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), Jonas Weber (M. Sc. in Applied Life Sciences), Suhasini Rajan (M. Sc. Translational Medical Research), Christian Schremmer (M. Sc.)

Technische Assistentin: Bettina Braun (Biologielaborantin), Astrid Bauer

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 Organsystem 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 vielfältige Rollen von TRP-Kanäle 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, die zur therapeutischen Intervention bei Patienten mit Sepsis, Pneumonie und anderen systemischen Entzündungsreaktionen eingesetzt werden können, 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.

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 der sog. Ischämie-Reperfusions induzierten Ödembildung 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). Interessanterweise konnten wir mit einem spezifischen TRPC6-Inhibitor aus dem Labor von Prof. Michael Schäfer (Universität Leipzig) das durch Ischämie und Reperfusion induzierte Ödem in der Mauslunge bereits reduzieren (7).

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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.

Andere TRP-Kanäle wie TRPA1 (8), TRPM2 und TRPV4 werden ebenfalls in verschiedenen Geweben der Lunge exprimiert. Deren physiologische Rolle soll im Rahmen des Transregio-Collaborative Research Center 152 aufgeklärt werden. Eine weitere mögliche Funktion für TRP-Kanäle als Sensoren für toxische Substanzen in der Lunge (9) wird im neu geschaffenen Graduiertenkolleg untersucht.

Darüber hinaus spielen TRP-Kanäle vielfältige Rollen in den Nieren (2, 10), bei allergischen Reaktionen in den Bronchien (11), im Skelettmuskel (12), für die gastrointestinalen Motilität (13) den Tastsinn (14), sowie bei der neuronalen Transmission (15) und beim Verhalten (16). Außerdem können Aktivitäts-mindernde Mutationen im TRPC6-Kanal Autismus begünstigen (17). 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, K., Fiedler, S., Vierkotten, S., Weber, J., Klee, S., Jia, J., Zwickenpflug, W., Flockerzi, V., Storch, U., Yildirim, A.Ö., Gudermann, T., Königshoff, M., Dietrich, A. (2017). Classical transient receptor potential (TRPC6) channels support myofibroblast differentiation and development of experimental pulmonary fibrosis. Biochem. Biophys. Acta 1863: 560-568,

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. Häfner, S., Burg, F., Kannler, M., Urban, N., Mayer, P., Dietrich, A., Trauner, D., Broichhagen, J., Schaefer. M. (2018). A (+)-Larixol Congener with High Affinity and Subtype Selectivity toward TRPC6. ChemMedChem. 2018 May 23;13(10):1028-1035. doi: 10.1002/cmdc.201800021.

8. Kannler, M., Lüling, R., Yildirim, A.Ö., Gudermann, T., Steinritz, D., Dietrich, A. (2018). TRPA1 channels: expression in non-neuronal murine lung tissues and dispensability for hyperoxia-induced alveolar epithelial hyperplasia. Pflügers Arch. 470: 1231-1241.

9. 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,

10. 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.

11. 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.

12. 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

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.