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Bei der Aufnahme von Arzneimitteln in Zellen spielen Transportprozesse eine große Rolle. Das ATP-abhängige Transportprotein P-Glykoprotein vermittelt häufig Resistenzen gegenüber Arzneimitteln. Zunächst wurde dieser Effekt in P-Glykoprotein-überexprimierenden Tumoren entdeckt. Auch viele gesunde Gewebe enthalten P-Glykoprotein. Einige der Substanzen, die von P-Glykoprotein transportiert werden, sind vielverwendete Medikamente bei der Therapie von Herzerkrankungen. Die individuelle Expressionhöhe von P-Glykoprotein im Herzen könnte für das unterschiedliche Ansprechen von Patienten auf von P-Glykoprotein transportierte Medikamente verantwortlich sein. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Expression von P-Glykoprotein an 15 humanen Herzgewebeproben untersucht. Verwendet wurde die Methode der RT-PCR und die immunhistochemische Darstellung des Proteins. Die Expression von P-Glykoprotein in humanem Herzmuskelgewebe konnte an allen Proben gezeigt werden. Immunhistochemisch ist P-Glykoprotein in den Endothelzellen der Arteriolen und Kapillaren lokalisiert worden. Hinsichtlich der Expression bei verschiedenen Krankheiten konnte bei Patienten mit einer dilatativen Kardiomyopathie eine signifikante Verminderung (p = 0,05) beobachtet werden. Die gewonnenen Ergebnisse zeigen eine Beteiligung des Herzens an Transportprozessen. Intrakardiale Konzentrationen vieler Substanzen können abhängig von der individuellen P-Glykoprotein-Expression beeinflusst werden
Das OATP2B1 stellt neben den überwiegend hepatisch exprimierten OATPs, wie dem OATP1B1 oder OATP1B3 einen weiteren interessanten Vertreter der SLCO-Familie dar. Dieser Aufnahmetransporter ist sowohl aus physiologischer, als auch aus pharmakologischer Sicht interessant, da er eine breite Gewebeverteilung aufweist und neben endogenen Substanzen eine Reihe verschiedener Wirkstoffe transportiert. Hinsichtlich seiner Expression und Funktion ist das OATP2B1 bereits gut charakterisiert, mögliche Regulationsmechanismen hingegen sind bisher kaum untersucht. Es war daher Ziel dieser Arbeit, neue Erkenntnisse über die Regulation dieses Transporters zu erlangen. Eine Möglichkeit die Funktion von Transportproteinen schnell zu verändern, ist die direkte Interaktion mit Substanzen, die in der Lage sind, die Transportfunktion zu modulieren. Dies können gleichzeitig verabreichte Arzneimittel, Nahrungsbestandteile, aber auch endogene Substanzen sein. In der vorliegenden Arbeit konnte hierzu gezeigt werden, dass die Transportfunktion des OATP2B1 durch Progesteron und Glukokortikoide stimuliert werden kann. Dieser Effekt ist sowohl substrat- als auch transporterspezifisch. So wird die Aufnahme sulfatierter Steroide, wie DHEAS oder E1S, OATP2B1-spezifisch stimuliert, wohingegen andere Substrate, wie Atorvastatin oder Glibenclamid nicht verstärkt transportiert werden. Während eine pharmakologische Bedeutung dieser OATP2B1-Interaktion nicht zu erwarten ist, könnte die physiologische Bedeutung in der Aufnahme von Steroidhormonvorläufern in die Plazenta liegen. Diese ist nicht in der Lage C21-Steroide, wie Pregnenolon oder Progesteron in C19-Steroide zu transformieren und daher auf Vorläufermoleküle, wie DHEAS oder Preg-S, für die plazentare Estrogensynthese, angewiesen. Im Rahmen dieser Arbeiten konnten mit Glibenclamid und Preg-S zwei weitere OATP1A2-Substrate identifiziert werden. Des Weiteren wurde der zugrunde liegende Mechanismus der Proteinkinase C (PKC)-abhängigen Internalisierung des OATP2B1 näher untersucht. Es konnte aufgeklärt werden, dass das OATP2B1, nach Aktivierung der PKC, Clathrin-abhängig internalisiert und anschließend lysosomal degradiert wird. Eine direkte Phosphorylierung des OATP2B1 als Ursache für die Internalisierung wurde weitestgehend ausgeschlossen, so dass in der Folge mögliche Internalisierungssignale und Adapterproteine des OATP2B1 untersucht wurden. Mittels in silico Analyse konnte ein Dileucinmotiv (EQQLLV), sowie eine Klasse-I-PDZ-Bindedomäne (DSRV) im Bereich des C-Terminus des Proteins identifiziert werden. Eine Beteiligung an der PKC-abhängigen Internalisierung des OATP2B1 konnte hier zwar nicht beobachtet werden, jedoch zeigte sich, dass es für die basolaterale Sortierung des Proteins von Bedeutung ist. So wies die Dileucinvariante eine ausschließlich apikale Plasmamembran-Lokalisation auf, ohne die Transportfunktion des Proteins zu beeinflussen. Parallel wurden mittels pull-down Experimenten C-terminale Adapterproteine des OATP2B1 identifiziert. In diesem Zusammenhang wurde zudem die Rolle des Dileucinmotivs, als mögliche Bindungsstelle für Adapterproteine, die die basolaterale Sortierung vermitteln, untersucht. Unter denen mittels Massenspektrometrie identifizierten Proteinen befanden sich einige, wie Aktin oder Hsc70, die mit der Clathrin-vermittelten Endozytose assoziiert sind. Weiterhin wurden SNX27, NHERF1 und Grp75 als Adapterproteine identifiziert und näher untersucht. Hier konnte teilweise eine Interaktion bestätigt werden, eine funktionelle Relevanz ließ sich jedoch nicht nachweisen. Insgesamt liefert diese Arbeit wichtige grundlegende Erkenntnisse zur Regulation der OATP2B1-Funktion. Weitere Studien sind jedoch notwendig, um dessen physiologische und pharmakologische Relevanz zu beurteilen.
Die bisherige pharmakologische Therapie von Opioid-induzierter Obstipation in der Schmerztherapie ist limitiert. Opioidrezeptorantagonisten könnten hier Abhilfe schaffen, in dem sie kausal in die Problematik eingreifen und somit zu einer besseren Lebensqualität bei vielen schmerzgeplagten Patienten führen. In klinischen Studien konnte eine Reduktion von intestinalen Transitzeiten nach subkutaner Methylnaltrexon-Gabe (MNTX) beobachtet werden. Auch orale Applikationsformen sowohl von MNTX als auch von Naloxon (NLX) stellten sich teilweise als wirksam dar. Daher war es das Ziel dieser Dissertation die Wirksamkeit hinsichtlich der Prävention einer Opioid-induzierten Obstipation von subkutaner und oraler Applikation von MNTX nach einmaliger Gabe miteinander zu vergleichen, sowie nach wiederholten Gaben die daraus resultierende effektivste Darreichungsform dem retardiert-freisetzenden NLX gegenüberzustellen. Dazu führten wir zwei kontrollierte, randomisierte, doppelblinde klinische Studien in gesunden Probanden durch. Die Obstipation wurde mit Loperamid (LOP) induziert. Die orozökale Transitzeit (OCT) und die Kolon-Transitzeit (CTT) wurden mit Hilfe von Sulfasalazin/ Sulfapyridin und röntgendichten Markern gemessen. Durch die LC-MS/MS-Methode konnten die Wirkstoffe bzw. deren Metaboliten in den Körperflüssigkeiten ermittelt werden und nachfolgend pharmakokinetische Parameter erhoben werden. In der single-dose-Studie konnten wir zeigen, dass retardiert freisetzendes MNTX (MNTX-ER) signifikant die LOP-induzierte Verzögerung im Intestinaltrakt antagonisiert. Subkutanes Methylnaltrexon (MNTX-SC) und schnell freisetzendes Methylnaltrexon (MNTX-IR) hatten keinen signifikanten Einfluss auf die OCT, CTT oder Gesamt-Darm-Transitzeit (WGT). (Publikation 1) Nach der mehrmaligen Applikation von MNTX-ER bzw. NLX-ER in der multiple-dose-Studie Studie konnte NLX-ER eine signifikante Reduktion der durch LOP verlängerten WGT herbeiführen, während MNTX-ER keinen nennenswerten Effekt erzielte. LOP verursachte nur kurzzeitig eine Erhöhung der Darmtransitzeiten. Es erfolgte nach der zweiten Applikation ein Gewöhnungseffekt. (Publikation 2) Aus diesem Grund erscheint LOP nicht geeignet eine anhaltende Obstipation zu induzieren. Die Toleranzentwicklung und auch die Entstehung der Obstipation bei Opioidtherapie lassen noch viele Fragen offen. Weitere Studien sowohl auf zellulärer Ebene als auch in der klinischen Anwendung werden folgen müssen um in diese komplexe Thematik mehr Licht zu bringen.
In vielen wissenschaftlichen Studien konnte die Bedeutung des NO-cGMP-PKG-Signalweges für die Regulation der Spannung von glatten Muskelzellen gezeigt werden. Im Mittelpunkt standen dabei oftmals die Guanylatzyklase, die Proteinkinase G oder zelluläre Kalziumkanäle und deren Bedeutung für die Muskeltätigkeit. In der vorliegenden Arbeit sollte über Modulatoren der zelluläre cGMP-Spiegel in glatten Gefäßmuskelzellen von Ratten verändert und durch Messung der Kontraktionsstärken dessen Einfluss auf das Kontraktionsverhalten nachgewiesen werden. Dabei sollte sowohl die Auswirkung von cGMP-Veränderungen auf die Spannung bei maximaler Stimulation als auch auf die Sensitivität für Phenylephrin untersucht werden. Nach Inkubation der Aorten mit einem cGMP-Modulator und Stimulation mit Phenylephrin wurden die Kontraktionen von Aortenringen über Schreiber direkt aufgezeichnet. Als Modulatoren wurden das Urikosurikum Probenecid, der Phosphodiesterasehemmer Sildenafil und der Inhibitor der löslichen Guanylatzyklase ODQ eingesetzt. Ein besonderer Fokus sollte darauf gelegt werden, inwiefern die Hemmung der MRP-Transportproteine 4 und 5 durch Probenecid- und Sildenafilinkubation auf den cGMP-Spiegel und damit die Spannung der glatten Muskelzellen auswirkt. In den Aufzeichnungen der Kontraktionen zeigte sich unter ODQ-Einfluss eine deutlich gesteigerte Spannung in g pro g Aortengewebe (Mw=2761,44*; SEM=236,4; n=9) bei maximaler Stimulation mit Phenylephrin im Vergleich zur Kontrolle (1515,15; 186; n=9). Unter Vorinkubation mit Sildenafil konnten sowohl mit der geringeren Konzentration von 1 µM (689,15*; 163,3; n=5) als auch bei 50 µM (187,17*; 154,5; n=5) signifikant niedrigere Spannungen festgestellt werden. In höherer Konzentration kommt neben der Inhibition der PDE auch der hemmende Einfluss von Sildenafil auf die MRP-Transporter zum Tragen. Auch nach der Inkubation mit Probenecid konnte sowohl mit 10 µM (783,70; 150,7; n=5) als auch mit 100 µM (693,64*; 128,4; n=5) eine verminderte Kontraktion der Gefäße festgestellt werden. Die Untersuchung der Sensitivität der Aorten auf Phenylephrin über Vergleiche der EC50-Werte ergab, dass insgesamt durch den Einsatz von cGMP-Modulatoren keine Veränderungen der Sensitivität verursacht werden. Schlussfolgernd ergibt sich aus den Ergebnissen dieser Arbeit, dass glatte Gefäßmuskulatur über cGMP-Modulatoren hinsichtlich der Maximalspannungen beeinflussbar ist und dass der cGMP-Transport über MRP 4 und 5 für die Kontraktion von glatten Muskelzellen physiologisch bedeutsam zu sein scheint, was neue Möglichkeiten des medikamentösen Eingreifens in die Gefäßregulation eröffnen könnte.
In Germany, around 5.7 million people suffer from osteoporosis. Osteoporosis is characterised by a reduced bone mineral density that leads to an increased risk of fractures. The 11β-hydroxysteroid dehydrogenase 1 (11β-HSD1) is an important regulator of local cortisol metabolism. It converts biologically inactive cortisone to biologically active cortisol, but can also catalyse the reverse reaction. 11β-HSD1 is strongly expressed in liver, but 11β-HSD1 expression and activity were also reported in bone. Moreover, polymorphisms in intron 5 of HSD11B1 (the gene encoding for 11β-HSD1) are associated with bone mineral density (BMD) and risk of fractures.
This work aimed to confirm and refine the associations between polymorphisms in intron 5 of HSD11B1 and BMD, and to identify the underlying molecular and cellular mechanisms. To this end, analyses were performed on three different levels:
i) studies in humans, to confirm and refine the association of polymorphisms in intron 5 of HSD11B1 with BMD, suppressed cortisol levels (PDC) and stiffness index,
ii) cellular analyses, to identify the role of 11β-HSD1 in differentiation of the immortalised human mesenchymal stem cell line SCP-1,
iii) molecular genetic analyses, to reveal the effect of intron 5 polymorphisms on transcriptional regulation.
Fine-mapping analyses of already existing clinical data from 452 osteoporosis patients (HSD study) did not point to another intron 5 SNP as being causative for the observed clinical association. A second prospective clinical study (OsteoGene) was performed to confirm the association of rs11811440 and rs932335 with PDC levels and BMD. A trend to decreased PDC levels and increased BMD was observed in homozygous carriers of the minor A-allele of rs11811440 in patients above the age of 65 years. Pooled analyses of the HSD and the OsteoGene studies revealed a significant association of the minor A-allele with increased Z-scores of the left femoral neck. No associations of rs11811440 and rs932335 with stiffness index, BMI and fat depots were detected the general population using data from the SHIP study.
To analyse the effect of 11β-HSD1 on differentiation of mesenchymal stem cells, HSD11B1 overexpressing and HSD11B1 knockout SCP-1 cells were generated. HSD11B1 was stably overexpressed in SCP-1 cells using targeted chromosomal integration. The successful overexpression was shown by 243-fold increased HSD11B1 mRNA expression levels and a 9 fold increased 11β-HSD1 activity, compared to the wildtype cells. Knockout cells were generated by CRISPR-Cas9 mediated gene editing targeting exon 2 and exon 5 of HSD11B1. Using next generation sequencing, the clones 1C4 and 2D10 were confirmed to carry two inactive HSD11B1 alleles and were chosen for further analyses. mRNA expression was unchanged in both knockout clones. However, a clear enzyme activity was detected in the 2D10 clone, whereas no cortisol production was detected in the 1C4 clone. SNaPshot analyses revealed the presence of wildtype cells in the 2D10 clone that became predominant with increased passages. Therefore, further analyses were focused on the 1C4 clone only. The protein expression in the 1C4 clone decreased to 30% of the expression of the wildtype cells.
HSD11B1 expression and cortisol production were compared between wildtype, knockout and overexpressing SCP-1 cells under three differentiation conditions: adipogenic, osteogenic with 1α,25-dihydroxyvitamin D3 and osteogenic with dexamethasone. HSD11B1 expression increased upon adipogenic differentiation and in the presence of cortisone in the wildtype and the overexpressing, but not in the knockout cells. Also, the cortisol production from cortisone increased over time in the overexpressing and the wildtype cells, but not in the knockout cells. The increase was dependent on the differentiation used between 3-fold and 9-fold higher in the overexpressing than in the wildtype cells.
The generated and validated overexpressing and knockout cell lines were used to analyse the influence of 11β-HSD1 on adipogenic and osteogenic differentiation. Upon adipogenic differentiation, the overexpressing cells accumulated significantly more lipid droplets than the wildtype cells. The accumulation of lipid droplets was not abolished in the knockout. However, when dexamethasone was substituted by cortisone, the knockout cells accumulated less lipid droplets than in the presence of dexamethasone, supporting the involvement of 11β-HSD1 in adipogenic differentiation. Expression of the adipogenic markers FABP4 and LPL increased upon adipogenic differentiation, but a distinct influence of the presence or absence of HSD11B1 on the FABP4 and LPL expression was not detected. Upon osteogenic differentiation with 1α,25-dihydroxyvitamin D3, ALP activity increased only in the knockout cells (more than 5-fold). Accordingly, the strongest increase in ALPL expression was detected also in the knockout cells. Both, ALP activity and gene expression were independent of cortisone. Addtionally, BGLAP expression was increased upon osteogenic differentiation. Unexpectedly, in the presence of cortisone, BGLAP expression increased in the overexpressing cells. Expression of the Wnt inhibitor DKK1 also increased in the overexpressing cells in the presence of cortisone indicating a decreased osteogenic differentiation. Moreover, expression of the adipogenic markers FABP4 and LPL increased in the overexpressing cells in the presence of cortisone indicating a switch from osteogenic to adipogenic differentiation. Upon osteogenic differentiation with dexamethasone, ALP activity and matrix mineralisation was lowest in the overexpressing cells.
Finally, the effects of the SNPs rs11811440, rs11119328, rs1000283 and rs932335 in intron 5 of HSD11B1 on transcriptional regulation were analysed by reporter gene assays and electrophoretic mobility shift assays. All four SNPs are genetically linked and are localized within evolutionary conserved regions. The minor C-allele of rs932335 significantly increased luciferase activity. In contrast, the major G-allele of rs932335 showed strong protein binding. However, no transcription factor binding sites were identified at the SNP sites. Additionally, bioinformatics analyses of publicly available RNA-Seq data of adipose tissue and liver confirmed the absence of alternative splicing. Alignment of HSD11B1 intron 5 to the Rfam database predicted the presence of non-coding RNAs (ncRNAs) in intron 5. However, none of the ncRNAs overlapped with the SNP sites.
In conclusion, 11β-HSD1 was shown to be involved in adipogenic differentiation and peripheral cortisol production by 11β-HSD1 promotes a switch from osteogenic to adipogenic differentiation. Moreover, among osteoporosis patients, homozygous carriers of the minor A-allele of rs11811440 have increased Z-scores of the femoral neck. Furthermore, HSD11B1 knockout and overexpressing cell lines were successfully generated and validated. These cell lines could be a useful tool in future analyses of the role of peripheral cortisol activation by 11β-HSD1 in differentiation of mesenchymal stem cells.
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.
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.
Das Multidrug Resistance Protein 4 (MRP4/ABCC4) ist als Mitglied der ABC-Transporterfamilie nicht nur an dem Transport zahlreicher Pharmaka, wie beispielsweise antiviraler und zytostatischer Substanzen, sondern auch an Signaltransduktionsprozessen, z.B. dem Transport von Eicosanoiden und zyklischen Nukleotiden beteiligt. MRP4 weist außerdem innerhalb der ABCC-Gruppe ein einmaliges Expression-, Lokalisations- und Substratspektrum auf. MRP4 wurde neben Prostata, Niere, Gehirn und Leber auch in Blutplättchen nachgewiesen und kann zelltypabhängig sowohl apikal oder basolateral als auch intrazellulär lokalisiert sein. Insbesondere das Vorkommen in den δ-Granula der Thrombozyten ist bemerkenswert, da die Speicherung und Freisetzung von Überträgersubstanzen wie ADP auf die Thrombozytenfunktion entscheidenden Einfluss haben. Änderungen der zelltypischen MRP4-Lokalisation, die beispielsweise bei Patienten mit δ-storage pool Defekt beobachtet wurden, können zu einem Verlust der spezifischen Transporterfunktion führen. Das Ziel dieser Arbeit war es, das Transportprotein Multidrug resistance protein 4 in Bezug auf Protein-Protein-Wechselwirkungen genauer zu untersuchen. Da die Lokalisation von Membranproteinen u.a. durch die Wechselwirkung mit Proteinen gesteuert wird, stand die Identifikation möglicher Interaktionspartner von MRP4 mit Hilfe von Bindungs- und Kolokalisationsstudien im Vordergrund dieser Arbeit. Es schien sehr wahrscheinlich, dass Adaptormoleküle über eine Wechselwirkung mit MRP4 an dessen trafficking innerhalb der Zellen beteiligt sind und damit Einfluss auf dessen Lokalisation und konsekutiv auch auf die Funktion nehmen. Als mögliche Motive zur Vermittlung solcher Proteinbindungen liegen im MRP4-Molekül ein PDZ-Motiv sowie eine mögliche Bindungsstelle für Adaptorprotein (AP)-Komplexe vor. Zur Ermittlung solcher potentiellen Partner wurde eine Affinitätschromatographie durchgeführt. Dafür erfolgte die Kopplung eines Peptids, welches der C-terminalen Sequenz von MRP4 mit dem PDZ-Bindemotiv entsprach, an eine Sepharosematrix und eine anschließende Inkubation mit Thrombozytenlysat. Mittels Western Blot-Verfahren und Flüssigkeitschromatographie-Massenspektrometrie konnten im gewonnenen Eluat das ERM-bindende Phosphoprotein 50 (EBP50/NHERF1), Moesin, sowie das Post synaptic density protein 95 (PSD95) und das Hitzeschockprotein Hsp90 als mögliche Bindungspartner identifiziert werden. Während eine Wechselwirkung von MRP4 mit EBP50 über seine PDZ-Domäne bereits postuliert worden war, konnten insbesondere PSD95 und Hsp90 erstmalig als mögliche Interaktionspartner von MRP4 ermittelt werden. Da PSD95 bisher vorwiegend in neuronalen Zellen beschrieben wurde, wurde das Vorkommen dieses Proteins in Thrombozyten und der megakaryoblastischen Leukämiezelllinie M-07e auf RNA-Ebene untersucht und nachgewiesen. Damit konnte erstmals die Expression dieses scaffolding Proteins in Zellen der myeloischen Reihe gezeigt werden. Im Anschluss daran wurden Kofärbungen von MRP4 und den identifizierten Bindungspartnern durchgeführt. Die indirekte Immunfluoreszenzmikroskopie lieferte das Ergebnis einer zumindest partiellen Kolokalisation des Transporters mit Hsp90 – in Thrombozyten und M-07e-Zellen in intrazellulären Strukturen, in den Nierenepithelzellen LLC-PK1 und MDCKII in der Plasmamembran. Auch eine Kolokalisation von MRP4 mit PSD95 konnte in M-07e-Zellen und Thrombozyten beobachtet werden. Untersuchungen mit dem Hsp90-Hemmstoff Radicicol ergaben des Weiteren zum einen eine sichtbare Verringerung der MRP4-Expression im Western Blot nach der Inkubation, zum anderen auch eine Änderung der Lokalisation von Hsp90 und MRP4 in den verwendeten Nierenzelllinien nach intrazellulär. Ferner konnten funktionelle Transportversuche unter Verwendung von inside-out Thrombozytenmembranvesikeln einen Abfall der Aufnahme des radioaktiv markierten MRP4-Substrats cGMP in die Vesikel nach Behandlung mit Radicicol zeigen. Um den Einfluss von PSD95 auf die MRP4-Lokalisation zu untersuchen, wurde ein spezifischer knock-down von PSD95 mittels siRNA in M-07e-Zellen durchgeführt. Im Anschluss ergab sich in der Immunfluoreszenzmikroskopie eine deutliche Zunahme der MRP4-Lokalisation in der Plasmamembran. Zusammenfassend konnten im Rahmen dieser Arbeit EBP50, Moesin, PSD95 und Hsp90 als mögliche Bindungspartner von MRP4 in Thrombozyten identifiziert werden. Es ist denkbar, dass Hsp90 als Hitzeschockprotein möglicherweise zu der Prozessierung und Stabilisierung von MRP4 beiträgt. Die Interaktion mit PSD95 hingegen scheint die Internalisierung des Transportproteins zu begünstigen. Die gewonnenen Ergebnisse deuten darauf hin, dass Protein-Protein-Interaktionen die Lokalisation und Funktion von MRP4 entscheidend beeinflussen.
Das P-Glykoprotein stellt ein wichtiges membranäres Transportprotein zum Schutz des Organismus vor Xenobiotika sowie toxischen endogenen Metaboliten dar und ist an der Aufrechterhaltung der Barrierefunktion von Blut-Gewebe-Schranken beteiligt. Außerdem beeinflussen Pgp-vermittelte Transportvorgänge die Pharmakokinetik einiger Arzneimittel. Eine Modulation der Pgp-Funktion ist in vielerlei Hinsicht von Bedeutung. Daher war es Ziel dieser Arbeit, die Interaktionen zweier unterschiedlicher Substanzen, des mit der AD assoziierten Beta-Amyloids und des Arzneistoffes Heparin, mit dem Pgp zu untersuchen und die modulatorischen Fähigkeiten auf die Aktivität des Effluxtransporters in einem Zellsystem zu bewerten. Dafür stand eine polar wachsende, mit humanem MDR1-transfizierte Zelllinie zur Verfügung, die sich zur Untersuchung des transepithelialen Transportes eignete. Bei der Durchführung der funktionellen in-vitro-Assays ließen sich eine signifikant verstärkte Akkumulation, ein signifikant inhibierter apikaler Efflux von Rh123 und die signifikant verminderte ATP-abhängige Rh123-Aufnahme in Membranvesikel in Gegenwart von UFH sowie LMWH im Pgp-überexprimierenden Epithelzellmodell nachweisen. Ein direkter Transport markierter Heparine konnte ebenso gezeigt werden. Als Kontrolle dienten zum Einen parentale LLC-PK1, zum Anderen zeigten vergleichende Betrachtungen bekannter Pgp-Modulatoren wie Verapamil oder CsA in diesen Transportversuchen ähnliche Ergebnisse. Neben inhibitorischen Effekten der Aβ-Peptide auf die Pgp-Funktion konnte ein direkter aktiver Pgp-vermittelter Transport von synthetischem Aβ1-40 und Aβ1-42 gezeigt werden. Sowohl in polarisierten Zellmonolayern aus MDR1-transfizierten LLC-Zellen, die als in-vitro-Modell für das vaskuläre Endothel der Blut-Hirn-Schranke dienen, als auch in aus den Zellen isolierten Membranvesikeln konnte ein vektorieller bzw. ATP-abhängiger Transport der fluoreszenzmarkierten Peptide nachgewiesen werden. Eine Beteiligung des Pgp wurde anhand der Minderung des Transportes durch den spezifischen Inhibitor CsA verifiziert. Damit stellen sowohl die Heparine als auch die Beta-Amyloide nicht nur Inhibitoren des Pgp-vermittelten Transportes dar, sondern können selbst zum breiten Spektrum der affinen Pgp-Substrate gezählt werden. Sie bewirken eine nachgewiesene pharma-kologische Modulation der Pgp-Aktivität und bieten Anhaltspunkte für weitere Untersuchungen der komplexen Funktionen des Transportproteins.
Die gleichzeitige Gabe von Arzneimitteln kann durch Inhibition oder Induktion von intestinalen Transportproteinen bzw. metabolischen Enzymen unerwünschte Arzneimittelinteraktionen verursachen. Bewirkt wird der induktive Effekt durch die Aktivierung von nukleären Rezeptoren wie PXR. Aktuell sind keine in vitro-Modelle verfügbar, die die Interaktion auf intestinaler Ebene infolge von Induktionsprozessen prognostizieren können. Für intestinale Absorptions- und inhibitorische Arzneistofftransportstudien werden bisher die häufig genutzten Caco-2-Zellen verwendet, da sie enterozytenartige Eigenschaften besitzen. Allerdings gibt es einige Unklarheiten, die das Caco-2-Modell betreffen, wie bspw. der optimale Zeitraum der Zellkultivierung, das fragliche Vorhandensein von nukleären Rezeptoren und die umstrittene Repräsentanz von Colon-Karzinomzellen für den intestinalen, jejunalen Arzneimitteltransport.
Ziel dieser Arbeit war es somit, die Eignung der präklinisch genutzten Caco-2-Zellen als in vitro-Modell für Transporter-bedingte Arzneimittelinteraktion und intestinalen Arzneimitteltransport zu untersuchen. Hierzu wurde die Expression klinisch relevanter intestinaler Arzneistofftransporter, Metabolisierungsenzyme und nukleärer Rezeptoren in Caco-2-Zellen auf Gen- und Proteineben mittels real time-RT PCR (TaqMan®-Prinzip) und LC-MS/MS-basiertem targeted proteomics bestimmt und mit der Expression in humanem Jejunum verglichen. Ferner wurde die Expression der erwähnten Determinanten in Abhängigkeit von der Kultivierungszeit und nach Induktion mit den prototypischen Induktoren Carbamazepin, Efavirenz, Hyperforin, Hypericin und Rifampicin untersucht. Zuletzt wurde der Einfluss der Induktoren auf die Funktion des Transporters ABCB1, anhand eines bidirektionalen Transportassays mit den radioaktivmarkierten ABCB1-Substraten [3H]-Digoxin und [3H]-Talinolol, ermittelt.
Die Expression der Transporter und nukleären Rezeptoren auf Gen- und Proteinebene in Caco-2-Zellen unterschieden sich deutlich zu der von jejunalem Gewebe. Für die Transporter ABCB1, ABCC2, OATP1A2, OATP2B1, PETP1 und das Enzym UGT1A1 konnte eine signifikante Zunahme der mRNA-Expression mit der Dauer der Kultivierungszeit festgestellt werden, die auf Proteinebene nicht gezeigt werden konnte. Die Induktoren Carbamazepin, Hyperforin, Hypericin und Rifampicin wiesen einen Effekt auf die mRNA-Expression, nicht aber auf die Proteinmenge der Transporter auf. In Übereinstimmung zu den Befunden der fehlenden Transporterinduktion konnte kein Effekt der Induktoren auf die Funktion von ABCB1 beobachtet werden.
Caco-2-Zellen sind daher nicht als in vitro-Modell geeignet um Arzneimittel-interaktionen prognostizieren zu können, die durch die Induktion von Transportern entstehen.
Bei ersten Betrachtungen zum Zelltransport nahm man an, dass Stoffe passiv über die Zellmembran diffundieren. Nach weiteren Forschungen musste dies revidiert werden. Heute weiß man, dass dies fast nur über spezielle Proteine möglich ist. Diese Proteine sind Kanäle und Transporter welche aufgrund ihrer Funktion eine Schlüsselposition in der zellulären Homöostaste darstellen. Sie sorgen für die Aufnahme und den Ausstrom fast aller wichtigen Substanzen.
Im Jahr 2007 wurde die Entdeckung eines neue Zelltransporters, TETRAN (Tetracycline transporter-like protein), veröffentlicht. In ersten Untersuchungen zeigte sich ein bevorzugter Transport von NSAIDs über die Zellmembran. NSAIDs haben bei unterschiedlichen Personen abweichende Wirkungen bzw. Nebenwirkungen deren Gund bis heute noch nicht endgültig geklärt ist.
In dieser Arbeit konnten polymorphe TETRAN überexprimierende Zellen erzeugt werden und der Nachweis unterschiedlich starker Expression des Proteins in verschiedenen Geweben nachgewiesen werden. Unter anderem zeigte sich eine gute Expression in Plazentagewebe. Welches auch wegen guter Verfügbarkeit zur Reihensequenzierung von 25 Proben genutzt wurde. Es zeigten sich 28 Synonyme und 85 Veränderungen im Gencode welche Einfluss auf die Primärsequenz des Proteins haben. Diese wurden alle in einer berechneten Grafik des Proteins zusammengefasst und dargestellt. In drei Situationen bildete sich anstatt des Wechsels einer Aminosäure ein Stopcodon. Dies trat jedoch nie homozygot auf. So das immer ein vollständiges Protein vorhanden war. In Anlehnung an vergleichbare Studien könnte dies mit ein Grund der differenten Wirkung von NSAIDs sein. Umfangreichere Beweise können in weiteren Studien noch folgen.
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.
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.
Postoperative restenosis in patients with external ear canal (EEC) atresia or stenosis is a common complication following canaloplasty. Our aim in this study was to explore the feasibility of using a three dimensionally (3D)-printed, patient-individualized, drug ((dexamethasone (DEX)), and ciprofloxacin (cipro))-releasing external ear canal implant (EECI) as a postoperative stent after canaloplasty. We designed and pre-clinically tested this novel implant for drug release (by high-performance liquid chromatography), biocompatibility (by the MTT (3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide) assay), bio-efficacy (by the TNF-α (tumor necrosis factor-alpha)-reduction test (DEX) and inhibition zone test (for cipro)), and microbial contamination (formation of turbidity or sediments in culture medium). The EECI was implanted for the first time to one patient with a history of congenital EEC atresia and state after three canaloplasties due to EEC restenosis. The preclinical tests revealed no cytotoxic effect of the used materials; an antibacterial effect was verified against the bacteria Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa, and the tested UV-irradiated EECI showed no microbiological contamination. Based on the test results, the combination of silicone with 1% DEX and 0.3% cipro was chosen to treat the patient. The EECI was implantable into the EEC; the postoperative follow-up visits revealed no otogenic symptoms or infections and the EECI was explanted three months postoperatively. Even at 12 months postoperatively, the EEC showed good epithelialization and patency. Here, we report the first ever clinical application of an individualized, drug-releasing, mechanically flexible implant and suggest that our novel EECI represents a safe and effective method for postoperatively stenting the reconstructed EEC.
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.
Der akute Myokardinfarkt ist die häufigste Todesursache in den Industrieländern. Um die Spätfolge Herzinsuffizienz so gering wie möglich zu halten, ist eine schnelle Wiederherstellung des koronaren Blutflusses entscheidend. Dieser gewünschten Reperfusion wird jedoch eine zusätzliche Schädigung des Myokardgewebes zugeschrieben. Durch kurze Intervalle von Ischämie und Reperfusion nach Wiederöffnung des Koronargefäßes konnte die Infarktgröße drastisch gesenkt werden, so dass dieses als ischämische Postkonditionierung bezeichnete Verfahren, hohes Potential zur Reduktion der Myokardschädigung nach einem Infarkt bietet. Für den klinischen Einsatz erweist sich dieses Verfahrens jedoch als technisch aufwendig, so dass der Wunsch nach pharmakologischen Ansätzen zu Beginn der Reperfusion steigt. Die vorliegende Arbeit befasste sich daher mit der Untersuchung möglicher kardioprotektiver Substanzen und der Charakterisierung wichtiger Elemente der zugrunde liegenden Signalkaskade. Hierfür wurde in dem Modell der ex vivo perfundierten Rattenherzen die kardioprotektive Wirkung des endogenen Mediators Bradykinin während der Reperfusion und die mögliche Beteiligung des EGF-Rezeptors untersucht. In einem kardiomyozytenbasierten Zellmodell, bei dem HL-1-Zellen mit den Kalziumionophor Calcimycin gestresst wurden, sollte die Beteiligung wichtiger Signalelemente bestätigt werden. Zur Charakterisierung der Rolle der Adenosinrezeptoren während der Reperfusion wurde ein in vivo Maus Modell etabliert, welches die Untersuchung der Infarktgröße im Tier erlaubt. Hierfür wurden selektive Adenosinrezeptoragonisten und -antagonisten sowie CD73-/- Mäuse, die kein endogenes Adenosin durch die 5’-Ektonukleotidase (CD73) bilden können, verwendet. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Bradykinin während der Reperfusion zu einer signifikanten Reduktion der Infarktgröße führt und dass dieser Schutzmechanismus von einer Transaktivierung des EGF-Rezeptors und der survival Kinase Akt abhängig ist. Des Weiteren konnte sowohl bei den Infarktgrößen als auch im zellbasierten Modell eine Beteiligung der MMP-8 bei der Transaktivierung des EGF-Rezeptors nachgewiesen werden. Anhand des in vivo Maus Modells konnte gezeigt werden, dass der durch die ischämische Postkonditionierung vermittelte Myokardschutz durch den selektiven A2bAR Antagonisten MRS1754 aufgehoben werden konnte und dass eine Aktivierung des A2bAR durch den selektiven A2bAR Agonisten BAY60-6583 während der Reperfusion zu einer Senkung der Infarktgröße führt. Des Weiteren konnte mit Hilfe der CD73-/- Mäuse und unter Verwendung von selektiven Adenosinrezeptoragonisten und -antagonisten gezeigt werden, dass bei fehlendem extrazellulärem Adenosin kein Schutz durch eine ischämische Postkonditionierung, dem selektiven A2bAR Agonisten BAY60-6583 oder dem A2aAR Agonisten CGS21680 erzielt werden kann, sondern dass nur die gleichzeitige Aktivierung von A2aAR und A2bAR zum Schutz des Herzens vor Reperfusionsschäden führt. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen mögliche Ansätze für pharmakologische Interventionen zur Behandlung des akuten Myokardinfarkts auf. Die Verwendung von Agonisten zur Aktivierung von G-Protein gekoppelten Rezeptoren rückt damit immer mehr in den Vordergrund für mögliche klinische Ansatzpunkte.
(1) Background: Sepsis is a leading cause of death and a global public health problem. Accordingly, deciphering the underlying molecular mechanisms of this disease and the determinants of its morbidity and mortality is pivotal. This study examined the effect of the rs951818 SNP of the negative costimulatory lymphocyte-activation gene 3 (LAG-3) on sepsis mortality and disease severity. (2) Methods: 707 consecutive patients with sepsis were prospectively enrolled into the present study from three surgical ICUs at University Medical Center Goettingen. Both 28- and 90-day mortality were analyzed as the primary outcome, while parameters of disease severity served as secondary endpoints. (3) Results: In the Kaplan–Meier analysis LAG-3 rs951818 AA-homozygote patients showed a significantly lower 28-day mortality (17.3%) compared to carriers of the C-allele (23.7%, p = 0.0476). In addition, these patients more often received invasive mechanical ventilation (96%) during the course of disease than C-allele carriers (92%, p = 0.0466). (4) Conclusions: Genetic profiling of LAG-3 genetic variants alone or in combination with other genetic biomarkers may represent a promising approach for risk stratification of patients with sepsis. Patient-individual therapeutic targeting of immune checkpoints, such as LAG-3, may be a future component of sepsis therapy. Further detailed investigations in clinically relevant sepsis models are necessary.
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.
Organic cation transporter OCT1 is strongly expressed in the sinusoidal membrane of hepatocytes. OCT1 mediates the uptake of weakly basic and cationic compounds from the blood into the liver and may thereby facilitate the first step in hepatic metabolism or excretion of many cationic drugs. OCT1 is a polyspecific transporter and has a very broad spectrum of structurally highly diverse ligands (substrates and inhibitors). The exact transport mechanism and the amino acids involved in polyspecific ligand binding of OCT1 are poorly understood.
The aim of this work was to utilize the polyspecificity to better understand the structure-function relationships of OCT1 and to gain first insights into potential mechanisms conferring the polyspecificity. We followed two strategies, analyzing the effects of variability in both ligand and transporter structure on OCT1 function. The effects of ligand structure were analyzed by comparing uptake and inhibitory potencies of structurally similar drugs of the group of opioids. The effects of transporter structure were analyzed by comparing the effects of variability caused by naturally occurring genetic variants or artificial mutations on OCT1 uptake and inhibition of several substrates. Most importantly, the effects of interspecies variability in transporter structure were analyzed by comparing uptake kinetics between human and mouse OCT1 orthologs. To this end, we used stably or transiently transfected HEK293 cells overexpressing OCT1 and different chimeric and mutant variants thereof.
Focusing on OCT1 ligands, we compared the uptake and inhibitory potencies of structurally similar opioids. Only minor changes of the ligand structure strongly affected the interaction with OCT1. The presence of the ether linkage between C4 and C5 of the morphinan ring was associated with reduced OCT1 inhibitory potencies, while passive membrane permeability was the major negative determinant of OCT1-mediated uptake among structurally highly similar morphinan opioids. Only minor structural changes strongly increased the inhibitory potency by 28-fold from the lowest IC50 of 2004 µM for oxycodone to 72 µM for morphine. Additional removal of the ether linkage between C4-C5 increased the inhibitory potency by a total of 313-fold to the lowest IC50 of 6 µM for dextrorphan. Consequently, our data demonstrates that despite its polyspecificity, OCT1-mediated uptake and inhibition of this uptake is still somewhat very specific.
Focusing on OCT1 protein structure, we first analyzed the effects of variability caused by naturally occurring genetic variants on OCT1 uptake and inhibition. OCT1 transport was strongly affected by OCT1 genetic variants and these effects were often substrate-specific. Correlation of these effects revealed several substrates that were similarly affected by the variants and may therefore be suggested to share similar or overlapping binding sites in OCT1. In addition, the effects of the genetic variants OCT1*2 and OCT1*3 on different substrates correlated well which may suggest that the structural variability caused by these two variants similarly affects substrate uptake. OCT1 genetic variants also affected the inhibition of OCT1, with both substrate and genotype-specific differences. Ranitidine inhibited the uptake of several substrates, among them the clinically relevant drugs metformin and morphine. Moreover, the inhibition was more potent (about 2-fold) on the uptake mediated by the common genetic variant OCT1*2 than on the uptake mediated by the reference OCT1*1.
Second, we analyzed the effects of artificial mutations of key amino acids. Tyr222 and Asp475 in rat OCT1 had strongly substrate-specific and also species-specific effects on both OCT1-mediated uptake and inhibition. Mutation of these amino acids strongly decreased OCT1-mediated uptake, which further underscored an important role especially of Asp475. Interestingly, despite a proposed essential role of this amino acid, we observed Asp475-independent transport. This transport was observed in mouse, but not in human OCT1 and was substrate-specific. TMH10 was identified to be involved in determining the Asp475-independent uptake of mouse OCT1.
Finally and most importantly, we analyzed the effects of sequence differences between human and mouse OCT1 on the transport kinetics of several OCT1 substrates. The transport kinetics differed strongly between human and mouse OCT1 orthologs. These differences were substrate-specific and affected both the affinity (KM) and capacity (vmax) of transport. Human OCT1 had an 8-fold higher capacity of trospium transport, while mouse OCT1 had an 8-fold higher capacity of fenoterol transport. Furthermore, mouse OCT1 had a 5-fold higher affinity for metformin transport compared to human OCT1. The difference between Phe32 in human and Leu32 in mouse OCT1 in TMH1 was identified to confer a higher capacity of transport by human compared to mouse OCT1, while the difference between Cys36 in human and Tyr36 in mouse OCT1 in TMH1 was identified to confer a higher capacity of transport by mouse compared to human OCT1. Furthermore, Leu155 in human OCT1, corresponding to Val156 in mouse OCT1 in TMH2, in concert with TMH3 were identified to confer the differences in affinity for metformin transport between the species.
It may be speculated that ligand binding in OCT1 involves a core binding region that includes Asp474/475 and that polyspecific ligand binding is enabled by providing further binding partners (different amino acids) in more peripheral regions that different ligands can selectively interact with. This mechanism may also be a first step in explaining the substrate-specific effects of genetic variants with clinical relevance. Based on our findings, these “polyspecificity regions” may include TMH1, TMH2, and TMH3. Further analyses are warranted to characterize and narrow down these regions to unravel the structure-function relationships and with that the polyspecificity of OCT1.
To summarize, variability in both ligand and transporter structure strongly affected OCT1 function and we were able to identify ligand structures that affect inhibitory potency and protein structures that confer species-specific differences in OCT1 transport. This work emphasizes again the complexity of OCT1 transport and structure-function relationships. We also showed that, in spite of the difficulties for experimental analysis and data interpretation that arise from the polyspecific nature of OCT1, polyspecificity can also be used as a tool to better understand the structure-function relationships of this transporter.
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.
OCT1 and OCT2 are polyspecific membrane transporters that are involved in hepatic and renal drug clearance in humans and mice. In this study, we cloned dog OCT1 and OCT2 and compared their function to the human and mouse orthologs. We used liver and kidney RNA to clone dog OCT1 and OCT2. The cloned and the publicly available RNA-Seq sequences differed from the annotated exon-intron structure of OCT1 in the dog genome CanFam3.1. An additional exon between exons 2 and 3 was identified and confirmed by sequencing in six additional dog breeds. Next, dog OCT1 and OCT2 were stably overexpressed in HEK293 cells and the transport kinetics of five drugs were analyzed. We observed strong differences in the transport kinetics between dog and human orthologs. Dog OCT1 transported fenoterol with 12.9-fold higher capacity but 14.3-fold lower affinity (higher KM) than human OCT1. Human OCT1 transported ipratropium with 5.2-fold higher capacity but 8.4-fold lower affinity than dog OCT1. Compared to human OCT2, dog OCT2 showed 10-fold lower transport of fenoterol and butylscopolamine. In conclusion, the functional characterization of dog OCT1 and OCT2 reported here may have implications when using dogs as pre-clinical models as well as for drug therapy in dogs.
Die Variabilität von Arzneimitteln wird nicht nur durch die Spezifität der Substanzen für die Zielstrukturen bestimmt, sondern auch durch die interindividuelIe Variabilität von eliminierenden Prozessen. Im Hinblick auf die demographische Entwicklung mit zunehmendem Alter Schwangerer scheint auch die Notwendigkeit einer therapeutischen Intervention der Schwangerschaft wahrscheinlicher. Effekte von maternal gegebenen Arzneimitteln auf das sich entwickelnden Kind sind die Hauptrisiken einer schwangerschafts-assoziierten Therapie. Die Plazenta bildet die Schnittstelle zwischen Mutter und Kind und ist sowohl an der Versorgung, als auch an der Protektion des Kindes beteiligt. Es konnte bereits in vorhergehenden Studien gezeigt werden, dass Transportproteine welche auch die Mitglieder der ABC (ATP-binding cassette) Transporter Familie einschließen, an der Schutzfunktion beteiligt sind. Aus diesem Grund wurde die Expression Lokalisation und Funktion von Mitgliedern der ABC-Transporter in der Plazenta untersucht. Näher betrachtet wurden P-Glykoprotein (ABCB1), Breast Cancer Restance Protein (ABCG2), Multidrug Resistance Protein 2 (MRP2) und MRP5. Quantitative Real-Time Reaktion ergab tue Expression der Transport in allen untersuchten 60 Proben von Früh- und Termingeburten. Nachgewiesen werden konnte eine mit den Gestationsalter abnehmende Expression von MRP5, während die MRP2 und P-Glykoprotein mRNA mit dem Gestationsalter anstieg. Western Blot Analysen von Membranpräparation zeigte ähnliche Ergebnisse. Mittels Immunfluoreszenz Mikroskopie konnte MRP5 hauptsächlich in der basalen Membran des Synzytiotrophoblasten und in der Umgebung voll fetalen Gefäßen nachgewiesen werden, während die anderen 'Transporter hauptsächlich in der apikalen Syzytiotrophohlasten- Mernbran lokalisiert waren. Darüber hinaus wurde die Veränderung der Expression der Transporter in isolierten Zytotrophoblasten untersucht. Diese Vorläuferzellen des Synzytiotrophoblasten differenzieren in vitro und bilden ein multinukleäres Synzytium. Es zeigte sich, dass mit zunehmender Differenzierung die Expression der Transporter mit der hCG-Sekretion - einem biochemischem Marker der Differenzierung- ansteigt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Expression der hier untersuchten Transporter vorn Gestationsalter abhängig ist und sich mit der Differenzierung der Cytotrophoblasten verändert.
Trotz intensiver Forschungsarbeit stellt die kardiale Toxizität von Doxorubicin auch heute noch ein therapielimitierendes Problem in der chemotherapeutischen Behandlung dar und ist nur unzureichend verstanden. In früheren Studien konnte gezeigt werden, dass sowohl in vitro als auch in vivo lipidsenkende Medikamente, wie Statine oder Probucol, in Komedikation positive Auswirkungen auf diese Nebenwirkung besitzen. Der bereits 1985 erstmalig beschriebene Anstieg des Serumcholesterolsspiegels konnte darüberhinaus in eigenen Voruntersuchungen im akuten Doxorubicin-Mausmodell bestätigt werden. Gleichzeitig wurden erhöhte Spiegel oxigenierter Cholesterolderivate in Serum, Herz und Leber nachgewiesen. Vor diesem Hintergrund, wurde die Hypothese aufgestellt, dass Doxorubicin die Bildung von Oxysterolen begünstigt und somit Einfluss auf die Cholesterolhomöostase nimmt. Es ist bekannt, dass erhöhte Cholesterol- und Oxysterolspiegel die Elektrophysiologie, genauer die Kalziumhomöostase in Kardiomyozyten beeinträchtigen, was auf eine mögliche Bedeutung dieser Beobachtung für die Kardiotoxizität hinweist. In der vorliegenden Arbeit konnte diese Hypothese erhärtet werden, indem zunächst sowohl auf RNA- und Proteinebeneeine gesteigerte Expression der Cholesteroleffluxtransporter ABCA1 und ABCG1 in Kardiomyozyten aber auch eine erhöhte Aktivität gezeigt werden konnte. Ursächlich für diese Beobachtung konnte in der Folge eine verstärkte Aktivierung des nukleären Transkriptionsfaktors und Oxysterolliganden LXR unter Doxorubicinexposition identifiziert und durch die Koinkubation von Doxorubicin mit LXR-Agonisten und–Antagonist bestätigt werden. Bei der Charakterisierung verschiedener Oxysterole konnte zudem für 24(S) Hydroxy- und 7 Ketocholesterol ein dem Doxorubicin-vergleichbaren Effekt auf die Expression Karditoxizitäts-assoziierter Gene (wie Gata4, Edn1, Tgfb) festgestellt werden, insbesondere das 7-Ketocholesterol zeigte zudem auch eine ausgeprägte Toxizität im HL-1-Zellmodell. Vor diesem Hintergrund wurde ein Tierversuch durchgeführt, bei dem der Einfluss einer Vorbehandlung mit einem LXR-Agonisten zur Verminderung der zellulären Cholesterolkonzentration durch Aufregulation der genannten Effluxtransporter einen Einfluss auf die akute Doxorobicin-induzierte Kardiotoxizität besitzt. Drei Tage nach der Doxorubicingabezeigte sich dabei für die Ejektionsfraktion in den mit dem LXR-Agonisten vorbehandelten Tieren ein signifikant verbesserter Wert. Dieser Effekt konnte allerdings in der Folge nicht aufrechterhalten werden. Ein Grund hierfür könnte in der zu geringen Halbwertszeit des LXR Agonisten, da dieser mit der Doxorubicingabe abgesetzt wurde, liegen. Trotzallem weisen die Daten auf eine Kardioprotektion hin, so dass weitere Untersuchung in diesem Bereich angestrebt werden sollten.
Purpose: Periodontitis is an inflammatory disease of the oral cavity with an alarmingly high prevalence within the adult population. The signaling lipid sphingosine-1-phosphate (S1P) plays a crucial role in inflammatory and immunomodulatory responses. In addition to cardiovascular disease, sepsis and tumor entities, S1P has been recently identified as both mediator and biomarker in osteoporosis. We hypothesized that S1P may play a role in periodontitis as an inflammation-prone bone destructive disorder. The goal of our study was to evaluate associations between periodontitis and S1P serum concentrations in the Study of Health in Pomerania (SHIP)-Trend cohort. In addition, we investigated the expression of S1P metabolizing enzymes in inflamed gingival tissue.
Patients and Methods: We analyzed data from 3371 participants (51.6% women) of the SHIP-Trend cohort. Periodontal parameters and baseline characteristics were assessed. Serum S1P was measured by liquid chromatography tandem mass spectrometry. The expression of S1P metabolizing enzymes was determined by immunofluorescence staining of human gingival tissue.
Results: S1P serum concentrations were significantly increased in subjects with both moderate and severe periodontitis, assessed as probing depth and clinical attachment loss. In contrast, no significant association of S1P was seen with caries variables (number and percentage of decayed or filled surfaces). S1P concentrations significantly increased with increasing high-sensitivity C-reactive protein (hs-CRP) levels. Interestingly, inflamed compared to normal human gingival tissue exhibited elevated expression levels of the S1P-generating enzyme sphingosine kinase 1 (SphK1).
Conclusion: We report an intriguingly significant association of various periodontal parameters with serum levels of the inflammatory lipid mediator S1P. Our data point towards a key role of S1P during periodontitis pathology. Modulation of local S1P levels or its signaling properties may represent a potential future therapeutic strategy to prevent or to retard periodontitis progression and possibly reduce periodontitis-related tooth loss.
Die koronare Herzkrankheit ist die häufigste Todesursache in den Ländern der westlichen Welt. Dem Endothelin-System wird zunehmend eine Rolle in der Pathogenese der Atherosklerose und der koronaren Herzkrankheit (KHK) zugesprochen. Das Endothelin-Converting Enzyme (ECE) katalysiert im letzten Schritt des Endothelin-Systems die Bildung des aktiven Endothelins aus seinem inaktiven Vorläufer big-Endothelin. In dieser Arbeit wurde die Assoziation der beiden Polymorphismen G-377A und C-854T in der Promotorregion des ECE-1a, einer Isoform des ECE, zum Risiko der KHK in einem großen Kollektiv von 1000 Patienten mit einer angiografisch verifizierten KHK und 1000 Kontroll-Patienten untersucht. Die Untersuchung ergab für die Variante G-377A eine Häufigkeit des A-Allels von 10,44% in der KHK-Gruppe gegenüber 10,69% in der Kontrollgruppe. Für die Variante C-854T ergab sich eine Häufigkeit des T-Allels von 8,05% in der KHK-Gruppe gegenüber 7,24% in der Kontrollgruppe. Beim Vergleich der Genotypenverteilung mittels x2-Test ergab sich für beide Varianten kein signifikanter Unterschied (p=0.71 bzw. p=0.63). Für beide Varianten erfolgten Stratifizierungen nach allgemeinen Faktoren wie Alter und Geschlecht und nach den verschiedenen Risikofaktoren einer KHK, die insgesamt keine signifikanten Verteilungsunterschiede ergaben. Zusammenfassend konnte kein Beweis einer Assoziation der beiden Polymorphismen zum Risiko der koronaren Herzkrankheit erbracht werden
Gadoxetate ist ein neuartiges gadoliniumhaltiges leberspezifisches paramagnetisches Kontrastmittel. Es wird nur über funktionell intakte Leberzellen aufgenommen. Der Aufnahmemechanismus von Gadoxetate beim Menschen ist unbekannt. Es gibt Hinweise aus In-vitro und In-vivo Studien an Ratten, dass Gadoxetate ein Substrat für Vertreter der lebespezifischen organic anion-transporting polypeptides (OATP) Familie ist. Daher war das Ziel der vorliegenden Dissertation, den Einfluss der häufigsten funktionellen Varianten der hepatischen Aufnahmetransporter OATP1B1 und OATP1B3 In-vitro und In-vivo am Menschen zu untersuchen. Methode: Es wurden 36 gesunde Probanden kaukasischer Abstammung entsprechend ihres OATP1B1- und OATP1B3-Haplotyps ausgewählt und den Gruppen wie folgt zugeordnet: OATP1B1/1B3 Wildtyp (n=10), OATP1B1 *1b/*1b (n=8), OATP1B1 *15/*15 und *5/*15 (n=8), OATP1B1 *1a/*5 (n=6) und OATP1B3 *4/*4 (N=4). Nach einer Injektion von 0,1 ml/kg/KG wurden die pharmakokinetischen Parameter und das hepatische enhancement durch Gadoxetate (mittels T1- gewichteter MRT) gemessen. In-vitro Studie: Die Effekte von OATP1B1, OATP1B3 und ihrer funktionellen Varianten auf die zelluläre Aufnahme von Gadoxetate wurde mittels validierter stabil transfizierter HEK-Zellen untersucht. Die Gadoxetate-Konzentrationen in Plasma, Urin, Stuhl und Zellen wurden mittels Flüssigchromatographie-Tandemmassenspektrometrie (LC-MS/MS) bestimmt. Ergebnisse: Die Transportaktivität der Proteinvariante OATP1B1p.130Asp und OATP1B3p.233Ile war erhöht während die der Varianten OATP1B3p.112Ala und OATP1B3p.522Cys sowie der OATP1B1p.130Asp/174Ala Varianten erniedrigt war im Vergleich zu den Wildtypproteinen. Das hepatische Enhancement mit Gadoxetate war in den Gruppen OAT1B1 *1a/*5 und *15/*15 und *5/*15 deutlich reduziert im Vergleich zu den OATP1B1 *1a/*1a und *1b/*1b-Trägern. OATP1B3*4/*4 hatten keinen funktionellen Einfluss auf die hepatische Aufnahme von Gadoxetate. Keiner der pharmakokinetischen Parameter wurde durch OATP1B1 und OATP1B3 Varianten signifikant beeinflusst. Zusammenfassend konnte diese Untersuchung bestätigen, dass Gadoxetate ein Substrat von OATP1B1 und OATP1B3 ist. Wir konnten nachweisen, dass zumindest die OATP1B1 Varianten von klinischer Bedeutung für die hepatische Aufnahme von Gadoxetate in gesunden Probanden sind. OATP1B1-Haplotypen können eine Rolle bezüglich der interindividuellen Variabilität in dem hepatischen enhancement durch Gadoxetate spielen. Weitere klinische Studien sind erforderlich, um die hier gewonnenen Ergebnisse zu bestätigen.
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.
Das Glioblastoma multiforme stellt den häufigsten primären Gehirntumor Erwachsener dar, der mit einer Überlebenszeit von 12-15 Monaten nach Diagnosestellung und einer 5-Jahresüberlebensrate von weniger als 5% einhergeht. Um in der Zukunft personalisierte Therapieverfahren für das Glioblastoma multiforme entwickeln und auf diese Weise das Überleben der Patienten verlängern zu können, wird nach relevanten molekularen Faktoren für die Malignität des Glioblastoma multiforme gesucht. Die DNA-Methylierung stellt einen bekannten Mechanismus für die epigenetische Modulation der Genexpression dar und spielt eine entscheidende Rolle in der Dysregulation von Protoonkogenen und Tumorsuppressorgenen während der Krebsentwicklung. Die Promotormethylierung des für das DNA-Reparaturenzym MGMT kodierenden Genes sowie die Arzneimitteltransporter ABCB1 und ABCG2 werden als Auslöser der Chemoresistenz des Glioblastoma multiforme diskutiert. Um die Promotormethylierung der Gene MGMT, ABCB1 und ABCG2 zu untersuchen, wurden in der vorliegenden Arbeit Pyrosequencing-Assays für die Methylierungsmessung der Genpromotoren von MGMT, ABCB1 und ABCG2 sorgfältig etabliert. Dabei wurde die Methode des Pyrosequencing zur Detektion der Methylierung gewählt, da diese eine exakte Quantifizierung des Methylierungsgehalts erlaubt. Die Ergebnisse der verwendeten Assays erwiesen sich als sehr valide und reliabel. Darüber hinaus wurde mittels Real Time-PCR die MGMT-, ABCB1- und ABCG2-Expression in den Glioblastomproben bestimmt. Da in der Fachliteratur Auswirkungen der Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) MGMT C-56T, ABCB1 C3435T und ABCG2 C421A auf die Expression und Funktion der in die Untersuchungen eingegangenen Gene beschrieben worden sind, wurden diese SNPs ebenfalls in den Glioblastomproben bestimmt und zu den Methylierungsdaten in Beziehung gesetzt. Durch die statistische Auswertung der erhobenen Promotormethylierungs- und Expressions- sowie SNP-Ergebnisse ergaben sich eine signifikant negative Korrelation zwischen MGMT-Methylierung und -Expression in den Glioblastomproben sowie ein signifikanter Zusammenhang zwischen der MGMT-Methylierung und dem MGMT C-56T-Polymorphismus. Hinsichtlich der klinischen Daten der Glioblastompatienten konnte mittels bivariater und multivariater Cox-Analysen kein signifikanter Einfluss von MGMT-, ABCB1- und ABCG2-Promotormethylierung auf das Gesamtüberleben von Glioblastompatienten in der vorliegenden Arbeit festgestellt werden. Daneben war kein signifikanter Einfluss des Alters der Patienten bei Diagnosestellung sowie des Geschlechts auf die Promotormethylierung der Gene MGMT, ABCB1 und ABCG2 nachweisbar. Insgesamt kann geschlussfolgert werden, dass die MGMT-, ABCB1- und ABCG2-Promotormethylierung keine prognostische Relevanz für Glioblastompatienten besitzen und die Suche nach anderen molekularen Zielstrukturen in Glioblastomen, die möglicherweise eine prognostische Aussage oder die Grundlage für eine Therapieoptimierung für Patienten mit einem Glioblastom erbringen könnten, zu erwägen ist.
Trotz multimodaler Behandlungschemata bestehend aus Resektion, Chemotherapie und Radiatio stellt das Glioblastoma multiforme nach wie vor eine große Herausforderung auf onkologischem Gebiet dar. Dieser hochmaligne Hirntumor ist durch eine hohe zelluläre Proliferationsrate, diffuse Infiltration, Anwesenheit von Nekrosen, Angiogenese, mikrovaskuläre Hyperplasie, Apoptoseresistenz und genomische Instabilität charakterisiert. Aufgrund der Invasivität und Rezidivierung beträgt das mediane Gesamtüberleben der Patienten mit einem Glioblastom nur 15 Monate, so dass eine intensive Erforschung neuer Therapiestrategien zwingend erforderlich ist. Eine onkogene Funktion des Transkriptionsfaktors MEF (Myeloid ELF-1-like Factor) ist bereits für andere Tumorentitäten wie Ovarialkarzinome und akute myeloische Leukämie beschrieben. Seine Wirkung vermittelt MEF in diesen Tumoren sowohl über eine Inhibition des p53-Signalwegs als auch p53-unabhängig. In Gehirntumoren ist bislang die Bedeutung der Expression und Funktion von MEF vollkommen unerforscht. In der vorliegenden Arbeit kann erstmals eine signifikante Überexpression von MEF in humanen Glioblastomen verglichen mit gesundem Gehirngewebe nachgewiesen werden. Die Analyse der unterschiedlichen, molekularbiologisch definierten Subtypen des Glioblastoma multiforme zeigte, dass Patienten mit proneuralen Glioblastomen bei niedriger MEF-Expression signifikant länger überleben als Patienten desselben Subtyps mit hoher MEF-Expression. Eine signifikante Häufung der für den proneuralen Subtyp charakteristischen IDH1-Mutation unter den Patienten mit niedriger MEF-Expression und längerem Gesamtüberleben unterstreicht den Einfluss von MEF auf die Progression des proneuralen Glioblastomsubtyps. Äquivalent zu den humanen Daten überleben in einem speziell für den proneuralen Glioblastomsubtyp etablierten Mausmodell Gliom-tragende Mef-/--Mäuse signifikant länger als die entsprechenden Mef-exprimierenden Mäuse. Mef-/--Mäuse weisen zudem signifikant benignere Gliome als die Mef-exprimierenden Mäuse auf. Die Mef-abhängige Entstehung der Gliome wird zum einen über eine stärkere, p53-unabhängige Zellproliferation hervorgerufen, die mit einer erniedrigten p21-Expression in den Mef-exprimierenden Zellen verglichen mit den Mef-/--Zellen assoziiert ist. Zum anderen bewirkt MEF eine signifikante, p53-unabhängige Zunahme von tumorinitiierenden Glioblastomstammzellen sowie ihrer Selbsterneuerung, was anhand einer gesteigerten Neurosphärenbildung, einer Zunahme der die Stammzellen enthaltenden Side Population und einer verstärkten Expression des neuronalen Stammzellmarkers Nestin verdeutlicht wird. Zusätzliche Expressionsanalysen weisen darauf hin, dass MEF direkt über eine Regulation des Transkriptionsfaktors Sox2 als wichtige Komponente im Netzwerk der Stammzell-Signaltransduktion wirkt, während die Transkriptionsfaktoren Oct4 und Nanog möglicherweise indirekt durch MEF beeinflusst werden. Eine für die Radiotherapie von Glioblastompatienten relevante Funktion könnte MEF ebenfalls besitzen, da sich humane Glioblastomzellen gemäß Analysen der subG1-Phase des Zellzyklusses unter Radiotherapie signifikant apoptoseresistenter verhalten, wenn sie MEF exprimieren als bei dessen Verlust. Zusammenfassend geben die Daten dieser Arbeit Anlass zur Hoffnung, in MEF ein für die Tumorentität des Glioblastoma multiforme bedeutsames Onkogen identifiziert zu haben, welches neben seiner wissenschaftlichen Novität zukünftig im klinischen Alltag eine Bedeutung als prognostischer Marker haben könnte. Gemäß den Daten dieser Arbeit könnten insbesondere Patienten, die die molekularen Besonderheiten des proneuralen Subtyps, wie eine IDH1-Mutation, aufweisen, von einer individualisierten Therapie mit MEF-Inhibitoren profitieren, denn Patienten mit einem Glioblastom des proneuralen Subtyps sowie einer niedrigen MEF-Expression zeigen einen signifikanten Überlebensvorteil. Durch eine Behandlung mit einem MEF-Inhibitor könnte bei Glioblastompatienten des proneuralen Subtyps mit hoher MEF-Expression die Wirkung des Onkogens MEF gehemmt und damit das Überleben der Patienten verlängert werden.
Viele periphere Blutzellen exprimieren ABC-Transporter an ihrer Zelloberfläche. Insbesondere konnten ABCC4 (MRP4) und ABCC5 (MRP5), die in Plasmamembranen verschiedener peripherer Blutzellen identifiziert wurden, spezifische Funktionen für die entsprechenden Zellpopulationen, wie z.B. die Mediatorspeicherung in den dichten Granula der Thrombozyten zugewiesen werden. Alle reifen Blutzellen stammen von derselben Stammzelle ab, sodass man annehmen muss, dass sich die spezifische Funktionalität und die dazugehörige zelluläre Ausstattung erst im Verlauf der Differenzierung ausbilden. Inwiefern sich diese Prozesse während der Differenzierung auf die Expression und Lokalisation von MRP4 und MRP5 auswirken, wurde bisher nicht untersucht. So wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Zellmodell zur Isolierung CD34-positiver hämatopoetischer Stammzellen aus Nabelschnurblut entwickelt. Dies beinhaltete zudem die Behandlung CD34-positiver Zellen mit bestimmten Wachstumsfaktoren zur Differenzierung in die thrombozytäre und die myelomonozytäre Richtung. Darüber hinaus wurden die Leukämiezelllinien K562 und HL60 mit PMA, DMSO und Butyrat ausdifferenziert. Erstere in Richtung Thrombozyten, letztere in Richtung Makrophagen, Granulozyten und Monozyten. Der Differenzierungsnachweis wurde mittels FACS-Analyse geführt und die Expression von MRP4 und MRP5 im Anschluss auf mRNA und Protein-Ebene, mittels Real-Time PCR, Immunhistochemie, Western Blot und Akkumulationsassay erforscht. In den thrombozytär differenzierten CD34-positiven Zellen fand sich ein signifikant positiv korreliertes Verhältnis von MRP4 zu CD41a (Glykoprotein IIb/IIIa), hingegen eine negative Korrelation von MRP5 zu CD41a. Außerdem konnte im Laufe der Differenzierung in der Immunfluoreszenz eine zunehmende intrazelluläre Expression von MRP4 und eine Kolokalisation mit LAMP-2, einem Lysosomen- und Dense-Granula-Marker, gezeigt werden. Die myelomonozytären Zellen wiesen eine signifikante Reduktion an MRP4 und ebenfalls eine Verminderung der MRP5-Expression auf. In der Differenzierung der leukämischen Zelllinien wurde eine generelle Zunahme von MRP4 und MRP5 mit der Entdifferenzierung der Zellen in allen Linien gefunden. Die komplexen Vorgänge im Verlauf der menschlichen Hämatopoese umfassen also auch Veränderungen an MRP4- und MRP5-Expression in Qualität und Quantität. Sowohl in der physiologischen als auch in der pathologischen Zellentwicklung findet sich eine Regulation dieser beiden Transporter. Die Ergebnisse der Arbeit stützen die Annahme, dass MRP4 eine wichtige Rolle im Metabolismus der Thrombozyten spielt, hier besonders in der Speicherung und Freisetzung von cGMP, ADP und Serotonin. Die Transporterexpression in den Leukämiezelllinien steigt mit der Entdifferenzierung der Zellen. Aus dieser Erkenntnis ergeben sich therapeutische Überlegungen, Differenzierungsagenzien zur Überwindung der Multi-Drug-Resistenz mit Chemotherapeutika zu kombinieren.
Der Nukleäre Rezeptor SHP1 ist ein zentrales Stellglied zahlreicher biologischer Prozesse. So reguliert SHP1 über direkte Protein-Protein-Interaktion mit Nukleären Rezeptoren Stoffwechselwege, wie den Gallensäure-, Cholesterin- und Lipidmetabolismus sowie die Glucosehomöostase und den Arzneimittelstoffwechsel. Erweiternd konnte kürzlich ein tumorsupprimierender Effekt des SHP1 gezeigt werden. So wurde die Entwicklung eines Hepatozellulären Karzinoms im Mausmodell in Abwesenheit des SHP1 beschrieben. Es ist bekannt, dass SHP1 nicht nur in hepatischem Gewebe, sondern auch in Lunge, Herz, Milz, Dünndarm, Pankreas, Niere, Nebenniere und Hirn exprimiert ist. In einer orientierenden Expressionsanalyse konnten wir eine verminderte SHP1 Expression in Tumorentitäten der Organe Niere, Lunge und Magen zeigen. Diese Ergebnisse konnten in den Proben einer Kohorte von an einem klarzelligen Nierenzellkarzinom erkrankten Patienten verifiziert werden. Es zeigte sich eine signifikant verminderte SHP1 Expression im klarzelligen Nierenzellkarzinom (RCC) im Vergleich zu Nierengewebe. Nachfolgend konnten wir mittels adenoviral vermittelter Überexpression des SHP1 in einem Zellmodell des RCC einen antiproliferativen Effekt des SHP1 im RCC zeigen. Bisher wurde die Vermittlung dieser antiproliferativen Komponente über eine Hemmung des CyclinD1 durch SHP1 vermutet. Zwar konnten wir im Einklang hiermit eine verminderte CyclinD1 Expression im RCC gegenüber Niere detektieren, nach Überexpression des SHP1 zeigte sich jedoch keine Suppression des CyclinD1, so dass davon auszugehen ist, dass die antiproliferative Wirkung des SHP1 im RCC über andere Zielstrukturen vermittelt wird. Da sich das RCC durch eine hohe Chemotherapieresistenz auszeichnet und SHP1 in den Arzneimittelstoffwechsel involviert ist, untersuchten wir den Einfluss des SHP1 auf die Chemosensitivität des RCC. Hier konnten wir zunächst keinen Einfluss des SHP1 auf die Viabilität des zellulären Modells des RCC durch die Substanzen Vinblastin, Temsirolimus und Sunitinib zeigen. Dennoch ist ein Einfluss des SHP1 auf die Proliferationshemmung durch diese Substanzen nicht auszuschließen. Abschließend untersuchten wir Ursachen für die verminderte SHP1 Expression im RCC. Hier zeigte sich, dass sowohl eine verminderte Expression von Aktivatoren des SHP1 als auch genetischen Varianten in der Promotorregion des SHP1 zunächst nicht ursächlich für die Minderexpression im RCC zu sein scheinen. Zusammenfassend konnten wir den Nukleären Rezeptor SHP1 als Tumorsuppressorgen des klarzelligen Nierenzellkarzinoms, dessen Pathogenese nach dem heutigen Wissensstand nicht geklärt ist, identifizieren. Basierend auf der antiproliferativen Wirkung könnte der SHP1 zukünftig ein Zielmolekül einer pharmakologischen Therapie des RCC darstellen.
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.
Das bisherige Wissen über den Einfluss von pharmazeutischen Hilfsstoffen auf die Funktion von Arzneistofftransportern ist insbesondere für die pharmakokinetisch bedeutsame Gruppe der Aufnahmetransporter sehr beschränkt. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten in vitro Untersuchungen liefern umfangreiche und systematische Daten zu inhibitorischen Effekten von häufig verwendeten pharmazeutischen Hilfsstoffen auf die Transportfunktion der in vielen pharmakologisch bedeutsamen Geweben exprimierten organic cation transporter (OCT) 1-3 sowie H+/peptide cotransporter (PEPT) 1/2. Für viele dieser pharmakokinetisch-relevanten Aufnahmetransporter sind es die erstmals beschriebenen Interaktionen mit pharmazeutischen Hilfsstoffen.
Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass der pharmazeutische Hilfsstoff Cremophor® EL (CrEL) neben der bereits bekannten Hemmung von Phase-I-Metabolismus und Effluxtransport auch die zelluläre Aufnahme von Arzneistoffen beeinflusst, wie am klinisch relevanten Beispiel des Doxorubicin dargestellt wurde. Hierbei beeinflusste der genannte Hilfsstoff die zelluläre Akkumulation von Doxorubicin über die Aufnahmetransporter organic anion transporting polypeptide (OATP) 1A2 sowie OCT1, OCT2 und OCT3 in artifiziellen Zellmodellen und zeigte sich zudem auf funktioneller Ebene anhand einer erheblich veränderten Zytotoxizität in MDA-MB-231 Brustkrebszellen. Auf diesem Wege könnten pharmazeutische Hilfsstoffe zusammen mit Transporter-Polymorphismen wie beispielsweise für OATP1A2, deren Rolle für Doxorubicin in dieser Arbeit auch untersucht wurde, für unaufgeklärte Veränderungen sowie Variabilität der Pharmakokinetik, Effektivität und Sicherheit von Arzneistoffen verantwortlich sein.
Die spezifische Normalisierung von in vitro Transportdaten auf den Transportproteingehalt anstelle des Gesamtproteingehaltes kann dabei zur erheblichen Verbesserung der Beurteilung von Transportaktivitäten einzelner Transportproteine sowie deren Beteiligung am Transportprozess eines Arzneistoffes beitragen, wie für die Aufnahme von Doxorubicin und der damit assozierten Zytotoxizität über die OATP1A2-Varianten gezeigt werden konnte.
In der durchgeführten in vivo Studie zeigten sich durch CrEL hervorgerufene Veränderungen in der systemischen Pharmakokinetik sowie noch weit drastischere Auswirkungen auf die Akkumulation des Modellarzneistoffes Clarithromycin (CLA) am Wirkort in der Lunge. Die Hemmung des Cytochrom P450 (CYP) 3A-Metabolismus und des multidrug resistance protein 1 (ABCB1)-vermittelten Effluxtransportes in Leber, Nieren und alveolären Makrophagen konnte hierbei als möglicher Mechanismus für die erhöhte Exposition von CLA im Blutplasma und in den bronchoalveolären Lavage-Zellen identifiziert werden. Allerdings ist die Interpretation von derartigen in vivo-Befunden aufgrund des komplexen und zum Teil simultan ablaufenden Wechselspiels von zahlreichen Aufnahme- und Effluxtransportern sowie von Metabolisierungsenzymen nicht eindeutig konklusiv.
Derartiges Wissen zur Interaktion pharmazeutischer Hilfsstoffe mit pharmakologisch bedeutsamen Enzymen und Transportern kann dazu beitragen, gewünschte Wirkungen zu verstärken sowie unerwünschte Effekte zu minimieren. Das Zusammenspiel der Einflüsse von pharmazeutischen Hilfsstoffen auf Metabolismus, Efflux und Aufnahme kann somit sowohl zu synergistischen als auch zu antagonistischen Effekten auf die Absorption, Verteilung und Elimination eines Arzneistoffes führen. Weiterhin sollte berücksichtigt werden, dass viele Erkrankungsbilder sowie Polymorbidität nicht selten die Therapie mit mehreren Arzneimitteln erfordern, welches auch mit einem erhöhten Risiko für Arzneistoff-Hilfsstoff-Interaktionen verbunden ist.
Die Erkenntnisse dieser Arbeit zum Einfluss von häufig verwendeten Hilfsstoffen auf die Funktion von Arzneistofftransportern unterstreichen, dass von den zunächst als pharmakologisch inert eingestuften Substanzen in Arzneimitteln durchaus pharmakokinetische Effekte ausgehen können.
Dieses Wissen sollte insbesondere bei der präklinischen Entwicklung von Arzneistoffen berücksichtigt werden. Andernfalls drohen möglicherweise Fehlinterpretationen, wenn neue Entwicklungskandidaten in Anwesenheit von pharmazeutischen Hilfsstoffen (z.B. zur Verbesserung der Löslichkeit) auf ihre Affinität zu Metabolisierungsenzymen und Transportern geprüft werden.
Neben der etablierten Anwendung als pharmazeutischer Hilfsstoff rückt in der letzten Zeit auch vermehrt die Nutzung von beispielsweise Cyclodextrinen wie Hydroxypropyl-β-cyclodextrin als Wirkstoff zur Behandlung von Krankheiten wie Krebs oder Arteriosklerose in den Fokus der Forschung. Weitere Untersuchungen zum Einfluss von pharmazeutischen Hilfsstoffen und deren Potential zur Interaktion mit Arzneistoffen, der Optimierung bestehender Therapien sowie möglicher Anwendungen als Wirkstoff sollten im Fokus künftiger in vitro und in vivo Studien stehen.
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.
Das Glioblastom ist ein hochmaligner und aggressiver Hirntumor, der von der WHO als Grad IV eingestuft wird. Die Betroffenen haben eine mittlere Überlebenszeit von 12 bis 15 Monaten, was auf dem invasiven Wachstum und der Chemo- und Radioresistenz des Tumors beruht. Dadurch existiert keine kurative Behandlung und es kommt in nahezu allen Fällen zu Rezidiven. Zunehmend wird deutlich, dass das Glioblastom einen stark veränderten Energiestoffwechsel aufweist, wobei das sogenannte lipidomic remodelling (Koundouros und Poulogiannis, 2020), welches für maßgebliche Alterationen im Fettsäuremetabolismus sorgt, besonders interessant erscheint. Die Fettsäureoxidation sowie damit assoziierte Prozesse und Proteine sind als eine bedeutende Energiequelle in den Fokus der Forschung getreten. So auch der hoch-affine Carnitintransporter OCTN2 (SLC22A5), welcher essentiell für den Carnitinhaushalt und damit die β-Oxidation der Zelle ist. In der vorgelegten Arbeit wurde daher das komplexe OCTN2/L-Carnitin System in seiner Funktion als potenzielle pharmakologische Zielstruktur zur therapeutischen Intervention beim Glioblastom tiefergehend untersucht und vorhandenes Wissen weiter ausgebaut. Hierzu diente eine Vielzahl experimenteller Bedingungen und Methoden, um Teilcharakteristiken des Glioblastoms darzustellen und die Bedeutung des OCTN2/L-Carnitin System zu überprüfen.
Da in vorausgegangenen Studien eine erhöhte Expression von OCTN2 mit einem signifikant schlechteren Überleben von Patienten mit Glioblastom nachgewiesen werden konnte, wurden als weitere potentiell interessante Zielstrukturen der niedrig-affine Carnitintransporter OCTN1 (SLC22A4) sowie Komponenten der β-Oxidation (CPT1C, CRAT) in die Patientenanalysen eingeschlossen. Zwar konnte für OCTN1 eine signifikant erhöhte mRNA-Expression in den humanen Glioblastomproben festgestellt werden, diese war jedoch nicht mit dem Überleben der Patienten assoziiert. Auch CPT1C und CRAT zeigten sich nicht als relevante Zielstrukturen beim Glioblastom.
In den durchgeführten Zellkulturexperimenten mit humanen LN-18 und murinen GL261 Glioblastomzellen zeigten sich partiell signifikante Effekte auf die wachstumsfördernden Kinasen AKT1 und ERK1/2, deren Phosphorylierungsgrad durch L-Carnitin moduliert wurde und die damit möglicherweise an carnitinvermittelten Wirkungen beteiligt sein könnten. Auf die Zellviabilität und Zellvitalität ließen sich hemmende Wirkungen des OCTN2-Inhibitors Meldonium sowie des CPT1-Hemmstoffes Etomoxir nachweisen, welche teilweise durch die zusätzliche Gabe von L-Carnitin revertiert wurden. Hinsichtlich der durch Zytostatika (Doxorubicin, Carmustin, Vincristin und Temozolomid) induzierten Apoptose konnte L-Carnitin nur die durch Carmustin in niedriger Dosierung ausgelöste Caspase-3 Aktivierung verhindern. Ein durch L-Carnitin ausgelöster Effekt auf die Migration der Glioblastomzellen konnte nicht nachgewiesen werden, jedoch wurde die migratorische Aktivität durch die Zytostatika Temozolomid und Carmustin, sowie interessanterweise auch durch den CPT1-Inhibitor Etomoxir, beeinträchtigt.
Um die Möglichkeit einer zielgerichteten Therapie gegen das OCTN2/L-Carnitin System präklinisch zu evaluieren, wurden tierexperimentelle Studien durchgeführt. Unter Verwendung eines orthotopen Glioblastommodelles der Maus konnte gezeigt werden, dass Etomoxir und Meldonium einen hemmenden Einfluss auf das in vivo Tumorwachstum besitzen, wobei dieser Effekt nur für den OCTN2-Inhibitor Meldonium signifikant ausfiel. In den OCTN2-defizienten jvs(-/-)-Mäusen konnte keine ausreichende Anzahl von Versuchstieren erreicht werden, um zuverlässige und finale Aussagen zu tätigen. In den heterozygoten jvs(+/-)-Mäusen, die zwar phänotypisch unauffällig sind, aber durch die geringere OCTN2 Ausstattung verminderte Carnitin-Gewebespiegel aufweisen, zeigte sich eine leichte, nicht signifikante Reduktion des intrazerebralen Tumorwachstums im Vergleich zu den C57BL/6-Wildtyp Mäusen.
Zusammenfassend wurde in der vorliegenden Arbeit das OCTN2/L-Carnitin System und seine Bedeutung für das Glioblastom umfassend dargelegt und experimentell überprüft. Als Endresultat dieser Studie können Etomoxir und Meldonium als Substanzen zur zielgerichteten Beeinflussung des Glioblastomwachstums angesehen werden und sollten in weiteren Versuchsreihen detailliert auf ihre Eignung für die Entwicklung neuer Therapieformen überprüft werden.
Der ß-Adrenozeptorenblocker Talinolol (TAL) und das Herzglykosid Digoxin (DIG) sind geeignete Substrate, um die Expression von intestinalem P-Glykoprotein beim Menschen zu untersuchen.. Basierend auf der Tatsache, dass Digoxin-Plasmaspiegel bei hyperthyreoten Patienten niedriger sind als bei euthyreoten Personen, sollte mit der vorliegenden Arbeit untersucht werden, ob Schilddrüsenhormone einen Einfluss auf die intestinale P-gp-Expression haben. Dazu wurde an 8 gesunden Probanden (4 männl., 4 weibliche, 22-29 Jahre) die Pharmakokinetik von intravenös (30 mg) und oral (100 mg) appliziertem Talinolol vor und nach 17tägiger Gabe von Thyroxin untersucht. Mittels Immunhistochemie und RT-PCR wurde die intestinale P-gp-Expression in Dünndarmbiopsien, welche den Probanden vor und nach Thyroxin-Gabe entnommen wurden, bestimmt. Ergebnisse: (1) Durch 17tägige Gabe von Thyroxin lässt sich bei gesunden Probanden das Bild einer subklinischen Hyperthyreose erzielen. (2) Nach der Behandlung mit Thyroxin war sowohl in der Immunhistochemie als auch in der RT-PCR ein Anstieg der P-gp-Expres-sion zu beobachten. (3) Die pharmakokinetischen Daten nach oraler Gabe von Talinolol weisen darauf hin, dass Thyroxin ein Induktor des Transportproteins P-gp sein könnte (Abnahme der Bioverfügbarkeit, signifikante Abnahme der Halbwertszeit). Nach intravenöser Applikation konnte keine Veränderung der Pharmakoki-netik von Talinolol gezeigt werden. Schlussfolgerung: Die vorliegenden Ergebnissen zeigen, dass Thyroxin die Expression von intestinalem P-gp induziert. Aufgrund dieses Effektes ist damit zu rechnen, dass die Therapie mit Arzneimitteln, die durch P-gp transportiert werden, bei hyperthyreoten Patienten beeinflusst wird.
Der klinische Erfolg einer Arzneimitteltherapie wird maßgeblich durch pharmakokinetische Eigenschaften eines Arzneistoffes bestimmt. Dieser ist unter anderem vom Transport und der Verteilung des Arzneistoffes in die Zielkompartimente abhängig. Während der Einfluss intestinal exprimierter Transportproteine auf die Absorption eines Arzneistoffes nach oraler Gabe bereits umfassend untersucht wurde, ist die Beteiligung dieser Proteine bei der Verteilung von Xenobiotika in die jeweiligen Wirkkompartimente ist bisher weniger umfassend untersucht. Ein Beispiel ist die pulmonale Penetration eines oral verabreichten Arzneistoffes. Es gibt erste Hinweise, die auf eine Beteiligung von Transportproteinen an der Akkumulation von beispielsweise Makrolidantibiotika in der Lunge schließen lassen. Ziel dieser Arbeit war, die Expression von für den Arzneimitteltransport wichtigen Proteinen in unterschiedlichen Kompartimenten der Lunge und gleichzeitig den Einfluss dieser auf die Verteilung von Arzneistoffen in die pulmonale Epithelialflüssigkeit und die bronchoalveolären Lavagezellen zu untersuchen. Die klinisch indizierte Kombinationstherapie eines Makrolides mit Rifampicin zur Eradikation von Rhodococcus equi in Fohlen bietet eine geeignete Grundlage dafür. Zur Auswertung pharmakokinetischer Untersuchungen entwickelten und validierten wir eine Flüssigchromatographie-Tandemmassenspektrometrie (LC-MS/MS)-Methode. Diese ermöglichte die Quantifizierung von Clarithromycin, 14-Hydroxyclarithromycin, Rifampicin und dessen Hauptmetaboliten 25-O-Desacetylrifampicin sowohl in den Proben der tierexperimentellen Studien als auch in den Zelllysaten der in vitro-Untersuchungen. In zwei Interaktionsstudien an gesunden Fohlen sollte der Einfluss einer chronischen Komedikation von Rifampicin, einem Induktor der Genexpression von ABC-Transportern, auf die Verteilung der Makrolide Tulathromycin bzw. Clarithromycin in die pulmonalen Kompartimente untersucht werden. Hierbei stellten wir nach Rifampicingabe eine deutliche Abnahme der Akkumulation beider Makrolide in den pulmonalen Kompartimenten fest. Die mittels TaqMan®-Methoden durchgeführten Genexpressionsuntersuchungen ergaben den unerwarteten Befund einer fehlenden Induktion der mRNA von ABCB1 und ABCC2 durch Rifampicin. Für Clarithromycin ist bekannt, dass es ein Substrat von ABCB1 und ABCC2 ist. In in vitro-Transportstudien an überexprimierenden Zellmodellen sowie Vesikeln transfizierter Zellen zeigten wir, dass Tulathromycin keine Affinität zu den genannten Transportproteinen besitzt. Somit konnten die pulmonalen Auswärtstransporter nicht ursächlich sein für den Verlust an Makrolidkonzentration an ihrem Wirkort. Gleichzeitig sank die orale Bioverfügbarkeit von Clarithromycin signifikant um mehr als 90% wohingegen die Bioverfügbarkeit von Tulathromycin nur um 25% sank. Dieser drastische Verlust an Bioverfügbarkeit von Clarithromycin konnte weder allein mit einem gesteigerten intestinalen Efflux noch durch den gesteigerten hepatischen Metabolismus des CYP3A4-Substrates erklärt werden. Diese Ergebnisse weisen auf eine Beteiligung anderer intestinaler Aufnahmemechanismen hin. Die anschließend durchgeführte Studie zur Untersuchung der akuten Interaktion von Clarithromycin und Rifampicin erbrachte ähnliche Ergebnisse bezogen auf die pulmonalen Kompartimente. Die orale Absorption war jedoch um „nur“ 70% reduziert. Den Unterschied von etwa 20% in der Veränderung der oralen Absorption von Clarithromycin verglichen zur chronischen Therapie konnten wir mit der nach akuter Komedikation ausbleibenden Induktion von ABCB1, ABCC2 und dem Biotransformationsenzym CYP3A4 begründen. Auffallend waren die verdoppelten Verhältnisse der Konzentration von Clarithromycin in der Epithelialflüssigkeit verglichen zum Plasma sowohl nach chronischer als auch nach akuter Komedikation. Die weiteren Transportuntersuchungen an transfizierten Zellen zeigten einen inhibitorischen Einfluss von Clarithromycin auf alle Vertreter der organic anion transporting polypeptide (OATP-) Familie (OATP1B > OATP1B1 > OATP1A2 > OATP2B1). In den direkten Akkumulationsversuchen stellte sich Clarithromycin jedoch nicht als Substrat der genannten Transportproteine dar. Wir konnten somit verdeutlichen, dass die klinisch indizierte Kombinationstherapie aus Makroliden und Rifampicin zur Elimination des pathogenen R. equi mit einer drastischen Absorptionsminderung von Clarithromycin verbunden ist und die Akkumulation im pulmonalen Zielkompartiment deutlich beeinträchtigt ist. Dennoch werden in der pulmonalen Epithelialflüssigkeit und den bronchoalveolären Lavagezellen therapeutisch ausreichend hohe Konzentrationen erreicht. Wir konnten im Vergleich der akuten und der chronischen Interaktion der Antibiotika die Beteiligung von intestinalen Transportmechanismen, die durch Rifampicin modulierbar sind, nachweisen. Die detaillierte Aufklärung der beteiligten Transportproteine bietet Ansatzpunkte für zukünftige Forschungsarbeiten.
Als Folge eines akuten Myokardinfarktes kommt es zu einem Anstieg der intrazellulären Ca2+-Konzentration assoziiert mit einer Aktivierung der kardialen Cysteinproteasen Calpain I und II. Diese scheinen in der Pathogenese von Gewebeschäden und Nekrose nach Myokardinfarkt eine wesentliche Rolle zu spielen. Darüber hinaus gibt es Hinweise auf eine Beteiligung von Calpain I bei kardialen Umbauprozessen nach Infarkt. Calpaininhibitoren könnten daher in der Therapie des Myokardinfarkts erfolgreich eingesetzt werden. Unter den Bedingungen einer kardialen Ischämie konnte bei einigen dieser Substanzen eine kardioprotektive Wirkung demonstriert werden. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde ein Aktivitätsprofil der beiden Calpainformen im infarzierten und nicht-infarzierten Myokard erstellt und die Auswirkungen des Calpaininhibitors CAL 9961 in vitro und in vivo untersucht. Hierzu wurde an Ratten durch permanente Ligation der linken Koronararterie ein akuter Myokardinfarkt induziert. Ein, 3, 7 und 14 Tage nach Infarkt wurden Calpain I und II aus Gewebehomogenaten von interventrikulärem Septum (IS) und linker, freier Ventrikelwand (LVFW) mittels Chromatographie auf DEAE-Sepharose getrennt. Die Aktivität wurde in scheinoperierten und Infarkt-induzierten Tieren mit chronischer Placebo- oder CAL 9961-Therapie mithilfe eines Enzymassays mit synthetischem Substrat gemessen. Die Therapie wurde 3 Tage vor Infarktinduktion begonnen. Calpain I-Aktivität erreichte 14 Tage nach Infarkt höchste Werte im nicht-infarzierten Myokard (IS), während die maximale Calpain II-Aktivität 3 Tage nach Infarktereignis im infarzierten Herzgewebe (LVFW) gemessen wurde. In Experimenten in vitro hemmte CAL 9961 beide Calpainformen vollständig. In vivo verhinderte eine chronische Therapie mit CAL 9961 bei Tieren mit Myokardinfarkt teilweise den Anstieg der Calpain I-Aktivität im nicht-infarzierten Gewebe (IS) und reduzierte die Calpain II-Aktivität im infarzierten Myokard (LVFW) auf das Level scheinoperierter Tiere. Die in dieser Dissertation erbrachten Ergebnisse zeigen, dass die kardialen Calpaine I und II nach einem akuten Myokardinfarkt aktiviert werden, sich ihre Aktivierung jedoch innerhalb des Myokards zeitlich und regional unterscheidet. Die chronische Inhibition dieser Enzyme könnte die Calpain-vermittelten Gewebeschäden limitieren und zur Erhaltung der strukturellen Integrität des Myokards nach Infarkt beitragen.
Ziel der Arbeit war es, ein Probenkollektiv zu etablieren und die Expression, Lokalisation und Funktion pharmakologisch und physiologisch relevanter Membrantransporter systematisch zu untersuchen. Dafür wurde aus 70 humanen Plazenten mRNA, Protein und genomische DNA isoliert. Im Anschluss konnte die mRNA-Expression der Membrantransporter ABCB1 (P-gp), ABCC1 (MRP1), ABCC2 (MRP2), ABCC3 (MRP3), (ABCC5), ABCG2 (BCRP), SLC10A6 (SOAT), SLC22A4 (OCTN1), SLC22A5 (OCTN2), SLC22A11 (OAT4) und SLCO2B1 (OATP2B1) bestimmt und hinsichtlich ihrer Assoziation mit dem Gestationsalter und dem Geschlecht analysiert werden. Dabei zeigte sich eine signifikante gestationsabhängige Expressionsabnahme für das P-gp, BCRP, OATP2B1 und OAT4, darüber hinaus war die Expression von MRP1 in Plazenten männlichen Feten im Vergleich zu weiblichen Feten deutlich erhöht. Da fast alle Organe, mit Ausnahme der Leber, Niere und Gehirn, auf eine Carnitinaufnahme aus dem Blut angewiesen sind, spielen Carnitintransporter wie das SLC22A4 (OCTN1) und SLC22A5 (OCTN2) eine entscheidende Rolle: In der Plazenta sind sie bei der Versorgung des Fetus mit L-Carnitin unabdingbar. Auf mRNA-Ebene konnte in diesem Zusammenhang zunächst keine gestationsabhängige Expressionsänderung gezeigt werden, obwohl der Fetus zum Ende der Schwangerschaft einen deutlich erhöhten Carnitinbedarf hat. Die daraufhin durchgeführte Bestimmung der korrespondierenden OCTN2-Proteinexpression, die interessanter Weise nicht mit den mRNA-Werten korrelierte, zeigte tatsächlich eine erhöhte Transporterexpression zum Ende der Schwangerschaft hin. Für das OCTN2 wurden weiterhin Untersuchungen zum Einfluss eines bekannten Promotorpolymorphismus, dem -207G>C, der in anderen Studien mit der OCTN2 Expression assoziiert werden konnte, durchgeführt. Hier zeigte sich, dass diese genetische Variante zwar die mRNA Expression des Transporters beeinflusst, sich dieser Effekt aber wiederum nicht auf die Proteinebene übersetzt, so dass anzunehmen ist, dass die plazentare OCTN2 Expression auch von nicht transkriptionellen Faktoren (z.B. miRNA) bestimmt wird. Mit Blick auf die anderen untersuchten Transporter zeigte sich in vielen Fällen eine Korrelation in der Expression bestimmter Efflux- und Aufnahmetransporter. Ein Beispiel für ein solches Transporterpaar war dabei das BCRP und OATP2B1,das in der Folge weiter untersucht wurde, wobei insbesondere ein mögliches funktionelles Zusammenspiel im Mittelpunkt stand. Aufbauend auf der apikalen Expression des BCRP und der basalen des OATP2B1, wurde ein, auf MDCKII-Zellen basiertes, in vitro Zellsystem verwendet, um die Bedeutung dieser Transporter für den transzellulären Transport von Substanzen wie E1S und DHEAS zu zeigen. In der Tat war ein gerichteter Transporter dieser Substanzen nur zu beobachten, wenn beide Transporter in den Zellen exprimiert wurden. Diese Ergebnisse sind bezüglich der Hormonsynthese durch die Plazenta von Bedeutung, da diese während der Schwangerschaft einen zentralen Syntheseort darstellt, aber einige Vorläufermoleküle nicht selber synthetisieren kann. Zusammengefasst bietet die vorliegende Arbeit ein umfassendes Bild über die Regulation wichtiger physiologischer und auch pharmakologischer Membrantransporter im letzten Drittel der Schwangerschaft. Darüber hinaus konnte für ausgewählte Transporter das Zusammenspiel (OATP2B1 und ABCG2) und die Regulation (OCTN2) näher charakterisiert werden.
Das Das Verständnis zellulärer Signaltransduktionswege ist ein zentrales pharmakologisches Forschungsthema. Dabei ist die Interaktion von Arzneimitteln mit Rezeptorproteinen, entweder als Agonisten oder Antagonisten, essentiell für die Wirkung vieler Arzneimittel. Die Aufklärung der sich daran anschließenden Signaltransduktionswege ist für das molekulare Verständnis vieler Arzneimittelwirkungen deshalb von besonderem Interesse. Viele Forschungsanstrengungen in der Vergangenheit haben sich intensiv mit der Aufklärung solcher Signaltransduktionsvorgängen beschäftigt. Während die Grundzüge solcher Signalwege häufig sehr gut erforscht sind, fällt auf, dass von vielen Signalproteinen zahlreiche Isoformen existieren, die vermutlich am Zustandekommen von Rezeptor-und Effektorspezifitäten beteiligt sind und häufig gewebespezifisch exprimiert werden. Über die Bedeutung solcher Isoformen – insbesondere für Signaltransduktionsvorgänge in vivo – ist wenig bekannt. So kennt man 5 G-Protein beta-Untereinheiten und 12 G-Protein gamma- Untereinheiten, die spezifischen Funktionen bleiben aber offen. Ähnliches gilt für das Netzwerk von PLC-Isoformen, wobei die Entdeckung der PLC epsilon und weiterer Isoformen darauf hindeutet, dass es hier zeitliche und räumliche Integrationsfunktionen der neu entdeckten Mitglieder gibt. Wesentliche Elemente der durch die PLC vermittelten Signaltransduktion sind die Spaltung von PIP2 in DAG und IP3 sowie der temporäre Anstieg der [Ca2+]i. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher die Etablierung und Adaptation eines Systems zur retroviralen Infektion von Zellen mit siRNA-Molekülen angestrebt, die in der Generierung stabiler knock down Zellen resultieren sollte. Im zweiten Schritt sollte diese Technik auf Fragestellungen zur Gbeta-Protein Spezifität und des PLC-Netzwerkes angewendet werden. Bei der RNA-Interferenz (RNAi) handelt es sich um einen hochkonservierten posttranskriptionellen Mechanismus zur Regulation der Genexpression in eukaryotischen Zellen. Eine zentrale Rolle in der RNAi spielen kurze RNA-Moleküle wie siRNAs und miRNAs. Es wurde ein retroviral basiertes Expressionssystem zur siRNA-Expression erstellt und validiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde dieses System erfolgreich zum knock down der Expression von PLCbeta1 PLCbeta 3, PLC epsilon, Gbeta1, Gbeta2 und Gbeta5 eingesetzt. Außerdem wurde mit Hilfe dieses Systems ein erfolgreicher knock down der Expression von Epac1 (Lopez De Jesus et al., 2006), von Cathepsin B (Dr. Bien, persönliche Mitteilung) und MRP5 (multidrug resistance related protein 5; Nambaru, Hübner, Köck, Jedlitschky, Rimmbach, Rosskopf, Kroemer, Weiss, Mayerle, Lerch, und Ritter: Modulation of drug efflux transporter MRP5 affects sensitivity to the nucleoside anticancer drug 5-fluorouracil in pancreatic cancer cell lines; Molecular Cancer Therapeutics; eingereicht) durchgeführt. Wesentliche Befunde zur spezifischen Signalübertragung dieser Arbeit waren die Beobachtung, dass der knock down von Gbeta 1 keinen Einfluss auf die Signalübertragung der Transmitter Bradykinin und Histamin besitzt. Die funktionelle Ausschaltung von Gbeta 2 oder Gbeta 5 – zweier Gbeta-Untereinheiten, die zu unterschiedlichen Gbeta-Familien gehören – führte jedoch zu einer signifikanten Hemmung dieser Signale. Es handelt sich bei dieser Beobachtung um einen der wenigen Befunde, die eine Spezifität bei der Gbeta-vermittelten Signaltransduktion herausarbeiten können. Auf ähnliche Weise konnte plausibel gemacht werden, dass die PLCbeta3 – nicht aber die PLCbeta1 – an der Signalübertragung von LPA-Rezeptoren beteiligt ist. Ein funktioneller knock down der PLC epsilon wirkte sich nicht auf die frühen Calciumsignale nach Stimulation von GProtein- gekoppelten Rezeptoren für LPA, S1P oder Acetylcholin aus. Interessanterweise waren aber nach Ausschaltung der PLC epsilon Calciumsignale, die durch den EGF-Rezeptor – einer Rezeptortyrosinkinase – vermittelt wurden stark gehemmt. Bei der Analyse des Zeitverlaufs der durch LPA stimulierten Calciumsignale fiel ferner auf, dass eine länger anhaltende Plateauphase in Abwesenheit der PLC epsilon unterblieb. Dies deutet auf eine Integrationsfunktion der PLC epsilon in späteren Phasen der Signalübertragung hin, die zu einem anhaltenden Anstieg der Ca2+-Konzentration beiträgt. Es ist bekannt, dass diese Anstiege z.B. bei der Proliferationskontrolle eine wichtige Rolle spielen. Im Einklang mit diesen Befunden fiel auf, dass nach Stimulation mit dem Lysolipid LPA die Proliferationsrate von PanC1 Pankreaskarzinomzellen, denen die PLC epsilon durch retroviralen Transfer von siRNA Molekülen ausgeschaltet wurde, signifikant erniedrigt war. Schließlich wurde eine neue Methode zur Quantifizierung von Transkriptmengen homologer Transkripte basierend auf dem Pyrosequencing Verfahren etabliert und validiert. Gerade bei hoch homologen Genen – wie es bei Gbeta -Untereinheiten der Fall ist – kann diese Methode der relativen Quantifizierung sehr gut eingesetzt werden, da im Gegensatz zu anderen Techniken, die wesentlichen Messungen in einem Ansatz durchgeführt werden können. Abschließend bleibt festzuhalten, dass es gelungen ist, die innovative Technik der RNA Interferenz auf Fragen der Signalübertragung unter Verwendung retroviraler Infektionstechniken anzuwenden. In ersten Experimenten konnten bereits bislang unbekannte Spezifitäten bei der Signalübertragung über heterotrimere G-Proteine bzw. PLC-Isoformen heraus gearbeitet werden. Damit ist der Grundstein für zukünftige systematische Analysen dieser Zusammenhänge mit Hilfe der hier etablierten Techniken gelegt.
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.
The role of uptake and efflux transporters in the pharmacokinetics of ß1-receptor blocker talinolol
(2016)
Introduction: The β1-adrenergic receptor antagonist talinolol is a probe drug for P-glycoprotein (P-gp). It is absorbed erratically and incompletely from the gastrointestinal tract. However, its pharmacokinetics might also be influenced by further uptake and efflux transporters as concluded from interaction studies with naringin and verapamil in human. Additionally, the transcellular transport through the different tissues, including enterocytes, hepatocytes and kidney tubular cells, is not completely understood so far. Therefore, we aimed to measure the affinity of talinolol to drug transporting proteins (OCT1-3, PEPT1, OCTN2, ASBT, NTCP, MRP 1-3 and P-gp as well as OATP 1B1, 1B3, 2B1 and 1A2) and some of their genetic variants known to be of pharmacokinetic relevance (OATP1A2 *2 and*3 as well as OATP2B1 V201M, R312Q and S486F). In a further step, we retrospectively evaluated the impact of clinically relevant genetic polymorphisms of transporters on the pharmacokinetics of talinolol in healthy subjects. Materials and Methods: Time and concentration-dependent uptake assays with [3H]-talinolol were performed either in stable transfected HEK293 or MDCKII cells expressing OATP1A2 *1, *2 and *3, OATP1B1, OATP1B3, OATP2B1 (and its genetic variants p.V201M, p.R312Q and p.S486F), NTCP, ASBT, PEPT1, OCTN2, OCT 1-3 and the respective vector control or in inside-out lipovesicles expressing the efflux transporters MRP1-3 and P-gp. Talinolol was quantified by liquid scintillation counting. The transport rates were then corrected by the transporter proteomics measured in the cellular membrane. Regarding the pharmacogenomic evaluation, it was carried out retrospectively in 39 healthy subjects who had participated in former pharmacokinetic studies with talinolol. This evaluation included a variety of transporter related genetic variants, known to be of a clinical meaning for their substrates. Results: Among the uptake transporters, talinolol was shown to be a substrate of OATP1B3 (Km= 153 ± 137 μmol/l; Vmax= 168 ± 30.3 μmol/mgxmin), OATP1B1 (Km= 301 ± 133 μmol/l; Vmax= 1135 ± 348 μmol/mgxmin), OATP2B1 (Km= 459 ± 260 μmol/l; Vmax= 4.32 ± 1.33 μmol/mgxmin), OATP1A2 (Km= 477 ± 158 μmol/l; Vmax= 0.61 ± 0.1 μmol/mgxmin) and NTCP (Km= 2560 ± 781 μmol/l; Vmax= 15944 ± 3741 μmol/mgxmin) but not a substrate of OCT1-3, OCTN2, PEPT1 or ASBT. When it comes to the efflux transporters, talinolol was transported by both P-gp (Km = 175 ± 206 mol/l; Vmax = 14 ± 10.8 nmol/mgxmin) and MRP3 (Km= 86.8 ± 62.8 μmol/l; Vmax= 133 ± 51.5 μmol/mgxmin) but not by MRP2. The pharmacogenomic analysis supported the in-vitro results, as it showed a significant decrease in talinolol absorption (AUC and Cmax) in subjects with the loss of function variant MRP3 211C>T and in those with a decreased P-gp function due to having less than 5 T-allels in the haplotype P-gp 1236-2677-3435-TTT. No significant changes were found associated with other transporters’ genetic variants. Conclusion: Our in-vitro results suggested the vectorial transport of talinolol through the enterocytes to consist mainly of apical OATP2B1 and P-gp and basolateral MRP3. Additionally in the hepatocytes, apical OATP1B1, OATP1B3 and NTCP seem to be involved as well. This vectorial transport was demonstrated in-vivo for the first time by our pharmacogenomic analysis, where talinolol absorption was significantly influenced by both P-gp and MRP3 genetic variants.
Bis zum jetzigen Zeitpunkt wurden in der Plazenta über 30 membranständige Transportproteine identifiziert, die zum einen in der maternal zugewandten (apikalen) oder zum anderen in der fetal zugewandten (basalen) Membran der Synzytiotrophoblasten lokalisiert sein können. Trotz vieler Hinweise auf die Existenz plazentarer Transportproteine verfügen wir bis heute über kein umfassendes Wissen über ihre Funktion und Expression. Die vorliegende Arbeit wurde initiiert, um die Kenntnisse über plazentare Transportproteine zu vervollständigen und ein möglichst komplexes Wissen über ihre Expression und Funktion in der Plazenta zu gewinnen. Dazu wurden die Transportproteine ABCB1 (P-glycoprotein) und ABCC2 (multidrug resistance protein 2, MRP2) als Vertreter der Effluxtransporter einerseits und OCT3 (organic cation transporter 3) als Vertreter der Aufnahmetransporter anderseits zur weiteren Charakterisierung ausgewählt. Zuerst wurden die Untersuchungen zur plazentaren Expression der Transportproteine ABCB1, ABCC2 und OCT3 durchgeführt und der Einfluss von intrauteriner Entwicklung, schwangerschaftsassoziierten Erkrankungen und Genotyp auf die Expression geprüft. Anschließend wurde die Funktion von ABCB1, ABCC2 und OCT3 mittels Modellsubstraten und selektiver Hemmer untersucht. Die Expression wurde auf mRNA-Ebene mittels real-time RT-PCR (TaqMan®) und auf Protein-Ebene mittels quantitativer Western Blot-Analyse bestimmt. Die funktionellen Untersuchungen wurden an OCT3 überexprimierenden MDCKII-Zellen, plazentaren Membranvesikel, mittels der dualen ex vivo Perfusion der Rattenplazenta und des dualen in vitro Perfusionsmodells der menschlichen Plazenta durchgeführt. Die plazentare ABCC2-Expression in der Spätschwangerschaft war deutlich höher als die Expression von ABCB1. In Untersuchungen zur intrauterinen Entwicklung wurde ein signifikanter gestationsaltersabhängiger Anstieg der OCT3-Expression auf mRNA- und Protein-Ebene beobachtet. Die schwangerschaftsassoziierten Erkrankungen Präeklampsie und Gestationshypertonie verminderten signifikant die OCT3-Expression auf mRNA- und Protein-Ebene. In Untersuchungen zur Veränderungen der Expression in Abhängigkeit vom Genotyp waren die Polymorphismen C3435T und G2677T im ABCB1-Gen und C3972T und C24T im ABCC2-Gen mit einer veränderte Expression der Transporter verbunden. In den funktionellen Untersuchungen wurde zuerst der Einfluss von pharmakologisch relevanten Substanzen auf die Aufnahme des OCT3-Modellsubstrats 1-Methyl-4-phenyl-pyridinium (MPP) in die MDCKII-OCT3-Zellen getest. Einen signifikanten Hemmeffekt auf die MPP-Aufnahme zeigten Imipramin, Fluoxetin, Ecstasy, Nikotin, 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridin (MPTP) und der bekannte OCT3-Inhibitor Disprocynium 24 (D24). Um die Funktion von OCT3 näher zu charakterisieren, wurde die MPP-Aufnahme in die apikalen und basalen Membranvesikel der menschlichen Plazenta untersucht. In den apikalen Vesikel zeigten Fluoxetin, Amphetamin und MPTP eine signifikante Hemmung des MPP-Transports. In den basalen Vesikel haben D24, Imipramin und Ecstasy die MPP-Aufnahme gehemmt. Im nächsten Schritt wurde die Funktion von Abcb1 und Abcc2 mit Hilfe der dualen ex vivo Perfusion der Rattenplazenta an Abcc2-defizienten- und Wildtyp-Ratten untersucht. Die Abwesenheit eines funktionsfähigen Abcc2-Transporters führte bei Abcc2-defizienten-Ratten zu einer erhöhten materno-fetalen Permeabilität des Modellsubstrats Talinolol, die durch Zugabe des Abcb1-Hemmers PSC833 weiter anstieg. Bei den Wildtyp-Ratten verursachte die Zugabe von PSC833 und dem Abcc2-Hemmer Probenecid einen Anstieg der materno-fetalen Permeabilität von Talinolol. Dies spricht für Beteiligung beider Transportproteine an der Plazentabarriere. Im dualen in vitro Perfusionsmodell der menschlichen Plazenta wurde ein unidirektionaler feto-maternaler Transfer des ABCB1- und ABCC2-Modellsubstrats Talinolol bewiesen. Dieser Transfer war durch den ABCC2-Inhibitor Probenecid und den unselektiven Inhibitor Verapamil modulierbar. Der ABCB1-Inhibitor PSC833 hatte dagegen keinen Einfluss auf die diaplazentare Permeabilität von Talinolol. Dies und die hohe ABCC2-Expression in der Terminplazenta spricht für eine größere Bedeutung von ABCC2 in der Spätschwangerschaft. Weitere Untersuchungen mittels des dualen in vitro Perfusionsmodells der menschlichen Plazenta wurden zur Beschreibung der Funktion von OCT3 durchgeführt. In der vorliegenden Arbeit wurde eine höhere materno-fetale Permeabilität des OCT3-Modellsubstrats MPP festgestellt. Der selektive OCT3-Hemmer D24 verminderte die materno-fetale Permeabilität des Modellsubstrats MPP signifikant. Daraus folgern wir, dass OCT3 in den diaplazentaren Transfer von organischen Kationen in fetale Richtung involviert sein muss. Psychopharmaka wie Fluoxetin, Imipramin oder illegale Drogen wie Ecstasy können die Funktion von OCT3 beeinflussen und damit den diaplazentaren Transfer von kationischen Substanzen verändern.