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Osteoporosis, a complex chronic disease with increasing prevalence, is characterised by reduced bone mineral density (BMD) and increased fracture risk. The high heritability of BMD suggests substantial impact of the individual genetic disposition on bone phenotypes and the development of osteoporosis. In the past years, genome-wide association studies (GWAS) identified hundreds of genetic variants associated with BMD or osteoporosis. Here, we analysed 1103 single nucleotide polymorphisms (SNPs), previously identified as associated with estimated BMD (eBMD) in the UK Biobank. We assessed whether these SNPs are related to heel stiffness index obtained by quantitative ultrasound in 5665 adult participants of the Study of Health in Pomerania (SHIP). We confirmed 45 significant associations after correction for multiple testing. Next, we analysed six selected SNPs in 631 patients evaluated for osteoporosis [rs2707518 (CPED1/WNT16), rs3779381 (WNT16), rs115242848 (LOC101927709/EN1), rs10239787 (JAZF1), rs603424 (PKD2L1) and rs6968704 (JAZF1)]. Differences in minor allele frequencies (MAF) of rs2707518 and rs3779381 between SHIP participants (higher MAF) and patients evaluated for osteoporosis (lower MAF) indicated a protective effect of the minor allele on bone integrity. In contrast, differences in MAF of rs603424 indicated a harmful effect. Co-localisation analyses indicated that the rs603424 effect may be mediated via stearoyl-CoA desaturase (SCD) expression, an enzyme highly expressed in adipose tissue with a crucial role in lipogenesis. Taken together, our results support the role of the WNT16 pathway in the regulation of bone properties and indicate a novel causal role of SCD expression in adipose tissue on bone integrity.
Die orale Einnahme stellt für Patienten die einfachste und unkomplizierteste Möglichkeit dar, ein Arzneimittel zu applizieren und ist das angestrebte Ziel der Arzneimittelentwicklung. Dem entgegen stehen jedoch die evolutionär entstandenen Möglichkeiten des Körpers, aufgenommene Fremdstoffe zu inaktivieren und zu eliminieren. Ein Zusammenspiel aus anatomischen Gegebenheiten und den Enzymen des Fremdstoffmetabolismus sorgt dafür, dass ein Teil der oral applizierten Dosis bereits verstoffwechselt wird, bevor er über das arterielle System an den Wirkort gelangen kann (first-pass-Effekt). Als Ort dieses Metabolismus wurde, neben der Leber, auch der Darm identifiziert. Um das Ausmaß des first- pass-Effektes abschätzen zu können, werden Daten über den Gehalt der arzneistoffmetabolisierenden Enzyme in diesen Organen benötigt. Als Methode der Wahl bietet sich dazu die LC-MS/MS an, da mit ihr verschiedene Enzyme in einem analytischen Lauf bestimmt werden können und sie sich durch eine hohe Empfindlichkeit, Reproduzierbarkeit und Spezifität auszeichnet.
Mit der vorliegenden Arbeit wurde das analytische Spektrum der bisher publizierten Methoden zur Bestimmung von CYP- und UGT-Enzymen erweitert. Mit der neuen Methode können nun zwei Carboxylesterasen, 17 CYP-Enzyme und fünf UGT-Enzyme quantifiziert werden. Weiterhin wurde die Methode anhand von Richtlinien für bioanalytische Methoden umfassend validiert. Durch die Verwendung von rekombinant hergestellten arzneistoffmetabolisierenden Enzymen konnte der gesamte analytische Prozess, von der Probe bis zum Endergebnis, erstmalig umfassend charakterisiert werden. Dabei zeigte sich eine, für einen derart komplexen Prozess bemerkenswerte Präzision von maximal 15,5% Variation nach sechsmaliger Durchführung.
Die entwickelte Methode wurde dann auf gepaarte Proben aus Leber und Jejunum von elf gesunden Organspendern angewendet. Im Jejunum wurden CES1, CES2, CYP2C9, CYP2C18, CYP2C19, CYP2D6, CYP2J2, CYPA4, CYP3A5, CYP4F2, CYP4F12, UGT1A1, UGT1A3, UGT2B7 und UGT2B17 gefunden. In der Leber konnten alle untersuchten Enzyme (CES1, CES2, CYP1A1, CYP1A2, CYP2A6, CYP2B6, CYP2C8, CYP2C9, CYP2C18, CYP2C19, CYP2D6, CYP2E1, CYP2J2, CYP3A4, CYP3A5, CYP3A7, CYP4F2, CYPF12, UGT1A1, UGT1A3, UGT2B7, UGT2B15 und UGT2B17), bis auf CYP4A11 nachgewiesen werden. Für einige Enzyme (CES2, CYP2C18, CYP2C19, CYP2J2, CYP3A4, CYP4F2, CYP4F12) wurden im Jejunum Enzymgehalte gemessen, die mit denen in der Leber vergleichbar sind, was noch einmal unterstreicht, dass der Darm auch als klinisch relevanter Ort des Arzneistoffmetabolismus betrachtet werden muss. Auffällig war hier zudem die deutlich höhere Variabilität in den Darmproben, verglichen mit den Leberproben, die ihre Ursache in Umwelteinflüssen oder dem Mikrobiom des Darms haben könnten. Außerdem wurde die Expression der zugehörigen Gene mittels quantitativer real-time PCR untersucht. Hier bestand nur in einigen Fällen eine signifikante Korrelation zwischen Genexpression und Proteingehalt, was für zwischengeschaltete regulatorische Mechanismen spricht.
Weiterhin wurden mit dieser Methode Leberproben einer Kohorte von Patienten mit Krankheitsbildern, die mit einer Einschränkung der Leberfunktion einhergehen, untersucht. Dazu wurden die Patienten nach der verbleibenden Leberfunktion (Child-Pugh-Score) und nach der zugrundeliegenden Erkrankung eingeteilt. Es zeigt sich eine generelle Abnahme des Gehaltes an arzneistoffmetabolisierenden Enzymen mit fortschreitender Verschlechterung der Leberfunktion, wobei sich CYP2E1 als besonders anfällig erwiesen hat und bereits in Child- Pugh-Klasse A signifikant erniedrigt war. Bei den verschiedenen Erkrankungen zeigt sich ein uneinheitliches Bild, die prozentuale Verteilung der Enzyme ist jedoch bei allen Erkrankungen gegenüber den gesunden Kontrollproben verändert.
Über die Regulation der Expression von arzneistoffmetabolisierenden Enzymen ist bisher noch wenig bekannt. Es gibt aber Hinweise aus der Literatur, dass bestimmte nukleäre Rezeptoren an der Regulation der Enzyme beteiligt sein können. Deshalb wurde eine LC-MS/MS-basierte targeted-proteomics-Methode zur Quantifizierung von nukleären Rezeptoren in Darm- und Lebergewebe entwickelt und validiert. Im Gewebe konnten nur AhR und HNF4α nachgewiesen werden, da die Empfindlichkeit des verwendeten experimentellen Ansatzes vermutlich nicht ausreichend ist. Dabei war HNF4α in Darmgewebe deutlich höher exprimiert als AhR. Außerdem wurde die Expression der nukleären Rezeptoren auf Genebene durch quantitative real-time PCR untersucht. Dabei wurde eine höhere Expression von CAR in der Leber gefunden, während PXR in Darm stärker exprimiert wird. Dies entspricht den Erkenntnissen aus der Literatur, nach denen CAR einen regulatorischen Effekt auf arzneistoffmetabolisierende Enzyme in der Leber hat, während dies für PXR in Darm zutrifft. Diese Arbeit kann einen Beitrag zum weitergehenden Verständnis der Regulation von arzneistoffmetabolisierenden Enzymen durch nukleäre Rezeptoren beitragen.
Bei allen diesen Arbeiten gilt es zu beachten, dass das Vorhandensein eines Proteins nicht zwangsläufig mit seiner Aktivität gleichzusetzen ist. Jedoch zeigen zahlreiche Beispiele aus der Literatur, dass sich mit den Daten aus Proteomics-Studien PBPK-Modelle aufstellen lassen, die die in klinischen Studien erhobenen Daten mit beeindruckender Genauigkeit reproduzieren können.
Course of disease and risk factors for hospitalization in outpatients with a SARS-CoV-2 infection
(2022)
We analyzed symptoms and comorbidities as predictors of hospitalization in 710 outpatients in North-East Germany with PCR-confirmed SARS-CoV-2 infection. During the first 3 days of infection, commonly reported symptoms were fatigue (71.8%), arthralgia/myalgia (56.8%), headache (55.1%), and dry cough (51.8%). Loss of smell (anosmia), loss of taste (ageusia), dyspnea, and productive cough were reported with an onset of 4 days. Anosmia or ageusia were reported by only 18% of the participants at day one, but up to 49% between days 7 and 9. Not all participants who reported ageusia also reported anosmia. Individuals suffering from ageusia without anosmia were at highest risk of hospitalization (OR 6.8, 95% CI 2.5–18.1). They also experienced more commonly dyspnea and nausea (OR of 3.0, 2.9, respectively) suggesting pathophysiological connections between these symptoms. Other symptoms significantly associated with increased risk of hospitalization were dyspnea, vomiting, and fever. Among basic parameters and comorbidities, age > 60 years, COPD, prior stroke, diabetes, kidney and cardiac diseases were also associated with increased risk of hospitalization. In conclusion, due to the delayed onset, ageusia and anosmia may be of limited use in differential diagnosis of SARS-CoV-2. However, differentiation between ageusia and anosmia may be useful for evaluating risk for hospitalization.
Organic cation transporter 1 (OCT1) is a membrane transporter that affects hepatic uptake of cationic and weakly basic drugs. OCT1 transports structurally highly diverse substrates. The mechanisms conferring this polyspecificity are unknown. Here, we analyzed differences in transport kinetics between human and mouse OCT1 orthologs to identify amino acids that contribute to the polyspecificity of OCT1. Following stable transfection of HEK293 cells, we observed more than twofold differences in the transport kinetics of 22 out of 28 tested substrates. We found that the β2-adrenergic drug fenoterol was transported with eightfold higher affinity but at ninefold lower capacity by human OCT1. In contrast, the anticholinergic drug trospium was transported with 11-fold higher affinity but at ninefold lower capacity by mouse Oct1. Using human–mouse chimeric constructs and site-directed mutagenesis, we identified nonconserved amino acids Cys36 and Phe32 as responsible for the species-specific differences in fenoterol and trospium uptake. Substitution of Cys36 (human) to Tyr36 (mouse) caused a reversal of the affinity and capacity of fenoterol but not trospium uptake. Substitution of Phe32 to Leu32 caused reversal of trospium but not fenoterol uptake kinetics. Comparison of the uptake of structurally similar β2-adrenergics and molecular docking analyses indicated the second phenol ring, 3.3 to 4.8 Å from the protonated amino group, as essential for the affinity for fenoterol conferred by Cys36. This is the first study to report single amino acids as determinants of OCT1 polyspecificity. Our findings suggest that structure–function data of OCT1 is not directly transferrable between substrates or species.
The multidrug resistance protein 4 (MRP4) is highly expressed in platelets and several lines of evidence point to an impact on platelet function. MRP4 represents a transporter for cyclic nucleotides as well as for certain lipid mediators. The aim of the present study was to comprehensively characterize the effect of a short-time specific pharmacological inhibition of MRP4 on signaling pathways in platelets. Transport assays in isolated membrane vesicles showed a concentrationdependent inhibition of MRP4-mediated transport of cyclic nucleotides, thromboxane (Tx)B2 and fluorescein (FITC)- labeled sphingosine-1-phosphate (S1P) by the selective MRP4 inhibitor Ceefourin-1. In ex vivo aggregometry studies in human platelets, Ceefourin-1 significantly inhibited platelet aggregation by about 30-50% when ADP or collagen was used as activating agents, respectively. Ceefourin-1 significantly lowered the ADP-induced activation of integrin aIIbb3, indicated by binding of FITC-fibrinogen (about 50% reduction at 50 mM Ceefourin-1), and reduced calcium influx. Furthermore, pre-incubation with Ceefourin-1 significantly increased PGE1- and cinaciguat-induced vasodilatorstimulated phosphoprotein (VASP) phosphorylation, indicating increased cytosolic cAMP as well as cGMP concentrations, respectively. The release of TxB2 from activated human platelets was also attenuated. Finally, selective MRP4 inhibition significantly reduced both the total area covered by thrombi and the average thrombus size by about 40% in a flow chamber model. In conclusion, selective MRP4 inhibition causes reduced platelet adhesion and thrombus formation under flow conditions. This finding is mechanistically supported by inhibition of integrin aIIbb3 activation, elevated VASP phosphorylation and reduced calcium influx, based on inhibited cyclic nucleotide and thromboxane transport as well as possible further mechanisms.
Auswirkungen der Körperposition auf die Magenentleerung und Pharmakokinetik von oralen Arzneiformen
(2023)
Kenntnisse über die Physiologie des humanen GITs und dessen Einfluss auf orale Arzneiformen sind essenziell für die Sicherheit der Pharmakotherapie. Das Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss unterschiedlicher Körperpositionen auf das Anfluten von Koffein als Modell für eine Substanz der BCS Klasse I bei der Einnahme als Tablette und Kapsel sowie die Magenentleerung des mitgetrunkenen Wassers zu untersuchen und untereinander zu vergleichen. Die Erhebung der Daten erfolgte durch Speichelproben von 12 gesunden Probanden nach Einnahme von jeweils 240 mL Wasser zusammen mit einer Koffein enthaltenden Eiskapsel als Markierung für das Wasser, sowie je einer ebenfalls Koffein enthaltenden Hartkapsel und einer Tablette in aufrechter Körperposition, Rückenlage, Rechts- und Linksseitenlage im Crossover-Design. Zur Unterscheidung wurde für die Eiskapsel 13C3-isotopenmarkiertes Koffein, für die Kapsel 13C1-isotopenmarkiertes Koffein und für die Tablette natürliches (12C) Koffein verwendet.
Die Magenentleerung von Wasser im nüchternen Zustand ist abhängig von dem hydrostatischen Druck, der auf den Pylorus drückenden Wassersäule. Abhängig von der Körperposition wird demnach unterschiedlich viel zusätzliche mechanische Arbeit des Magens benötigt, um das Wasser gegen die Schwerkraft zu transportieren. Da diese Arbeit in allen Positionen in Abhängigkeit des MMC ohnehin durch aktive Kontraktionen und Motilität aufgebracht wird, ist bei zusätzlich vorliegendem hydrostatischen Druck die Wasserentleerung schneller. Die Magenentleerung von Wasser ähnelt sich in aufrechter Körperposition und Rechtsseitenlage, da in diesen Körperpositionen keine zusätzliche mechanische Arbeit benötigt wird, um das Wasser gegen die Schwerkraft zu transportieren. Im Gegensatz dazu entleert der Magen in Rückenlage und in Linksseitenlage langsamer Wasser, da in diesen Körperpositionen das Wasser gegen die Schwerkraft aus dem Pylorus herausgedrückt werden muss. So war in Linksseitenlage statistisch signifikant die AUC0-61 um 25% und die Cmax um 18% kleiner als in aufrechter Körperposition. Auch in Rückenlage war die AUC0-61 und die Cmax im Trend kleiner als in aufrechter Körperposition. Das durchschnittliche tmax wurde in Rückenlage und Linksseitenlage im Trend erst später erreicht.
Die Ergebnisse der Tablette und Kapsel spiegelten größtenteils die Ergebnisse der Wasserentleerung wider, wodurch die enorme Bedeutung der Magenentleerung als geschwindigkeitsbestimmender Schritt der Pharmakokinetik verschiedener schnell zerfallender Darreichungsformen abermals belegt wurde. Die durchschnittliche AUC0-61 in Linksseitenlage war um 33% und statistisch signifikant kleiner als in aufrechter Körperposition. Auch die AUC0-61 in Rechtsseitenlage war signifikant größer als in Linksseitenlage. Im Trend wurde das durchschnittliche tmax nach Einnahme der Hartkapsel in Linksseitenlage erst später erreicht und das durchschnittliche Cmax war kleiner. Im Trend flutete die Hartkapsel in Rückenlage langsamer an als in aufrechter Körperposition und Rechtsseitenlage und schneller als in Linksseitenlage.
Die Tablette flutete, im Gegensatz zur Magenentleerung von Wasser, im Trend geringgradig schneller in Rechtsseitenlage an als in aufrechter Körperposition. Der Grund für diese besonders schnelle Wirkstoffanflutung in Rechtsseitenlage war vermutlich, dass die Tablette direkt ins Antrum fiel, aufgrund der Motilität dort schneller desintegrierte oder sogar in den Dünndarm entleert wurde, was wiederum zu noch steileren Profilen führte. Statistisch war die durchschnittliche AUC0-61 dementsprechend in Rechtsseitenlage signifikant größer als in Rücken- und Linksseitenlage. Auch die maximal erreichte Konzentration (Cmax) war statistisch signifikant höher in Rechtsseitenlage als in Linksseitenlage. Die AUC0-61 in Linksseitenlage war ebenfalls statistisch signifikant um durchschnittlich 41% kleiner als in aufrechter Körperposition. Das durchschnittliche tmax wurde in Rücken- und Linksseitenlage im Trend später erreicht als in aufrechter Körperposition und Rechtsseitenlage.
Die Daten der Studie zeigten, dass auch die Lag time von Darreichungsformen körperpositionsabhängig waren. Statistisch war die durchschnittliche Lag time nach Einnahme der Tablette in Rechtsseitenlage signifikant kürzer als in Linksseitenlage.
Die Daten zeigten außerdem, dass die Körperposition vor allem für Darreichungsformen mit langer Desintegrationszeit einen wichtigen Einflussfaktor auf das Anflutungsverhalten hatte, da zum Zeitpunkt des Starts der Desintegration bereits vermehrt Wasser aus dem Magen entleert wurde. Besonders bei schlechter löslichen Arzneistoffen könnte demnach der Einfluss der Körperposition noch deutlich gravierender ausfallen. Die Daten zeigten dennoch, dass auch gut lösliche Arzneistoffe teilweise über Stunden im Magen verweilen und zu Doppelpeaks führen können.
Für biopharmazeutische Modellierungen, wie beispielsweise PBPK Modelle, ist der Unterschied zwischen der Magenentleerung in aufrechten Körperposition und in Rückenlage besonders von Bedeutung, da die Modelle häufig auf MRT Daten basieren, welche in Rückenlage akquiriert werden. Die durchschnittliche AUC0-61 nach Einnahme der Hartkapsel war in aufrechter Körperposition um 24% größer als in Rückenlage. Die durchschnittliche AUC0-61 nach Einnahme der Tablette war in aufrechter Körperposition um 52% größer als in Rückenlage. Da die im Rahmen dieser Arbeit gemessenen Unterschiede den potenziell enormen Einfluss der Körperposition für Modellierungen bei der Arzneimittelentwicklung sowie für die klinische Praxis mit liegenden Patienten unterstreichen, ist eine weitere Abklärung des Einflusses der Körperposition unter anderem auch im postprandialen Zustand empfehlenswert.
Das Glioblastom ist ein WHO Grad 4-Tumor und einer der häufigsten und zugleich agressivsten Hirntumoren im Erwachsenenalter. Trotz multimodaler Therapie, die eine neurochirurgische Resektion sowie eine adjuvante Radiochemotherapie und als neuen Therapieansatz eine Kombination aus Temozolomid und tumor treating fields umfasst, ist die Prognose weiterhin schlecht, sodass der Suche nach neuen therapeutischen Zielstrukturen eine maßgebliche Bedeutung zukommt. Für verschiedene Tumorentitiäten konnte gezeigt werden, dass die Überexpression einzelner onkogener Kinasen die Tumorprogression vorantreibt, wobei bei Glioblastomen gezeigt werden konnte, dass die Serin-Threonin-Kinase Pim1 eine wichtige Rolle in der Pathogenese einnimmt.
In den Fokus rücken zunehmend auch stammzellähnliche Tumorzellen, die eine Subpopulation innerhalb von Glioblastomen darstellen und das aggressive biologische Verhalten sowie die Resistenz gegenüber der Standardtherapie und eine hohe Rezidivrate vermitteln können.
In dieser Arbeit sollte dementsprechend basierend auf den bisherigen Erkenntnissen zu Pim1 sowie zur Bedeutung von Tumorstammzellen im malignen Geschehen der Einfluss der Serin-Threonin-Kinase Pim1 auf das Stammzellverhalten von Glioblastomzellen näher untersucht werden.
Durch den Vergleich von adhärent wachsenden Tumorzellen der Glioblastomzelllinie LN-18 mit stammzellähnlichen LN-18 Neurosphären konnte eine erhöhte relative mRNA-Expression von Pim1 und EGFR sowie der potentiellen Stammzellmarker Nestin, CD44, CD133 und Musashi-1 nachgewiesen werden. Die relative Proteinexpression von Pim1 sowie der Stammzellmarker Nestin, CD44, CD133 und Sox2 war in den Neurosphären im Vergleich zu den adhärent wachsenden LN-18 Zellen ebenfalls gesteigert. Diese Daten konnten durch die Immunfluoreszenz-Färbungen bestätigt werden.
Ein effizienter siRNA-vermittelter knockdown von Pim1 auf Proteinebene konnte in dieser Arbeit nicht erzielt werden, sodass keine Aussagen zu einer Regulation von Stammzell- und Differenzierungsmarker nach zielgerichteter genetischer Abschaltung von Pim1 getroffen werden konnten. Hier sind weiterführend Optimierungen notwendig oder der Einsatz spezieller CRISPR-Cas9-Verfahren zur genetischen Ausschaltung sinnvoll.
Die pharmakologische Inhibition von Pim1 mit LY294002 und TCS Pim1-1 führte zu einer signifikanten Reduktion der Neurosphärenformation sowie der Zellviabilität bei LN-18 Zellen, wodurch die in Vorarbeiten an adhärenten Glioblastomzellen gewonnenen Daten um Untersuchungen an stammzellartigen Glioblastomzellen erweitert wurden.
Zusammenfassend legen die in dieser Arbeit erhobenen Daten nahe, dass Pim1 das Stammzellverhalten von Glioblastomzellen beeinflusst, indem Pim1 Einfluss auf die Expression von Stammzellmarkern nimmt und seine Inhibition die Aufrechterhaltung einer Glioblastomstammzellpopulation beeinträchtigt, indem die Neurosphärenformation und die Viabilität der Zellen stark reduziert werden. Somit stellt Pim1 eine geeignete Zielstruktur für eine zielgerichtete Therapieoption beim Glioblastom dar, beispielsweise in Kombination mit der klassischen Radiochemotherapie. Zukünftige Studien müssen zeigen, inwieweit eine selektive Pim1-Inhibition tatsächlich Einfluss auf die Prognose von Patienten mit Glioblastom nimmt.
The G protein-coupled receptor proteinase-activated receptor 2 (PAR2) has been implicated
in various aspects of cellular physiology including inflammation, obesity and cancer. In cancer,
it usually acts as a driver of cancer progression in various tumor types by promoting invasion and
metastasis in response to activation by serine proteinases. Recently, we discovered another mode
through which PAR2 may enhance tumorigenesis: crosstalk with transforming growth factor-β
(TGF-β) signaling to promote TGF-β1-induced cell migration/invasion and invasion-associated gene
expression in ductal pancreatic adenocarcinoma (PDAC) cells. In this chapter, we review what is
known about the cellular TGF-β responses and signaling pathways affected by PAR2 expression,
the signaling activities of PAR2 required for promoting TGF-β signaling, and the potential molecular
mechanism(s) that underlie(s) the TGF-β signaling–promoting effect. Since PAR2 is activated through
various serine proteinases and biased agonists, it may couple TGF-β signaling to a diverse range of
other physiological processes that may or may not predispose cells to cancer development such as
local inflammation, systemic coagulation and pathogen infection.
Renal drug transporters such as the organic cation transporters (OCTs), organic anion
transporters (OATs) and multidrug resistance proteins (MRPs) play an important role in the tubular
secretion of many drugs influencing their efficacy and safety. However, only little is known about
the distinct protein abundance of these transporters in human kidneys, and about the impact of
age and gender as potential factors of inter-subject variability in their expression and function.
The aim of this study was to determine the protein abundance of MDR1, MRP1-4, BCRP, OAT1-3,
OCT2-3, MATE1, PEPT1/2, and ORCTL2 by liquid chromatography-tandem mass spectrometry-based
targeted proteomics in a set of 36 human cortex kidney samples (20 males, 16 females; median age
53 and 55 years, respectively). OAT1 and 3, OCT2 and ORCTL2 were found to be most abundant
renal SLC transporters while MDR1, MRP1 and MRP4 were the dominating ABC transporters.
Only the expression levels of MDR1 and ORCTL2 were significantly higher abundant in older donors.
Moreover, we found several significant correlations between different transporters, which may
indicate their functional interplay in renal vectorial transport processes. Our data may contribute to
a better understanding of the molecular processes determining renal excretion of drugs.
Background: Recently, the expression of proteinase-activated receptor 2 (PAR2) has been
shown to be essential for activin receptor-like kinase 5 (ALK5)/SMAD-mediated signaling and cell
migration by transforming growth factor (TGF)-β1. However, it is not known whether activation
of non-SMAD TGF-β signaling (e.g., RAS–RAF–MEK–extracellular signal-regulated kinase (ERK)
signaling) is required for cell migration and whether it is also dependent on PAR2. Methods: RNA
interference was used to deplete cells of PAR2, followed by xCELLigence technology to measure
cell migration, phospho-immunoblotting to assess ERK1/2 activation, and co-immunoprecipitation
to detect a PAR2–ALK5 physical interaction. Results: Inhibition of ERK signaling with the MEK
inhibitor U0126 blunted the ability of TGF-β1 to induce migration in pancreatic cancer Panc1 cells.
ERK activation in response to PAR2 agonistic peptide (PAR2–AP) was strong and rapid, while it was
moderate and delayed in response to TGF-β1. Basal and TGF-β1-dependent ERK, but not SMAD
activation, was blocked by U0126 in Panc1 and other cell types indicating that ERK activation is
downstream or independent of SMAD signaling. Moreover, cellular depletion of PAR2 in HaCaT
cells strongly inhibited TGF-β1-induced ERK activation, while the biased PAR2 agonist GB88 at 10
and 100 µM potentiated TGF-β1-dependent ERK activation and cell migration. Finally, we provide
evidence for a physical interaction between PAR2 and ALK5. Our data show that both PAR2–APand TGF-β1-induced cell migration depend on ERK activation, that PAR2 expression is crucial for
TGF-β1-induced ERK activation, and that the functional cooperation of PAR2 and TGF-β1 involves a
physical interaction between PAR2 and ALK5
The multifunctional sphingosine-1-phosphate (S1P) is a lipid signaling molecule and central
regulator in the development of several cancer types. In recent years, intriguing information has
become available regarding the role of S1P in the progression of Glioblastoma multiforme (GBM),
the most aggressive and common brain tumor in adults. S1P modulates numerous cellular processes
in GBM, such as oncogenesis, proliferation and survival, invasion, migration, metastasis and stem cell
behavior. These processes are regulated via a family of five G-protein-coupled S1P receptors (S1PR1-5)
and may involve mainly unknown intracellular targets. Distinct expression patterns and multiple
intracellular signaling pathways of each S1PR subtype enable S1P to exert its pleiotropic cellular
actions. Several studies have demonstrated alterations in S1P levels, the involvement of S1PRs
and S1P metabolizing enzymes in GBM pathophysiology. While the tumorigenic actions of S1P
involve the activation of several kinases and transcription factors, the specific G-protein (Gi, Gq,
and G12/13)-coupled signaling pathways and downstream mediated effects in GBM remain to be
elucidated in detail. This review summarizes the recent findings concerning the role of S1P and its
receptors in GBM. We further highlight the current insights into the signaling pathways considered
fundamental for regulating the cellular processes in GMB and ultimately patient prognosis.
Salivary glands provide secretory functions, including secretion of xenobiotics and among
them drugs. However, there is no published information about protein abundance of drug transporters
measured using reliable protein quantification methods. Therefore, mRNA expression and absolute
protein content of clinically relevant ABC (n = 6) and SLC (n = 15) family member transporters in the
human parotid gland, using the qRT-PCR and liquid chromatography-tandem mass spectrometry
(LC−MS/MS) method, were studied. The abundance of nearly all measured proteins ranged between
0.04 and 0.45 pmol/mg (OCT3 > MRP1 > PEPT2 > MRP4 > MATE1 > BCRP). mRNAs of ABCB1,
ABCC2, ABCC3, SLC10A1, SLC10A2, SLC22A1, SLC22A5, SLC22A6, SLC22A7, SLC22A8, SLCO1A2,
SLCO1B1, SLCO1B3 and SLCO2B1 were not detected. The present study provides, for the first time,
information about the protein abundance of membrane transporters in the human parotid gland,
which could further be used to define salivary bidirectional transport (absorption and secretion)
mechanisms of endogenous compounds and xenobiotics.
Exogenous glucocorticoids increase the risk for osteoporosis, but the role of endogenous glucocorticoids remains elusive. Here, we describe the generation and validation of a loss- and a gain-of-function model of the cortisol producing enzyme 11β-HSD1 (HSD11B1) to modulate the endogenous glucocorticoid conversion in SCP-1 cells — a model for human mesenchymal stem cells capable of adipogenic and osteogenic differentiation. CRISPR-Cas9 was successfully used to generate a cell line carrying a single base duplication and a 5 bp deletion in exon 5, leading to missense amino acid sequences after codon 146. These inactivating genomic alterations were validated by deep sequencing and by cloning with subsequent capillary sequencing. 11β-HSD1 protein levels were reduced by 70% in the knockout cells and cortisol production was not detectable. Targeted chromosomal integration was used to stably overexpress HSD11B1. Compared to wildtype cells, HSD11B1 overexpression resulted in a 7.9-fold increase in HSD11B1 mRNA expression, a 5-fold increase in 11β-HSD1 protein expression and 3.3-fold increase in extracellular cortisol levels under adipogenic differentiation. The generated cells were used to address the effects of 11β-HSD1 expression on adipogenic and osteogenic differentiation. Compared to the wildtype, HSD11B1 overexpression led to a 3.7-fold increase in mRNA expression of lipoprotein lipase (LPL) and 2.5-fold increase in lipid production under adipogenic differentiation. Under osteogenic differentiation, HSD11B1 knockout led to enhanced alkaline phosphatase (ALP) activity and mRNA expression, and HSD11B1 overexpression resulted in a 4.6-fold and 11.7-fold increase in mRNA expression of Dickkopf-related protein 1 (DKK1) and LPL, respectively. Here we describe a HSD11B1 loss- and gain-of-function model in SCP-1 cells at genetic, molecular and functional levels. We used these models to study the effects of endogenous cortisol production on mesenchymal stem cell differentiation and demonstrate an 11β-HSD1 dependent switch from osteogenic to adipogenic differentiation. These results might help to better understand the role of endogenous cortisol production in osteoporosis on a molecular and cellular level.
Previous studies have reported the fundamental role of immunoregulatory
proteins in the clinical phenotype and outcome of sepsis. This study investigated two functional single
nucleotide polymorphisms (SNPs) of T cell immunoglobulin and mucin domain-containing protein 3
(TIM-3), which has a negative stimulatory function in the T cell immune response. Methods: Patients
with sepsis (n = 712) were prospectively enrolled from three intensive care units (ICUs) at the University
Medical Center Goettingen since 2012. All patients were genotyped for the TIM-3 SNPs rs1036199 and
rs10515746. The primary outcome was 28-day mortality. Disease severity and microbiological findings
were secondary endpoints. Results: Kaplan–Meier survival analysis demonstrated a significantly
lower 28-day mortality for TIM-3 rs1036199 AA homozygous patients compared to C-allele carriers
(18% vs. 27%, p = 0.0099) and TIM-3 rs10515746 CC homozygous patients compared to A-allele
carriers (18% vs. 26%, p = 0.0202). The TIM-3 rs1036199 AA genotype and rs10515746 CC genotype
remained significant predictors for 28-day mortality in the multivariate Cox regression analysis after
adjustment for relevant confounders (adjusted hazard ratios: 0.67 and 0.70). Additionally, patients
carrying the rs1036199 AA genotype presented more Gram-positive and Staphylococcus epidermidis
infections, and rs10515746 CC homozygotes presented more Staphylococcus epidermidis infections.
Conclusion: The studied TIM-3 genetic variants are associated with altered 28-day mortality and
susceptibility to Gram-positive infections in sepsis.
Membrane monocarboxylate transporter 1 (SLC16A1/MCT1) plays an important role in
hepatocyte homeostasis, as well as drug handling. However, there is no available information
about the impact of liver pathology on the transporter levels and function. The study was aimed to
quantify SLC16A1 mRNA (qRT-PCR) and MCT1 protein abundance (liquid chromatography–tandem
mass spectrometry (LC¬¬–MS/MS)) in the livers of patients diagnosed, according to the standard
clinical criteria, with hepatitis C, primary biliary cirrhosis, primary sclerosing hepatitis, alcoholic liver
disease (ALD), and autoimmune hepatitis. The stage of liver dysfunction was classified according to
Child–Pugh score. Downregulation of SLC16A1/MCT1 levels was observed in all liver pathology
states, significantly for ALD. The progression of liver dysfunction, from Child–Pugh class A to C,
involved the gradual decline in SLC16A1 mRNA and MCT1 protein abundance, reaching a clinically
significant decrease in class C livers. Reduced levels of MCT1 were associated with significant
intracellular lactate accumulation. The MCT1 transcript and protein did not demonstrate significant
correlations regardless of the liver pathology analyzed, as well as the disease stage, suggesting
posttranscriptional regulation, and several microRNAs were found as potential regulators of MCT1
abundance. MCT1 membrane immunolocalization without cytoplasmic retention was observed in all
studied liver pathologies. Overall, the study demonstrates that SLC16A1/MCT1 is involved in liver
pathology, especially in ALD
Die Sicherheit und Wirksamkeit der Arzneimitteltherapie wird maßgeblich von Transportproteinen beeinflusst. Die zelluläre Lokalisation von Transportern hat hierbei wesentlichen Einfluss darauf, ob diese als funktionelle Aufnahme- oder Effluxtransporter fungieren. Für den menschlichen Darm ist die Lokalisation einiger Transporter noch unklar. Ein Beispiel hierfür ist der organic cation transporter (OCT1), welcher für die intestinale Aufnahme zahlreicher kationischer Arzneistoffe, wie beispielsweise Morphin verantwortlich gemacht wird. Bisher gibt es allerdings widersprüchliche Aussagen über die exakte Lokalisation dieses Transporters in der Zellmembran von Enterozyten. Folglich ist die tatsächliche Bedeutung dieses Proteins für die Absorption von Arzneistoffen bis heute ungeklärt.
Daher war das Ziel dieser Arbeit die Expression, Lokalisation und Funktion von OCT1 in Enterozyten anhand verschiedener labortechnischer Methoden näher zu charakterisieren.
Mittels Immunfluoreszenzfärbung wurde versucht die Lokalisation von OCT1 im Zellmodell zu bestimmen. Ebenfalls im Zellmodell erfolgte die Untersuchung des vektoriellen Transportes von Morphin mittels Transwellassay. Diese, sowie entsprechende Analysen vitalen intestinalen Gewebes in der Ussing-Kammer, wurden genutzt, um indirekt Rückschlüsse auf die Transporterlokalisation zu ziehen.
Trotz eindeutiger und der Hypothese entsprechender Expression und Funktion in MDCKII-OCT1/P-gp-Zellen, konnten im Rahmen dieser Arbeit keine eindeutigen Ergebnisse bezüglich der Lokalisation von OCT1 in Caco-2-Zellen generiert werden.
Caco-2-Zellen sollten als Zellmodell für Enterozyten, insbesondere hinsichtlich der Charakterisierung von OCT1, neu bewertet werden, da aktuellen Erkenntnissen entsprechend möglicherweise keine signifikante Expression von OCT1 in diesen Zellen vorliegt. Auch das genutzte OCT1-Modellsubstrat Morphin ist möglicherweise problematisch. Es ist darauf hinzuweisen, dass es sich bei den vorliegenden Daten aufgrund der geringen Versuchszahl nur um vorläufige Ergebnisse handeln kann, welche in zukünftigen Arbeiten verifiziert werden sollten.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die vorliegende Arbeit zwar keine neuen Erkenntnisse bezüglich der Lokalisation von OCT1 in Enterozyten erbringen konnte, jedoch die Bedeutung eines kritischen Umgangs mit etablierten Methoden und deren Ergebnissen unterstreicht.
PIM1 Inhibition Affects Glioblastoma Stem Cell Behavior and Kills Glioblastoma Stem-like Cells
(2021)
Despite comprehensive therapy and extensive research, glioblastoma (GBM) still represents the most aggressive brain tumor in adults. Glioma stem cells (GSCs) are thought to play a major role in tumor progression and resistance of GBM cells to radiochemotherapy. The PIM1 kinase has become a focus in cancer research. We have previously demonstrated that PIM1 is involved in survival of GBM cells and in GBM growth in a mouse model. However, little is known about the importance of PIM1 in cancer stem cells. Here, we report on the role of PIM1 in GBM stem cell behavior and killing. PIM1 inhibition negatively regulates the protein expression of the stem cell markers CD133 and Nestin in GBM cells (LN-18, U-87 MG). In contrast, CD44 and the astrocytic differentiation marker GFAP were up-regulated. Furthermore, PIM1 expression was increased in neurospheres as a model of GBM stem-like cells. Treatment of neurospheres with PIM1 inhibitors (TCS PIM1-1, Quercetagetin, and LY294002) diminished the cell viability associated with reduced DNA synthesis rate, increased caspase 3 activity, decreased PCNA protein expression, and reduced neurosphere formation. Our results indicate that PIM1 affects the glioblastoma stem cell behavior, and its inhibition kills glioblastoma stem-like cells, pointing to PIM1 targeting as a potential anti-glioblastoma therapy.
Doxorubicin is a frequently used anticancer drug to treat many types of tumors, such as breast cancer or bronchial carcinoma. The clinical use of doxorubicin is limited by its poorly predictable cardiotoxicity, the reasons of which are so far not fully understood. The drug is a substrate of several efflux transporters such as P-gp or BCRP and was recently reported to be a substrate of cation uptake transporters. To evaluate the potential role of transporter proteins in the accumulation of doxorubicin at its site of action (e.g., mammary carcinoma cells) or adverse effects (e.g., heart muscle cells), we studied the expression of important uptake and efflux transporters in human breast cancer and cardiac tissue, and investigated the affinity of doxorubicin to the identified transporters. The cellular uptake studies on doxorubicin were performed with OATP1A2*1, OATP1A2*2, and OATP1A2*3-overexpressing HEK293 cells, as well as OCT1-, OCT2-, and OCT3- overexpressing MDCKII cells. To assess the contribution of transporters to the cytotoxic effect of doxorubicin, we determined the cell viability in the presence and absence of transporter inhibitors in different cell lines. Several transporters, including P-gp, BCRP, OCT1, OCT3, and OATP1A2 were expressed in human heart and/or breast cancer tissue. Doxorubicin could be identified as a substrate of OCT1, OCT2, OCT3, and OATP1A2. The cellular uptake into cells expressing genetic OATP1A2 variants was markedly reduced and correlated well with the increased cellular viability. Inhibition of OATP1A2 (naringin) and OCT transporters (1-methyl-4-phenylpyridinium) resulted in a significant decrease of doxorubicin-mediated cytotoxicity in cell lines expressing the respective transporters. Similarly, the excipient Cremophor EL significantly inhibited the OCT1-3- and OATP1A2-mediated cellular uptake and attenuated the cytotoxicity of doxorubicin. In conclusion, genetic and environmental-related variability in the expression and function of these transporters may contribute to the substantial variability seen in terms of doxorubicin efficacy and toxicity.
Transmembrane drug transport in hepatocytes is one of the major determinants of drug pharmacokinetics. In the present study, ABC transporters (P-gp, MRP1, MRP2, MRP3, MRP4, BCRP, and BSEP) and SLC transporters (MCT1, NTCP, OAT2, OATP1B1, OATP1B3, OATP2B1, OCT1, and OCT3) were quantified for protein abundance (LC-MS/MS) and mRNA levels (qRT-PCR) in hepatitis C virus (HCV)-infected liver samples from the Child–Pugh class A (n = 30), B (n = 21), and C (n = 7) patients. Protein levels of BSEP, MRP3, MCT1, OAT2, OATP1B3, and OCT3 were not significantly affected by HCV infection. P-gp, MRP1, BCRP, and OATP1B3 protein abundances were upregulated, whereas those of MRP2, MRP4, NTCP, OATP2B1, and OCT1 were downregulated in all HCV samples. The observed changes started to be seen in the Child–Pugh class A livers, i.e., upregulation of P-gp and MRP1 and downregulation of MRP2, MRP4, BCRP, and OATP1B3. In the case of NTCP, OATP2B1, and OCT1, a decrease in the protein levels was observed in the class B livers. In the class C livers, no other changes were noted than those in the class A and B patients. The results of the study demonstrate that drug transporter protein abundances are affected by the functional state of the liver in hepatitis C patients.
Background: Unwanted drug-drug interactions (DDIs), as caused by the upregulation of clinically relevant drug metabolizing enzymes and transporter proteins in intestine and liver, have the potential to threaten the therapeutic efficacy and safety of drugs. The molecular mechanism of this undesired but frequently occurring scenario of polypharmacy is based on the activation of nuclear receptors such as the pregnane X receptor (PXR) or the constitutive androstane receptor (CAR) by perpetrator agents such as rifampin, phenytoin or St. John’s wort. However, the expression pattern of nuclear receptors in human intestine and liver remains uncertain, which makes it difficult to predict the extent of potential DDIs. Thus, it was the aim of this study to characterize the gene expression and protein abundance of clinically relevant nuclear receptors, i.e., the aryl hydrocarbon receptor (AhR), CAR, farnesoid X receptor (FXR), glucocorticoid receptor (GR), hepatocyte nuclear factor 4 alpha (HNF4α), PXR and small heterodimer partner (SHP), in the aforementioned organs. Methods: Gene expression analysis was performed by quantitative real-time PCR of jejunal, ileal, colonic and liver samples from eight human subjects. In parallel, a targeted proteomic method was developed and validated in order to determine the respective protein amounts of nuclear receptors in human intestinal and liver samples. The LC-MS/MS method was validated according to the current bioanalytical guidelines and met the criteria regarding linearity (0.1–50 nmol/L), within-day and between-day accuracy and precision, as well as the stability criteria. Results: The developed method was successfully validated and applied to determine the abundance of nuclear receptors in human intestinal and liver samples. Gene expression and protein abundance data demonstrated marked differences in human intestine and liver. On the protein level, only AhR and HNF4α could be detected in gut and liver, which corresponds to their highest gene expression. In transfected cell lines, PXR and CAR could be quantified. Conclusions: The substantially different expression pattern of nuclear receptors in human intestinal and liver tissue may explain the different extent of unwanted DDIs in the dependence on the administration route of drugs.