Konstanz, Univ., Diss., 2008.

Zugl.: Giessen, Univ., Diss., 2008

Tübingen, Universiẗat, Diss., 2006.

München, Techn. Univ., Diss., 2010.

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--München.

Regensburg, Univ., Diss., 2009.

München, Techn. Univ., Diss., 2004. / Enth. 2 Sonderabdr. aus: The Journal of Biological Chemistry ; 41. 2003 und: The Journal of Clinical Investigation ; 10. 2004

Fluorescence microscopy has become one of the most important techniques for the imaging of biological cells and tissue, since the technique allows for selective labeling with fluorescent molecules and is highly suitable for low-light applications down to the single molecule regime. The methodological requirements are well-defined for studying membrane receptors within a highly localized nanometer-thin membrane. For example, G-protein-coupled receptors (GPCRs) are an extensively studied class of membrane receptors that represent one of the most important pharmaceutical targets. Ligand binding and GPCR activation dynamics are suspected to take place at the millisecond scale and may even be far faster. Thus, techniques that are fast, selective, and live-cell compatible are required to monitor GPCR dynamics. Fluorescence resonance energy transfer (FRET) and total internal reflection fluorescence microscopy (TIRF-M) are methods of choice to monitor the dynamics of GPCRs selectively within the cell membrane. Despite the remarkable success of these modalities, there are limitations. Most importantly, inhomogeneous illumination can induce imaging artifacts, rendering spectroscopic evaluation difficult. Background signal due to scattering processes or imperfect labeling can hamper the signal-to-noise, thus limiting image contrast and acquisition speed. Careful consideration of the internal physiology is required for FRET sensor design, so that ligand binding and cell compatibility are well-preserved despite the fluorescence labeling procedures. This limitation of labeling positions leads to very low signal changes in FRET-based GPCR analysis. In addition, microscopy of these systems becomes even more challenging in single molecule or low-light applications where the accuracy and temporal resolution may become dramatically low. Fluorescent labels should therefore be brighter, protected from photobleaching, and as small as possible to avoid interference with the binding kinetics. The development of new fluorescent molecules and labeling methods is an ongoing process. However, a complete characterization of new labels and sensors takes time. So far, the perfect dye system for GPCR studies has not been found, even though there is high demand. Thus, this thesis explores and applies a different approach based on improved illumination schemes for TIRF-M as well as metal-coated coverslips to enhance fluorescence and FRET efficiency. First, it is demonstrated that a 360° illumination scheme reduces typical TIRF artifacts and produces a much more homogenously illuminated field of view. Second, membrane imaging and FRET spectroscopy are improved by metal coatings that are used to modulate the fluorescent properties of common fluorescent dyes. Computer simulation methods are used to understand the underlying photophysics and to design the coatings. Third, this thesis explores the operational regime and limitations of plasmonic approaches with high sectioning capabilities. The findings are summarized by three publications that are presented in the results section of this work. In addition, the theory of fluorescence and FRET is explained, with particular attention to its emission modulations in the vicinity of metal-dielectric layers. Details of the instrumentation, computer simulations, and cell culture are described in the method section. The work concludes with a discussion of the findings within the framework of recent technological developments as well as perspectives and suggestions for future approaches complete the presented work. / Die Fluoreszenzmikroskopie ist zu einer der wichtigsten Techniken für die Bildgebung biologischer Zellen und Gewebe geworden, da die Technik eine selektive Markierung mit fluoreszierenden Molekülen ermöglicht und sich hervorragend für Anwendungen bei schwachem Licht bis hin zum Einzelmolekül-Regime eignet. Die methodischen Anforderungen sind gut definiert, um Membranrezeptoren innerhalb einer stark lokalisierten nanometerdünnen Membran zu untersuchen. Zum Beispiel sind G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) eine ausführlich untersuchte Klasse von Membranrezeptoren, weil diese wichtige pharmazeutische Ziele darstellen. Es wird vermutet, dass die Ligandenbindungs- und GPCR-Aktivierungsdynamiken im Millisekundenbereich stattfinden und sogar viel schneller sein können. Daher sind Techniken erforderlich, die schnell, selektiv und lebend-Zell kompatibel sind, um die GPCR-Dynamik zu aufzunehmen. Fluoreszenzresonanzenergietransfer (FRET) und internale Totalreflexions-Fluoreszenzmikroskopie (TIRF-M) sind Methoden der Wahl, um die Dynamik von GPCRs selektiv innerhalb der Zellmembran zu untersuchen. Trotz des bemerkenswerten Erfolgs dieser Modalitäten gibt es Einschränkungen. Am wichtigsten ist, dass eine inhomogene Beleuchtung Artefakte erzeugen kann, welche die spektroskopische Auswertung erschweren. Hintergrundsignale aufgrund von Streuprozessen oder unvollständiger Markierung können das Signal-Rausch-Verhältnis beeinträchtigen und somit den Bildkontrast und die Erfassungsgeschwindigkeit begrenzen. Eine sorgfältige Berücksichtigung der internen Physiologie ist für das Design der FRET-Sensoren ist erforderlich, so dass die Ligandenbindung und die Zellkompatibilität trotz der Fluoreszenzmarkierungsverfahren nicht gestört werden. Diese Einschränkung der Markierungspositionen führt zu sehr geringen Signalkontrast in der FRET-basierten GPCR-Analyse. Darüber hinaus wird die Mikroskopie dieser Systeme bei Einzelmolekül- oder Schwachlichtanwendungen, bei denen die Genauigkeit und die zeitliche Auflösung dramatisch niedrig werden können, noch schwieriger. Fluoreszierende Marker sollten daher heller, vor Photobleichung geschützt und so klein wie möglich sein, um Störungen mit der Rezeptorkinetik zu vermeiden. Die Entwicklung neuer fluoreszierender Moleküle und Markierungsmethoden ist ein fortlaufender Prozess. Eine vollständige Charakterisierung neuer Marker und Sensoren benötigt jedoch Zeit. Bis jetzt wurde das perfekte Farbstoffsystem für GPCR-Studien noch nicht gefunden, auch wenn es eine hohe Nachfrage dafür gibt. Daher wird ein anderer Ansatz auf der Grundlage verbesserter Beleuchtungsschemata für TIRF-M sowie metallbeschichtete Deckgläser zur Verbesserung der Fluoreszenz- und FRET-Effizienz untersucht. Zunächst wird gezeigt, dass ein 360 ° Beleuchtung typische TIRF-Artefakte reduziert und ein wesentlich homogeneres Bildausleuchtung erzeugt. Zweitens wurde durch die Modulation der Fluoreszenzeigenschaften gängiger Fluoreszenzfarbstoffe die Membranbildgebung und FRET-Spektroskopie verbessert. Computersimulationsmethoden werden verwendet, um die zugrundeliegende Photophysik zu verstehen und zielgerichtet Beschichtungen zu entwerfen. Drittens wurden das operationelle Regime und die Grenzen von plasmonischen Ansätzen mit noch höheren Signalselektiverung untersucht. Die Ergebnisse sind in drei Publikationen zusammengefasst, die im Ergebnisteil dieser Arbeit vorgestellt werden. Darüber hinaus wird die Theorie der Fluoreszenz und des FRET unter besonderer Berücksichtigung ihrer Emissionsmodulationen in der Nähe von Metall-Dielektrikum-Schichten erläutert. Details der Instrumentierung, Computersimulationen und Zellkultur werden im Abschnitt Methoden beschrieben. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion der Ergebnisse im Rahmen der jüngsten technologischen Entwicklungen sowie mit Perspektiven und Vorschlägen für zukünftige Ansätze, die die vorliegende Arbeit abrunden.

To this day, opioids represent the most effective class of drugs for the treatment of severe pain. On a molecular level, all opioids in use today are agonists at the μ-opioid receptor (μ receptor). The μ receptor is a class A G protein-coupled receptor (GPCR). GPCRs are among the biological structures most frequently targeted by pharmaceuticals. They are membrane bound receptors, which confer their signals into the cell primarily by activating a variety of GTPases called G proteins. In the course of the signaling process, the μ receptor will be phosphorylated by GRKs, increasing its affinity for another entity of signaling proteins called β-arrestins (β-arrs). The binding of a β-arr to the activated μ receptor will end the G protein signal and cause the receptor to be internalized into the cell. Past research showed that the μ receptor’s G protein signal puts into effect the desired pain relieving properties of opioid drugs, whereas β-arr recruitment is more often linked to adverse effects like obstipation, tolerance, and respiratory depression. Recent work in academic and industrial research picked up on these findings and looked into the possibility of enhancing G protein signaling while suppressing β-arr recruitment. The conceptual groundwork of such approaches is the phenomenon of biased agonism. It appreciates the fact that different ligands can change the relative contribution of any given pathway to the overall downstream signaling, thus enabling not only receptor-specific but even pathway-specific signaling. This work examined the ability of a variety of common opioid drugs to specifically activate the different signaling pathways and quantify it by means of resonance energy transfer and protein complementation experiments in living cells. Phosphorylation of the activated receptor is a central step in the canonical GPCR signaling process. Therefore, in a second step, expression levels of the phosphorylating GRKs were enhanced in search for possible effects on receptor signaling and ligand bias. In short, detailed pharmacological profiles of 17 opioid ligands were recorded. Comparison with known clinical properties of the compounds showed robust correlation of G protein activation efficacy and analgesic potency. Ligand bias (i.e. significant preference of any path- way over another by a given agonist) was found for a number of opioids in native HEK293 cells overexpressing μ receptor and β-arrs. Furthermore, overexpression of GRK2 was shown to fundamentally change β-arr pharmacodynamics of nearly all opioids. As a consequence, any ligand bias as detected earlier was abolished with GRK2 overexpression, with the exception of buprenorhin. In summary, the following key findings stand out: (1) Common opioid drugs exert biased agonism at the μ receptor to a small extent. (2) Ligand bias is influenced by expression levels of GRK2, which may vary between individuals, target tissues or even over time. (3) One of the opioids, buprenorhin, did not change its signaling properties with the overexpression of GRK2. This might serve as a starting point for the development of new opioids which could lack the ability of β-arr recruitment altogether and thus might help reduce adverse side effects in the treatment of severe pain. / Nach wie vor stellen Opioide die wirkstärkste Gruppe von Medikamenten zu Behandlung starker Schmerzen dar. Auf molekularer Ebene sind alle heute gebräuchlichen Opioide Agonisten am μ-Opioidrezeptor. Der μ-Opioidrezeptor ist ein G-Protein-gekoppelter Rezeptor (GPCR) der Klasse A. GPCR zählen zu den häufigsten Zielstrukturen von Pharmaka. Sie sind membranständige Rezeptoren, die ihr Signal in erster Linie durch die Aktivierung von G-Proteine genannten GTPasen in die Zelle weiterleiten. Im Laufe des Signalprozesses wird der GPCR von GRK phosphoryliert, wodurch seine Affinität zu einer weiteren Gruppe von Signalproteinen, den sog. β-Arrestinen erhöht wird. Bindet ein β-Arrestin an den Rezeptor, beendet dies das G-Proteinsignal und veranlasst die Internalisierung des Rezeptors ins Zellinnere. Bisherige Forschung zeigte, dass das G-Proteinsignal des μ-Opioidrezeptors die erwünschte Schmerzlinderung vermittelt, wohingegen die Rekrutierung von β-Arrestin oftmals mit unerwünschten Wirkungen wie Obstipation, Toleranzentwicklung und Atemdepression in Verbindung gebracht wird. Neuere akademische und industrielle Forschung griff diese Erkenntnisse auf und erkundete die Möglichkeit, das G-Proteinsignal zu verstärken und zur gleichen Zeit die β-Arrestinrekrutierung zu inhibieren. Die theoretische Grundlage solcher Ansätze liegt im Konzept des biased agonism. Dieses berücksichtigt die Tatsache, dass verschiedene Liganden den Anteil eines bestimmten Signalweges am gesamten vom Rezeptor ausgehenden Signals beeinflussen kann und damit nicht nur rezeptor-, sondern sogar signalwegspezifische Signale möglich sein sollten. Die vorliegende Arbeit untersuchte eine Reihe von gängigen Opioiden auf ihre Fähigkeit hin, die einzelnen Signalwege spezifisch zu aktivieren und quantifizierte dies mit Methoden des Resonanzenergietransfers sowie der Proteinkomplementierung in lebenden Zellen. Die Phosphorylierung des Rezeptors ist ein zentrales Ereignis in der anerkannten Abfolge der Signalprozesse an GPCR. Daher wurde in einem weiteren Schritt die Expression der phosphorylierenden GRK erhöht und nach möglichen Auswirkungen auf die Selektivität der Signalwegaktivierung gesucht. Hierbei wurde detaillierte pharmakologische Profile von 17 Opioiden erstellt. Der Abgleich mit bekannten klinischen Wirkeigenschaften der Substanzen zeigte einen robusten Zusammenhang zwischen der Fähigkeit, G-Proteine zu aktivieren und der analgetischen Wirkstärke. Ligand bias, d.h. die signifikante Bevorzugung eines Signalweges gegenüber einem anderen durch einen Liganden, konnte für eine Reihe von Opioiden in lebenden HEK293-Zellen gezeigt werden, die den μ-Opioidrezeptor sowie β-Arrestine überexprimierten. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die zusätzliche Überexpression von GRK2 die pharmakodynamischen Eigenschaften nahezu aller Opioide grundlegend veränderte. In der Folge war jeder zuvor gezeigte ligand bias mit Ausnahme von Buprenorphin aufgehoben. Zusammenfassend stehen die folgenden drei Erkenntnisse im Vordergrund: (1) Gängige Opioide zeigen in einem gewissen Maß Selektivität zwischen den Signalwegen. (2) Ligand bias wird beeinflusst von GRK2-Expressionsleveln, welche zwischen Individuen, verschiedenen Gewebetypen oder auch im zeitlichen Verlauf variieren können. (3) Als einziges der untersuchten Opioide änderte Buprenorphin seine Signaleigenschaften durch die Überexpression von GRK2 nicht. Dies könnte als Anknüpfungspunkt in der Entwicklung neuer Opioide dienen, die keinerlei β-Arrestinrekrutierung bewirken und dadurch helfen könnten, unerwünschte Wirkungen in der Behandlung starker Schmerzen zu verhindern.

Gegenstand der Arbeit: Es wurde der Einfluss einer Ausreifung dendritischer Zellen mit Poly(I:C), R848 und Prostaglandin E2 (=tlrDCs) zur Verwendung im Rahmen der Tumorvakzine untersucht. Für den Einsatz einer doppelten TLR-Stimulation gibt es zahlreiche zellphysiologische Gründe, wobei PGE2 als Motilitätsförderer eingesetzt wird. Es besitzt negative Teilwirkungen auf die Zytokinsekretion, eine verbesserte Migration stellt aber die wichtigste Stellgröße zur Optimierung der Tumorvakzine dar. Ergebnisse: Für tlrDCs konnte neben einer hohen Fähigkeit zu Migration und Kostimulation eine überlegene Immunstimulation für naive CTLs und TH1/TC1-Antworten in einem antigenspezifischen Primingmodell nachgewiesen werden. Eine Ausreifungsdauer von 16 h erscheint für die Zytokinsekretion der DCs günstig. Es lässt sich eine hohe Wahrscheinlichkeit für die Generation von Central-Memory-T-Zellen und das T-Zell-Homing ins ZNS ableiten. / Subject: This thesis investigated the impact of dendritic cell maturation with poly(I:C), R848 and prostaglandine E2 (=tlrDCs) for use in the context of tumor vaccines. There are several cell-physiological rationales for a dual TLR stimulation whilst PGE2 is acting as a promoter of mobility. It has partially negative effects on cytokine secretion, however improving migration is believed to be the most important variable for optimizing tumor vaccines. Results: Besides their high capacity in migration and co-stimulation tlrDCs showed superior immuno-stimulation for naive CTLs and TH1/TC1 responses in a model of antigen-specific priming. A maturation period of 16 h seemed to be favorable for cytokine secretion of DCs. A good chance for the generation of central memory T-cells and T-cell homing into the CNS can be deduced.