyozyten und in weiteren klinischen Studien verifiziert werden. Neuere Erkenntnisse über unterschiedliche K ATP Kanaltypen innerhalb des Kardiomyozyten machen es erforderlich, die Wirkung der Sulfonylharnstoffe auf diese Kanalsubtypen näher zu untersuchen.