Die Ionenkanäle TRPV2, TRPV3 und TRPV4 sind an diversen physiologischen und pathologischen Vorgängen beteiligt, wodurch sie zu einer potentiellen pharmakologischen Zielstruktur werden. Zur Identifikation von Modulatoren mit einer erwünschten Wirkung an diesen Zielstrukturen, hat sich das Screening von Substanzbibliotheken bewährt, sodass auch wir auf diese Methode zurückgriffen. Die Substanzbibliothek Spectrum Collection umfasst neben 800 Naturstoffen und 160 Toxinen auch 1040 zugelassene oder klinisch geprüfte Medikamente, welche den Vorteil bieten, dass bereits Daten zur Pharmakokinetik und -dynamik vorhanden sind. Für die Untersuchungen entstanden mittels Transfektion murine TRPV2-, TRPV3- und TRPV4-über¬exprimierende humane embryonale Nierenzelllinien (HEK293-Zellen). In die Parentalzelllinie wurden Vektoren eingebracht, welche neben einer für das jeweilige Kanalprotein codierenden Sequenz u.a. auch einen CFP oder YFP Tag aufwiesen. Diese Markierung ermöglichte eine Kontrolle der Expression und der subzellulären Lokalisation. Das Screening der Spectrum Collection lieferte 61 (TRPV2), 68 (TRPV3) und 28 (TRPV4) Substanzen mit aktivierendem bzw. inhibitorischem Effekt. Im Anschluss an das Primärscreening war die Durchführung eines Sekundärscreenings notwendig. Am Ende dieses Selektionsprozesses standen Alverincitrat, Valdecoxib und Maprotilin. Es folgten weitere Untersuchungen zur Selektivität innerhalb der TRPV-Subfamilie. Alverincitrat ist ein nichtatropinerges Relaxans der glatten Muskulatur, welches in Großbritannien als Spasmolytikum u.a. zur Behandlung des Reizdarmsyndroms sowie der Dysmenorrhoe zugelassen ist. Alverincitrat zeigte einen blockierenden Effekt auf TRPV2 und TRPV4. Valdecoxib, welches als COX-2-Hemmer verbreitet als Analgetikum und Antiphlogistikum eingesetzt wird, fiel durch eine Blockierung des TRPV2-vermittelten intrazellulären Calciumionenanstiegs auf. Für Valdecoxib wurde eine halbmaximale inhibitorische Konzentration von 43,5 µM bestimmt. An TRPV3-Ionenkanälen hingegen zeigte sich eine Potenzierung des aktivatorinduzierten [Ca2+]i -Signals durch Valdecoxib. Aufgrund ihrer strukturellen Ähnlichkeit prüften wir, ob dieser konzentrationsabhängige Effekt auch durch andere COX-2-Hemmer, konkret Deracoxib und Rofecoxib, hervorgerufen werden kann. Für Rofecoxib wurde kein Einfluss auf TRPV3-Ionenkanäle detektiert. Deracoxib führte zu einer im Vergleich zu Valdecoxib sogar noch stärkeren Potenzierung des 2-APB-getriggerten, TRPV3-vermittelten Anstiegs der [Ca2+]i. Als nichtselektiver Monamin-Wiederaufnahme-Hemmer ist das tetrazyklische Anti-depressivum Maprotilin seit ca. 30 Jahren zur Behandlung depressiver Erkrankungen zugelassen. Wir beobachteten eine Inhibierung der GSK1016790A-induzierten TRPV4-Aktivierung durch Maprotilin. Die Ionenkanäle TRPV2, TRPV3 und TRPV4 sind von physiologischer bzw. pathophysiologischer Relevanz für den menschlichen Organismus und stellen somit eine geeignete pharmakologische Zielstruktur dar. Es sind zwar einige teils spezifische Aktivatoren und Blocker für TRPV2, TRPV3 und TRPV4 bekannt, diese sind jedoch bisher nicht zugelassen und damit nicht therapeutisch einsetzbar Neben dem therapeutischen Einsatz könnten die identifizierten Modulatoren auch zum Erstellen von Struktur-Wirkungsbeziehungen genutzt werden, durch die chemische Substrukturen ermittelt werden, welche für gewünschte sowie unerwünschte Wirkungen essentiell sind. Des Weiteren ist ein Einsatz der Modulatoren als zellbiologische Werkzeuge denkbar, wodurch neue Erkenntnisse über die physiologische und pathophysiologische Relevanz von TRPV2, TRPV3 und TRPV4 sowohl auf zellulärer als auch auf systemischer Ebene gewonnen werden könnten.:Inhaltsverzeichnis 1 Abkürzungsverzeichnis 3 1 Einführung 5 1.1 Die Familie der TRP-Ionenkanäle 5 1.2 Die TRPV-Subfamilie 8 1.3 TRPV2 8 1.4 TRPV3 12 1.5 TRPV4 15 2 Aufgabenstellung 20 3 Material und Methoden 21 2.1 Zellkultur 21 2.2 Laser-Scanning-Mikroskopie 22 2.3 Ca2+ -Assays 22 2.4 Spectrum Collection 26 4 Ergebnisse 28 3.1 Subzelluläre Lokalisation von TRPV2, TRPV3 und TRPV4 28 3.2 Funktionelle Expression 29 3.3 Screening der Spectrum Collection 31 3.4 Alverincitrat 36 3.5 Valdecoxib 39 3.6 Maprotilin 44 5 Diskussion 48 4.1 TRPV4 48 4.2 TRPV2 53 4.3 TRPV3 55 4.4 Ausblick 59 6 Zusammenfassung der Arbeit 61 7 Literaturverzeichnis 66 8 Curriculum vitae Fehler! Textmarke nicht definiert. 9 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 79 10 Danksagung 80

In der vorliegenden Arbeit konnte am rekombinanten Tom40 aus Neurospora crassa und aus Saccharomyces cerevisiae gezeigt werden, dass in beiden Spezies ein einziges Tom40-Molekül in der Lage ist ein membrandurchspannendes Beta-Barrel Protein aus 16 transmembranen Beta-Strängen auszubilden. Tom40 aus beiden Spezies bildet einen kationenselektiven Kanal dessen charakteristischer Hauptleitwert eine gute Übereinstimmung zu publizierten Werten zeigt und genau einer porenbildenden Einheit im TOM-Komplex entspricht. Ein generell unterschiedliches Verhalten von Tom40 durch eine Fehlfaltung des zuvor denaturierten Proteins, kann also ausgeschlossen werden. Der Kanal interagiert seitenabhängig mit aminoterminalen mitochondrialen Präsequenzen. Die Spezifität der Wechselwirkung mit Tom40 ist jedoch geringer als die mit dem TOM-Komplex. In elektrophysiologischen Untersuchungen des SAM-Komplexes aus Saccharomyces cerevisiae konnte gezeigt werden, dass Sam50 die charakteristische porenbildende Einheit im Komplex darstellt. Sam50 aus Saccharomyces cerevisiae und Homo sapiens bilden kationenselektive Kanäle, wobei der Hauptleitwert im humanen Protein signifikant größer als im Hefe-Protein ist. Der evolutiv konservierte C-Terminus von Sam50 reicht hierbei aus diese Pore zu bilden, ist aber im Vergleich zum Volllängenprotein stark im Schaltverhalten beeinträchtigt. Die elektrophysiologischen Eigenschaften von Sam50, spiegeln exemplarisch die Werte verwandter Poren der Omp85-Familie wider. Der Sam50-Kanal wird im SAM-Komplex durch die ebenfalls essenzielle Komponente Sam35 reguliert. Es konnte gezeigt werden, dass sich durch eine Interaktion von Sam35-Protein mit einem konservierten Beta-Signalpeptid der Komplex in einen aktiven Zustand größerer Leitfähigkeit überführen lässt, der sich durch ein dynamisches Schaltverhalten und das Auftreten multipler Leitwerte auszeichnet, wobei im Komplex mehrere Porenproteine am Stromfluss beteiligt sind.

Kanalrhodopsine (ChRs) sind eine Gruppe von lichtgesteuerten Ionenkanälen, die ursprünglich aus motilen Algen stammen. In ihren nativen Organismus vermitteln sie die Bewegung zu optimalen Lichtbedingungen. In der biologischen Forschung hingegen werden ChRs eingesetzt, um die Erregbarkeit spezifischer Zellen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung optisch zu steuern, ein Forschungsfeld, was als Optogenetik bezeichnet wird. Es wurden zahlreiche ChRs mit unterschiedlichen Eigenschaften charakterisiert und entwickelt, darunter solche, die selektiv für H+, Na+, K+ und Anionen sind. Im Gegensatz dazu sind bisher keine Ca2+-selektiven ChRs bekannt. In Anbetracht der Dominanz der von Kalzium in zellulären Signalwegen in allen Reichen des Lebens, würde ein Ca2+-leitendes ChR präzise Photokontrolle einer Vielzahl von zellulären Prozessen ermöglichen. In dieser Arbeit wurden Chlamydomonas reinhardtii channelrhodopsin 2 (CrChR2) Mutanten, die mit einer Erhöhung der Ca2+-Leitfähigkeit einhergehen, elektrophysiologisch charakterisiert und systematisch verglichen. Von den getesteten Varianten zeigten diejenigen, die eine Erhöhung der negativen Ladung am Selektivitätsfilter des Kanals, dem zentralen Tor, verursachen, erhebliche Auswirkungen auf die Leitfähigkeit für Ca2+ bei negativen Membranspannungen. Daraufhin wurden gezielt homologe Mutationen an mehreren verwandten ChRs eingeführt wodurch erfolgreich zwei Kalzium-durchlässige Kanalrhodopsine (CapChR1 und 2) erzeugt werden konnten. Die erweiterte Charakterisierung der CapChRs ergab eine unterdrückte Na+-Leitfähigkeit und eine erhöhte Ca2+-Durchlässigkeit bei negativen Spannungen. Bei niedrigen extrazellulären Konzentrationen des zweiwertigen Kations zeigten Kalzium-Imaging Experimente die Überlegenheit von CapChR2 bei der Vermittlung des durch Licht ausgelösten Ca2+-Einstroms in kultivierten Zellen. / Channelrhodopsins (ChRs) constitute a group of light-gated ion channels originating from motile algae. In their native organisms, they mediate movement towards optimal light conditions. In biological research, ChRs are employed to optically control excitability of specific cells with a high spatiotemporal resolution in a field commonly referred to as optogenetics. Numerous ChRs with varying properties have been characterized and engineered, including members that are selective for H+, Na+, K+ or anions. In contrast, no Ca2+-selective ChRs have been reported to date. Given the dominance of calcium signaling across the kingdoms of life, a Ca2+-conducting ChRs would enable precise photocontrol of a multitude of cellular processes. In this work, mutants of Chlamydomonas reinhardtii channelrhodopsin 2 (CrChR2) associated with an increase in Ca2+-conductance were characterized via electrophysiology and compared systematically. Out of the tested variants, those increasing the negative electric charge at the selectivity filter of the channel, the central gate, were found to have substantial effects on the conductance for Ca2+ at negative membrane voltages. Subsequently, targeted mutations on several related ChRs were introduced in order to produce two calcium-permeable channelrhodopsins (CapChR1 and 2). Extended characterization of the engineered CapChRs revealed suppressed Na+ conductance and increased Ca2+ permeation at negative voltages. At low extracellular concentrations of the divalent cation, calcium imaging experiments demonstrated the superiority of CapChR2 in mediating light-triggered Ca2+-influx in cultured cells.

Plasmalemmale Kalzium- und Kaliumkanäle sind wichtige Regulatoren der kontraktilen Kraft glatter Gefäßmuskelzellen. Bei Untersuchungen an einer Vielzahl nicht humaner glatter Muskelzellen wurden verschiedene Kalzium- und Kaliumkanaltypen identifiziert. Allerdings ist über das Vorkommen, die biophysikalisch-pharmakologischen Eigenschaften, Regulation, Bedeutung und differentielle Expression von spannungsabhängigen Kalzium- und Kaliumkanälen in humanen arteriellen Gefäßmuskelzellen noch wenig bekannt. In dieser Arbeit wurden spannungsabhängige Kalzium- und Kaliumkanalströme in frisch-isolierten Gefäßmuskelzellen humaner Koronararterien analysiert. Die wichtigsten Ergebnisse waren: (1) Gefäßmuskelzellen humaner Koronararterien exprimieren funktionell aktive spannungsabhängige L-Typ-Kalziumkanäle. (2) Die hohe Permeationsrate von L-Typ-Kanälen in Lösungen mit physiologischer Ca2+-Konzentration wird durch die (1- Kanaluntereinheit bestimmt. (3) L-Typ-Kanäle der C-Klasse werden durch G-Proteine und Proteinkinase C moduliert. (4) Die Expression von L-Typ-Kanälen in Gefäßmuskelzellen wird differentiell reguliert. (4) Vier diverse Kaliumkanalströme kommen in Gefäßmuskelzellen humaner Koronararterien vor: IK(dr), IBK(Ca), IK(ATP) und STOCs. (5) Spontane transiente Auswärtsströme (STOCs) werden durch Ca2+-Sparks ausgelöst. (6) Ca2+-Sparks entstehen durch Öffnung von Ca2+-Freisetzungskanälen (Ryanodinrezeptoren) des sarkoplasmatischen Retikulums. (7) KATP-Kanäle fungieren als Zielstruktur für diverse endogene und synthetische Vasodilatatoren. (8) Ca2+-Sparks und STOCs bewerkstelligen die Feineinstellung des myogenen Gefäßtonus. (9) Der Ca2+-Spark/STOC-Signalweg stellt potenziell ein neuartiger Angriffsort für Hormone und Pharmaka dar, über den der Gefäßtonus von geringlumigen Arterien beeinflusst werden kann. Diese Ergebnisse tragen zum Verständnis der Bedeutung von plasmalemmalen Ionenkanälen bei chronischen Gefäßerkrankungen wie Atherosklerose und Hypertonie bei und eröffnen möglicherweise neue therapeutische Möglichkeiten. / Plasmalemmal calcium- and potassium channels represent important regulators of the contractile force of smooth muscle. Studies on various human smooth muscle cells have identified different calcium and potassium channels. However, relatively little is known on the presence, biophysical and pharmacological properties, regulation, function, and differential expression of voltage-dependent calcium and potassium channels in human coronary arteries. In this study, voltage-depedent calcium and potassium channels in human coronary arteries were studied. The main findings are: (1) Smooth muscle cells of human coronary arteries exhibit functional voltage-dependent, L-type calcium channels. (2) The high permeation rate of L-type channels in solutions with physiological calcium concentrations is determined by the (1 channel subunit. (3) C-class L-type channels are modulated by G proteins and protein kinase C. (4) The expression of L-type channels in vascular smooth muscle cells is differentially regulated. (4) Four diverse potassium channel currents are present in smooth muscle cells from human coronary arteries: IK(dr), IBK(Ca), IK(ATP) and STOCs. (5) Spontaneous transient outward currents (STOCs) are induced by Ca2+ sparks. (6) Ca2+ sparks are generated by the opening of calcium release channels (ryanodine receptors) in the sarcoplasmic reticulum. (7) KATP channels function as target for diverse endogeneous and synthetic vasodilators. (8) Ca2+ sparks and STOCs control the myogenic tone of arterial vessels. (9) The Ca2+ spark/STOC signaling pathway represents a novel target for hormones and drugs to regulate the diameter of small, resistance-sized arteries. These results contribute to a better understanding of the role of plasmalemmal ion channels in chronic vascular disease, such as atherosclerosis and hypertension. They may open novel therapeutic possibilites in the treatment of chronic vascular disease.

Die Eigenschaften einzelner Nervenzellen sind von grundlegender Bedeutung für die Verarbeitung von Informationen im Nervensystem. Neuronen antworten auf Eingangsreize durch Veränderung der elektrischen Spannung über die Zellmembran. Die Spannungsantwort wird dabei durch die Dynamik der Ionenkanäle in der Zellmembran bestimmt. In dieser Arbeit untersuche ich anhand von leitfähigkeits-basierten Modellneuronen den Einfluss von Ionenkanälen auf zwei Aspekte der Signalverarbeitung: die Frequenz-Selektivität sowie die Zuverlässigkeit und zeitliche Präzision von Aktionspotentialen. Zunächst werden die zell-intrinsischen Mechanismen identifiziert, welche the Frequenz-Selektivität und die Zuverlässigkeit bestimmen. Weiterhin wird untersucht, wie Ionenkanäle diese Mechanismen modulieren können, um die Integration von Signalen zu optimieren. Im ersten Teil der Arbeit wird demonstriert, dass der Mechanismus der unterschwelligen Resonanz, so wie er bisher für periodische Signale beobachtet wurde, auch auf nicht-periodische Signale anwendbar ist und sich ebenfalls in den Feuerraten niederschlägt. Im zweiten Teil wird gezeigt, dass zeitliche Präzision und Zuverlässigkeit von Aktionspotentialen mit der Stimulusfrequenz variieren und dass, in Abhängigkeit davon, ob das Stimulusmittel über- oder unterhalb der Feuerschwelle liegt, zwei Stimulusregime unterschieden werden müssen. In beiden Regimen existiert eine bevorzugte Stimulusfrequenz, welche durch die Gesamtleitfähigkeit und die Dynamik spezifischer Ionenkanäle moduliert werden kann. Im dritten Teil wird belegt, dass Ionenkanäle die Zuverlässigkeit auch direkt über eine Veränderung der Sensitivität einer Zelle gegenüber neuronalem Rauschen bestimmen können. Die Ergebnisse der Arbeit lassen auf eine wichtige Rolle der dynamischen Regulierung der Ionenkanäle für die Frequenz-Selektivität und die zeitliche Präzision und Zuverlässigkeit der Spannungsantworten schließen. / The properties of individual neurons are of fundamental importance for the processing of information in the nervous system. The generation of voltage responses to input signals, in particular, depends on the properties of ion channels in the cell membrane. Within this thesis, I employ conductance-based model neurons to investigate the effect of ionic conductances and their dynamics on two aspects of signal processing: frequency-selectivity and temporal precision and reliability of spikes. First, the cell-intrinsic mechanisms that determine frequency selectivity and spike timing reliability are identified on the basis of conductance-based model neurons. Second, it is analyzed how ionic conductances can serve to modulate these mechanisms in order to optimize signal integration. In the first part, the frequency selectivity of subthreshold response amplitudes previously observed for periodic stimuli is proven to extend to nonperiodic stimuli and to translate into firing rates. In the second part, it is demonstrated that spike timing reliability is frequency-selective and that two different stimulus regimes have to be distinguished, depending on whether the stimulus mean is below or above threshold. In both cases, resonance effects determine the most reliable stimulus frequency. It is shown that this frequency preference can be modulated by the peak conductance and dynamics of specific ion channels. In the third part, evidence is provided that ionic conductances determine spike timing reliability beyond changes in the preferred frequency. It is demonstrated that ionic conductances also exert a direct influence on the sensitivity of the timing of spikes to neuronal noise. The findings suggest an important role for dynamic neuromodulation of ion channels with regard to frequency selectivity and spike timing reliability.

Rhythmische neuronale Aktivität spielt vermutlich eine wichtige Rolle in der Informationsverarbeitung im zentralen Nervensystem. Oszillationen neuronaler Netze sind heterogen, von der Hirnregion und ihrer Funktion abhängig und werden entsprechend ihrer Frequenz eingeteilt. Für ihre Entstehung sind über die Verschaltung der Neuronen und der synaptischen Übertragung hinaus insbesondere die Erregbarkeit und Oszillationseigenschaften einzelner Neurone von Bedeutung. Bestimmte Zellen der hippokampalen Formation wie zum Beispiel Sternzellen (SC) der Schicht II des Entorhinalkortex zeigen oszillatorische Aktivität und antworten verstärkt auf Stimuli einer bestimmten Frequenz – sie sind resonant. Beide Phänomene werden auf spezifische spannungsabhängige Leitfähigkeiten in der Membran zurückgeführt. Es stellte sich heraus, dass die Resonanzfrequenz von SCs durch das Muster der vorhandenen Leitfähigkeiten bestimmt wird und von der Position der Zelle entlang der dorso-ventralen Achse abhängt. Dieser Gradient ist bereits in frühen Entwicklungsstadien nachweisbar. Im Zuge der weiteren Entwicklung werden SCs weniger erregbar und der Bereich der Resonanzfrequenz dehnt sich nach dorsal aus. Pharmakologische Experimente ergaben, dass die Resonanz von SCs von HCN-Kanälen abhängt und von Kv7-Kanälen moduliert wird. Außerdem konnten zwei, bisher unbekannte Klassen von oszillatorischen Interneuronen beschrieben werden, deren Resonanz ebenfalls im Theta-Bereich liegt und auf ähnliche Leitfähigkeiten zurückgeführt werden kann. Weitere, auch CA1-Pyramidenzellen einschließende Experimente ergaben, dass HCN-Kanäle die allgemeine Voraussetzung für Resonanz zu sein scheinen während Kv7-Kanäle potente Modulatoren darstellen. Die pharmakologische Blockade dieser Kanäle unterbrach Netzwerkoszillation im Hippokampus. Dies unterstützt die These, dass bestimmte Leitfähigkeiten Neuronen Resonanzeigeschaften verleihen und somit wiederum Netzwerkoszillationen unterstützen. / Rhythmic neuronal activity is thought to be crucial for information processing in the brain. Neuronal network oscillations are heterogeneous, vary with brain region and type of information processed. They are classified according to their frequency content. Their generation relies on network circuitry, synaptic transmission and neuronal properties. Oscillatory behavior of individual cells has been particularly implicated. Different cell types within the hippocampal formation such as layer II stellate cells (SC) of the medial entorhinal cortex display oscillatory activity and are resonant, i.e., respond preferentially to stimuli of a given frequency. Voltage dependent ionic conductances have been suggested to give rise to these phenomena. It was found that resonance of SCs is defined by the composition of voltage-dependent channels embedded in their membrane and changes with their position along the dorsal-ventral axis. This gradient of SC properties develops during early postnatal life. During the transition to adulthood cells become less excitable and the range of resonance frequencies expands in the dorsal direction. Pharmacological experiments reveal the resonance of SCs to depend strongly on HCN-channels and to be modulated by Kv7-channels. Also, two previously unknown classes of oscillating interneurons were identified in the stratum radiatum of the CA1 region. These are targeted by neurons from the dentate gyrus, display frequency preferences in the theta range which relies on similar membrane conductances. Further experiments including CA1 pyramidal cells suggested HCN-channels to be the primary global requirement for resonance whereas Kv7-channels appear to be effective modulators. Pharmacological blockade of these channels disrupted ongoing network oscillations in the hippocampus. This supports the notion that specific ion channels support rhythmic activity of individual cells and in turn of entire networks.

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.

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.

The goal of this project is the development of artificial ion channels that can be actuated by light and thus controlled efficiently. Our artificial system is composed of two regions: the gate and the body part. The gate part is based on light-responsive azo groups while the body part is formed by calix[4]resorcinarene. Key of controlling mechanism is the conformational change between cis and trans isomers, which is translated into movement of the gate. Light-gated artificial ion channels are aimed at eliminating of the stochastic mechanism of artificial ion channels. Such a reversible photocontrol should be a powerful tool for using artificial ion channels as the basis for the development of new pharmaceuticals and drug delivery systems, as photoswitches, and in the field of microfluidics.

The goal of this project is the development of artificial ion channels that can be actuated by light and thus controlled efficiently. Our artificial system is composed of two regions: the gate and the body part. The gate part is based on light-responsive azo groups while the body part is formed by calix[4]resorcinarene. Key of controlling mechanism is the conformational change between cis and trans isomers, which is translated into movement of the gate. Light-gated artificial ion channels are aimed at eliminating of the stochastic mechanism of artificial ion channels. Such a reversible photocontrol should be a powerful tool for using artificial ion channels as the basis for the development of new pharmaceuticals and drug delivery systems, as photoswitches, and in the field of microfluidics.