Walther-Straub-Institut für Pharmakologie und Toxikologie
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AG Dietrich: Identifikation pharmakologischer Zielstrukturen in pathophysiologischen Mechanismen

Experimentelle Pharmakotherapie

Leitung: Prof. Dr. rer. nat. Alexander Dietrich                        (english version)

Doktorandinnen und Doktoranden: Larissa Bendiks (Apothekerin),  Susanne Fiedler (M. Sc. in Biology), Martina Kannler (Apothekerin),  Jonas Weber (M. Sc. in Applied Life Sciences)

Technische Assistentin: Bettina Braun (Biologielaborantin)

In der Abteilung Experimentelle Pharmakotherapie werden pharmakologische Zielstrukturen in pathophysiologischen Mechanismen identifiziert. Ziel ist es, einmal durch Applikation von Aktivatoren oder Blockern dieser Zielstrukturen therapeutisch, zuerst im Tierversuch und später auch im Patienten, eingreifen zu können. Als Modellsystem dient die Maus, in der durch molekularbiologische Methoden Gene zerstört werden (sog. gendefiziente oder „knock-out“ Mausmodelle), um die Auswirkungen des fehlenden Proteinprodukts auf die Physiologie und Pathophysiologie verschiedener Organsysteme untersuchen zu können.

Neben Rezeptoren sind auch Ionenkanäle wichtige Angriffspunkte von Medikamenten. Aus diesem Grund untersuchen wir Funktionen der „transient receptor potential“ (TRP)-Kanäle (z.B. classical TRP 6 (TRPC6)(Abb. 1)) bei der Entstehung von Erkrankungen der Lunge und anderer Organe.

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Abb. 1: (A) Aufbau des TRPC6 Kanals: Mit 6 Transmembrandomänen (S1 – S6) ist der Kanal in der Plasmamembran (PM) verankert. Er besitzt außerdem zwei extrazelluläre Glykosilierungsstellen zwischen den S1- und S2- und den S3- und S4-Segmenten (1). Zwischen den S5- und S6-Segmenten befindet sich eine konservierte Region zur Porenbildung (aus 2). (B) Ein funktioneller TRPC-Kanal besteht aus vier gleichen oder unterschiedlichen TRPC-Monomeren, die zusammen eine funktionelle Pore (P) bilden, durch die unselektiv Kationen wie Na+ und Ca2+ in die Zelle einströmen können. TRPC6 Monomere können dabei mit den abgebildeten TRPC-Monomeren Tetramere bilden (aus 3).

Als Mitglied des Deutschen Zentrums für Lungenforschung (DZL) konnten wir die vielfältigen Rollen von TRP-Kanälen in der Lunge identifizieren. In primären Lungenfibroblasten wird TRPC6 nach Applikation des Cytokins „transforming growth factor beta (TGF-β) exprimiert und fördert die Myofibroblastendifferenzierung und die Ausbildung einer Lungenfibrose (4). Außerdem konnten wir die essentielle Rolle des Kanals bei der akuten hypoxischen pulmonalen Vasokonstriktion (aHPV oder dem „Euler-Liljestrand-Reflex“) pulmonaler arterieller glatter Muskelzellen nachweisen ((5) und http://www.uni-marburg.de/aktuelles/news/2007/1008c). So entwickeln TRPC6-defiziente Mäuse eine lebensbedrohliche akute arterielle Hypoxämie als Folge einer partiellen Lungenblockade. Daraus ergibt sich in Zukunft die einzigartige Möglichkeit, durch eine genaue Aufklärung der Signaltransduktionskaskade wichtige pharmakologische Angriffspunkte für TRPC6-Aktivatoren zu identifizieren. Diese können zur therapeutischen Intervention bei Patienten mit Sepsis, Pneumonie und anderen systemischen Entzündungsreaktionen eingesetzt werden, um eine arterielle Hypoxämie zu verhindern (Abb. 2).

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Abb. 2: (A) Injektion von Pharmaka in die lebende Maus und Anreicherung in der Lunge. (B) Pharmakotherapie mit TRPC6-Aktivatoren zur Steigerung der akuten HPV (Euler-Liljestrand Reflex) bei partieller Lungenblockade und Verhinderung einer akuten arteriellen Hypoxämie.

Darüber hinaus wurde für die Regulation der chronischen HPV und des vaskulären Gefäßumbaus ein anderes Mitglied der TRPC-Familie identifiziert: TRPC1 (siehe 5). Die genaue molekulare Struktur dieser heteromeren TRPC1-Kanäle muss aber noch aufgeklärt werden.

Neben den glatten Muskelzellen sind die Endothelzellen der Lungenblutgefäße unverzichtbar für den pulmonalen Gasaustausch. Wir konnten zeigen, dass ein Fehlen des TRPC6-Kanals TRPC6-defiziente Mauslungen vor dem sog. Ischämie-Reperfusions-Schaden schützt. Dieser Schaden kann beim Transport der nicht-durchbluteten (=ischämischen) Lungen und der folgenden Transplantation in einen Patienten auftreten und endet oft tödlich. In den frühen Phasen des Schadens ist eine TRPC6-vermittelte Erhöhung der Endothelzellpermeabilität wichtig, die in den TRPC6-defizienten Endothelzellen vermindert ist (siehe 6). Hier könnten in Zukunft TRPC6-Blocker helfen, den Schaden an isolierten Lungen, die zur Transplantation bestimmt sind, zu verringern.

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Abb. 3: TRPC6-Inhibitoren, die in-vitro während des Transports zum Empfänger in Spenderlungen appliziert werden könnten, haben das Potential in Zukunft den Ischämie-Reperfusionsschaden der Lungen zu vermindern.

Bei Patienten mit einer vererbten fokalen segmentalen Glomerulosklerose (FSGS) der Niere wurden Mutationen im TRPC6-Kanal identifiziert, die zu einer erhöhten Kanalaktivität („gain of function“) führen (zusamengefasst in 2). Im gendefizienten Tiermodell lässt sich die Nierenfunktion direkt altersabhängig überprüfen, um die Rolle von TRPC6 bei dieser pathologischen Veränderung aufzuzeigen. Mutationen im Gen der Phospholipase C epsilon (PLCε) führen zu einem ähnlichen Krankheitsbild, weswegen eine Aktivierung von TRPC6 durch Diacyglycerin, das durch PLCε produziert wird, nahe liegt (siehe Abb. 4). In der Tat lässt sich der Kationenstrom über TRPC6 durch Expression von PLCε siRNAs im heterologen Überexpressionssystem inhibieren, auch wenn in primären Podozyten diese Signaltransduktionskaskade nur eine untergeordnete Bedeutung hat (7).

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Abb. 4: Podozytenausläufer (podocyte foot process) im primären Filtrat (Urine) der Niere exprimieren TRPC6-Kanäle, die durch mechanische Stimulation über Podocin oder Rezeptor-vermittelt über PLCε aktiviert werden können. Der resultierende Calciumioneneinstrom (Ca2+) sorgt über eine Reorganisation des Aktinzytoskeletts (rote Linie) und Translokation des Nephrinproteins für eine Änderung der Barrierefunktion der Podozytenausläufer. PIP2 = Phosphatidylinositolbisphosphat; DAG = Diacylglycerin (aus 2).

 

Darüber hinaus spielen TRP-Kanäle vielfältige Rollen als Sensoren für toxische Substanzen (8), bei allergischen Reaktionen in den Bronchien (9), im Skelettmuskel (10), für die gastrointestinalen Motilität (11), den Tastsinn (12) sowie bei der neuronalen Transmission (13) und beim Verhalten (14). Außerdem können Aktivitäts-mindernde Mutationen im TRPC6-Kanal Autismus begünstigen (15). Alle diese Themenfelder werden in Zusammenarbeit mit anderen Kooperationspartnern in der ganzen Welt bearbeitet. Wir benutzen molekular- und zellbiologische Methoden sowie intrazelluläre Biosensoren, um die beschriebenen Zelltypen aus verschieden Mausmodellen funktionell zu vergleichen.

Ausgewählte Referenzen:

1. Dietrich, A., Mederos y Schnitzler, M., Emmel, J., Kalwa, M., Hofmann, T., and Gudermann, T. (2003) N-linked protein glycosylation is a major determinant for basal TRPC3 and TRPC6 channel activity. J. Biol. Chem. 278, 47842-52.

2. Dietrich, A., Chubanov, V., Gudermann, T. (2010). Renal TRPathies, J. of Am. Soc. Nephrol. 21: 736-744.

3. Dietrich, A, Gudermann, T. (2014) TRPC6. Handbook of Experimental Pharmacology 222, Springer Verlag Heidelberg, 157-188.

4. Hofmann et al. (2015) Dissecting the role of TRPC6-channels in bleomycin-induced pulmonary fibrosis. Naunyn-Schmiedeberg’s Archives of Pharmacology 388 (Suppl. 1): 61

5. Weissmann*, N., Dietrich*, A., Fuchs, B., Kalwa, H., Ay, M., Dumitrascu, R., Olschewski, A., Mederos y Schnitzler, M., Ghofrani, H.A., Schermuly, R.T., Pinkenburg, O., Seeger, W., Grimminger, F. and Gudermann, T. (2006). Classical transient receptor potential channel 6 (TRPC6) is essential for hypoxic pulmonary vasoconstriction and alveolar gas exchange. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 19093-19098. *equal contributing and corresponding authors.

6. Weissmann, N., Sydykov, A., Kalwa, H., Storch, U., Fuchs, B., Mederos y Schnitzler, M., Brandes, R.P., Grimminger, F., Meissner, M., Freichel, M., Offermanns, S., Veit, F., Pak, O., Krause, K.-H., Schermuly, R.T., Brewer, A.C., Schmidt, H.H.H.W., Seeger, W., Shah, A.M., Gudermann, T., Ghofrani, H.A. & Dietrich, A. (2012). Activation of TRPC6 channels is essential for ischemia–reperfusion-induced lung edema in mice. Nature Commun. 3: 649.
http://www.nature.com/ncomms/journal/v3/n1/full/ncomms1660.html

7. Kalwa, M., Storch, U., Demleitner, J., Fiedler, S., Mayer, T., Kannler, M., Fahlbusch, M., Barth, H., Smrcka, A., Hildebrandt, F., Gudermann, T. and Dietrich, A., (2015). Phospholipase C epsilon-induced TRPC6 activation: A common but redundant mechanism in primary podocytes. J. Cell. Physiol. 230:1389-1399.

8. Büch, T., Schäfer, E., Steinritz, D., Dietrich, A. and Gudermann, T. (2013). Chemosensory TRP channels in the respiratory tract: role in toxic lung injury and potential as „sweet spots“ for targeted therapy. Rev. Physiol. Biochem. Pharmacol., 165, 31-65,

9. Sel, S., Rost, B., Yildirim, A.Ö., Sel, B., Kalwa, H., Fehrenbach, H., Renz, H., Gudermann, T., Dietrich, A. (2008). Loss of classical transient receptor potential 6 reduces allergic airway response. Clin. and Exp. Allergy 38, 1548-1558.

10. Zanou, N., Shapovalov, G., Louis, M., Tajeddine,N., Gallo, C., Van Schoor, M., Anguish, I., Cao, M.L., Schakman, O., Dietrich, A., Lebacq, J., Ruegg, U., Roulet, E., Birnbaumer, L., Gailly, P. (2010). Role of TRPC1 channels in skeletal muscle function. Am. J. of Physiol., Cell Physiology 298: C149-C162

11. Tsvilovskyy, V.V., Zholos, A.V., Aberle, T., Dietrich, A., Zhu, M.X., Birnbaumer, L., Freichel, M., Flockerzi, V. (2009). Deletion of TRPC4 and TRPC6 in mice impairs smooth muscle contraction and intestinal motility in vivo. Gastroenterology, 137: 1415-1424.

12. Garrison, S.R., Dietrich, A., Stucky, C.L. (2012). TRPC1 contributes to light-touch sensation and mechanical responses in low-threshold cutaneous sensory neurons. J. Neurophysiol. 107: 913-922.

13. Hartmann, J., Dragicevic, E., Adelsberger, H., Henning, H., Sumser, M., Abramowitz, J., Blum, R., Dietrich, A., Freichel, M., Flockerzi, V., Birnbaumer, L., Konnerth, A. (2008). TRPC3 channels are required for synaptic transmission and motor coordination. Neuron 59, 392-398.

14. Beis, D., Schwarting, R.K., Dietrich, A. (2011). Evidence for a supportive role of classical transient receptor potential 6 (TRPC6) in the exploration behaviour of mice. Physiol. Behav., 102: 245-250.

15. Griesi-Oliveira, K., Acab, A., Gupta, A.R., Sunaga, DY., Chailangkarn, T., Nicol, X., Nunez, Y., Walker, M.F., Murdoch, J.D., Sanders, S.J., Fernandez, T.V., Ji, W., Lifton, R.P., Vadasz, E., Dietrich, A., Pradhan, D., Song, H., Ming, G-l, Guoe, X., Haddad, G., Marchetto, M.C.N., Spitzer, N., Passos-Bueno, M.R., State, M.W., Muotri, A.R. (2015). Modeling non-syndromic autism and the impact of TRPC6 disruption in human neurons. Mol. Psychiatry 20: 1350- 1365

Alle Literaturangaben zu finden bei PubMed.