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Background: In rat, deafferentation of one labyrinth (unilateral labyrinthectomy) results in a characteristic syndrome of ocular and motor postural disorders (e.g., barrel rotation, circling behavior, and spontaneous nystagmus). Behavioral recovery (e.g., diminished symptoms), encompassing 1 week after unilateral labyrinthectomy, has been termed vestibular compensation. Evidence suggesting that the histamine H3 receptor plays a key role in vestibular compensation comes from studies indicating that betahistine, a histamine-like drug that acts as both a partial histamine H1 receptor agonist and an H3 receptor antagonist, can accelerate the process of vestibular compensation. Results: Expression levels for histamine H3 receptor (total) as well as three isoforms which display variable lengths of the third intracellular loop of the receptor were analyzed using in situ hybridization on brain sections containing the rat medial vestibular nucleus after unilateral labyrinthectomy. We compared these expression levels to H3 receptor binding densities. Total H3 receptor mRNA levels (detected by oligo probe H3X) as well as mRNA levels of the three receptor isoforms studied (detected by oligo probes H3A, H3B, and H3C) showed a pattern of increase, which was bilaterally significant at 24 h post-lesion for both H3X and H3C, followed by significant bilateral decreases in medial vestibular nuclei occurring 48 h (H3X and H3B) and 1 week post-lesion (H3A, H3B, and H3C). Expression levels of H3B was an exception to the forementioned pattern with significant decreases already detected at 24 h post-lesion. Coinciding with the decreasing trends in H3 receptor mRNA levels was an observed increase in H3 receptor binding densities occurring in the ipsilateral medial vestibular nuclei 48 h post-lesion. Conclusion: Progressive recovery of the resting discharge of the deafferentated medial vestibular nuclei neurons results in functional restoration of the static postural and occulomotor deficits, usually occurring within a time frame of 48 hours in rats. Our data suggests that the H3 receptor may be an essential part of pre-synaptic mechanisms required for reestablishing resting activities 48 h after unilateral labyrinthectomy.
Die Entwicklung neuer Formen der Tumortherapie bleibt notwendig, solange die Heilung verschiedener solider metastasierender Tumore nicht möglich ist. Solch ein neuer Ansatz besteht in der Infektion des Tumors mit replikationskompetenten (retroviralen) Vektoren oder Viren. Um die Spezifität dieser Viren für die Tumorzellen zu erhöhen, wird in dieser Arbeit ein Konzept vorgestellt, dass die Tumor-spezifische Expression von Proteasen, im Besonderen von Matrix-Metalloproteasen (MMPs), zur Aktivierung des Maus Leukämievirus (MLV) ausnutzt (Protease-Targeting). Dazu wurde durch eine Blockierungsdomäne (CD40L) Nterminal vom infektionsvermittelnden MLV-Hüllprotein Env die Bindung an die Zelleintrittsrezeptoren verhindert. Eine Spaltstelle zwischen CD40L und Env ermöglicht die Entfernung der Blockierungsdomäne und damit die Aktivierung des Virus. Um eine Spaltstelle zu finden, die optimal auf das Proteasespektrum eines Tumors passt, wurde das zwischen CD40L und Env befindliche Linkerpeptid kombinatorisch diversifiziert und so eine Bibliothek von Retroviren erzeugt. Die Selektion dieser Bibliothek auf zwei unterschiedlichen Tumorlinien (HT1080, Fibrosarkom und U-87 MG, malignes Gliom) führte zur Anreicherung MMP-aktivierbarer Viren. Drei der mehr als 10 identifizierten Linkerpeptide (AKGLYK, PSGLYQ und PAGLHV) wurden im viralen Kontext näher charakterisiert. Für das Spaltmotiv PSGLYQ konnte MMP-2 als aktivierende Protease nachgewiesen werden. Für die Motive AKGLYK und PAGLHV erwies sich eine kummulative Spaltung durch eine Reihe von MMPs als wahrscheinlich. Um die Ausbreitung der Viren in Abhängigkeit der MMP-Expression zu zeigen, wurden verschiedene Zelllinien hinsichtlich ihrer Expression von MMP-2 und MMP-9 charakterisiert und in MMP-positive und MMP-negative Zelllinien eingeteilt. Durch Infektion dieser Zelllinien und anschließende Verfolgung der Virus-Ausbreitung konnte die konditionale Replikation der aktivierbaren Viren ausschließlich auf MMP-positiven Zellen nachgewiesen werden. Daher erreichten die Viren mit selektionierten Spaltmotiven im Gegensatz zum Parental- Virus, welches ein in der Literatur beschriebenes MMP-2-Spaltmotiv aus Kollagen (PLGLWA) präsentierte, die vollständige Infektion der Kulturen. Auch die Titer lagen etwa um das 1000fache höher. Die Replikationsgeschwindigkeit der aktivierbaren Viren mit AKGLYK und PSGLYQ Motiv erreichte annähernd die des unveränderten MLV, das Virus mit PAGLHV Motiv zeigte sogar eine identische Replikationskurve. In einem Tumor-Maus-Modell konnte die Ausbreitung der proteolytisch aktivierbaren Viren auch in der Umgebung eines soliden Tumors gezeigt werden. Sowohl nach Etablierung des Tumors aus zum Teil vorinfizierten Zellen, als auch nach Injektion von Viren in zuvor etablierte Tumore erfolgte sie für die selektionierten Viren genetisch stabil. Um die Verteilung der Viren im Organismus zu bestimmen, wurde ein Modell entwickelt, in dem ein vollständig infizierter Tumor als Virusquelle diente, und nach bestimmten Zeiträumen verschiedene Organe der Maus und ein zweiter aus uninfizierten Zellen etablierter Tumor per PCR auf Infektionen untersucht wurde. Hier zeigte sich, dass WT-MLV bis zu 20.000fach mehr Zellen in den Organen infizierte als die aktivierbaren Viren. Dagegen wurden Zellen in einem sekundären uninfiziert etablierten Tumor vom WT-MLV nur etwa 5fach besser infiziert als durch die aktivierbaren Viren. Das heißt, die selektionierten Viren erreichten ein hohes Maß an Tumortargeting. In der vorliegenden Arbeit wurden durch molekulare Evolution zum ersten Mal replizierende Retroviren hergestellt, die einen eingeschränkten und für Protease-positive Zellen spezifischen Tropismus aufwiesen. Die selektionierten Substrate glichen anderen, mit Hilfe von Peptid-Bibliotheken für MMPs identifizierten Motiven, jedoch konnten durch die Berücksichtigung des gesamten Proteasespektrums einer Zelllinie weitere Motive selektioniert werden, die durch bisherige Systeme nicht ermittelt werden konnten. Damit ergibt sich für die selektionierten MMP-aktivierbaren Viren durch die Kombination aus Targeting beim Zelleintritt und Replikation in der Targetzellpopulation, die für andere beschriebene Targetingsysteme nicht gegeben ist, eine echte Option für neue Wege in der Tumortherapie.
Die Inhibition des Natrium-Protonen-Austauschproteins, Subtyp-1 (NHE-1), stellt möglicherweise ein wichtiges Prinzip zur Behandlung der Herzhypertrophie und damit der frühen Herzinsuffizienz dar. Als Ausgangspunkt dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass der oral bioverfügbare und selektive NHE-1-Inhibitor Cariporide dabei u.a. in einem transgenen Tiermodell wirkt, bei dem die Hypertrophie nicht durch Myokardinfarkt, sondern mittels transgener Überexpression des beta-1-adrenergen Rezeptors erzeugt wurde, die Hypertrophie-Entwicklung verhinderte. Um die Wirkung und vor allem den Wirkmechanismus von NHE-1-Inhibitoren näher zu untersuchen, wurde in der vorliegenden Arbeit ein zelluläres Modell der alpha-1-adrenergen Hypertrophie-Induktion in adulten Kardiomyozyten aus Rattenherzen aufgebaut und mittels gängiger Parameter wie Zellvolumen, Protein und RNA-Neusynthese validiert. Dabei konnte ein klassenspezifischer Hemmeffekt aller eingesetzten NHE-1-Inhibitoren auf die untersuchten Hypertrophie-Parameter gezeigt werden. Interessante molekulare Mechanismen der Hypertrophie-Inhibition durch spezifische NHE-1- Inhibitoren konnten in der vorliegenden Arbeit aufgedeckt werden. Nach alpha-1-adrenerger Stimulation und gleichzeitiger NHE-1-Inhibition waren nur wenige Gene in ihrer Expression deutlich differentiell reguliert, darunter der Angiotensin-II AT-1 Rezeptor und die sogenannte Rho-kinase (ROCK). Aus dieser Erkenntnis heraus ergeben sich neue mögliche Ansatzpunkte zum Wirkmechanismus von NHE-1-Inhibitoren. Im Gegensatz zu Befunden bei Herzischämie scheint es bei der Herzhypertrophie im vorliegenden Modell keine Kopplung zwischen dem NHE-1 und einem weiteren Austauschprotein, dem Natrium-Calcium-Austauscher, zu geben. Die Hypertrophie der adulten Kardiomyozyten ließ sich nicht durch einen selektiven Hemmstoff dieses Austauschers, SEA0400, hemmen. Bei näherer Untersuchung auf Translationsebene zeigten sich überraschende Ergebnisse, die für eine Hemmung der Hypertrophie-Entwicklung in Anwesenheit eines NHE-1-Inhibitors verantwortlich gemacht werden könnten. So war auf der einen Seite die Translokation von in adulten Kardiomyozyten exprimierten PKC-Subtypen (delta und eta) vom Zytosol an die Plasmamembran durch die NHE-1-Inhibition signifikant beeinflusst. Auf der anderen Seite war die Phosphorylierung bestimmter NHE-1-aktivierender Kinasen über den gesamten betrachteten Zeitraum verstärkt vorhanden. Diese Ergebnisse legen nahe, dass neben möglichen Autoregulationseffekten in der Zelle, ausgelöst durch eine NHE-1-Inhibition, eine weitere Wirkkomponente eine Rolle bei der Beeinflussung intrazelluläre membranabhängiger Translokation spielen könnten.
Drug target 5-lipoxygenase : a link between cellular enzyme regulation and molecular pharmacology
(2005)
Leukotriene (LT) sind bioaktive Lipidmediatoren, die in einer Vielzahl von Entzündungskrankheiten wie z.B. Asthma, Psoriasis, Arthritis oder allergische Rhinitis involviert sind. Des Weiteren spielen LT in der Pathogenese von Erkrankungen wie Krebs, Osteoarthritis oder Atherosklerose eine Rolle. Die 5-Lipoxygenase (5-LO) ist das Enzym, das für die Bildung von LT verantwortlich ist. Aufgrund der physiologischen Eigenschaften der LT, ist die Entwicklung von potentiellen Arzneistoffen, welche die 5-LO als Zielstruktur besitzen, von erheblichem Interesse. Die Aktivität der 5-LO wird in vitro durch Ca2+, ATP, Phosphatidylcholin und Lipidhydroperoxide (LOOH) und durch die p38-abhängige MK-2/3 5-LO bestimmt. Inhibitorstudien weisen darauf hin, dass der MEK1/2-Signalweg ebenfalls in vivo an der 5-LO Aktivierung beteiligt ist. Hauptziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, welche Rolle der MEK1/2-Signalweg bei der Aktivierung der 5-LO besitzt und welchen Einfluss der 5-LO Aktivierungsweg auf die Wirksamkeit potentieller Inhibitoren hat. „In gel kinase“ und „In vitro kinase“ Untersuchungen zeigten, dass die 5-LO ein Substrat für die Extracellular signal-regulated kinase (ERK) und MK-2/3 darstellt. Der Zusatz von mehrfach ungesättigten Fettsäuren (UFA), wie AA oder Ölsäure, verstärkte den Phosphorylierungsgrad der 5-LO sowohl durch ERK1/2 als auch durch MK-2/3. Die genannten Kinasen sind demnach auch für die 5-LO Aktivierung durch natürliche Stimuli verantwortlich, die den zellulären Ca2+-Spiegel kaum beeinflussen. Daraus ist ersichtlich, dass die Phosphorylierung der 5-LO durch ERK1/2 und/oder MK-2/3 einen alternativen Aktivierungsmechanismus neben Ca2+ darstellt. Ursprünglich wurden Nonredox-5-LO-Inhibitoren als kompetitive Wirkstoffe entwickelt, die mit AA um die Bindung an die katalytische Domäne der 5-LO konkurrieren. Vertreter dieser Inhibitoren, wie ZM230487 und L-739,010, zeigen eine potente Hemmung der LT-Biosynthese in verschiedenen Testsystemen. Sie scheiterten jedoch in klinischen Studien. In dieser Arbeit konnten wir zeigen, dass die Wirksamkeit dieser Inhibitoren vom Aktivierungsweg der 5-LO abhängig ist. Verglichen mit 5-LO Aktivität, die durch den unphysiologischen Stimulus Ca2+-Ionophor induziert wird, erfordert die Hemmung zellstress-induzierter Aktivität eine 10- bis 100-fach höhere Konzentration der Nonredox-5-LO-Inhibitoren. Die nicht-phosphorylierbare 5-LO Mutante (Ser271Ala/Ser663Ala) war wesentlich sensitiver gegenüber Nonredox-Inhibitoren als der Wildtyp, wenn das Enzym durch 5-LO Kinasen aktiviert wurde. Somit zeigen diese Ergebnisse, dass, im Gegensatz zu Ca2+, die 5-LO Aktivierung mittels Phosphorylierung die Wirksamkeit der Nonredox-Inhibitoren deutlich verringert. Des Weiteren wurde das pharmakologische Profil des neuen 5-LO Inhibitors CJ-13,610 mittels verschiedener in vitro-Testsysteme charakterisiert. In intakten PMNL, die durch Ca2+-Ionophor stimuliert wurden, hemmte die Substanz die 5-LO Produktbildung mit einem IC50 von 70 nM. Durch Zugabe von exogener AA, wird die Wirkung vermindert und der IC50 des Inhibitors steigt an. Dies deutet auf eine kompetitive Wirkweise hin. Wie die bekannten Nonredox-Inhibitoren, verliert auch CJ-13,610 seine Wirkung bei erhöhtem zellulärem Peroxidspiegel. Der Inhibitor CJ-13,610 zeigt jedoch keine Abhängigkeit vom Aktivierungsweg der 5-LO. Grundsätzlich ist es also von fundamentaler Bedeutung bei der Entwicklung von neuen Arzneistoffen, die zellulären Zusammenhänge, insbesondere die Regulierung der Aktivität von Enzymen, zu kennen. Wie in dieser Arbeit gezeigt, hat die Phosphorylierung der 5-LO einen starken Einfluss auf die Regulation der 5-LO Aktivität und eine elementare Wirkung auf die Hemmung des Enzyms durch verschiedene Wirkstoffe.
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.
Eine große Herausforderung auf dem Forschungsgebiet der P2-Rezeptoren stellt die Entwicklung von potenten und selektiven Antagonisten für die einzelnen Rezeptorsubtypen dar, um die P2-Rezeptoren in nativen Geweben zu identifizieren und ihre physiologische und pathophysiologische Funktion aufzuklären. Ziel dieser Arbeit war zum einen die Entwicklung solcher P2-Antagonisten und zum anderen der Vergleich der pharmakologischen Befunde, die an nativen P2-Rezeptoren humaner Thrombozyten und isolierter Organe der Ratte sowie des Meerschweinchens ermittelt wurden, mit Ergebnissen an rekombinanten Rezeptoren, um somit Aussagen über P2-Rezeptoren verschiedener Spezies sowie nativer und rekombinanter P2-Rezeptoren treffen zu können. Mit Hilfe der P2Y1- und P2Y12-Standardantagonisten MRS2179, A3P5P und 2-meSAMP konnte gezeigt werden, dass für die ADP-induzierte Aggregation von in Puffer suspendierten Thrombozyten die gleichzeitige Aktivierung von P2Y1- und P2Y12-Rezeptoren zwingend erforderlich ist. Dagegen handelt es sich bei ADP- bzw. abmeATP-induziertem „shape change“ und Anstieg der intrazellulären Calciumkonzentration um rein P2Y1- bzw. P2X1-vermittelte Effekte humaner Thrombozyten, die zur Charakterisierung von Antagonisten an diesen Rezeptoren geeignet sind. Weiterhin wurden Untersuchungen am P2X1-Rezeptor des Ratten-Vas-deferens sowie am P2X3- und P2Y1-Rezeptor des Meerschweinchen-Ileum durchgeführt. Ausgehend von den Leitstrukturen Suramin und PPADS wurden Strukturmodifikationen vorgenommen mit dem Ziel, die Wirkstärke und die Selektivität zu erhöhen. Bei PPADS ist es durch Variation des Restes am Pyridoxalphosphat gelungen, sowohl P2X1- wie auch P2Y1-selektive Antagonisten zu entwickeln. Mit dem Ersatz des Phenylrestes durch einen Naphthylrestes beim PPNDS wurde die größte P2X1-versus P2Y1-Selektivität erreicht, wohingegen das Heterodimer SB9, bestehend aus Pyridoxalphosphat und einem Suraminmonomer, eine P2Y1-versus P2X1-Präferenz aufweist. Die einzelnen PPADS-Analoga unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Kinetik und des antagonistischen Mechanismus. Bei einigen Substanzen wurde ein kompetitiver, bei anderen ein „pseudoirreversibler“ oder nichtkompetitiver Antagonismus beobachtet. Im Gegensatz zu den P2-Rezeptoren glattmuskulärer Organe zeigen alle untersuchten PPADS-Analoga an P2-Rezeptoren der Thrombozyten einen nichtkompetitiven Antagonismus. Weiterhin wurde beobachtet, dass die Strukturmodifikationen einen wesentlich geringeren Einfluss auf die Wirkstärke an P2-Rezeptoren der Thrombozyten haben als an den Rezeptoren glattmuskulärer Organe. Bei den Suraminanaloga ist es gelungen durch Strukturmodifikationen potente und selektive Antagonisten für humane P2X1-Rezeptoren zu entwickeln. Es zeigte sich, dass die tetravalenten Verbindungen NF449, NF110 und NF864 eine wesentlich höhere Affinität zum P2X1-Rezeptor humaner Thrombozyten aufweisen als ihre bivalenten Analoga. Die größte P2X1- versus P2Y1-Selektivität wurde bei NF110 erreicht, die größte Wirkstärke am P2X1-Rezeptor dagegen ist beim NF864 zu finden. Bei der Substanz NF864 handelt es sich um den derzeit potentesten P2X1-selektiven Antagonisten humaner Thrombozyten. Somit sollte sich NF864 zur Untersuchung der Beteiligung des P2X1-Rezeptors an der Hämostase als nützlich erweisen. Korrelationen der Ergebnisse des abmeATP-induzierten „shape change“ mit denen des abmeATP-induzierten Calciumeinstroms in Thrombozyten zeigten, dass beide Vorgänge allein durch den P2X1-Rezeptor vermittelt werden und wahrscheinlich über den gleichen Transduktionsweg ablaufen. Intrazellulärer Calciumanstieg und „shape change“, die durch ADP ausgelöst werden, sind ausschließlich P2Y1-vermittelt, verlaufen aber unter Umständen über unterschiedliche Transduktionswege. Vergleicht man die Ergebnisse, die an humanen Thrombozyten ermittelt wurden mit denen der isolierten Organe so ist weder bei der Wirkstärke noch beim antagonistischen Mechanismus eine völlige Übereinstimmung festzustellen. Auch der Vergleich der Ergebnisse, die an nativen P2X1-Rezeptoren ermittelt wurden, mit Daten an rekombinanten Rezeptoren ergaben weder bei den Thrombozyten, noch bei den isolierten Vasa deferentia der Ratte eine klare Korrelation. Struktur-Wirkungs-Beziehungen von P2X1-Antagonisten sind somit scheinbar nur innerhalb eines Modells möglich. Die Interpretation auf antagonistische Potenzen von Verbindungen zwischen nativen P2X1-Rezeptoren unterschiedlicher Spezies sowie zwischen nativen und rekombinanten P2X1-Rezeptoren einer Spezies müssen nach dem heutigen Stand der Wissenschaft mit Vorsicht betrachtet werden.
Alzheimer’s disease (AD) is the most common neurodegenerative disorder world wide, causing presenile dementia and death of millions of people. During AD damage and massive loss of brain cells occur. Alzheimer’s disease is genetically heterogeneous and may therefore represent a common phenotype that results from various genetic and environmental influences and risk factors. In approximately 10% of patients, changes of the genetic information were detected (gene mutations). In these cases, Alzheimer’s disease is inherited as an autosomal dominant trait (familial Alzheimer’s disease, FAD). In rare cases of familial Alzheimer’s disease (about 1-3%), mutations have been detected in genes on chromosomes 14 and 1 (encoding for Presenilin 1 and 2, respectively), and on chromosome 21 encoding for the amyloid precursor protein (APP), which is responsible for the release of the cell-damaging protein amyloid-beta (ß-amyloid, Aß). Familial forms of early-onset Alzheimer’s disease are rare; however, their importance extends far beyond their frequency, because they allow to identify some of the critical pathogenetic pathways of the disease. All familial Alzheimer mutations share a common feature: they lead to an enhanced production of the Aß, which is the major constituent of senile plaques in brains of AD patients. New data indicates that Aß promotes neuronal degeneration. Therefore, one aim of these thesis was to elucidate the neurotoxic biochemical pathways induced by Aß, investigating the effect of the FAD Swedish APP double mutation (APPsw) on oxidative stress-induced cell death mechanisms. This mutation results in a three- to sixfold increased Aß production compared to wild-type APP (APPwt). As cell models, the neuronal PC12 (rat pheochromocytoma) and the HEK (human embryonic kidney 293) cell lines were used, which have been transfected with human wiltyp APP or human APP containing the Swedish double mutation. The used cell models offer two important advantages. First, compared to experiments using high concentrations of Aß at micromolar levels applied extracellularly to cells, PC12 APPsw cells secret low Aß levels similar to the situation in FAD brains. Thus, this cell model represents a very suitable approach to elucidate the AD-specific cell death pathways mimicking physiological conditions. Second, these two cell lines (PC12 and HEK APPwt and APPsw) with different production levels of Aß may additionally allow to study dose-dependent effects of Aß. The here obtained results provide evidence for the enhanced cell vulnerability caused by the Swedish APP mutation and elucidate the cell death mechanism probably initiated by intracellulary produced Aß. Here it seems likely that increased production of Aß at physiological levels primes APPsw PC12 cells to undergo cell death only after additional stress, while chronic high levels in HEK cells already lead to enhanced basal apoptotic levels. Crucial effects of the Swedish APP mutation include the impairments of cellular energy metabolism affecting mitochondrial membrane potential and ATP levels as well as the additional activation of caspase 2, caspase 8 and JNK in response to oxidative stress. Thereby ,the following model can be proposed: PC12 cells harboring the Swedish APP mutation have a reduced energy metabolism compared to APPwt or control cells. However, this effect does not leads to enhanced basal apoptotic levels of cultured cells. An exposure of PC12 cells to oxidative stress leads to mitochondrial dysfunction, e.g., decrease in mitochondrial membrane potential and depletion in ATP. The consequence is the activation of the intrinsic apoptotic pathway releasing cytochrome c and Smac resulting in the activation of caspase 9. This effect is amplified by the overexpression of APP, since both APPsw and APPwt PC12 cells show enhanced cytochrome c and Smac release as well as enhanced caspase 9 activity as vector transfected control. In APPsw PC12 cells a parallel pathway is additionally emphased. Due to reduced ATP levels or enhanced Aß production JNK is activated. Furthermore, the extrinsic apoptotic pathway is enhanced, since caspase 8 and caspase 2 activation was clearly enhanced by the Swedish APP mutation. Both pathways may then converge by activating the effector enzyme, caspase 3, and the execution of cell death. In addition, caspase independent effects also needs to be considered. One possibility could be the implication of AIF since AIF expression was found to be induced by the Swedish APP mutation. In APPsw HEK cells high chronic Aß levels leads to enhanced apoptotic levels, reduce mitochondrial membrane potential and ATP levels even under basal conditions. Summarizing, a hypothetical sequence of events is proposed linking FAD, Aß production, JNK-activation, mitochondrial dysfunction with caspase pathway and neuronal loss for our cell model. The brain has a high metabolic rate and is exposured to gradually rising levels of oxidative stress during life. In Swedish FAD patients the levels of oxidative stress are increased in the temporal inferior cortex. This study using a cell model mimicking the in vivo situation in AD brains indicates that probably both, increased Aß production and the gradual rise of oxidative stress throughout life converge at a final common pathway of an increased vulnerability of neurons to apoptotic cell death from FAD patients. Presenilin (PS) 1 is an aspartyl protease, involved in the gamma-secretase mediated proteolysis of Amyloid-ß-protein (Aß), the major constituent of senile plaques in brains of Alzheimer’s disease (AD) patients. Recent studies have suggested an additional role for presenilin proteins in apoptotic cell death observed in AD. Since PS 1 is proteolytic cleaved by caspase 3, it has been prosposed that the resulting C-terminal fragment of PS1 (PSCas) could play a role in signal transduction during apoptosis. Moreover, it was shown that mutant presenilins causing early-onset of familial Alzheimer's disease (FAD) may render cells vulnerable to apoptosis. The mechanism by which PS1 regulates apoptotic cell death is yet not understood. Therefore one aim of our present study was to clarify the involvement of PS1 in the proteolytic cascade of apoptosis and if the cleavage of PS1 by caspase 3 has an regulatory function. Here it is demonstrated that both, PS1 and PS1Cas lead to a reduced vulnerability of PC12 and Jurkat cells to different apoptotic stimuli. However a mutation at the caspase 3 recognition site (D345A/ PSmut), which inhibits cleavage of PS1 by caspase 3, show no differences in the effect of PS1 or PSCas towards apoptotic stimuli. This suggest that proteolysis of PS1 by caspase 3 is not a determinant, but only a secondary effect during apoptosis. Since several FAD mutation distributed through the whole PS1 gene lead to enhanced apoptosis, an abolishment of the antiapoptotic effect of PS1 might contribute to the massive neurodegeneration in early age of FAD patients. Here, the regulate properties of PS1 in apoptosis may not be through an caspase 3 dependent cleavage and generation of PSCas, but rather through interaction of PS1 with other proteins involved in apoptosis.
Die Alzheimer-Demenz (AD) ist gekennzeichnet durch extrazelluläre Ablagerungen des Amyloid-beta-Peptids (Aß), durch neurofibrilläre Bündel bestehend aus dem Tau-Protein, massiven Neuronenverlust und synaptische Dysfunktion. Weiterhin ist bekannt, dass mitochondriale Dysfunktion sowie ein gestörter NO-Stoffwechsel eine entscheidende Rolle bei der AD spielen. Um genauere Informationen über die Ursache der mitochondrialen Dysfunktion zu erhalten, wurden akute, chronische und dosisabhängige Effekte von Aß auf die NO-Produktion und die mitochondriale Funktion untersucht. Als Zellkulturmodelle standen PC12- und HEK-Zellen zur Verfügung, die entweder mit humanem Wildtyp-APP (APPwt) oder mit der schwedischen Doppelmutation im APP-Gen (APPsw) stabil transfiziert waren. APPsw-PC12-Zellen wiesen Aß-Spiegel im pikomolaren Bereich auf. Im Vergleich dazu hatten APPsw-HEK-Zellen ca. 20fach erhöhte Aß-Spiegel im niedrig-nanomolaren Bereich. Interessanterweise wiesen sowohl APPsw-PC12- als auch APPsw-HEK-Zellen im Vergleich zu den jeweiligen Kontrollzellen signifikant erhöhte NO-Spiegel auf. Dies ging in beiden Zellsystemen mit signifikant erniedrigten ATP-Spiegeln einher. Die Inkubation untransfizierter Zellen mit extrazellulärem Aß1-42 führte nur zu einem schwachen Anstieg der NO-Spiegel und zu einem leichten Abfall der ATP-Spiegel. Dies weist darauf hin, dass in erster Linie intrazelluläre Aß-Effekte den NO-Anstieg und die ATP-Reduktion bewirken. Die 48-stündige Inkubation mit dem gamma-Sekretasehemmstoff DAPT führte zur beinahe vollständigen Normalisierung der NO- und ATP-Spiegel in APP-transfizierten PC12- und HEK-Zellen. Das stützt die Hypothese, dass der gestörte NO-Stoffwechsel und die mitochondriale Dysfunktion durch Aß-Anreicherungen hervorgerufen werden und nicht durch eine Überexpression von APP. Passend zu den reduzierten ATP-Spiegeln zeigten APPsw-PC12-Zellen eine signifikant erniedrigte Cytochrom-C-Oxidase-Aktivität. Des Weiteren konnte APP in Mitochondrien von APPsw-PC12-Zellen nachgewiesen werden. Die Reduktion der ATP-Spiegel und die verminderte Cytochrom-C-Oxidase-Aktivität können also zum einen durch die Aß-bedingten erhöhten NO-Spiegel und zum anderen durch die Anwesenheit von APP bzw. Aß im Mitochondrium hervorgerufen werden. Auf der Ebene des mitochondrialen Membranpotentials wiesen die beiden Zelllinien stark unterschiedliche Ergebnisse auf. APPsw-PC12-Zellen zeigten unter basalen Verhältnissen ein leicht hyperpolarisiertes mitochondriales Membranpotential, was auf einen Gegenregulationsmechanismus hinweist. APPsw-HEK-Zellen wiesen bereits basal ein signifikant erniedrigtes mitochondriales Membranpotential auf. Nach Inkubation mit dem gamma-Sekretasehemmstoff DAPT normalisierte sich sowohl die Hyperpolarisation des mitochondrialen Membranpotentials in APPsw-PC12-Zellen als auch die Depolarisation in APPsw-HEK-Zellen. Anhand der in dieser Arbeit gewonnenen Daten konnte ein Modell sowohl für die sporadische als auch für die familiäre AD entwickelt werden. APPsw-PC12-Zellen spiegeln hierbei die pathogenen Mechanismen in Patienten mit sporadischer AD wider, wohingegen APPsw-HEK-Zellen die initialen Veränderungen bei Patienten mit familiärer AD aufzeigen. Mitochondriale Fehlfunktion und ein gestörter NO-Stoffwechsel stellen entscheidende initiale Pathomechanismen bei AD dar. Innerhalb der Gruppe der Antidementiva konnte gezeigt werden, dass sowohl Ginkgo-biloba-Extrakt als auch Piracetam schützende Effekte auf die mitochondriale Funktion ausüben. Aufgrund der wichtigen Rolle von mitochondrialer Fehlfunktion in der Pathogenese der Alzheimer Demenz stellen Ginkgo-biloba-Extrakt und Piracetam zwei sehr interessante Präventions- und Therapieoptionen bei Patienten mit leichten kognitiven Störungen bzw. bei Patienten mit AD dar.
Die vorliegende Arbeit befaßte sich mit der Untersuchung der Funktion und der Regulation des neuronalen GABA-Transporter 1 der Maus (mGAT1). Der mGAT1 ist ein elektrogener Neurotransmittertransporter, der in Gegenwart von GABA in Abhängigkeit des Membranpotentials und des Na+-Konzentrationsgradienten über der Membran einen sogenannten mGAT1-vermittelten Strom generiert. Der mGAT1 wurde in Oozyten von Xenopus laevis exprimiert und mit elektro-physiologischen Methoden (Two-Electrode Voltage Clamp), mit radioaktiven Auf-nahmemessungen (3H-GABA, 22Na+, 36Cl-) und mit biochemischen Methoden untersucht. In der vorliegenden Arbeit konnte unter Verwendung des Tiagabin –Analogons SKF-89976-A gezeigt werden, daß der mGAT1-vermittelte Strom aus zwei Komponenten besteht, einem Transportstrom und einem Transporter-assoziierten Strom. Dabei wurde die hier gewonnene neue Erkenntnis genutzt, daß SKF-89976-A die Transporter-assoziierte Stromkomponente selektiv blockieren kann. Als Ursache des Transportstroms konnte die in der Literatur angenommene Transportstöchiometrie von 1GABA : 2Na+ : 1Cl- bewiesen werden. Als Ursache des Transporter-assoziierten Stroms konnte eine vom GABA-Transport entkoppelte Na+-spezifische Leitfähigkeit in Gegenwart von GABA identifiziert werden, die drei bis fünfmal größer ist als die Transport-Leitfähigkeit selbst. Transportstrom und Transporter-assoziierter Strom scheinen von zwei unterschiedlichen Konformeren des mGAT1 vermittelt zu werden, die nicht miteinander im Gleichgewicht stehen. In Abwesenheit von GABA ist in der Stromantwort auf einen Spannungspuls ein mit der Zeit abfallender transienter Strom zu beobachten. Hinsichtlich dieses langsamen transienten Stroms des mGAT1 konnte ein Bindungsmodell für Na+ und Cl- in Abwesenheit von GABA entwickelt werden. Nach diesem Modell kommt es vor der Bindung von GABA am Transporter zu einer sequentiellen Bindung zweier Na+-Ionen und eines Cl--Ion. Regulation des mGAT1 konnte durch Phosphorylierung bzw. Dephosphorylierung des mGAT1 mittels PKC und PP2B gezeigt werden. Dabei scheint der mGAT1-vermittelte Strom durch Serin- / Threonin-Phosphorylierung verstärkt zu werden. Durch Koinjektion von mGAT1-cRNA und humaner Hirn-mRNA konnte der mGAT1 zusammen mit unbekannten zytosolischen bzw. Membranproteinen des humanen Hirns koexprimiert werden. Dabei wird die Transportrate des mGAT1 signifikant gesteigert; der mGAT1-vermittelte Strom wird nicht signifikant beeinflußt. Es scheint, daß eines oder mehrere der koexprimierten humanen Proteine die Bildung des Transport-Modus bzw. die Bildung des Kanal-Modus mit beeinflussen.
The hypothesis that oxidative stress plays a role in the pathogenesis of Alzheimer’s disease (AD) was tested by studying oxidative damage, acitvities of antioxidant enzymes and levels of reactive oxygen species (ROS) in several models. To this end, mouse models transgenic for mutant presenilin (PS1M146L) as well as mutant amyloid precursor protein (APP) and human post mortem brain tissue from sporadic AD patients and age-matched controls were studied. Aging leads to an upregulation of antioxidant enzyme activities of Cu/Zn-superoxide dismutase (Cu/Zn-SOD), glutathione peroxidase (GPx) and glutathione reductase (GR) in brains from C57BL/6J mice. Simultaneously, levels of lipid peroxidation products malondialdehyde MDA and 4-hydroxynonenal HNE were reduced. Additionally, pronounced gender effects were observed, as female mice display better protection against oxidative damage due to higher activity of GPx. Hence, antioxidant enzymes provide an important contribution to the protection against oxidative damage. In PS1M146L transgenic mice oxidative damage was only detectable in 19-22 months old mice, arguing for an additive effect of aging and the PS1 mutation. Both HNE levels in brain tissue as well as mitochondrial and cytosolic levels of ROS in splenic lymphocytes were increased in PS1M146L mice. Antioxidant defences were unaltered. In PDGF-APP and PDGF-APP/PS1 trangenic mice no changes in any of the parameters studied were observed in any age group. In contrast, Thy1-APP transgenic mice display oxidative damage as assessed by increased HNE levels. Reduced activity of Cu/Zn-SOD may explain this observation. Additionally, gender modified this effect, as female APP transgenic mice display higher b-secretase cleavage of APP and simultaneously increased HNE levels and reduced Cu/Zn-SOD activity earlier than male mice, i.e. from an age of 3 months and before the formation of Ab plaques. Reduced Cu/Zn-SOD activity was also found in another APP transgenic mouse model, in APP23 mice. In post mortem brain tissue from sporadic AD patients activities of Cu/Zn-SOD and GPx were however increased, and changes were most pronounced in temporal cortex. Simultaneously, levels of HNE but not MDA were elevated. Additionally, in vitro stimulation of lipid peroxidation led to increased MDA formation in samples from AD patients, indicating that increased activity of Cu/Zn-SOD and GPx are insufficient to protect against oxidative damage. Furthermore, the observed changes were subject to a gender effect, as samples from female AD patients showed increased activities of Cu/Zn-SOD and GPx as well as increased HNE levels, indicating that brain tissue from females is more sensitive towards oxidative damage. Levels of soluble Ab1-40 were positively correlated with with MDA levels and activities of Cu/Zn-SOD and GPx. Additionally, levels of lipid peroxidation products MDA and HNE are gene-dose-dependently modulated by the Apolipoprotein E4 allele, the most important genetic risk factor for AD known so far. While MDA levels were negatively correlated with MMSE scores, a measure for cognitive function, HNE levels were highest in AD patients with moderate cognitive impairment. Hence, increased HNE levels may play an important role in neurodegenerative events at an early disease stage. In summary, oxidative damage, as assessed by increased HNE levels, could be detected in sporadic AD patients and in different transgenic mouse models. The results of this thesis therefore support the further research of pharmacological targets aiming at augmentation of antioxidant defences for therapy or prophylaxis of Alzheimer’s disease.
Ziel der vorliegenden Arbeit war, Arzneistoffformulierungen, wie kationische Nanopartikel, Liposomen und virale Hüllkapside, für den Transport von Antisense-Oligonukleotiden in Zellen zu untersuchen. Der Schwerpunkt lag hierbei auf der in vitro Testung in der Zellkultur. Als Zielstruktur wurde der NMDA-Rezeptor gewählt, dessen Expression durch die Gabe von Antisense-Oligonukleotiden gehemmt wurde. Testobjekt waren murine Fibroblasten, die in einer Vorgängerarbeit von Ralf Steinmetz mit der cDNA für die entsprechenden NMDA-Rezeptorsubtypen transfiziert worden sind und deren Eignung für die Testung von Rezeptorantagonisten schon gezeigt worden ist. Beim NMDA-Rezeptor handelt es sich um einen ligandgesteuerten Ionenkanal, der normalerweise nur in neuronalem Gewebe zu finden ist. Eine Überexpression und anschließende Stimulation des Rezeptors führt über einen massiven Ca2+-Einstrom zum Absterben der Zellen. Dieses Modell erlaubte die Auswertung der Antisense-Wirkung in einem funktionellen Assay über ein reduziertes Absterbeverhalten der Zellen. Die spezifischen Reduktion des Zielproteins wurde mittels Western-Blot-Technik gezeigt. Alle eingesetzten Trägersysteme wurden hinsichtilich ihrer physiko-chemischen Eigenschaften untersucht. Im Mittelpunkt standen dabei die Bestimmung von Größe und Oberflächenladung (Zetapotential), die mit Hilfe der dynamischen Lichtstreuung (DLS) bestimmt wurden. Der Schwerpunkt bei der Untersuchung der Drug-Delivery-Systeme lag auf den biodegradierbaren Nanopartikeln auf Basis von Protamin. Im Anschluß an diese physikochemische Charakterisierung wurden diese Partikel in der Zellkultur im Vergleich zu freien, d.h. nicht an ein Trägersystem gebundenen, und zu liposomal (DOTAP) verpackten Oligonukleotiden getestet. Es zeigt sich, dass die Albumin-Protamin-Oligokukleotid-Formulierung gegenüber den freien Oligonukleotiden eine um den Faktor 12 verbesserte zelluläre Aufnahme aufweisen, was mit der liposomen Formulierung vergleichbar ist. Mit Hilfe der konfokalen Laser-Scan-Mikroskopie konnte gezeigt werden, dass 100 % der Zellen transfiziert worden sind. Es wurde sowohl im funktionellen Modell über Zelltod, als auch auf Proteinebene (Western-Blot) eine Reduktion des NMDA-Rezeptors von etwa 35 % 24 Stunden nach der Gabe des Oligonukleotide gefunden. Dieses Ergebnis spricht für eine intrazelluläre Freigabe der Oligonukleotide aus den Partikeln. Im Gegensatz zur liposomalen Zubereitung wurden keine zytotoxischen Nebenwirkungen der Nanopartikel gefunden. In einem abschließenden Vergleich wurden rekombinant hergestellte virale Hüllkapside (VP1 Kapside), zwei kationische liposomale Zubereitungen (DOTAP/Lipofectin), zwei kationische Alkylcyanoacrylat Nanopartikelpräparationen (PBCA/PHCA) und zwei auf Protamin basierende Nanopartikelsystme (mit/ohne Albumin-Zusatz) in der Zellkultur getestet. Untersucht wurde die Transfereffizienz für Oligonukleotide mittels einer Fluoreszenzmethode, die intrazelluäre Verteilung wurde im konfokalen Laser-Scan-Mikroskop dargestellt, es wurde eine Antisense-Wirkung im Vergleich zu einer Kontrollsequenz bestimmt (sowohl im funktionellen System, als auch im Western-Blot) und es wurden die zytotoxischen Nebenwirkungen betrachtet. Zusammenfassend ergaben diese Ergebnisse eine um das 2- bis 18-fache Erhöhung der Zellaufnahme im Vergleich zu freien Oligonukleotiden. Die protamin-basierten Nanopartikel zeigten keine nennenswerten zytotoxischen Nebenwirkungen.
Es wurden die Herstellung von protaminbasierten Oligonukleotid-Nanopartikel („binäres System“) physikochemisch charakterisiert. Vermischt man Oligonukleotide mit einer wässrigen Protaminlösung entstehen nach wenigen Sekunden sehr kleine Partikel (<20 nm). Der Partikeldurchmesser nimmt mit der Zeit zu und stabilisiert sich nach etwa 30 Minuten. Danach sind die NP für mindestens 24 Stunden bei Raumtemperatur stabil. Die Größe, die Größenverteilung und die Gestalt der Partikel wurden bestimmt. Diese runden Partikel konnten in ihrer Größe durch die Veränderung von Protamin- und ON-Konzentration in ihrer Größe gesteuert werden (etwa 100-1000 nm Durchmesser). Die Veränderung der Kettenlänge der Oligonukleotide (10-25 mer) zeigte einen nur geringen Einfluss auf die Größe und Größenverteilung der Partikel. Auch konnte die Oberflächenladung (Zetapotential) der Partikel durch die Veränderung des Protamin/OligonukleotidVerhältnisses gesteuert werden. Analytische Ultrazentrifugations-Messungen (durchgeführt vom AK Prof. Schubert) mit diesen Partikeln zeigte das diese schon in geringen Salzkonzentrationen (15 mM NaCl) nach wenigen Minuten zur Aggregation neigen. Diese konnte durch 15% Polyethylenglykol 20.000 Lösung gestoppt werden. Dies war ein wichtiger Hinweis, dass man mittels Makromolekülen die Partikelpräparationen stabilisieren kann. Ferner wurde die Zusammensetzung der Partikel, sowohl hinsichtlich der Oligonukleotide und als auch des Protamingehaltes bestimmt. Mehr als 90% des Wirkstoffes konnte in die Nanopartikel eingebunden werden. Da das von uns verwendete Protamin keine aromatische Aminosäure beinhaltet (Absorptionsmaximum kleiner 200 nm) und die Standard-Proteinnachweise wie z.B. BCA-Assay nur ungenügende Nachweisgrenzen aufweisen, wurde eine neue Protamin-Quantifizierungmethode mittels ortho-Phthaldialdehyd (OPA) und N-Acetyl-L-Cystein (NAC) für die Mikrotiterplatten erarbeitet. Damit war es möglich, auch in Anwesenheit von DNA, Protamin und Protaminsalze in einer Konzentration von 250 ng/ml sicher nachzuweisen. Ein weiteres Problem mit diesem binären Partikelsystem, neben der Aggregationsneigung, zeigte sich in verschiedenen Zellmodellen (durchgeführt von Norbert Dinauer, AK von Briesen). Die Partikel wurden zwar im großen Maße von humanen Macrophagen, humanen T-Zellen aufgenommen, aber danach langsam freigegeben. Auch wurden intrazellulär Aggregate gefunden. Humanes Serum Albumin (HSA) zeigte einen positiven Effekt auf die Aggregationsneigung (AlPrO-Nanopartikel). Es fungiert hierbei als ein Schutzkolloid, welches nur zu einem geringen Teil in die Partikelmatrix inkorporiert wird (<10%). Der Großteil des HSA befindet sich in der äußeren wässrigen Phase. Es ist zu vermuten dass es sterische die Partikel an der Sekundäraggregation hindert. Zusätzlich konnten primäre Komplexe vor der Zugabe von HSA aus HSA und Protamin beobachtet werden (Durchmesser 14 nm). Dies führt zu einem veränderten Self-Assembly der Nanopartikel gegenüber dem binären System. AlPrO-Partikel, hergestellt mit 1 mg/ml HSA, waren über Stunden stabilisiert in Zellmedium. Sie sind von runder Gestallt und 200-350 nm im Durchmesser groß. Sie weisen eine leicht negative Oberflächenladung auf, was auf eine Abdeckung der Partikeloberfläche mit HSA hinweist. Nahezu die gesamte eingesetzte Menge des Oligonukleotides wurde in die Partikelmatrix inkorporiert (> 90%). Es war möglich Partikel dieser Qualität mit unmodifizierten-, phosphorothioat modifizierten Oligonukleotiden und doppelsträngiger RNA (siRNA) herzustellen. Die von uns entwickelten AlPrO-Nanopartikel stellen eine neue Möglichkeit der peptidbasierte Transfektion von Oligonukleotiden in Zellen dar.
Durch anhaltende Entzündungsvorgänge oder Nervenläsionen kommt es zu einem vermehrten nozizeptiven Einstrom ins Rückenmark, was lang anhaltende Sensibilisierungsvorgänge an den zentralen Synapsen zur Folge hat. Auf molekularer Ebene kommt es dabei zur Regulation verschiedenster Proteinsynthesen. Diese plastischen Veränderungen im Zellstoffwechsel der Hinterhornneurone können eine Chronifizierung der zentralen Vorgänge bewirken. In der vorliegenden Arbeit wurden mittels vergleichender Proteomanalyse Proteine identifiziert, die aufgrund chronischer Entzündungsschmerzen und neuropathischer Schmerzen im Lumbalmark reguliert werden. In Folge einer durch Zymosan induzierten Pfotenentzündung konnten mittels 2D-Gelelektrophorese des Lumbalmarks der Ratte bei neun Proteinspots eine Regulation festgestellt werden. Diese Proteine sind möglicherweise an Mechanismen der zentralen Sensibilisierung in Hinterhornneuronen beteiligt und könnten als innovative Therapieansatzpunkte von Bedeutung sein. Ein Zusammenhang zwischen den identifizierten Proteinen und Mechanismen der Schmerzentstehung und -verarbeitung wurde bislang nicht beschrieben. Eines der Proteine, bei dem es zu einem deutlichen zeitabhängigen Abbau nach Zymosaninjektion kam, wurde massenspektrometrisch als Neurofilament light (NF-L) identifiziert. NF-L spielt insbesondere für die strukturelle Stabilität der Neurone und den axoplasmatischen Transport eine wichtige Rolle. Ein Abbau von Neurofilamenten im Rahmen von neurodegenerativen Erkrankungen wurde bereits mehrfach beschrieben. Für die Degradierung von NF-L wird hierbei hauptsächlich die Protease Calpain verantwortlich gemacht. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Aktivierung von Calpain nach Zymosaninjektion sowohl im Lumbalmark als auch im entzündeten Pfotengewebe nachgewiesen. Der entzündungsassoziierte Abbau von NF-L im Rückenmark und den Hinterwurzelganglien konnte durch die einmalige Verabreichung eines spezifischen Inhibitors von Calpain verhindert werden. Eine Vorbehandlung der Tiere mit dem Calpain Inhibitor zeigte darüber hinaus antiinflammatorische und antihyperalgetische Effekte im Entzündungsmodell. Die antinozizeptive Wirkung des Inhibitors war dabei unabhängig davon, ob die Substanz systemisch (i.p.) oder am Rückenmark (peridural) appliziert wurde. Zusammenfassend zeigen die bisher genannten Ergebnisse, dass die Hemmung einer pathophysiologischen Aktivierung von Calpain ein neues, bislang nicht beschriebenes Wirkprinzip zur Behandlung von Schmerzen und Entzündungen darstellen könnte. In einem weiteren Teil der Arbeit wurde das Protein Aldose Reduktase (AR), das ebenfalls nach Induktion einer peripheren Entzündung reguliert wurde, näher beleuchtet. Bislang wurde die AR vorwiegend mit der Entstehung diabetischer Spätschäden in Verbindung gebracht. Im Proteinmuster des Lumbalmarks zeigte sich dieses Protein durch zwei verschiedene Spots, wobei nach der Zymosaninjektion eine Verschiebung in der Intensität zwischen diesen beiden Varianten der AR beobachtet wurde. Da die AR nach der Entzündungsinduktion weder auf Transkriptions- noch auf Translationsebene reguliert wurde, ist von einer posttranslationalen Modifikation des Proteins auszugehen, wobei eine Phosphorylierung naheliegend erscheint. In Zellkulturexperimenten wurde gezeigt, dass die AR nach einer Stimulation der transfizierten Zellen mit proinflammatorischen Zytokinen abgebaut wird, wobei hierfür eine Aktivierung des Proteasoms verantwortlich zu sein scheint. Eine Hemmung des Abbaus konnte dabei nicht nur durch einen Proteasominhibitor sondern zum Teil auch durch Dexamethason erzielt werden. Die AR scheint daher bei Entzündungsprozessen auf verschiedene Arten reguliert zu werden. Weiterhin wurden Änderungen im Lumbalmark nach Induktion von neuropathischen Schmerzen proteomanalytisch untersucht. Beim Vergleich der Proteinexpressionsmuster zeigten sich bei vier Proteinen Regulationen infolge der Nervenläsion. Keines dieser Proteine wurde bislang mit neuropathischen Schmerzen in Verbindung gebracht. Eines der identifizierten Proteine, alpha-Crystallin, wurde sowohl bei neuropathischem Schmerz als auch bei chronischem Entzündungsschmerz herunterreguliert. Dieses Protein scheint daher mit beiden dieser chronischen Schmerzzustände korreliert zu sein. Die ansonsten beobachteten Änderungen waren jedoch spezifisch für das jeweilige Schmerzmodell, so dass davon ausgegangen werden kann, dass deutliche Unterschiede in den spinalen Sensibilisierungsvorgängen infolge einer Entzündung oder einer Nervenläsion bestehen. Mit der Identifizierung und Charakterisierung von schmerz- und entzündungsassoziierten Proteinen im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Beitrag zur Aufklärung bislang unbekannter Mechanismen der zentralen Sensibilisierung geleistet. Diese Erkenntnisse könnten in der Zukunft als Grundlage zur Entwicklung innovativer Therapieansätze für die Schmerztherapie genutzt werden.
Monoklonale Antikörper und rekombinante Antikörperfragmente gegen sekundäre Arzneipflanzenmetabolite
(2004)
Monoklonale Antikörper sind seit vielen Jahren aus den biochemischen und molekularbiologischen Laboratorien nicht mehr wegzudenken. Sowohl in der Grundlagenforschung, als auch in der angewandten medizinischen Diagnostik und der Therapie spielen sie eine immer wichtigere Rolle. Dennoch konnten sich monoklonale Antikörper als Hilfsmittel im Bereich der Naturstoffanalytik bisher noch nicht durchsetzen. Im Mittelpunkt dieser Arbeit stand daher die Frage, inwieweit sich monoklonale Antikörper und rekombinante Antikörperfragmente für die Analytik komplexer Naturstoffgemische eignen. Eine der Zielstrukturen, gegen die monoklonale Antikörper generiert werden sollten, ist das pentazyklische Triterpen Oleanolsäure. Oleanolsäure ist als Aglykon in zahlreichen verschiedenen Triterpensaponinen enthalten. Triterpensaponine bzw. Triterpensaponin-haltige Arzneipflanzen spielen aufgrund ihres breiten Wirkungsspektrums in der Phytotherapie eine wichtige Rolle. Sie zeichnen sich nachweislich durch venentonisierende, antiödematöse, antiphlogistische, diuretische, expektorierende und broncholytische Eigenschaften aus. Da es sich bei den Triterpensaponinen um eine sehr heterogene Stoffgruppe handelt, ist ihre Analytik sehr aufwendig. Monoklonale Antikörper könnten daher bei der Analytik von komplexen Saponingemischen sehr nützlich sein. In Zusammenarbeit mit Frau Dr. Kerstin Brand aus dem Arbeitskreis von PD Dr. Werner Knöss (Universität Bonn) konnten verschiedene monoklonale Antikörper gegen Oleanolsäure etabliert werden. Im Rahmen dieser Dissertation wurden die Bindungseigenschaften dieser Antikörper eingehend charakterisiert. In kompetitiven ELISAs konnten die Molekülepitope, an die die verschiedenen Antikörper binden, bestimmt werden. Außerdem wurden die Immunglobuline auf Kreuzreaktivitäten gegenüber 72 unterschiedlichen sekundären Arzneipflanzenmetaboliten untersucht. Die monoklonalen Antikörper zeigten dabei keine Interaktion mit Steroiden, Phytosterolen und Herzglykosiden – Substanzen die zwar in die Gruppe der Triterpene eingeordnet werden können, sich aber in ihrer Struktur und Stereochemie deutlich von der Oleanolsäure unterscheiden. Gegenüber zahlreichen pentazyklischen Triterpenen, die strukturelle Ähnlichkeiten mit der Oleanolsäure besitzen, zeigten hingegen alle untersuchten Immunglobuline eine ausgeprägte Kreuzreaktivität. Daher eignen sie sich für die Analytik von komplex zusammengesetzten Triterpengemischen, z.B. von Arzneipflanzenextrakten. Dies konnte durch verschiedene direkte und indirekte Kompetitionsversuche mit unterschiedlichen Arzneipflanzenextrakten im Rahmen dieser Arbeit und der Dissertation von Frau Dr. Kerstin Brand gezeigt werden. Mit Hilfe eines kompetitiven ELISAs ist z.B. ein Screening von unbekannten Arzneipflanzen auf Triterpensaponine möglich. Auch eine Wertbestimmung von Arzneipflanzen oder Arzneipflanzenextrakten mit Hilfe der monoklonalen Antikörper ist denkbar, sofern eine Referenz zur Verfügung steht, auf den die Kompetitionsergebnisse bezogen werden können. Der Einsatz der hier vorgestellten Antikörper wird allerdings dadurch eingeschränkt, dass die Immunglobuline eine unvorhersehbare Polyspezifität gegenüber den polyphenolischen Sekundärmetaboliten Quercetin und Ellagsäure zeigten. Bei einem Einsatz der Antikörper im Rahmen der Naturstoffanalytik sind daher Vorversuche erforderlich, um diese Substanzen zu identifizieren und wenn möglich zu entfernen. Einer der untersuchten monoklonalen Antikörper, der Antikörper der Zelllinie 10F10, zeigte eine Kreuzreaktivität gegenüber verschiedenen ß-Boswelliasäuren. Boswelliasäuren sind in der Lage, das Enzym 5-Lipoxygenase zu hemmen und dadurch die Synthese von entzündungsfördernden Leukotrienen zu inhibieren. Daher scheinen Boswelliasäuren viel versprechende Arzneistoffe bei der Therapie der unterschiedlichsten inflammatorischen Erkrankungen, wie z.B. Colitis ulcerosa, Morbus Crohn, Asthma bronchiale oder rheumatoider Arthritis zu sein. Der Antikörper der Zelllinie 10F10 soll im Arbeitskreis von Prof. Dieter Steinhilber am Institut für Pharmazeutische Chemie der Universität Frankfurt unter anderem für eine Immobilisierung der Boswelliasäuren an Immunaffinitätssäulen eingesetzt werden. In diesem Arbeitskreis wird der Einfluss von ß-Boswelliasäuren auf die 5-Lipoxygenase intensiv erforscht. In einem zweiten Projekt wurden rekombinante scFv-Antikörperfragmente gegen das Triterpen Oleanolsäure und gegen das Pyrrolizidinalkaloid Retrorsin generiert. Pyrrolizidinalkaloide sind hepatotoxische Sekundärmetabolite, die in zahlreichen Nutzpflanzen und traditionellen Arzneipflanzen enthalten sind. Insgesamt wurden vier verschiedene scFv-Fragmente konstruiert. Zwei Anti- Oleanolsäure-Antikörperfragmente konnten in E. coli erfolgreich periplasmatisch exprimiert und ihre Funktionalität in verschiedenen Antigenbindungsstudien nachgewiesen werden. Darüber hinaus wurde eine Phagen-Display- und Phagen- Panning-Methode etabliert, mit deren Hilfe es möglich ist, gezielt nach funktionellen Antikörperfragmenten zu suchen. Mit dieser Methode sollte es möglich sein, nach erfolgter Mutation der verschiedenen scFv-Fragmente, Proteine mit neuen Bindungseigenschaften zu identifizieren. Interessant wären dabei z.B. scFv- Fragmente, die mit Pyrrolizidin-N-oxiden interagieren. Gegen diese Substanzen konnten im Arbeitskreis Dingermann mit Hilfe der konventionellen Hybridoma- Technologie bisher noch keine monoklonalen Antikörper generiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass es sich bei monoklonalen Antikörpern und rekombinanten Antikörperfragmenten um interessante Hilfsstoffe für die Naturstoffanalytik handelt, deren Bedeutung für dieses Anwendungsgebiet aber bisher noch deutlich unterbewertet ist. Es wäre daher sehr interessant, die hier vorgestellten Projekte fortzuführen und die Arbeitsmethoden weiter zu optimieren. Mit den im Rahmen dieser Arbeit charakterisierten Anti-Oleanolsäure-Antikörpern stehen bereits drei Immunglobuline für die Arzneipflanzenanalytik zur Verfügung. Von allen drei Antikörpern liegen inzwischen auch scFv-Fragmente vor. Diese Fragmente könnten modifiziert und mit Hilfe der hier vorgestellten Phagen-Display-Methode nach Proteinen mit modifizierten Bindungseigenschaften gesucht werden. Letztendlich wäre auf diese Weise die Generierung eines großen Sortiments von Antikörpern und Antikörperfragmenten für die Analytik der unterschiedlichsten Substanzklassen möglich.
Ziel: Ziel der Untersuchungen war es, selektive und potente P2-Rezeptor-Antagonisten, die sich von Suramin und PPADS ableiten, zu ermitteln sowie die Charakterisierung UTP-sensitiver Rezeptoren in epididymalen Segmenten des Samenleiters der Ratte vorzunehmen. Methoden: Am Samenleiter der Ratte (P2X1-Rezeptoren) und dem Ileum des Meerschweinchens (P2Y1-Rezeptoren) wurden Kontraktions-Inhibitions-Studien durchgeführt. Zur Untersuchung des UTP-sensitiven Rezeptors im Samenleiter der Ratte wurden Kontraktions-, Kontraktions-Inhibitions-Studien und histochemische- bzw. immunzytochemische Studien herangezogen. Ergebnisse: Durch Struktur-Wirkungs-Beziehungen von Analoga des NF023, Suramin, NF279, PPADS und SB9 konnten symmetrische Suramin-Analoga, wie NF816 (pA2=6,45) und unsymmterische NF279-Analoga, wie NF786 (pA2=6,76), erhalten werden, die potent, selektiv und kompetitiv ADPßS-induzierte Kontraktionen des Meerschweinchen-Ileums antagonisierten. Auch die heterodimer-bivalente Verbindung SB9, erwies sich an nativen P2Y1 -Rezeptoren als potenter, selektiver und kompetitiver Antagonist (P2Y1:pA2=6,91 vs. P2X1: pA2=5,98). Darüber hinaus ist SB9 P2-Rezeptor-spezifisch und schwach wirksam an Ekto-Nukleotidasen von Oozyten des Südafrikanischen Krallenfrosches (IC50 = 40 MikroM). Zur Charakterisierung des UTP-sensitiven Rezeptors des Samenleiters der Ratte wurde Evans Blau verwendet. Es konnte gezeigt werden, dass Evans Blau die Spaltung von exogenem ATP zu 75 % hemmt. Insbesondere die glatte Muskulatur ist ATPase-aktiv. An epididymalen Segmenten ist UTP (100 MikroM Evans Blau) ein voller Agonist (EC50 = 36 MikroM). Die Kontraktion beruht auf der Aktivierung postsynaptischer Strukturen und wird nicht durch UDP oder Uridin beeinflusst. Mit Agonisten konnte in Anwesenheit von 100 MikroM Evans Blau folgende Reihe der Wirkstärke erhalten werden: natürliche Agonisten, Ap4A > ATP = ADP = UTP > UDP; synthetische Agonisten, 2MeSATP > ATPgammaS > ADPßS. In Anwesenheit von 100 MikroM Evans Blau wurden UTP-induzierte Kontraktionen durch PPADS (IC50 = 20 MikroM) und Reaktiv Blau 2 (IC50 = 43 MikroM) nicht aber durch Suramin und MRS 2179 gehemmt. P2Y2-Rezeptor-spezifische Antikörper ergaben die Expression von P2Y2-Rezeptoren auf der glatten Muskulatur des Samenleiter der Ratte. Schlußfolgerungen: Analoga als auch pharmakophore Gruppen des Suramins und PPADS eignen sich als Ausgangs-Verbindungen bzw. -Strukturen zur Synthese von potenten und Subtyp-selektiven P2-Rezeptor-Antagonisten. Die Wirkungen von UTP sind durch P2u-Rezeptoren vermittelt. Die Ergebnisse deuten auf die Beteiligung von P2Y2- bzw. P2Y4-Rezeptoren in epididymalen Segmenten des Sameneiters der Ratte hin.
Reliable communication in the central nervous system requires the precise control of the duration and the intensity of neurotransmitter action at specific molecular targets. After their release at the synapse, neurotransmitters activate pre- and/or postsynaptic receptors. To terminate synaptic transmission, neurotransmitters are in turn inactivated by either enzymatic degradation or active uptake into neuronal and/or glial cells by neurotransmitter transporters. In the present study, two types of membrane proteins involved in transcellular signal transduction were investigated, the P2X receptors, which are ATP-gated ion channels and the glutamate transporters of the EAAT family. The first part of this study is concerned with the targeting and anchoring of P2X receptors at specific locations. P2X receptors play a role of fast excitatory neurotransmission to extracellular ATP in both the peripheral and central nervous system. For several ligand-gated ion channel, like glycine receptors or nicotinic acetylcholine receptors, it is known that specific binding proteins exist, which are involved in receptor trafficking and anchoring of the receptors at appropriate sites on the synapse. Within the P2X family, amino acid homology is scattered over the protein sequence excepted of the cytoplasmic C-terminal tails, which do not share significant sequence similarity, indicating that they might provide peculiar properties to the respective receptor isoforms. Using GST fusion proteins containing the C terminal end of the P2X2A, P2X5 and P2X7 subunits as baits, ßIII tubulin was identified by MALDI-TOF mass spectrometry as a direct interacting partner of P2X2A. ßIII tubulin did not interact with P2X5 nor with P2X7. The tubulin binding motif of P2X2A could be confined to a 42 amino acid long region ranging from amino acid 371 to 412 of the complete P2X2A subunit. This domain, which includes a total of six serine residues and twelve proline residues, interestingly overlaps to a significant extent with a 69 amino acid long sequence, which is lacking in P2X2B, a splice variant of P2X2A. P2X2B receptors are known to desensitize - significantly faster than P2X2A receptors. The interaction of the P2X2A receptor with ßIII tubulin may contribute to receptor desensitization as well as tethering of the P2X2A receptor at specialized regions of the cell. In a second part of this work, the oligomeric state of two distantly related glutamate transporters, the human glial glutamate transporter hEAAT2, and the glutamate transporter ecgltP of E.coli was determined. Excitatory amino acid transporters (EAATs) buffer and remove synaptically released L-glutamate and maintain its concentration below neurotoxic levels. Mammalian glutamate transporter subunits are known to form homomultimers, but controversial numbers of subunits per transporter complex have been reported, ranging from 2-5. Both hEAAT2 and ecgltP proteins expressed at high levels in Xenopus laevis oocytes, from which they were purified in a [35S]methionine-labeled form under nondenaturing conditions by metal affinity chromatography. Blue native PAGE analysis revealed that both the hEAAT2 and ecgltP transporters exist exclusively as homogenous populations of homotrimers in Xenopus oocytes. The trimeric structure was corroborated by chemical crosslinking. Also, ecgltP purified as a recombinant protein from its natural host E.coli migrated as a trimeric protein on blue native PAGE gels. The conservation of the quaternary structure from prokaryotes to mammals assigns an important functional role to the trimeric structure. Glutamate transporters are known to exhibit a dual mode of operation by functioning both as glutamate Na+/K+/H+ co-transporters and as anion channels. It is intriguing to speculate that the EAAT monomer is responsible for the secondary active transport of glutamate, whereas a barrel-like arrangement of the three subunits forms a central anion pore mediating anion conductivity.
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.
Die Entwicklung von Wirkstoffträgern für Antisense-Oligdesoxyonukleotide auf der Basis von Protamin-Nanopartikeln stellt einen interessanten Ansatz für antivirale Strategien dar. So konnte gezeigt werden, dass bereits ab einem 1,5-fachen Massenüberschuss an Protamin eine spontane Komplexbildung mit Antisense-Wirkstoffen stattfindet, die einen Größenbereich von etwa 200 nm aufweisen und durch eine Oberflächenladung von ca. + 20 mV charakterisiert sind. Aufgrund dieser physikalischen Eigenschaften besitzen diese Nanopartikel nahezu ideale Eigenschaften, die intrazelluläre Verfügbarkeit von Antisense-Wirkstoffen entscheidend zu verbessern. Eine sehr gute zelluläre Aufnahme von Protamin/Antisense-Nanopartikeln konnte entsprechend in primären humanen Makrophagen als auch in lymphozytären T-Zellen gezeigt werden. Die Anwendung dieser Wirkstoffträger in den beschriebenen Zellen erwies sich dabei als sehr gut verträglich und zeigte keine toxischen Wirkungen in insgesamt drei unterschiedlichen Testverfahren zur Bestimmung der Zelltoxizität. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass Protamin/Antisense-Nanopartikel mit unmodifizierten Antisense-Oligodesoxynukleotiden ein sehr günstiges intrazelluläres Auflösungsverhalten besitzen, was zu einer kontinuierlichen Freisetzung des inkorporierten Antisense- Wirkstoffs führte. Dabei wurde deutlich, dass nach spätestens 72 Stunden ein vollständiger Zerfall des Nanopartikels stattfand und der Wirkstoff sich gleichmäßig in intrazellulären Kompartimenten verteilte. Im Gegensatz dazu stellen Protamin/Antisense-Nanopartikel mit modifizierten Phosphorothioat-Wirkstoffen ein äußerst stabiles System dar, das zu keiner merklichen intrazellulären Wirkstofffreisetzung selbst nach 72 Stunden führte. Es konnte gezeigt werden, dass Protamin/AS-ODN-Nanopartikel die Expression eines von einem lentiviralen Vektor exprimierten Reportergens konzentrationsabhängig in primären humanen Makrophagen inhibieren konnte. Die antivirale Wirksamkeit dieser Wirkstoffträger konnte auch gegen das HIV-1-spezifische Transaktivatorprotein Tat in transient transfizierten Zielzellen der HIV-1-Infektion spezifisch demonstriert werden. Hier wurde eine selektive Inhibition der Tat-vermittelten Transaktivierung von 35 % bei einer Konzentration von 2 MikroM in Jurkat-Zellen nachgewiesen. Auch in primären Makrophagen, die mit einem HIV-1-Wildtypisolat infiziert wurden, führte die Anwendung von Protamin/AS-ODN-Nanopartikeln mit spezifischen Sequenzen gegen ein HIV-1-Gen zu einer deutliche Reduktion der Virusausbreitung in der Kultur. Bei einer wiederholten Behandlung von HIV-1-infizierten Makrophagen mit Protamin/AS-ODN-Nanopartikel in einer Konzentration von 2 MikroM zeigten nur einige wenige Zellen eine Infektion mit dem Virus, während sich in unbehandelten Zellen eine komplett durchinfizierte Kultur manifestiert hatte. Entsprechend der ungünstigen Bioverfügbarkeit von AS-PTO-Wirkstoffen nach intrazellulärem Transport in Form von Protamin-Nanopartikeln konnte für diese Formulierungen keine biologische Wirkung in Zellkultursystemen nachgewiesen werden. Die Inkorporation von destabilisierenden Zusätzen in die Nanopartikelmatrix bietet hier Möglichkeiten, die intrazelluläre Dekomplexierung dieser Wirkstoffträger günstig zu beeinflussen. Als Neuentwicklung konnte ein kolloidales Trägersystem für siRNA-Wirkstoffe auf der Basis von Protamin-Nanopartikeln entwickelt werden. Es konnte gezeigt werden, dass Protaminbase als auch Protaminsulfat siRNA-Wirkstoffe ab einem 2,5-fachen Massenüberschuss komplexieren. Protamin basierte Nanopartikel für siRNA-Wirkstoffe waren durch ein sehr günstiges Zellaufnahmeverhalten und fehlende zytotoxische Wirkung in primären humanen Makrophagen gekennzeichnet. Trotz dieser idealen Ausgangsbedingungen zeigten biologische Wirksamkeitstestungen sowohl gegen das endogene Protein Lamin A/C als auch virale Hemmversuche in HIV-1- infizierten primären Makrophagen nur marginale Effekte. Eine weitere Optimierung der Nanopartikelzusammensetzung und Untersuchungen zur intrazellulären Stabilität sind nötig, um die biologische Aktivität dieser Formulierungen entscheidend zu verbessern. Oberflächenmodifizierte Nanopartikel auf der Basis von Gelatine erwiesen sich in den durchgeführten Experimente als besonders vielversprechend. Hier konnte gezeigt werden, dass ein spezifisches Targeting von T-Zellen mit CD3-Gelatine-Nanopartikel realisiert werden kann, die auf ihrer Oberfläche kovalent einen anti-CD3-Antikörper tragen, der gegen die T-Zell spezifische Zeta-Kette des T-Zell-Rezeptor-Komplexes gerichtet ist. Untersuchungen mit konfokaler Mikroskopie und Durchflusszytometrie zeigten, dass dabei die Zellaufnahme dieser Wirkstoffträger von der Expression des durch den Antikörper erkannten Zielantigens auf der Oberfläche der Zielzellen ist. In Zellen mit besonders starker Expression des CD3-Epitops wurden Gelatine-Nanopartikel mit oberflächengebundenem anti-CD3-Antikörper zu einem sehr bedeutendem Ausmaß selektiv aufgenommen. In Kompetitionsexperimenten mit freiem anti-CD3-Antikörper konnte diese Aufnahme deutlich reduziert werden, was für die selektive Bindung und Internalisierung der CD3-Gelatine- Nanopartikel über den oberflächengebundenen Antikörper schließen läßt. Durch diese Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass CD3-Gelatine-Nanopartikel das Potential besitzen, als selektives Wirkstoffträgersystem für T-Zellen eingesetzt zu werden.
Die 5 Lipoxygenase (5 LO) ist das Schlüsselenzym in der Synthese von Leukotrienen. Sie wird auf transkriptioneller und posttranskriptioneller Ebene reguliert. Die Differenzierung myeloider Zelllinien mit 1,25-Dihydroxyvitamin D3 (1,25(OH)2D3) und transformierendem Wachstumsfaktor beta (TGFbeta) führt zu einer Erhöhung der 5 LO mRNA-, Protein-Bildung und der zellulären Enzymaktivität. Hier wurde gezeigt, dass dabei reife, nicht jedoch prä-mRNA der 5 LO im Zytosol und im Zellkern stark angereichert wird und dass beide Agentien in die mRNA-Prozessierung eigreifen. Obwohl die Bindung von VDR-Retinoid-X-Rezeptor (RXR)-Heterodimeren an Bindungsstellen im 5 LO-Promotor mittels DNAseI-Footprinting und EMSAs nachgewiesen wurde, konnten Reportergene unter der Kontrolle des 5 LO-Promotors in transienten und stabilen Transfektionen durch 1,25(OH)2D3/TGFbeta nicht stimuliert werden. Offensichtlich wird die Induktion der Expression der 5 LO durch 1,25(OH)2D3/TGFbeta durch Elemente außerhalb des Promotors vermittelt. In transienten Transfektionen führte der Einbau der kodierenden Sequenz der 5 LO in Luziferase-Plasmide bei Cotransfektion von VDR/RXR zu einer 5 fachen Induktion der Reportergen-Aktivität durch 1,25(OH)2D3/TGFbeta, was durch zusätzlichen Einbau der letzten vier Introns auf eine 13-fache Erhöhung gesteigert wurde. Der VDR zeigte einen Ligand-unabhängigen Effekt. Diese Reportergen-Effekte waren promotorunabhängig und von der kodierenden Sequenz gesteuert. RT-PCR-Analyse wies auf eine Deletion von Teilen der kodierenden Sequenz im Laufe der mRNA-Prozessierung hin, was durch 1,25(OH)2D3/TGFbeta verhindert wird. Auch Cotransfektion der TGFbeta-Effektoren Smads 3/4 führte in Abhängigkeit von der kodierenden Sequenz und in geringerem Maße von der 3'-UTR und den Introns J M, aber unabhängig vom Promotor, zu einer starken Erhöhung der Reportergenaktivität. Die 5 LO-Expression wird in den untersuchten Zellen vermutlich durch posttranskriptionelle Prozesse (Splicing, mRNA-Reifung) herunterreguliert, während 1,25(OH)2D3/TGFbeta die Expression der 5 LO durch eine Gegenregulation zu erhöhen, an der Komplexe beteiligt sind, die vermutlich Smads, VDR-RXR-Dimere, andere Transkriptionsfaktoren, Coaktivatoren, RNA-Polymerase II und Splicing-Faktoren enthalten. Hyperacetylierung des 5 LO-Promoters durch Inkubation mit mit dem Histondeacetylase-Inhibitor TsA führte zu einer transkriptionellen Aktivierung. Die kodierende Sequenz (und die Introns) wirkt diesem Effekt vermutlich durch die Rekrutierung von HDACs an VDR oder Smads, die direkt oder indirekt an die kodierende Region binden, entgegen.
Die Niere stellt im Organismus einen der Hauptangriffspunkte für Toxine dar. Dies liegt zum einen in der Tatsache begründet, dass zahlreiche Substanzen renal eliminiert werden. Eine weitere Funktion der Niere ist die Regulation des Flüssigkeitsund Elektrolythaushaltes durch Rückresorption von Wasser, Ionen, Aminosäuren und Glucose. Dies führt zu einer Aufkonzentrierung des Primärharns und folglich werden für die zu eliminierenden Toxine im Harn normalerweise höhere Konzentrationen erreicht, als beispielsweise im Blutplasma. Ein Portfolio von verschiedenen metabolisierenden Enzymen, die hauptsächlich in der Niere auftreten, sorgt weiterhin dafür, dass einige der gefilterten Substanzen erst in der Niere eine Bioaktivierung zum Toxin erfahren. Es ist somit von grosser Bedeutung, geeignete Testsysteme zu entwickeln, mit denen die Nephrotoxizität von Arzneistoffen, Chemikalien und anderen Substanzen untersucht werden kann. Die globale Analyse der Genexpression mit Hilfe von Mikroarrays bietet die Möglichkeit, die Veränderungen in der Expression von mehreren Tausend Genen gleichzeitig in der Niere oder in renalen Zellkulturen nach der Einwirkung eines potenziellen Nephrotoxins zu untersuchen. Eines der Ziele dieser Arbeit bestand darin, diese vielversprechende Methode für den Einsatz bei der Untersuchung von Nephrotoxizität zu evaluieren. In diesem Zusammenhang sollte geklärt werden, inwiefern sich aus der Literatur bekannte Tatsachen über den Toxizitätsmechanismus bestimmter Nephrotoxine bestätigen lassen und ob Hinweise auf bisher unbekannte Aspekte bezüglich der Vermittlung der Nephrotoxizität der Nephrotoxine gewonnen werden können. Ein weiterer Bestandteil dieser Arbeit war es, ein Zellkulturmodell zu etablieren und zu charakterisieren, das es ermöglicht, Genexpressionsanalysen zur Untersuchung der Nephrotoxizität in vitro durchzuführen und das ausserdem mit in vivo vergleichbare Daten liefert. In verschiedenen Experimenten konnte nachgewiesen werden, dass eine Kultur primärer Zellen etabliert werden konnte, die die funktionellen Eigenschaften von proximalen Tubuluszellen zeigt und keine Verunreinigung mit anderen Zelltypen des Nierencortex aufweist. Weiterhin wurden die optimalen Bedingungen für die Durchführung von Expressionsanalysen mit dieser Zellkultur definiert. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurden das Expressionsprofil von Ochratoxin A mit Hilfe von cDNA-Mikroarrays, sowie die Profile von Quecksilber-II-chlorid, Paraquat und Puromycin mit Hilfe von Oligonukleotid-Mikroarrays in vivo und in vitro untersucht und bewertet. Ein Vergleich der beiden verfügbaren Plattformen (cDNA-Mikroarrays und Oligonukleotid-Mikroarrays) mit der Echt-Zeit-PCR als unabhängiger Methode lieferte aufschlussreiche Erkenntnisse über ihre Vor- und Nachteile. Die Analyse der Genexpressionsveränderungen nach der Einwirkung von OTA, HgCl2, Paraquat und Puromycin zeigte, dass sich mit Hilfe des Genexpressionsprofils zahlreiche Erkenntnisse über den Toxizitätsmechanismus der Substanzen gewinnen lassen, die sowohl durch die histopathologischen Befunde als auch mit Hilfe der einschlägigen Literatur bestätigt werden konnten. Zum Teil konnten sogar bisher unbekannte Aspekte der nephrotoxischen Wirkungen der untersuchten Modell- Toxine aufgedeckt werden, wie zum Beispiel die verstärkte Induktion von Golgi- Transport-assoziierten Genen im Nierencortex der Ratte nach Behandlung mit Paraquat. Die Analyse des Genexpressionsprofils kann somit vielversprechende Hinweise für das umfassende Verständnis des Toxizitätsmechanismus von Nephrotoxinen liefern. Der Vergleich der Expressionsmuster von HgCl2, Paraquat und Puromycin machte weiterhin deutlich, dass es einerseits transkriptionelle Änderungen gibt, die für das jeweilige Toxin spezifisch waren, andererseits aber auch Expressionsmuster aufgezeigt werden konnten, die allen untersuchten Nephrotoxinen gemeinsam waren. Durch die Identifizierung solcher gemeinsamen Genexpressionsprofile aus einer Datenbank mit zahlreichen bekannten Nephrotoxinen, könnte es in Zukunft sogar möglich sein, die potenzielle Nephrotoxizität unbekannter Arzneistoffe oder Chemikalien mit Hilfe von Mikroarrays vorherzusagen oder beispielsweise aus mehreren Kandidaten für einen neuen Arzneistoff, denjenigen mit dem geringsten nephrotoxischen Potenzial bereits zu einem frühen Zeitpunkt der Entwicklung herauszufiltern.