Institut für Pharmakologie
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Gene Expression and Protein Abundance of Hepatic Drug Metabolizing Enzymes in Liver Pathology
(2021)
The tricyclic antidepressant amitriptyline is frequently prescribed but its use is limited by its narrow therapeutic range and large variation in pharmacokinetics. Apart from interindividual differences in the activity of the metabolising enzymes cytochrome P450 (CYP) 2D6 and 2C19, genetic polymorphism of the hepatic influx transporter organic cation transporter 1 (OCT1) could be contributing to interindividual variation in pharmacokinetics. Here, the impact of OCT1 genetic variation on the pharmacokinetics of amitriptyline and its active metabolite nortriptyline was studied in vitro as well as in healthy volunteers and in depressive disorder patients. Amitriptyline and nortriptyline were found to inhibit OCT1 in recombinant cells with IC50 values of 28.6 and 40.4 µM. Thirty other antidepressant and neuroleptic drugs were also found to be moderate to strong OCT1 inhibitors with IC50 values in the micromolar range. However, in 35 healthy volunteers, preselected for their OCT1 genotypes, who received a single dose of 25 mg amitriptyline, no significant effects on amitriptyline and nortriptyline pharmacokinetics could be attributed to OCT1 genetic polymorphism. In contrast, the strong impact of the CYP2D6 genotype on amitriptyline and nortriptyline pharmacokinetics and of the CYP2C19 genotype on nortriptyline was confirmed. In addition, acylcarnitine derivatives were measured as endogenous biomarkers for OCT1 activity. The mean plasma concentrations of isobutyrylcarnitine and 2-methylbutyrylcarnitine were higher in participants with two active OCT1 alleles compared to those with zero OCT1 activity, further supporting their role as endogenous in vivo biomarkers for OCT1 activity. A moderate reduction in plasma isobutyrylcarnitine concentrations occurred at the time points at which amitriptyline plasma concentrations were the highest. In a second, independent study sample of 50 patients who underwent amitriptyline therapy of 75 mg twice daily, a significant trend of increasing amitriptyline plasma concentrations with decreasing OCT1 activity was observed (p = 0.018), while nortriptyline plasma concentrations were unaffected by the OCT1 genotype. Altogether, this comprehensive study showed that OCT1 activity does not appear to be a major factor determining amitriptyline and nortriptyline pharmacokinetics and that hepatic uptake occurs mainly through other mechanisms.
Genome-wide association studies have identified an association between isobutyrylcarnitine (IBC) and organic cation transporter 1 (OCT1) genotypes. Higher IBC blood concentrations in humans with active OCT1 genotypes and experimental studies with mouse OCT1 suggested an OCT1-mediated efflux of IBC. In this study, we wanted to confirm the suggested use of IBC as an endogenous biomarker of OCT1 activity and contribute to a better understanding of the mechanisms behind the association between blood concentrations of carnitine derivatives and OCT1 genotype. Blood and urine IBC concentrations were quantified in healthy volunteers regarding intra- and interindividual variation and correlation with OCT1 genotype and with pharmacokinetics of known OCT1 substrates. Furthermore, IBC formation and transport were studied in cell lines overexpressing OCT1 and its naturally occurring variants. Carriers of high-activity OCT1 genotypes had about 3-fold higher IBC blood concentrations and 2-fold higher amounts of IBC excreted in urine compared to deficient OCT1. This was likely due to OCT1 function, as indicated by the fact that IBC correlated with the pharmacokinetics of known OCT1 substrates, like fenoterol, and blood IBC concentrations declined with a 1 h time delay following peak concentrations of the OCT1 substrate sumatriptan. Thus, IBC is a suitable endogenous biomarker reflecting both, human OCT1 (hOCT1) genotype and activity. While murine OCT1 (mOCT1) was an efflux transporter of IBC, hOCT1 exhibited no IBC efflux activity. Inhibition experiments confirmed this data showing that IBC and other acylcarnitines, like butyrylcarnitine, 2-methylbutyrylcarnitine, and hexanoylcarnitine, showed reduced efflux upon inhibition of mOCT1 but not of hOCT1. IBC and other carnitine derivatives are endogenous biomarkers of hOCT1 genotype and phenotype. However, in contrast to mice, the mechanisms underlying the IBC-OCT1 correlation in humans is apparently not directly the OCT1-mediated efflux of IBC. A plausible explanation could be that hOCT1 mediates cellular concentrations of specific regulators or co-substrates in lipid and energy metabolism, which is supported by our in vitro finding that at baseline intracellular IBC concentration is about 6-fold lower alone by OCT1 overexpression.
Organic cation transporter 1 (OCT1, SLC22A1) is localized in the sinusoidal membrane of human hepatocytes and mediates hepatic uptake of weakly basic or cationic drugs and endogenous compounds. Common amino acid substitutions in OCT1 were associated with altered pharmacokinetics and efficacy of drugs like sumatriptan and fenoterol. Recently, the common splice variant rs35854239 has also been suggested to affect OCT1 function. rs35854239 represents an 8 bp duplication of the donor splice site at the exon 7-intron 7 junction. Here we quantified the extent to which this duplication affects OCT1 splicing and, as a consequence, the expression and the function of OCT1. We used pyrosequencing and deep RNA-sequencing to quantify the effect of rs35854239 on splicing after minigene expression of this variant in HepG2 and Huh7 cells and directly in human liver samples. Further, we analyzed the effects of rs35854239 on OCT1 mRNA expression in total, localization and activity of the resulting OCT1 protein, and on the pharmacokinetics of sumatriptan and fenoterol. The 8 bp duplication caused alternative splicing in 38% (deep RNA-sequencing) to 52% (pyrosequencing) of the minigene transcripts when analyzed in HepG2 and Huh7 cells. The alternatively spliced transcript encodes for a truncated protein that after transient transfection in HEK293 cells was not localized in the plasma membrane and was not able to transport the OCT1 model substrate ASP+. In human liver, however, the alternatively spliced OCT1 transcript was detectable only at very low levels (0.3% in heterozygous and 0.6% in homozygous carriers of the 8 bp duplication, deep RNA-sequencing). The 8 bp duplication was associated with a significant reduction of OCT1 expression in the human liver, but explained only 9% of the general variability in OCT1 expression and was not associated with significant changes in the pharmacokinetics of sumatriptan and fenoterol. Therefore, the rs35854239 variant only partially changes splicing, causing moderate changes in OCT1 expression and may be of only limited therapeutic relevance.
Intestinal transporter proteins are known to affect the pharmacokinetics and in turn the efficacy and safety of many orally administered drugs in a clinically relevant manner. This knowledge is especially well-established for intestinal ATP-binding cassette transporters such as P-gp and BCRP. In contrast to this, information about intestinal uptake carriers is much more limited although many hydrophilic or ionic drugs are not expected to undergo passive diffusion but probably require specific uptake transporters. A transporter which is controversially discussed with respect to its expression, localization and function in the human intestine is the organic cation transporter 1 (OCT1). This review article provides an up-to-date summary on the available data from expression analysis as well as functional studies in vitro, animal findings and clinical observations. The current evidence suggests that OCT1 is expressed in the human intestine in small amounts (on gene and protein levels), while its cellular localization in the apical or basolateral membrane of the enterocytes remains to be finally defined, but functional data point to a secretory function of the transporter at the basolateral membrane. Thus, OCT1 should not be considered as a classical uptake transporter in the intestine but rather as an intestinal elimination pathway for cationic compounds from the systemic circulation.
Eine Thrombose ist eine Gefäßerkrankung, bei der eine lokalisierte, intravasale Blutgerinnung zur Bildung eines Thrombus in einem Gefäß führt. Die Aktivierung der
Blutgerinnungskaskade und damit der Gerinnungsfaktoren führt zu einer Bildung sowie Quervernetzung von Fibrin und so zur Entstehung eines Thrombus. Dieser wird
physiologisch über die Fibrinolyse abgebaut. Die Serinprotease PAI-1 inhibiert diese und wirkt somit prothrombotisch. Jüngste Studien haben gezeigt, dass S1P als Schlüsselmolekül des Immunsystems und des Metabolismus auch das Gerinnungssystem beeinflusst und in einer wechselseitigen Beziehung mit dem Gerinnungsfaktor Thrombin und seinen PARs steht. Die S1P-Konzentration im Körper korreliert dabei eng mit dem BMI. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Wirkung des Signallipids S1P auf die PAI-1-Expression von Fettzellen und damit die Stellung der Adipozyten bei S1P-vermittelten thrombotischen Ereignissen in vitro. Weiterhin wurde
erstmalig die Wechselwirkung von Thrombin und S1P bei der Produktion von PAI-1 in Fettzellen untersucht. Hierfür wurden 3T3-L1-Fibroblasten in Adipozyten differenziert
und mit S1P stimuliert. Es zeigte sich eine konzentrationsabhängige Steigerung der PAI-1-mRNA. Diese Ergebnisse wurden ebenfalls von anderen Arbeitsgruppen
bestätigt. Der S1P-Effekt ließ sich auch mittels Western Blot-Analyse auf Proteinebene darstellen. Dabei zeigte sich eine starke Steigerung der PAI-1-Expression und
Sekretion von 3T3-L1-Zellen. S1PR-2- und S1PR3-Inhibitoren senkten den S1Pvermittelten Anstieg, sodass S1P über eine S1PR-2- und, bisher in der Literatur noch
nicht beschrieben, auch über eine S1PR-3-Aktivierung einen prothrombotischen Einfluss ausübt. Weiterhin konnte nach Stimulation mit S1P erstmalig eine Expressionssteigerung von PAR-1 und damit eine Wechselwirkung zwischen dem Signalweg von Thrombin und S1P in Adipozyten beobachtet werden. Es wurde die
Hypothese aufgestellt, dass Thrombin über den PAR-1 die Aktivität der Enzyme des S1P-Metabolismus steigert und so über eine endogene S1P-Produktion zu einer zusätzlichen Steigerung von PAI-1 führt. Diese konnte bisher noch nicht bestätigt werden, da lediglich eine geringe, jedoch nicht signifikante Steigerung von PAI-1 nach Thrombin-Stimulation beobachtet werden konnte. Somit ist das Fettgewebe ein wichtiges Bindeglied zwischen dem inflammatorischen Lipid S1P sowie dem Enzym PAI-1 und damit als Gewebe ein bisher stark unterschätzter Einflussfaktor bei der Entstehung und Aufrechterhaltung thrombotischer Ereignisse.
Das Glioblastoma multiforme zählt bis heute trotz multimodaler Therapieansätze zu den prognostisch ungünstigsten malignen Neoplasien des Menschen. Ein mittleres Überleben von etwa 15 Monaten unter der derzeitigen Standardtherapie konnte trotz intensiver Forschung bislang nicht wesentlich gesteigert werden. Die hohe Proliferationsrate und das ausgeprägte infiltrative Wachstum sowie die fehlende Radio- und Chemosensitivität dieser Tumorentität limitieren bis dato die therapeutischen Optionen. Vor diesem Hintergrund ist die Etablierung alternativer Therapieansätze eine vordringliche Forschungsaufgabe. In Glioblastomen konnte eine erhöhte Expression von Komponenten der Endothelin-Achse sowie der Cystein-Protease Cathepsin B nachgewiesen werden. In anderen malignen Neoplasien wie dem Kolon-, Mamma- oder Prostatakarzinom vermochte die Hemmung dieser Hormone/Enzyme die proliferative und migratorische Aktivität der Tumorzellen zu vermindern, wobei gewebespezifische Differenzen sowie Ambivalenzen der Inhibitionsresultate zu beobachten waren. In dieser Dissertation sollte unter in vitro-Bedingungen das Expressionsverhalten der Glioblastomzelllinien LN 18 und U 87 MG hinsichtlich obig genannter Systeme sowie der Einfluss einer dualen Blockade der Endothelin-Rezeptoren A und B durch Bosentan bzw. der selektiven Inhibition von Cathepsin B durch CA-074 Me auf die zelluläre Proliferation und Migration untersucht werden. Mittels quantitativer RT-PCR konnte in beiden Zelllinien – verglichen mit gesundem Hirngewebe – eine erhöhte mRNA-Expression sowohl der Endothelin-Achse als auch von Cathepsin B nachgewiesen werden. Die Western-Blot- und ELISA-Untersuchungen bestätigten eine erhöhte Expression von Endothelin-1, dem ETAR und dem ETBR sowie von Cathepsin B in beiden Zelltypen. Im Weiteren wurde der Einfluss der Inhibitoren Bosentan und CA-074 Me auf die Proliferation der beiden Zelllinien im Resazurin- und Kristallviolett-Assay sowie auf die Migration im xCelligenceTM-System und im Wundheilungs-Assay untersucht. Ein signifikanter Einfluss von Bosentan konnte in den durchgeführten Experimenten in beiden Zelllinien weder für die Proliferation noch die Migration nachgewiesen werden. Für CA-074 Me zeigte sich jedoch in einer Konzentration von 10 µM ein hemmender Einfluss auf die Zellviabilität sowie die Migration der Zelllinien LN 18 und U 87 MG. Längere Inkubationszeiten und höhere Konzentrationen der verwendeten Inhibitoren, wie in der Fachliteratur beschrieben, sollten in weiterführenden Analysen in die Experimente eingeschlossen werden. Die ebenfalls in die Untersuchungen eingeschlossenen Zytostatika Doxorubicin, Teniposid und Vincristin bewirkten eine signifikante Reduktion der Zellviabilität beider Glioblastomzelllinien, während Carmustin, Lomustin und Temozolomid kaum Einfluss auf diese Zellen nahmen. Weder Bosentan noch CA 074 Me führten dabei zu einer signifikanten Modulation der Zytostatika-Wirkungen. Alle untersuchten Zytostatika verursachten zudem eine verminderte Migration der Glioblastomzellen in vitro, jedoch war das Ausmaß dieser Migrationshemmung sehr unterschiedlich. Auch hier konnte kein Einfluss von Bosentan oder CA 074 Me auf die durch die Zytostatika verursachte Hemmung der Zellmigration beobachtet werden. Die Komplexität und Multifunktionalität beider Hormon-/Enzymsysteme innerhalb verschiedener Zellkompartimente und Gewebetypen machen weitere Untersuchungen in vitro und in vivo notwendig, um das Potenzial beider Systeme für einen gezielten Einsatz in der Tumortherapie bzw. der Behandlung des Glioblastoms vollends zu klären. Zudem muss berücksichtigt werden, dass bei Verwendung pharmakologischer Hemmstoffe unspezifische bzw. pleiotrope Effekte nicht gänzlich ausgeschlossen werden können, weshalb weiterführende Analysen mit gezielter, genetischer Ausschaltung der Zielgene, beispielsweise mittels siRNA oder CRISPR/Cas9-Technologie, sinnvoll erscheinen.
Parodontitis als eine Volkskrankheit ist die Entzündung des Zahnhalteapparates. Sie wird durch parodontalpathogene Mikroorganismen im Biofilm der Mundhöhle verursacht und kann unbehandelt über zunehmenden Attachmentverlust und Knochenabbau bis hin zum Zahnverlust führen. In der Ätiologie ist die bakterielle Plaque der entscheidende Auslöser, während Verlauf und Schwere durch die Wirtsreaktivität und modulierende Faktoren (Genetik, systemische Vorerkrankungen, Verhaltensfaktoren) determiniert werden. Durch Bestandteile und Stoffwechselprodukte der in der Plaque enthaltenden Bakterien wird die Immunantwort des Wirtes initiiert. Infolgedessen zerstören freigesetzte proinflammatorische Mediatoren das umgebende Stützgewebe und den Knochen.
Auch das proinflammatorische Lipidmolekül Sphingosin-1-phosphat (S1P) scheint bei der Pathogenese der Parodontitis eine Rolle zu spielen. S1P ist an zahlreichen physiologischen Prozessen wie Zellproliferation, vaskulärer Barrierefunktion und Lymphozyten-Zirkulation beteiligt und beeinflusst pathologische Zustände wie beispielsweise das Entzündungsgeschehen und Osteoporose. Die zellulären Signalwege werden durch eine Familie von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (S1PR1 bis 5) gesteuert, wobei die S1P Ausgangskonzentrationen und die unterschiedliche Rezeptoren-Expression in den Geweben entscheidend sind. Verschiedene Studien deuten auf einen Zusammenhang zwischen Parodontitis und S1P hin: Durch Eingriff in den Knochenmetabolismus fördert S1P insgesamt die Knochen-Resorption und steigert die Expression von Zytokinen in humanen gingivalen Epithelzellen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde basierend auf der randomisierten Bevölkerungsstudie Study of Health in Pomerania (SHIP) untersucht, ob die individuellen S1P-Serumkonzentrationen mit der Parodontitis-Prävalenz in der SHIP-Trend-Kohorte assoziiert sind. Darüber hinaus wurden die individuellen S1P Konzentrationen mit verschiedenen Parodontitis-Variablen (Taschentiefe, klinischer Attachmentverlust, Anzahl der Zähne) und mit klassischen systemischen Entzündungsparametern (hoch-sensitives C-reaktives Protein, Leukozytenzahl, Fibrinogen) korreliert. Außerdem wurde anhand von Gewebeschnitten untersucht, inwiefern Enzyme des S1P-Stoffwechsels im Parodontalgewebe exprimiert sind und ob sich deren Expression im entzündeten Gewebe verändert.
Sowohl höhere Werte der untersuchten Parodontitis-Variablen als auch höhere Werte der untersuchten Entzündungsmarker waren konsistent mit höheren S1P-Konzentrationen assoziiert. S1P stellt somit einen potentiellen Biomarker für Parodontitis dar und ist möglicherweise in der Lage, das lokale parodontale Entzündungsgeschehen als systemische Konzentrationserhöhung im Serum zu reflektieren.
Kein Zusammenhang konnte zwischen Karies-Variablen und S1P gefunden werden, wodurch die Spezifität der Assoziation zwischen den Parodontitis-Variablen und S1P hervorgehoben wird.
Die Enzyme des S1P-Stoffwechsels waren sowohl in gesunden Gewebeproben als auch im Gewebe von parodontal erkrankten Probanden nachweisbar. Allerdings waren die Enzyme Sphingosin-Kinase 1 und S1P-Lyase im Gewebe von Probanden mit Parodontitis hochreguliert und zunehmend auch in anderen Zelltypen exprimiert, sodass womöglich ebenso die lokalen S1P-Gewebekonzentrationen bei Parodontitis erhöht sind.
Basierend auf den in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnissen und den bereits existierenden Studien zum Thema ist ein Zusammenhang zwischen Parodontitis und S1P anzunehmen. Bei einer Parodontitis liegen sowohl ein lokal verstärkter S1P-Metabolismus im Gewebe als auch systemisch erhöhte S1P-Konzentrationen im Serum vor.
