Die vorliegende Dissertation verfolgt das Ziel, die von Nervenzellen maximal erreichte Signalrate zu bestimmen. Außerdem werden die bislang weitgehend unbekannten Anpassungen einer Synapse an die Anforderungen hochfrequenter Signalübertragung untersucht. Die maximale Übertragungsrate spielt im zentralen Nervensystem eine wichtige Rolle für die Codierung und Verarbeitung von Informationen. Neben den Grundlagen der synaptischen Übertragung und der neuronalen Informationscodierung werden in der Einleitung die anatomischen Gegebenheiten der Kleinhirnrinde und der Moosfaser-Körnerzell-Synapse vorgestellt. Präsynaptische patch-clamp-Messungen von Moosfaserboutons und die erstmals durchgeführten Messungen von präsynaptischen Boutons und postsynaptischen Körnerzellen („Paarableitungen“) werden erläutert. Mit Hilfe dieser Methoden wird gezeigt, dass die Kommunikation zwischen Nervenzellen mit Raten von bis zu einem Kilohertz stattfinden kann. Hierbei ist die präsynaptische Freisetzung von Botenstoffen schneller und effizienter als bisher bekannt. Ein einzigartiges Repertoire präsynaptischer Mechanismen wird charakterisiert und bildet die Grundlage der nachgewiesenen, hochfrequenten Informationsübertragung.:Abbildungsverzeichnis .......................................................................................... III Abkürzungsverzeichnis ........................................................................................ IV 1 Bibliographische Zusammenfassung .......................................................... 1 2 Einführung ..................................................................................................... 2 2.1 Der cerebelläre Cortex und die Moosfaser-Körnerzell-Synapse ............... 2 2.2 Grundlagen der synaptischen Übertragung .............................................. 5 2.3 Informationscodierung im Nervensystem .................................................. 6 2.4 Etablierung von Ableitungen an der Moosfaser-Körnerzell- Synapse .................................................................................................... 9 2.5 Quellen der Einführung ........................................................................... 13 3 Ziele der Arbeit ............................................................................................ 16 4 Publikationsmanuskript .............................................................................. 16 5 Zusammenfassung ...................................................................................... 29 6 Anlagen ........................................................................................................ 34 6.1 Supplemental Material ............................................................................ 34 6.2 Erklärung über den wissenschaftlichen Beitrag des Promovenden zur Publikation ............................................................................................... 54 6.3 Selbstständigkeitserklärung .................................................................... 55 6.4 Lebenslauf ............................................................................................... 56 6.5 Publikationen ........................................................................................... 58 6.6 Danksagung ............................................................................................ 59

Kardiovaskuläre Erkrankungen in Deutschland führen die Todesursachenstatistik an (19,1 % 2013) und verursachen die höchsten Krankheitskosten (14,5 % 2008) (Statistisches Bundesamt, 2015a,b). Im Rahmen von ischämischen Ereignissen am Herzen kann es zu Rhythmusstörungen kommen. In der Therapie dieser Störungen werden traditionell klassische Antiarrhythmika mit Wirkort Ionenkanal eingesetzt, welche jedoch stets ein proarrhythmisches Potenzial aufweisen. Im Fokus der Forschung der letzten Jahre stehen deswegen Peptide wie AAP10 (Antiarrhythmisches Peptid 10), welche direkt an den Gap Junctions ansetzen. In Radioligandenbindungsstudien konnte gezeigt werden, dass Desipramin AAP10 von seinem Rezeptor verdrängen kann. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von Desipramin auf die Gap Junction-Leitfähigkeit in adulten humanen atrialen Kardiomyozyten bestimmt (Jozwiak 2012). Die Bestimmung der Leitfähigkeit erfolgte durch die Technik des Double-Cell-Voltage-Clamp. Es konnte gezeigt werden, dass Desipramin die elektrische Kopplung in humanen Kardiomyozyten, welche vorab durch CO2-induzierte Azidose partiell entkoppelt wurden, erhöht. Weiterhin wurde in der Mapping-Analyse mit dem Langendorff-System gezeigt, dass Desipramin in ischämischen Gebieten am ganzen Kaninchenherzen eine Reduktion der Homogenität und eine Steigerung der Dispersion verhindern kann. In anschließend hergestellten Western Blots aus Gewebeproben derselben Kaninchenherzen ließ sich eine verminderte Dephosphorylierung von Connexin 43 in ischämischen Gebieten unter Desipramin nachweisen. Ebenso vermag Desipramin eine Lateralisierung des Connexin 43 entlang der Zellmembran zu verhindern. Die Ergebnisse zeigen, dass Desipramin die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Herzrhythmusstörungen unter ischämischen Bedingungen signifikant verringern und damit möglicherweise zur Senkung der Morbidität und Mortalität von Herzkreislauferkrankungen beitragen kann.

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La locomotion spontanée a une forte influence sur l’état du réseau hippocampique et joue un rôle crucial lors de l’intégration de l'information spatiale. Différents états d'attention ou de comportement au cours de l'éveil peuvent modifier la réponse des neurones aux stimuli sensoriels ainsi que les performances dans les tâches associées. Au cours du mouvement (mov.) le potentiel de champ local de l’hippocampe est caractérisé par des oscillations de fréquence thêta et les cellules pyramidales (CPs) présentent une décharge spécifique à la localisation de l'animal dans un environnement donné. Cependant, les déterminants intracellulaires liés à l'activation des cellules pyramidales de CA1 pendant du mov. sont peu connus. Dans ce travail de thèse, nous avons enregistré le potentiel de membrane (Vm) des CPs de CA1 chez des souris qui alternaient spontanément entre des périodes de mov. et des périodes d’immobilité lors d’une tâche de navigation spatiale virtuelle. Nous avons trouvé une modulation opposée du Vm entre les CPs de CA1 qui déchargeaient de manière régulière par rapport à celles qui déchargeaient en bouffées de potentiels d’action. Les cellules qui déchargeaient de manière régulière étaient plus dépolarisées et déchargeaient plus pendant le mov.comparé à l’immobilité. Les cellules déchargeant en bouffées de potentiels d’action, préférentiellement inhibées pendant les sharp wave-ripples, étaient hyperpolarisées de façon dépendante à la vitesse pendant le mov.. Cette inhibition dépendante de la vitesse pourrait permettre d’augmenter le rapport signal sur bruit afin de coder l’information spatiale de manière plus efficace pendant le mov.. / Spontaneous locomotion strongly influences the state of the hippocampal network and is critically important for spatial information coding. In neocortex, different attentional or behavioral states during arousal can modify neurons responses to sensorial stimuli and associated task performance. During locomotion, the local field potential of the hippocampus is characterized by theta frequency oscillations (5-12 Hz) and the pyramidal neurons present a specific discharge to the localization of the animal in environments. However, the intracellular determinants of CA1 pyramidal cells activation during locomotion are poorly understood. Here we recorded the membrane potential of CA1 pyramidal cells (PCs) while non-overtrained mice spontaneously alternated between periods of movement and immobility during a virtual spatial navigation task. We found opposite membrane polarization between bursting and regular firing CA1 PCs during movement. Regular firing CA1 PCs were more depolarized and fired at higher frequency during movement compared to immobility while bursting CA1 PCs, preferentially inhibited during sharp wave ripples, were hyperpolarized during movement in a speed dependent manner. This speed-dependent suppression of a subpopulation of CA1 PCs could enhance signal to noise ratio for efficient spatial coding during locomotion.

Ziel dieser Arbeit war die elektrophysiologische Charakterisierung des vor kurzem erstmals von NIESLER et al. (2003) klonierten humanen 5-HT3A+E-Rezeptors. Da dieser Rezeptor-Subtyp ausschließlich im Gastrointestinaltrakt exprimiert wird, ist ein Einfluss auf Nausea und Emesis sehr wahrscheinlich. Es stellt sich demnach die Frage, ob funktionelle Unterschiede zum homomeren 5-HT3A-Rezeptor und zum heteromeren 5-HT3A+B-Rezeptor bestehen, und ob auf molekularer Ebene unterschiedliche Wirkungen emetogener bzw. antiemetischer Pharmaka festzustellen sind. Um die Wirkmechanismen und die Interaktionen eines Pharmakons mit den 5-HT3-Rezeptor-Subtypen beurteilen zu können, erfordert dies genaue Kenntnisse über das biophysikalische Verhalten und die pharmakologische Sensitivität der 5-HT3-Rezeptor-Untereinheiten. Die Experimente erfolgten in-vitro an heterolog in HEK293-Zellen exprimierten Rezeptoren, wobei alleinig die 5-HT3A-Untereinheit in der Lage ist, funktionelle homopentamere Rezeptoren auszubilden. Die 5-HT3E- und 5-HT3B-Untereinheiten können nur zusammen mit der 5-HT3A-Untereinheit an die Zelloberfläche exprimiert werden und funktionelle heteropentamere Rezeptoren bilden. Im Verlauf der Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass bei der Transfektion die 5-HT3E- und die 5-HT3B-Untereinheiten im Verhältnis zur 5-HT3A-Untereinheit signifikant schwächer exprimiert werden. Mittels der experimentellen Methode der Patch-Clamp Technik im „excised-patch“ („outside-out“)- und im Ganzzell-Modus war es möglich, die biophysikalischen und pharmakologischen Eigenschaften des heteromeren 5-HT3A+E-Rezeptors im Vergleich mit dem homomeren 5-HT3A-Rezeptor und dem heteromeren 5-HT3A+B-Rezeptor zu analysieren. Bei den Experimenten zur Grundcharakterisierung des humanen 5-HT3A+E-Rezeptor-Subtyps zeigte die Agonisten-Konzentrations-Wirkungskurve mit einem Hill-Koeffizienten von 1,0 einen deutlichen flacheren Verlauf als die Kurve des 5-HT3A-Rezeptor-Subtyps, die einen Hill-Koeffizienten von 1,5 aufwies. Dies spricht für eine geringe Agonisten-Bindungskooperativität des 5-HT3A+E-Rezeptors. Kein Unterschied zeigte sich allerdings in der Affinität zu 5-HT, da die EC50-Werte von beiden Rezeptor-Subtypen im Bereich von ca. 7 µM lagen. Aus dem biphasischen Verlauf der Kurve konnte der Rückschluss gezogen werden, dass bei der Transfektion des heteromeren 5-HT3A+E-Rezeptors der homomere 5-HT3A-Rezeptor parallel exprimiert wird. Dasselbe Verhalten wurde auch schon für den heteromeren 5-HT3A+B-Rezeptor beschrieben (WALSTAB et al. 2008). Bei der Charakterisierung eines heteromeren Rezeptor-Subtyps ergibt sich dadurch die Schwierigkeit, dessen Eigenschaften nicht eindeutig von denen des homomeren Rezeptors unterscheiden zu können. Des Weiteren konnte im Vergleich zum homomeren 5-HT3A-Rezeptor eine schnellere Desensibilisierungszeitkonstante des heteromeren 5-HT3A+E-Rezeptors nachgewiesen werden. Insgesamt deuten die beschriebenen Ergebnisse auf eine erhöhte Sensitivität des Rezeptors für Serotonin hin. Da der 5-HT3A+E-Rezeptor ausschließlich im Gastrointestinaltrakt exprimiert wird, könnte dies ein Hinweis auf eine Beteiligung dieses Rezeptors bei der Vermittlung von Emesis sein. Bei der pharmakologischen Charakterisierung wurden der partielle 5-HT3-Rezeptoragonist Tryptamin, der volle 5-HT3-Rezeptorantagonisten Tropisetron sowie die partiellen 5-HT3-Rezeptorantagonisten Metoclopramid, Tubocurarin, Mirtazapin und der Cannabinoid-Rezeptoragonist Anandamid, welcher eine emetogene Wirkung aufweist, untersucht. Auffällig war ein deutlich flacherer Verlauf der Konzentrations-Wirkungskurve von Metoclopramid (5-HT3A+E-Rezeptor: Hill-Koeffizient = -0,8; 5-HT3A-Rezeptor: Hill-Koeffizient = -1,2) und von Mirtazapin (5-HT3A+E-Rezeptor: Hill-Koeffizient = -0,9; 5-HT3A-Rezeptor: Hill-Koeffizient = -1,3) am heteromeren 5-HT3A+E-Rezeptor. Des Weiteren konnte für Mirtazapin am 5-HT3A+E-Rezeptor ein IC50-Wert von 8,4 nM im Vergleich zu 25,4 nM am 5-HT3A-Rezeptor festgestellt werden. Diese deutlich höhere Potenz von Mirtazapin am untersuchten heteromeren Rezeptor-Subtyp sowie die geringere Bindungskooperativität von Mirtazapin und Metoclopramid am 5-HT3A+E-Rezeptor, stellen einen interessanten Ansatz für eine effektive Pharmakotherapie gastrointestinaler Erkrankungen dar. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen erstmalig auf molekularer Ebene, die elektrophysiologischen Eigenschaften der humanen 5-HT3A+E-Rezeptoren sowie deren Beeinflussung durch emetogenen und antiemetische Pharmaka. Aufgrund der schwachen Expression der 5-HT3E-Untereinheit gilt es in Zukunft durch einen alternativen Weg der Transfektion, die Effizienz der Ausbeute von 5-HT3A+E-Rezeptoren zu erhöhen. / The aim of this doctor thesis was the electrophysiological characterization of the human 5-HT3A+E receptor which was recently cloned for the first time by NIESLER et al. (2003). Since the expression of this receptor subtype takes place exclusively in gastrointestinal tract, an influence on nausea and emesis is very likely. The question is if functional differences exist between homomeric 5-HT3A receptors and heteromeric 5-HT3A+B receptors, and whether different effects from emetic and antiemetic drugs can be detected at the molecular level. To assess the mechanisms and the interactions of a drug with the 5-HT3 receptor subtypes, knowledge of the biophysical characteristics and the pharmacological sensitivity of the 5-HT3 receptor subunit is required. The experiments were developed in-vitro on heterologous expressed receptors in HEK293-cells, whereat only the 5-HT3A subunit is able to form functional homopentameric receptors. The 5-HT3E and the 5-HT3B subunit can only be expressed on the cell surface and build functional heteropentameric receptors in combination with the 5-HT3A subunit. In the course of the investigations it became obvious that during transfection the 5-HT3E subunit and the 5-HT3B subunit are significantly lesser expressed than the 5-HT3A subunit. Using the patch-clamp technique in the excised-patch (outside-out) and whole-cell configuration it was possible to analyse the pharmacological and biophysical properties of the heteromeric 5-HT3A+E receptor compared with the homomeric 5-HT3A-receptor and the heteromeric 5-HT3A+B receptor. During the characterisation of the human 5-HT3A+E receptor subtype, the agonist concentration-response curve with the hillslope of 1,0 showed a significant flatter course than the graph of the 5-HT3A receptor subtype with a hillslope of 1,5. This indicates a diminished agonist binding-cooperativeness of the 5-HT3A+E receptor. No difference could be detected in the affinity to 5-HT, since the EC50 values of both receptor-subtypes were at the range of 7 µM. The biphasic course of the graph showed that by transfection of the heteromeric 5-HT3A+E receptor the homomeric 5-HT3A-receptor is expressed parallel. The same properties were described also for the 5-HT3A+B receptor (WALSTAB et al. 2008). Therefore it is difficult to distinguish the properties of a homomeric receptor by characterisation of a heteromeric receptor subtype. Furthermore, a faster desensitization of the heteromeric 5-HT3A+E-receptor could be demonstrated in comparison to homomeric 5-HT3A-receptor. Overall, the results described above indicate an increased sensitivity to the receptor for serotonin. As the 5-HT3A+E receptor is expressed exclusively in the gastro-intestinal tract, this could be an indication of involvement of this receptor in the mediation of emesis. During the pharmacological characterisation the partial 5-HT3 receptor agonist tryptamine, the full 5-HT3 receptor antagonist tropisetron as well as the partial 5-HT3 receptor antagonists metoclopramide, tubocurarin, mirtazapin and the cannabinoid receptor agonist anandamide, which has an emetic effect, were examined. The agonist concentration-response curve of metoclopramide (5-HT3A+E receptor: hillslope = -0,8; 5-HT3A receptor: hillslope = -1,2) and of mirtazapin (5-HT3A+E receptor: hillslope = -0,9; 5-HT3A receptor: hillslope = -1,3) showed a significant flatter course at the 5-HT3A+E receptor. Mirtazapin has an IC50 value of 8,4 nM at the 5-HT3A+E receptor in comparison to 25,4 nM at the 5-HT3A receptor. This significant higher potency of mirtazapin at the heteromeric 5-HT3 receptor subtype and the decreased binding-cooperativeness of mirtazapin and meteclopramide at the 5-HT3A+E receptor represent interesting approaches for an effective pharmacotherapy for gastrointestinal diseases. For the first time the results of this thesis showed the electrophysiological properties of the human 5-HT3A+E receptors and their interference by emetic and antiemetic drugs on the molecular level. Due to the decreased expression of 5-HT3E subunit, the goal for the future is to find an alternative way of transfection which increases the rate of yield for the 5-HT3A+E receptors.

Mikrobielle Rhodopsine sind lichtsensitive Proteine, die von Mikroorganismen exprimiert werden um Licht wahrzunehmen oder dessen Energie zu nutzen. Ionen-transportierende mikrobielle Rhodopsine begründeten das Feld der Optogenetik. Hier erlauben sie transmembrane Ionenflüsse lichtsensitiv zu machen und neuronale Aktivität mit Licht zu steuern. Eine zielführende Nutzung beruht auf ihrer molekularen Charakterisierung, um sie dem Experiment anzupassen und es sinnvoll zu entwerfen. Teil I der Arbeit beschäftigt sich mit dem rotverschobenen Kanalrhodopsin ReaChR. Obwohl es mit breitem, nicht gaussförmigen Aktionsspektrum mit maximalen Strömen um 600 nm publiziert wurde, zeigte das Blitzlichtspektrum hier maximale Aktivität bei 535 nm ohne Besonderheiten. Mit steigender Intensität und längeren Pulsen verbreiterte sich das Spektrum; sehr ähnlich zum publizierten Spektrum. Dieses einzigartige Verhalten wird durch sekundäre Photochemie erklärt, welche zu einem komplexen Photozyklus mit lichtinduzierten Übergangen führt. Mutationen an Schlüsselpositionen wurden genutzt, um ReaChR über die publizierten Daten hinaus zu charakterisieren und neue Eigenschaften zu generieren. In Teil II wurde die auswärtsgerichtete Natriumpumpe KR2 elektrophysiologisch charakterisiert, was zuvor von schlechter Membranständigkeit in Säugetierzellen verhindert wurde. Ein verbessertes KR2 mit höherer Membranständigkeit und 60-fach größeren Photoströmen erlaubte Selektivitätsmessungen, welche zeigten, dass der Strom von Natriumionen getragen wird, wohingegen nichts auf Protonentransport hindeutete. Bei ausreichender Substratkonzentration war der Strom anders als bei Chlorid- oder Protonenpumpen von der Membranspannung unabhängig. Die Expression in Mausneuronen ermöglichte die reversible Unterdrückung von Aktionspotentialen mit Licht, wobei der Ausstrom von Kationen einen komplementären Weg zur neuronale Aktivitätsunterdrückung bietet, wenn etablierte Werkzeuge schlecht oder nicht funktionieren. / Microbial rhodopsins are photosensitive proteins utilized by fungi, algae, and prokaryotes to sense light or harness its' energy. Ion transporting microbial rhodopsins initiated the field of optogenetics, where they are applied to render transmembrane ion fluxes light sensitive and control neuronal activity with light. Part I of the thesis focused on the electrophysiological characterization of the red-shifted channelrhodopsin ReaChR. Although published with a broad, non-Gaussian shaped action spectrum peaking around 600 nm, the flash action spectra of ReaChR recorded here had a maximum at 535 nm without peculiarities. Increasing intensities and prolonging illumination broadened the spectrum, which finally peaked around 600 nm. This unique behavior stems from pronounced secondary photochemistry leading to a complex photocycle with various light-induced transitions especially under constant illumination. Mutations at key positions like the central gate, DC-pair or counter ions were employed to characterize the properties of ReaChR beyond published data and engineer new features. In part II an electrophysiological characterization of the outward Na+ pump KR2 was pursued, which was hindered by poor membrane targeting in mammalian cells before. Engineering of eKR2 improved membrane targeting and lead to 60-fold larger photocurrents than in the wild type. Selectivity measurements revealed that the stationary photocurrent is primarily carried by sodium with no evidence for proton transport. At sufficient substrate concentration stationary photocurrents were independent of the membrane voltage distinguishing eKR2 from proton and chloride pumps. Finally, eKR2 reliably and reversibly inhibited action potential firing already at 0.5 mW/mm2 green illumination in cultured hippocampal mouse neurons. Inhibiting action potential firing through cation extrusion poses a complementary way of neuronal silencing in contexts where established tools are unfavorable or even impossible to use.

Volumeninduzierte Chloridströme wurden bereits in einer Reihe von Zelltypen charakterisiert. In dieser Arbeit wurde die Modulation volumenaktivierte Chloridströme ICl,Vol und der Signalweg zu ihrer Aktivierung untersucht. In Endothelzellen aus der Pulmonalarterie des Rindes (CPAE) wurden der Membranstrom unter Anwendung der 'patch clamp' - Technik und simultan dazu die Konzentration des freien intrazellulären Kalziums [Ca2+]i gemessen. Bisher wurde davon ausgegangen, daß die Aktivierung von ICl,Vol kalziumunabhängig erfolgt. In dieser Arbeit wurde ICl,Vol unter Pufferung des [Ca2+]i mit BAPTA und EGTA gemessen. Es konnte gezeigt werden, daß freies intrazelluläres Kalzium in Konzentrationen niedriger als 50 nM zur Stromaktivierung notwendig ist. Bei einer höheren Konzentration verliert der Strom jedoch seine Kalziumabhängigkeit. Chromoglycinsäure (CL) blockiert ICl,Vol in Endothelzellen. Dieser Effekt ist jedoch im Vergleich zu dem klassischen Chloridkanalblocker NPPB geringer (Ki=15mM) und sehr langsam (im Mittel 100 s). Damit sind die blockierenden Eigenschaften auch geringer ausgeprägt als z.B. auf ICl,Vol und Hemmung der Serotoninsekretion in Mastzellen. Weiterhin war die Rolle von durch Proteinphosphorylierung modulierten intrazellulären Signalwegen bei der Aktivierung von ICl,Vol Gegenstand von Experimenten. Weder die Aktivierung der Proteinkinase C (PKC) durch direkte Applikation des Phorbolesters PMA noch deren Ab - Regulation durch 24-stündige Inkubation mit PMA hatten Einfluß auf die Aktivierung von ICl,Vol. Auch Wortmannin, ein Inhibitor sowohl der MAP - Kinasen (und damit des Tyrosinkinase - assoziierten Rezeptor - Signalweges) als auch der PI3 - Kinase, zeigte keinen Effekt auf ICl,Vol. Der Aktivator der MAP - Kinasen und der fokalen Adhaesionskinase p125FAK, die Substanz Lysophosphatsäure (LPA), zeigte weder einen Effekt auf ICl,Vol, noch konnte damit ein Chloridstrom induziert werden. Die Induktion von HSP durch Applizierung von thermischem und chemischem Streß unter Inkubation bei bis zu 45 °C über 60 min und Einwirkung von 0,3 mM Natriumarsenit zeigte keinerlei Einfluß auf ICl,Vol. Es konnte auch keine Aktivierung eines Chloridstromes beobachtet werden. Zur Untersuchung des Aktivierungsmechanismus von ICl,Vol dienten Experimente unter gleichzeitiger Messung von ICl,Vol, Membrankapazität (CM) und (jedoch zeitlich unabhängig voneinander) der Zellhöhe. Die Ergebnisse wurden an Hand dreier Modellvorstellungen zur Aktivierung von ICl,Vol diskutiert. Es bestand eine enge Korrelation zwischen Veränderungen der Zellhöhe und des aktivierten Stromes. Beide korrelieren jedoch nicht mit den Änderungen von CM. Dabei änderte sich CM bei einem Teil der Zellen praktisch nicht, d.h. geringer als 2% des Ausgangswertes vor Applikation hypotoner Lösung (n=17), bei den verbliebenen Teil zeigten sich deutliche Veränderungen von durchschnittlich 10,6 ± 0,9 % ( ± SEM, n=5). In letzterem Fall änderte sich jedoch immer zuerst ICl,Vol und dann CM. Nach Inhibierung des intrazellulären Vesikeltransports durch Brefeldin A war ICl,Vol ohne signifikante Änderungen auslösbar. Unter Cycloheximid, einem Blocker der Proteinsynthese auf Transkribtionssebene, wurden keine spezifischen Veränderungen von ICl,Vol beobachtet. Auf jeden Fall ist CM nicht der primäre Trigger für ICl,Vol. Die Aktivierung von volumeninduzierten Chloridströmen erfolgt nicht maßgeblich durch die Inkorporierung von Ionenkanal - Proteinen enthaltenden Membranvesikeln. / Volume-induced chlorid currents are characterised for many types of cells. I have investigated the modulation and activation of these currents. In cultered pulmonary artery endothelial cells (CPAE) patch clamp maesurements of membrane currents and simultaneous maesurements of free intracellular calcium ([Ca2+]i) were performed. Until now, activation of ICl,Vol was characterised as Calcium-independently. I maesured the current buffering [Ca2+]i with the Calcium chelators BAPTA and EGTA. It could be observed, that [Ca2+]i at concentrations less than 50 nM is required to activate ICl,Vol. At higher concentrations, there is no modulation by [Ca2+]i. Sodiumchromoglycate (CL) blocks ICl,Vol in endothelium cells. This effect is small (Ki=15mM) and slow (100 s) as compared of those of the classical chlorid channel blocker NPPB. Inhibitory effects of CL to ICl,Vol in endothelial cells are weaker than to ICl,Vol and to secretion of serotonin in mast cells. The role of intracellular phosphorylation signal pathways on activation of ICl,Vol was investigated. Neither activation of protein kinase C (PKC) throught direct application of the phorbol ester PMA nor down-regulation through preincubation with PMA had any effect on activation of ICl,Vol. Also Wortmannin, an inhibitor of MAP-kinases, failed to have significant effects on I

In der vorliegenden Habilitationsarbeit wurden die Ionenkanäle von Mikrogliazellen mit Hilfe der Patch-clamp-Technik untersucht, nachdem die Mikrogliazellen in den deaktivierten Zustand überführt worden waren. Die Deaktivierung der Mikroglia erfolgte durch die Zugabe des astrozytenkonditionierten Mediums. Nach der Deaktivierung exprimierten die Mikrogliazellen einwärts- und auswärtsgleichrichtende sowie Ca2+-aktivierte Kaliumkanäle. Der auswärtsgleichrichtende Kaliumkanal wurde erst nach Zugabe des astrozytenkonditionierten Mediums exprimiert, wobei das durch die Astrozyten freigesetzte Zytokin transformierender Wachstumsfaktor für diesen Prozeß verantwortlich gemacht werden konnte. Zusätzlich wurden Chloridkanäle an deaktivierten Mikrogliazellen nachgewiesen, die an den Ramifizierungsprozessen der Zellen, d.h. dem Übergang von der amöboiden in die ramifizierte Zellmorphologie, beteiligt waren. Die an Mikrogliazellen exprimierten Protonenkanäle spielen offensichtlich eine wichtige Rolle bei der Generierung von reaktiven Sauerstoffradikalen und wurden im Prozeß der Deaktivierung der Mikrogliazellen herunterreguliert. / The current work describes patch clamp recordings in cultured murine microglial cells, which had been deactivated following exposure to astrocyte-conditioned medium. Deactivated microglial cells expressed inwardly rectifying, outwardly rectifying and calcium-activated potassium channels. The outwardly rectifying potassium channels were upregulated following treatment of microglial cells with the astrocyte-conditioned medium. The anti-inflammatory cytokine transforming growth factor was released by astrocytes and appeared to be responsible for the observed upregulation of outwardly rectifying potassium channels in deactivated microglia. In addition, deactivated microglial cells expressed chloride channels, which were found to be involved in microglial ramification, i.e., in the transformation of microglial cells from ameboid into ramified morphology. Voltage-gated proton channels, which are involved in processes of oxygen radical generation, were downregulated in deactivated microglial cells.

Durch Ausübung physiologischer Grundfunktionen spielen Ionenkanäle eine entscheidende Rolle für die reguläre Funktion von Zellen. Zum besseren Verständnis ihrer Struktur und Funktion sind Untersuchungen natürlicher und künstlicher Ionenkanäle wichtige Werkzeuge. Großes analytisches und therapeutisches Potential ist in der Untersuchung künstlicher Kanäle in lebenden Zellen vorhanden, was bisher wenig Beachtung fand. In der vorliegenden Arbeit wurde die Wirkung der künstlichen Ionenkanäle THF-gram, THF-gram-TBDPS sowie linked-gram-TBDPS auf elektrophysiologische Eigenschaften boviner Trabekelwerkszellen des Auges anhand von Patch-Clamp-Untersuchungen im Whole-Cell-Modus analysiert. Die Untersuchung brachte folgende Erkenntnisse: 1. Die Inkorporation aller drei Verbindungen war erfolgreich, was sich durch Anstieg der Stromdichte und Verschiebung des Umkehrpotentials zeigte. 2. Einbau von THF-gram und THF-gram-TBDPS war mit dem Überleben der Zellen vereinbar, während linked-gram-TBDPS aufgrund einer sehr potenten Antwort bereits bei sehr geringen Konzentrationen zum raschen Zelltod führte. 3. Eine Asymmetrie der Stromantwort zugunsten stärkerer Auswärtsströme wurde bei THF-gram und in schwächerer Ausprägung bei THF-gram-TBDPS festgestellt. Linked-gram-TBDPS zeigte keine derartige Asymmetrie. 4. Unter Verwendung von Cs+ als Ladungsträger war der beobachtete Anstieg der Stromdichte bei allen drei Verbindungen eindeutig stärker als unter physiologischen Bedingungen (Na+/K+). 5. Die dargestellten Erkenntnisse sind ein erster Schritt zur therapeutischen Anwendung von künstlichen Ionenkanälen. Eine Weiterentwicklung in Richtung höherer Selektivität und besserer Kontrolle ist jedoch genauso erforderlich wie die Klärung der klinischen Umsetzbarkeit. / Ion channels play a pivotal role for regular cell function. To better understand their structure and function, investigation of both natural and artificial ion channels is being performed to date. Investigation of artificial channels in living cells hides a big potential, however, little attention has been paid to this field so far. In this work, the effect of the artificial ion channels THF-gram, THF-gram-TBDPS and linked-gram-TBDPS on electrophysiological properties of bovine trabecular meshwork cells was investigated with the patch-clamp-technique. Following results were obtained: 1. Incorporation of all three compounds was successful, which was proven by increase of current density and cell depolarisation. 2. The cells survived after incorporation of THF-gram and THF-gram-TBDPS but not after linked-gram-TBDPS, which resulted in cell death at very low concentrations. 3. Larger outward currents were observed with THF-gram and, at a lower extent, with THF-gram-TBDPS. Linked-gram-TBDPS did not show such an asymmetry. 4. With Cs+ as charge carrier all three compunds showed a stronger increase of current density than under physiological conditions (Na+/K+). 5. The decribed results are a first step towards therapeutic application of artificial ion channels, however, further development towards higher selectivity and better control is as necessary as clarification of clinical feasibility.

Le but de ce travail était d'étudier si la réponse à l'inhibition métabolique était la même dans des cellules cardiaques en provenance de différentes régions du ventricule, soit de la région sous-endocardique et de celle sous-épicardique. En deuxième lieu, nous voulions confirmer la participation de"l'inward rectifier" dans l'augmentation de la composante sortante du courant de fond en inhibition métabolique. Nous avons donc trouvé une hétérogénéité n'étant pas reliée à l'arrangement des cellules en couches. Le courant de"l'inward rectifier" participe à la réponse à l'inhibition métabolique avec le I[indice inférieur k-ATP]. L'augmentation de la composante sortante d'I[indice inférieur k1] contribue au raccourcissement du potentiel d'action en conditions de stress énergétique. Toutefois, l'impossibilité de retrouver les niveaux de courants initiaux au-delà de -50 mV, suggère que dans nos préparations, le courant chlore sensible à l'étirement pourrait être impliqué dans cette réponse. Des extrapolations en vue d'expliquer l'impact de ces résultats in vivo doivent être faites avec précaution, car les mécanismes y sont beaucoup plus complexes. --Résumé abrégé par UMI.