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Functional coupling of Slack channels and P2X3 receptors contributes to neuropathic pain processing
(2021)
The sodium-activated potassium channel Slack (KNa1.1, Slo2.2, or Kcnt1) is highly expressed in populations of sensory neurons, where it mediates the sodium-activated potassium current (IKNa) and modulates neuronal activity. Previous studies suggest that Slack is involved in the processing of neuropathic pain. However, mechanisms underlying the regulation of Slack activity in this context are poorly understood. Using whole-cell patch-clamp recordings we found that Slack-mediated IKNa in sensory neurons of mice is reduced after peripheral nerve injury, thereby contributing to neuropathic pain hypersensitivity. Interestingly, Slack is closely associated with ATP-sensitive P2X3 receptors in a population of sensory neurons. In vitro experiments revealed that Slack-mediated IKNa may be bidirectionally modulated in response to P2X3 activation. Moreover, mice lacking Slack show altered nocifensive responses to P2X3 stimulation. Our study identifies P2X3/Slack signaling as a mechanism contributing to hypersensitivity after peripheral nerve injury and proposes a potential novel strategy for treatment of neuropathic pain.
Physiologically based pharmacokinetic/pharmacodynamic (PBPK/PD) models can serve as a powerful framework for predicting the influence as well as the interaction of formulation, genetic polymorphism and co-medication on the pharmacokinetics and pharmacodynamics of drug substances. In this study, flurbiprofen, a potent non-steroid anti-inflammatory drug, was chosen as a model drug. Flurbiprofen has absolute bioavailability of ~95% and linear pharmacokinetics in the dose range of 50–300 mg. Its absorption is considered variable and complex, often associated with double peak phenomena, and its pharmacokinetics are characterized by high inter-subject variability, mainly due to its metabolism by the polymorphic CYP2C9 (fmCYP2C9 ≥ 0.71). In this study, by leveraging in vitro, in silico and in vivo data, an integrated PBPK/PD model with mechanistic absorption was developed and evaluated against clinical data from PK, PD, drug-drug and gene-drug interaction studies. The PBPK model successfully predicted (within 2-fold) 36 out of 38 observed concentration-time profiles of flurbiprofen as well as the CYP2C9 genetic effects after administration of different intravenous and oral dosage forms over a dose range of 40–300 mg in both Caucasian and Chinese healthy volunteers. All model predictions for Cmax, AUCinf and CL/F were within two-fold of their respective mean or geometric mean values, while 90% of the predictions of Cmax, 81% of the predictions of AUCinf and 74% of the predictions of Cl/F were within 1.25 fold. In addition, the drug-drug and drug-gene interactions were predicted within 1.5-fold of the observed interaction ratios (AUC, Cmax ratios). The validated PBPK model was further expanded by linking it to an inhibitory Emax model describing the analgesic efficacy of flurbiprofen and applying it to explore the effect of formulation and genetic polymorphisms on the onset and duration of pain relief. This comprehensive PBPK/PD analysis, along with a detailed translational biopharmaceutic framework including appropriately designed biorelevant in vitro experiments and in vitro-in vivo extrapolation, provided mechanistic insight on the impact of formulation and genetic variations, two major determinants of the population variability, on the PK/PD of flurbiprofen. Clinically relevant specifications and potential dose adjustments were also proposed. Overall, the present work highlights the value of a translational PBPK/PD approach, tailored to target populations and genotypes, as an approach towards achieving personalized medicine.
Alzheimer’s disease (AD) is the major cause of dementia. It is characterized by the accumulation of abnormal proteins (amyloid-β plaque and neurofibrillary tangles) leading to loss of synapses, dendrites, neurons, memory and cognition. Sporadic late-onset AD is the major type of AD characterized by unclear etiology and a lack of disease-modifying therapy. To understand this disease, an alternative AD hypothesis has been proposed: AD may resemble diabetes in the brain or “diabetes type 3”. This hypothesis is supported by the fact that (1) brain glucose hypometabolism precedes AD clinical symptoms and (2) diabetes increases the risk of AD. To test this hypothesis, wild-type rats receiving intracerebroventricular administration of streptozotocin (icv-STZ) were used as a model. Streptozotocin (STZ) is a glucosamine-nitrosourea compound commonly used to induce experimental diabetes by peripheral administration. A similar pathological mechanism to peripheral STZ is then proposed to explain icv-STZ toxicity: insulin receptor signaling impairment results in glucose hypometabolism leading to cognitive deficits.
Objective: Icv-STZ model seems promising as a toxin-induced, non-transgenic AD model with the possibility to connect AD and diabetes mellitus (DM), one of the risk factors for AD. However, the mechanisms of how icv-STZ induced AD-like symptoms are unclear. Therefore, using microdialysis as the main technique, we tested 2 AD hypotheses in this model: (1) the glucose hypometabolism as an alternative AD hypothesis and (2) the cholinergic deficit as an important characteristic of AD pathology. Hippocampus was chosen because cholinergic function in this region is severely affected in AD. In comparison, the striatum was chosen because it contains cholinergic interneurons and is less affected in AD.
Methods: In this study, we used male Wistar rats of 190-220 g body weight (5 weeks of age). The rats were injected intracerebrally with STZ at a dose of 3 mg/kg (2x1.5 mg/kg; „high dose“) and 0.6 mg/kg („low dose“) with saline as control. After 21 days, samples were collected to investigate cholinergic and metabolic changes using histology, biochemistry, and neurochemistry. Brain injury was confirmed using GFAP staining and Fluoro jade staining in the hippocampus. Mitochondrial toxicity was investigated by measurement of mitochondrial
respiratory function in both hippocampus and striatum. Cholinergic markers such as acetylcholinesterase (AChE) activity, choline acetyltransferase (ChAT) activity, and choline transporter (CHT-1) activity, commonly known as high-affinity choline uptake (HACU), were measured in both hippocampus and striatum using a spectrophotometer and a scintillator.
Microdialysis is the main technique in our study. It was done in awake animals under behavioral or pharmacological stimulation. We used a self-built probe with a semi-permeable membrane (pore size of 30 kDa) that was implanted in either hippocampus or striatum. The probes were then perfused with artificial cerebrospinal fluid (aCSF) supplemented with 0.1 μM neostigmine for extracellular acetylcholine level measurement. During the perfusion, small hydrophilic compounds from brain extracellular space diffuse into the dialysates. Dialysates of 15 minutes intervals were collected for 90 minutes and used for analysis. After collection of dialysates for the first 90 minutes (basal data), rats were moved to an open field box (35x32x20 cm) for behavioral stimulation. After collection of the second 90 minute dialysates, the rats were transferred back to the microdialysis cage and dialysates were collected for another 90 minutes. On day 2, after collection of dialysates under basal conditions, 1 μM scopolamine was added to the perfusion solution for stimulation of acetylcholine release. The dialysates were also collected for 90 min followed by another 90 min of dialysis without scopolamine. The microdialysate samples were then analyzed as follows. ACh level was measured by HPLC-ECD. Glucose metabolites (glucose, lactate, pyruvate) were measured by a CMA-600 microanalyzer. An alternative energy metabolite (beta-hydroxybutyrate/BHB) was measured by GC-MS. Choline and glycerol as membrane breakdown markers were also measured by HPLC-ECD and CMA-600 microanalyzer, respectively. Markers of oxidative stress (isoprostanes) were measured using a commercially available ELISA kit.
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Die Superfamilie der nukleären Rezeptoren umfasst 48 ligandenabhänige Transkriptionsfaktoren, die durch Veränderungen in der Genexpression unterschiedlichste (patho-)physiologische Vorgänge wie Metabolismus, Entzündungen und Zelldifferenzierung beeinflussen.
Für die Vertreter der Retinoid X Rezeptoren (RXRs) und Peroxisomen Proliferator-aktivierten Rezeptoren (PPARs) wurden in den letzten Jahren vielversprechende Effekte auf neurodegenerative Erkrankungen berichtet. Beide Rezeptorklassen beeinflussen u.a. Bildung, Transport und Abbau des neurotoxischen Amyloid-β, das als eine der Ursachen für die Entstehung einer Alzheimer Demenz (AD) vermutet wird. Außerdem gibt es Hinweise darauf, dass durch gezielte Modulation der RXRs (besonders RXRγ) eine Remyelinisierung auto-immun demyelinisierter Neurone und damit eine regenerative Therapie für die Multiple Sklerose (MS) möglich sein könnte. Die aktuell zur Verfügung stehenden Liganden der RXRs besitzen unzureichende Subtypenselektivität und meist unvorteilhafte physikochemische Eigenschaften, die der weiteren Erforschung im Wege stehen. Um diese Hindernisse zu überwinden, sollten im Rahmen dieser Arbeit neuartige RXR-Agonisten synthetisiert und umfassend charakterisiert werden.
Ein kürzlich publizierter RXR-Agonist besitzt eine ungewöhnlich lineare Biphenylgrundstruktur und offenbart ein attraktives Aktivitätsprofil: Während alle drei RXR-Subtypen mit einem ähnlichen EC50-Wert (RXRα/β/γ = 12/12/14 µM) adressiert werden, führt die Bindung an RXRα nur zu einer minimalen Aktivierung (max. 5-fache Aktivierung im Vergleich zur Grundaktivität), während RXRβ und γ deutlich stärker aktiviert werden (60-70-fache Aktivierung). Da für diesen Chemotyp bislang noch keine systematischen Studien vorlagen, wurden seine Struktur-Wirkungs-Beziehungen (SAR) erforscht. Durch Synthese und in vitro Charakterisierung von 24 Derivaten konnten sowohl selektivitäts- als auch potenzfördernde Strukturmerkmale identifiziert werden, die sich auch kombinieren ließen. Es wurden ein RXRβ-selektives Derivat, mehrere RXRα/β-präferierende Analoga und ein potentes Derivat mit annähernd 100-fach gesteigerter Potenz ((EC50(RXRα/β/γ) = 0,08/0,15/0,22 µM) erhalten. Im Zuge der Charakterisierung wurden außerdem strukturelle Variationen identifiziert, die eine Umgehung des LXR/RXR-Heterodimers ermöglichen könnten. Zusätzlich gelang die Kristallisation der Ligandbindedomäne (LBD) von RXRα im Komplex mit dem potentesten Vertreter der Serie und offenbarte Potential für weitere Optimierungen, u.a. der Möglichkeit eine kovalente Bindung mit Cys432 zu etablieren und damit eine weitere Potenzsteigerung zu erreichen.
Neben der mangelnden Subtypenpräferenz behindern auch die ungünstigen physikochemischen Eigenschaften von RXR-Liganden die weitere Entwicklung von RXR-basierten Therapieoptionen. Deshalb sollte eine neue Leitstruktur mit überlegenen physikochemischen Eigenschaften identifiziert und durch systematische SAR-Untersuchungen weiterentwickelt werden. Für den experimentellen Wirkstoff Wy14,643, einem dualen Agonisten an PPARα und γ, wurden im Laufe der letzten vier Jahrzehnte wiederholt Effekte patentiert, die sich mit dem bislang bekannten Aktivitätsprofil nicht erklären ließen. Er zeigte u.a. in einem Tiermodell der MS einen immunmodulierenden Effekt und reduzierte in vitro die Bildung von Amyloid-β.Im Rahmen dieser Arbeit konnte Wy14,643 als potenter RXR-Agonist (EC50 (PPARα/γ/δ) = 36/54/- µM¸ EC50(RXRα/β/γ) = 9,1/13/31 µM) mit überlegenen physikochemischen Eigenschaften (z.B. Löslichkeit in Wasser = 48,6 mg/L) identifiziert und dadurch dessen Wirkungen erklärt werden.
Wy14,643 wurde als Startpunkt einer systematischen Untersuchung der Ligand-Rezeptor-Interaktionen sowohl an den PPARs und den RXRs ausgewählt. Dabei wurden ein potenter selektiver PPAR-Agonist und ein potenter und ausgeglichener panRXR/panPPAR-Agonist erhalten. Der panRXR/panPPAR-Agonist konnte im Komplex mit der LBD von PPARγ kristallisiert werden, wo der Ligand gleich doppelt gebunden vorliegt. Eines der Moleküle bindet in einer alternativen Bindungstasche. Diese Erkenntnis könnte die Grundlage für die Entwicklung einer neuen Klasse von PPARγ-Modulatoren legen.
Durch Kombination des erlangten SAR-Wissens wurde ein selektiver RXR-Agonist (EC50 (PPARα/γ/δ) = -/-/- µM¸ EC50(RXRα/β/γ) = 0,09/0,14/0,36 µM) mit annähernd 100-fach gesteigerter Potenz synthetisiert, der die günstigen physikochemischen Eigenschaften der Leitstruktur erhalten konnte (Löslichkeit in Wasser = 14,3 mg/L). Mit diesem Profil ist es gelungen einen RXR-Agonisten zu kreieren, der dem bisherigen Goldstandard Bexaroten bei vergleichbarer Potenz in physikochemischen Eigenschaften überlegen ist.
Die Kristallstruktur des RXR-selektiven Derivats im Komplex mit der LBD von RXRα zeigte einen orthosterischen Bindemodus und legte weitere Optimierungen nahe: So gibt es sowohl ungenutzten Raum, der zukünftig durch strukturbasierte Substitutionen adressiert werden könnte, als auch die Möglichkeit eine kovalente Bindung zum Rezeptor (Cys432) zu initiieren. Durch diese Arbeit konnten nicht nur eine Reihe von potenten RXR-Liganden identifiziert werden, durch die Entwicklung eines Sets aus PPAR-selektiven, dual PPAR/RXR-aktiven und RXR-selektiven Derivaten gleichen Chemotyps, entstand auch ein nützliches pharmakologisches Werkzeug zur weiteren Entschlüsselung des Zusammenspiels dieser Rezeptoren.
Die systematische Entwicklung einer Leitstruktur, wie sie in den vorangegangenen Projekten praktiziert wurde, kann je nach deren Komplexität eine kostenintensive und synthetisch anspruchsvolle Aufgabe darstellen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine computergestützte Optimierung einer Leitstruktur als Teil einer selektiven Optimierung von Nebenaktivitäten (SOSA) etabliert, um den präparativen Aufwand der Strukturoptimierung zu reduzieren. Als Modellsubstanz wurde das Fettsäuremimetikum Cinalukast ausgewählt, das einen potenten Cysteinylleukotrienrezeptor 1 (CysLT1R)-Antagonisten darstellt, für den eine schwache Aktivität an PPARα entdeckt wurde. Ein automatisierter Arbeitsablauf testete eine virtuelle Bibliothek von annähernd 8000 Cinalukastanaloga auf ihre PPARα-Aktivität und die Derivate mit der besten vorhergesagten PPARα-Aktivität wurden durch maschinelles Lernen nach ihrem CysLT1R-Antagonismus klassifiziert. Die Synthese und Charakterisierung eines virtuell bevorzugten Derivats zeigte selektiven PPARα-Agonismus und konnte so den computergestützten Arbeitsablauf als wertvolles Instrument zur Optimierung von Fettsäuremimetika bestätigten.
Die vorliegende Arbeit hat bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung von zwei neuen Chemotypen als RXR-Liganden erreicht. Die Klasse der Biphenyl-Analoga kann als Ausgangspunkt für eine weitere Entwicklung von subtypenselektiven RXR-Agonisten dienen und könnte gleichzeitig die gezielte Umgehung einzelner Heterodimere ermöglichen. Das Set aus drei Derivaten von Wy14,643 mit identischem Chemotyp, aber drastisch unterschiedlichen Aktivitätsprofilen an den PPARs und RXRs ermöglicht eine intensive pharmakologische Untersuchung der beiden Rezeptorfamilien und deren Zusammenspiel. Außerdem entstand aus dieser Klasse einer der zurzeit fortschrittlichsten RXR-Agonisten. Zukünftig kann außerdem der im Zuge der Arbeit etablierte computergestützte Arbeitsablauf die Optimierung von Fettsäuremimetika deutlich beschleunigen.
Purpose. Status epilepticus (SE) is characterized by recurrent seizure activity and can be drug-resistant. Knowledge of neuronal and metabolic activity of the brain during SE may be helpful to improve medical care. We here report the effects of three anti-seizure drugs on changes of acetylcholine energy metabolites and oxidative stress during SE. Methods. We used the lithium-pilocarpine model in rats to induce SE and in vivo-microdialysis to monitor cholinergic and metabolic activity in the hippocampus. We measured extracellular concentrations of acetylcholine, glucose, lactate, pyruvate, glycerol and isoprostanes before and during SE, and after acute treatment with pregabalin, valproic acid, and levetiracteam. Results. Upon onset of SE, acetylcholine (ACh) release increased six- to eightfold. Glucose was increased only transiently by 30% but lactate levels rose four-fold, and extracellular concentrations of glycerol ten-fold. Isoprostanes are markers of oxidative stress and increased more than 20-fold. Two hours after pilocarpine adminstration, rats were treated with pregabalin (100 mg/kg), levetiracetam (200 mg/kg) or valproic acid (400 mg/kg) by i.p. injection. All three drugs stopped seizure activity in a delayed fashion, but at the doses indicated, only animals that received levetiracetam reached consciousness. All drugs reduced ACh release within 60-120 minutes. Lactate/pyruvate ratios, glycerol and isoprostanne levels were also reduced significantly after drug administration. Conclusions. Hippocampal ACh release closely follows seizure activity in SE and is attenuated when SE subsides. Pregabalin, valproic acid and levetiracetam all terminate seizures in the rat SE model and attenuate cholinergic and metabolic changes within two hours.
Цель: Оценить влияние локализации точки разрыва в геномной ДНК гена MLL на прогноз острых лейкозов (ОЛ) у детей первого года жизни.
Методы: В исследование было включено 68 детей первого года жизни (29 мальчиков и 39 девочек с медианой возраста 4,8 мес.) с MLL-позитивными острым лимфобластным лейкозом (ОЛЛ) (n = 46), острым миелоидным лейкозом (ОМЛ) (n = 20) и ОЛ смешанной линейности (n = 2).
Результаты: 5-летняя бессобытийная выживаемость (БСВ) детей первого года жизни с ОЛЛ, включенных в исследование MLL-Baby, с точкой разрыва в интроне 11 ДНК гена MLL (n = 29) была статистически значимо ниже, чем у пациентов c локализацией точек разрыва, начиная с интрона 7 по экзон 11 (n = 17; 0,16 ± 0,07 и 0,38 ± 0,14; p = 0,039), а кумулятивная вероятность развития рецидива была значительно выше в группе с точкой разрыва в интроне 11 (0,74 ± 0,09 и 0,52 ± 0,17; p = 0,045). В то же время многофакторный анализ показал, что единственным значимым фактором, связанным с неблагоприятным прогнозом, остается сохранение минимальной остаточной болезни (МОБ) в точке наблюдения 4 протокола MLL-Baby (отношение опасности 5,994; 95%-й доверительный интервал 2,209–16,263; p < 0,001). У 22 пациентов с ОМЛ связи между прогнозом и локализацией точки разрыва в ДНК гена MLL не выявлено.
Заключение: Наличие точки разрыва в интроне 11 гена MLL у детей первого года жизни с ОЛЛ, получавших лечение по протоколу MLL-Baby, вело к статистически значимо более низким показателям БСВ и более высокой кумулятивной вероятности развития рецидива. Однако в многофакторной модели риска это нивелировалось сохранением МОБ в точке наблюдения 4. У детей первого года жизни с ОМЛ взаимосвязи между локализацией точки разрыва в ДНК гена MLL и прогнозом не выявлено.
The ability to permeate accross the blood brain barrier (BBB) is essential for drugs acting on the central nervous system (CNS). Thus, systems that allow rapid and inexpensive screening of the BBB-permeability properties of novel lead compounds are of great importance for speeding up the drug discovery process in the CNS-area. We used immortalized porcine brain microvessel endothelial cells (PBMECICl-2) to develop a model for measurement of blood-brain barrier permeation of CNS active drugs. Investigation of different cell culture conditions showed, that a system using C6 astrocyte glioma conditioned medium and addition of a cyclic AMP analog in combination with a type IV phosphodiesterase inhibitor (R020-1724) leads to cell layers with transendothelial electrical resistance values up to 300 Ω.cm2. Permeability studies with U-[14C]sucroseg ave a permeability coefficient Pe of 3.24 + 0.14 × 10−4 cm/min, which is in good agreement to published values and thus indicates the formation of tight junctions in vitro.