Regensburg, Univ., Diss., 2008

Thesis (doctoral)--Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, 2004.

Frankfurt (Main), Univ., Diss., 2009

München, Techn. Univ., Diss., 2004.

Die monoklonale Proliferation maligner Plasmazellen im Knochenmark ist charakteristisch für das multiple Myelom (MM) und kann bei Erkrankten zu Störungen in der Hämatopoese sowie zu Knochenläsionen und Niereninsuffizienz führen. Die Weiterentwicklung und der Einsatz neuer Therapieoptionen konnten das Überleben von MM-Patienten zwar erheblich verbessern, jedoch gilt diese Krankheit weiterhin als unheilbar. Onkogene Mutationen und das Knochenmarkmikromilieu führen in MM-Zellen zur Entstehung eines onkogenen Signalnetzwerks, das das Wachstum und Überleben der Zellen aufrechterhält. Mutationen der GTPase RAS treten bei bis zu 50 % der MM-Patienten auf und tragen zum Überleben von MM-Zellen bei. Trotz der Häufigkeit und Bedeutsamkeit von onkogenem RAS, auch in anderen Tumorentitäten, ist die GTPase nach wie vor therapeutisch nicht angreifbar. Die GTPase RAL aus der Familie der RAS-GTPasen wird als Downstream-Effektor von RAS angesehen, der damit ebenfalls zur Aufrechterhaltung des Tumorzellüberlebens beitragen könnte. In einigen Tumorentitäten konnte bisher gezeigt werden, dass eine Überexpression von RAL in den Tumorzellen vorliegt und die Proliferation und Apoptose von Tumorzellen durch RAL beeinflusst wird. Daher stellte sich die Frage, ob RAL im MM ebenfalls das Überleben von Tumorzellen beeinflusst und ob eine direkte Verbindung zwischen onkogenem RAS und RAL besteht. In dieser Arbeit wurde die funktionelle Rolle von RAL sowie dessen Zusammenhang mit onkogenem RAS im MM untersucht. Hierbei konnte eine Überexpression von RAL in MM-Zellen im Vergleich zu MGUS oder normalen Plasmazellen beobachtet werden. In Knockdown-Analysen wurde gezeigt, dass RAL überlebensnotwendig für MM-Zellen ist. Dabei wurde in Western Blot-Analysen festgestellt, dass diese Überlebenseffekte unabhängig von MAPK/ERK-Signaling vermittelt werden. Es konnte teilweise jedoch eine Abhängigkeit von der AKT-Aktivität beobachtet werden. Da RAL-Knockdown Einfluss auf das Überleben von MM-Zellen hat, wurde eine pharmakologische Inhibition von RAL durch den Inhibitor RBC8 untersucht. RBC8 zeigte in höheren Dosen nur bei einem Teil der MM-Zelllinien eine Wirkung auf das Zellüberleben sowie auf die RAL-Aktivierung. Die Weiterentwicklung potenter RAL-Inhibitoren ist daher für eine klinische Translation einer RAL-Inhibition von großer Bedeutung. Zur Untersuchung des Zusammenhangs zwischen onkogenem RAS und der RAL-Aktivierung wurden RAL-Pulldown-Analysen nach Knockdown von onkogenem RAS durchgeführt. In diesen Experimenten wurde keine Abhängigkeit der RAL-Aktivierung von onkogenem RAS festgestellt. Darüber hinaus zeigten Genexpressionsanalysen nach RAS- bzw. RAL-Knockdown unterschiedliche Genexpressionsprofile. In Massenspektrometrie-Analysen wurden mögliche Effektoren, die mit RAL an der Beeinflussung des Zellüberlebens beteiligt sein könnten, untersucht. Hierbei wurden die Komponenten des Exozyst-Komplexes EXO84 und SEC5 als Interaktionspartner von RAL identifiziert. Nachdem gezeigt wurde, dass RAL ausschlaggebend für das Überleben von MM-Zellen ist, wurde eine Kombination von RAL-Knockdown mit klinisch relevanten Wirkstoffen analysiert. Diese zeigte bei der Kombination mit PI3K oder AKT-Inhibitoren verstärkte Effekte auf das Zellüberleben der MM-Zellen. Zusammenfassend wurde die Bedeutung von RAL für das Überleben von Tumorzellen im MM gezeigt und RAL als potentielles therapeutisches Target im MM beschrieben, welches unabhängig von onkogenem RAS reguliert wird. / Multiple myeloma (MM) is a hematologic neoplasia which is characterized by monoclonal proliferation of malignant plasma cells in the bone marrow leading to hematopoetic failure, bone lesions and renal failure. Although continuous development of existing therapeutics and new therapeutic options vastly improved MM patient survival, MM still remains an incurable disease. Oncogenic mutations and the bone marrow microenvironment contribute to a signaling network which sustains MM cell proliferation and survival. Within this network mutations of the RAS oncogene account for up to 50 % of MM patients. Despite its prevalence and importance not only in MM, RAS still remains undruggable. The GTPase-family Member RAL is considered as a RAS effector which might also influence maintainance of tumor cell survival. In several tumor entities RAL is overexpressed in tumor cells and influences proliferation and apoptosis. Therefore, in MM RAL might also be controlled by oncogenic RAS and mediate cell survival of tumor cells. In this work, RAL’s functional role as well as the potential interconnection with oncogenic RAS was investigated. In MM cells RAL is ovexpressed compared to non-malignant MGUS or plasma cells. Knockdown analyses showed that RAL is essential for MM cell survival. These survival effects are transferred independently of MAPK/ERK signaling as shown by Western Blot analysis. However, to some extent RAL influenced MM cell survival dependently of AKT activity. Because RAL knockdown had a significant effect on MM cell survival a pharmacological inhibition was tested using the inhibitor RBC8. In a portion of MM cell lines RBC8 exerts effects on cell survival. But the effects of RBC8 on RAL activation were only visible at higher concentrations as shown by pulldown assays. Thus, subsequent development of potent RAL inhibitors is of major importance for clinical translation. To investigate whether RAL is directly activated by oncogenic RAS, RAL pulldown assays were performed after knockdown of oncogenic RAS. Strikingly, there was no direct connection between the presence of oncogenic RAS and RAL activation. Furthermore, gene expression profiles after RAS or RAL knockdown showed differing expression signatures. Potential effectors of RAL which might also influence MM cell survival were investigated in mass spectrometric analyses where the exocyst complex components EXO84 and SEC5 were identified as RAL interaction partners. Since RAL is of importance for MM cell survival, RAL knockdown was combined with clinically relevant agents. There was an enhanced induction of apoptosis upon combination of PI3K or AKT inhibitors with RAL knockdown. Taken together, the influence of RAL as a crucial mediator of MM cell survival was shown in this work. Therefore, RAL represents a potential therapeutic target which is regulated independently of oncogenic RAS.

Blutplättchen werden von Megakaryozyten im Knochenmark in einem Prozess produziert, an dem Aktin beteiligt ist. Aktin-Depolymerisierungsfaktor (ADF) und Cofilin sind Aktin-bindende Proteine, die als entscheidende Regulatoren im Aktinumsatz agieren, indem sie das Schneiden und Depolymerisieren von Filamenten unterstützen. Die Bedeutung von ADF/Cofilin und des Aktinumsatzes in der Bildung von Blutplättchen ist gegenwärtig nicht bekannt. In der vorliegenden Arbeit wurden Mäuse untersucht, die eine konstitutive ADF-Defizienz und/oder die eine konditionale n-Cofilin Defizienz (Cre/loxP) aufweisen. Um Cofilin nur in Megakaryozyten und Blutplättchen auszuschalten, wurden Cofilinfl/fl Mäuse mit PF4-Cre Mäusen verpaart. ADF- oder n-Cofilin-defiziente Mäuse hatten keinen oder nur einen geringen Phänotyp in Blutplättchen. Eine Defizienz von ADF und n-Cofilin führte hingegen zu einem beinahe kompletten Verlust der Blutplättchen, was mit Defekten in der Bildung von Plättchenzonen in Knochenmark-Megakaryozyten einherging. Weitere Untersuchungen an in vitro und ex vivo kultivierten Megakaryozyten zeigten eine Reduzierung der Bildung von Proplättchen und das Fehlen der typischen Verdickungen der Proplättchen. Diese Daten zeigen redundante aber essentielle Funktionen von ADF und n-Cofilin im terminalen Schritt der Plättchenbildung in vitro und in vivo, und belegen erstmals eine wichtige Rolle des Aktinumsatzes in diesem Prozess. Im zweiten Teil dieser Dissertation wurden die Mechanismen untersucht, die für die zelluläre Regulierung des Hauptkollagenrezeptors auf Blutplättchen, Glykoprotein VI (GPVI), verantwortlich sind. Nach einer Gefäßwandverletzung wird subendotheliales Kollagen freigelegt, wodurch GPVI die Aktivierung von Blutplättchen vermittelt, und damit zur Blutstillung (Hämostase), aber auch zum Verschluss eines verletzten Gefäßes beitragen kann, was letztendlich zu einem Myokardinfarkt oder einem Schlaganfall führen kann. Deshalb ist GPVI ein attraktives Zielprotein für eine anti-thrombotische Therapie, insbesondere weil frühere Studien gezeigt haben, dass anti-GPVI Antikörper eine irreversible Herunterregulierung des Rezeptors auf zirkulierenden Blutplättchen mittels Internalisierung und Abspaltung induzieren. Es wird vermutet, dass Metalloproteinasen der ADAM (a disintegrin and metalloproteinase domain) - Familie das Abspalten vermitteln, jedoch fehlt in vivo der Beweis dafür. Um die Mechanismen des Abspaltungsprozesses des GPVI Rezeptors in vivo besser verstehen zu können, wurden zwei Mauslinien, GPVI- und konditionale ADAM10-defiziente Mäuse, generiert und zusätzlich sogenannte „low TACE (TNFalpha converting enzyme)“ Mäuse analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass GPVI in vitro von ADAM10 oder TACE in Abhängigkeit der Signalwege, die zum Abspalten des Rezeptors führen, geschnitten werden kann. Darüberhinaus wurde GPVI in vivo nach Antikörperverabreichung in ADAM10-defizienten Mäusen und „low TACE“ Mäusen herunterreguliert, was vermuten lässt, dass entweder beide Metalloproteinasen an diesem Prozess beteiligt sind oder noch eine zusätzliche Metalloproteinase für die GPVI Regulation in vivo verantwortlich ist. / Platelets are produced by bone marrow megakaryocytes in a process involving actin dynamics. Actin-depolymerizing factor (ADF) and cofilin are actin-binding proteins that act as key regulators in actin turnover by promoting filament severing and depolymerization. The overall significance of ADF/cofilin function and actin turnover in platelet formation is presently unclear. In the first part of this thesis, platelet formation and function were studied in mice constitutively lacking ADF and/or mice with a conditional deficiency (Cre/loxP) in n-cofilin. To delete cofilin exclusively in megakaryocytes and platelets, cofilinfl/fl mice were crossed with PF4 (platelet factor 4)-Cre mice. While a single-deficiency in ADF or n-cofilin resulted in no or only a minor platelet formation defect, respectively, a double-deficiency in ADF and n-cofilin led to an almost complete loss of platelets. Bone marrow megakaryocytes of ADF/n-cofilin-deficient mice showed defective platelet zone formation. Interestingly, in vitro and ex vivo megakaryocyte differentiation revealed reduced proplatelet formation and absence of platelet-forming swellings. These data establish that ADF and n-cofilin have redundant but essential roles in the terminal step of platelet formation in vitro and in vivo. In the second part of the thesis, mechanisms underlying cellular regulation of the major platelet collagen receptor, glycoprotein VI (GPVI), were studied. GPVI mediates platelet activation on exposed subendothelial collagens at sites of vascular injury, and thereby contributes to normal hemostasis but also to occlusion of diseased vessels in the setting of myocardial infarction or stroke. Thus, GPVI is an attractive target for anti-thrombotic therapy, particularly because previous studies have shown that anti-GPVI antibodies induce irreversible down-regulation of the receptor in circulating platelets by internalization and ectodomain shedding. Metalloproteinases of the ADAM (a disintegrin and metalloproteinase domain) family are suspected to mediate this ectodomain shedding, but in vivo evidence for this is lacking. To study the mechanism of GPVI regulation in vivo, two mouse lines, Gp6 knock-out and Adam10fl/fl, PF4-Cre mice, were generated and in addition low TACE (TNFalpha converting enzyme) mice were analyzed. It was shown that GPVI can be cleaved in vitro by ADAM10 or TACE depending on the shedding-inducing signaling pathway. Moreover, GPVI was down-regulated in vivo upon antibody injection in ADAM10-deficient and low TACE mice suggesting that either both or an additional metalloproteinase is involved in GPVI regulation in vivo.

An increase in cytosolic Ca2+ levels ([Ca2+]i) is a key event that occurs downstream of many signaling cascades in response to an external stimulus and regulates a wide range of cellular processes, including platelet activation. Eukaryotic cells increase their basal [Ca2+]i allowing extracellular Ca2+ influx into the cell, which involves different mechanisms. Store-operated Ca2+ entry (SOCE) is considered the main mechanism of extracellular Ca2+ influx in electrically non-excitable cells and platelets, and comprises an initial Ca2+ depletion from intracellular Ca2+ stores prior to activation of extracellular Ca2+ influx. Although the close relation between Ca2+ release from intracellular stores and extracellular Ca2+ influx was clear, the nature of the signal that linked both events remained elusive until 2005, when Stromal Interaction Molecule 1 (STIM1) was identified as an endoplasmic reticulum (ER) Ca2+ sensor essential for inositol (1,4,5)-trisphosphate (IP3)-mediated SOCE in vitro. However, the function of its homologue STIM2 in Ca2+ homeostasis was in general unknown. Therefore, mice lacking STIM2 (Stim2-/-) were generated in this work to study initially STIM2 function in platelets and in cells of the immune system. Stim2-/- mice developed normally in size and weight to adulthood and were fertile. However, for unknown reasons, they started to die spontaneously at the age of 8 weeks. Unexpectedly, Stim2-/- mice did not show relevant differences in platelets, revealing that STIM2 function is not essential in these cells. However, STIM2 seems to be involved in mammary gland development during pregnancy and is essential for mammary gland function during lactation. CD4+ T cells lacking STIM2 showed decreased SOCE. Our data suggest that STIM2 has a very specific function in the immune system and is involved in Experimental Autoimmune Encephalomyelitis (EAE) at early stages of the disease progression. Stim2-/- neurons were also defective in SOCE. Surprisingly, our results evidenced that STIM2 participates in mechanisms of neuronal damage after ischemic events in brain. This is the first time that the involvement of SOCE in ischemic neuronal damage has been reported. This finding may serve as a basis for the development of novel neuroprotective agents for the treatment of ischemic stroke, and possibly other neurodegenerative disorders in which disturbances in cellular Ca2+ homeostasis are considered a major pathophysiological component. / Der Anstieg des cytosolischen Ca2+-Spiegels ([Ca2+]i) ist ein Schlüsselereignis, das vielen Signalkaskaden, durch extrazellulären Stimulus ausgelöst werden, nachgeschalten ist, und eine große Reihe zellulärer Prozesse reguliert, z.B. die Aktivierung von Blutplättchen. Eukaryotische Zellen erhöhen ihren basalen ([Ca2+]i) durch Einstrom von extrazellulärem Ca2+ in die Zelle hinein, was durch verschiedene Mechanismen geschehen kann. Store-operated Ca2+-entry (SOCE), wird als der Hauptmechanismus für den Einstrom von extrazellulärem Ca2+ in nicht elektrisch-erregbaren Zellen sowie Plättchen angesehen und beinhaltet einen initialen Ca2+-Ausstrom aus intrazellulären Speichern der dem Ca2+-Einstrom aus der Extrazellulärraum vorrausgeht. Obwohl die Beziehung zwischen Ca2+-Ausstrom aus intrazellulären Speichern und extrazellulärem Ca2+-Einstrom über die Plasmamembran viele Jahre bekannt war, so blieb doch das beide Ereignisse verknüpfende Element unbekannt. Im Jahre 2005 jedoch wurde Stromal Interaction Molecule 1 (STIM1) als Ca2+-Sensor des endoplasmatischen Retikulums (ER) und als essentieller Bestandteil für inositol(1,4,5)-triphosphat (IP3)-vermittelten SOCE in vitro identifiziert. Die Funktion seines Homologs, STIM2, in der Ca2+ Homeostase blieb jedoch unklar. Aus diesem Grund generierten wir STIM2-defiziente (Stim2-/-) Mäuse um die Funktion dieses Proteins in Blutplättchen und Immunzellen untersuchen zu können. Bis zum Erwachsenenalter entwickelten sich Stim2-/- Mäuse normal in Bezug auf Größe und Gewicht und waren fertil. Jedoch sterben die Tiere spontan aus unbekannten Gründen, beginnend ab einem Alter von 8 Wochen. Unerwarteter Weise, zeigten Stim2-/- Mäuse keine maßgeblichen Funktionsunterschiede in Plättchen, was eine essentielle Funktion von STIM2 in diesen Zellen ausschließt. Jedoch scheint STIM2 in die Entwicklung der Brustdrüsen während der Schwangerschaft involviert und essentiell für die Brustdrüsenfunktion während der Säugephase zu sein. Darüberhinaus zeigten STIM2 defiziente CD4+ T-Zellen einen verminderten SOCE. Weiter deuten unsere Daten auf eine spezifische Funktion von STIM2 im Immunsystem hin, mit einem Einfluss auf die frühen Phasen und das Fortschreiten der Experimentellen Autoimmun-Enzephalomyelitis (EAE). Stim2-/- Neuronen wiesen ebenso wie CD4+ T-Zellen einen gestörten SOCE auf. Desweiteren belegen unsere Ergebnisse, dass STIM2 überrascherweise an den Neuronen zerstörenden Mechanismen nach ischämischen Ereignissen des Gehirns mitwirkt. Dies ist die erste Studie, die von einer Beteiligung von SOCEan ischämischen neuronalen Schäden berichtet. Diese Entdeckungen können vielleicht als Basis für die Entwicklung neuer neuroprotektiver Medikamente bei ischämischen Schlaganfall dienen - und möglicherweise auch bei anderen neurodegenerativen Erkrankungen, bei denen Störungen der zellulären Ca2+ Homöostase als hauptsächliche pathophysologische Komponente angesehen werden.

The study is dealing with the synthesis and pharmacological investigation of newly designed dualsteric ligands of muscarinic acetylcholine receptors belonging to the superfamily of G protein-coupled receptors. Such bipharmacophoric ligands combine the advantages of the orthosteric binding site (high-affinity) and of the topographically distinct allosteric binding site (subtype-selectivity) resulting in compounds with reduced side effects. This opens the way to a new therapeutic approach in the treatment of e.g. chronic pain, drug withdrawal, Parkinson`s and Alzheimer`s disease. Furthermore, the newly synthesized dualsteric compounds were pharmacologically investigated in order to get a better understanding of the activation and signaling processes in muscarinic acetylcholine receptors, especially with regard to partial agonism. The development of the “dynamic ligand binding” concept offers new perspectives for ligand binding and signaling at G protein-coupled receptors. GPCRs are no longer considered as simple on/off switches. Dualsteric ligands can bind in a dualsteric pose, reflecting an active receptor state as well as in a purely allosteric binding pose, characterized by an inactive receptor state resulting in partial agonism. The degree of partial agonism depends on the ratio of active versus inactive receptor populations. On this basis, orthosteric/orthosteric hybrid ligands consisting of the antagonist atropine and scopolamine, respectively, as well as of the agonist iperoxo and isoxazole, respectively, linked via different alkyl chain length were synthesized in order to investigate partial agonism (Figure 1). Figure 1: Structures of the synthesized iperoxo/isoxazole-atropine/scopolamine-hybrids. Furthermore, different sets of quaternary and tertiary homodimers consisting either of two iperoxo or two acetylcholine units were synthesized in order to study their extent on partial agonism (Figure 2). The two agonists were connected by varying alkyl chain length. Binding studies on CHO-hM2 cells of the quaternary compounds revealed that dimerization of the agonist results in a loss of potency. The iperoxo-dimers reached higher maximum effects on the Gi- as well as on the Gs pathway in comparison to the acetylcholine-dimers. Besides the choice of the orthosteric building block (potency of the agonist), the alkyl chain length is also crucial for the degree of partial agonism. Figure 2: Structures of the synthesized quat./tert. iperoxo/acetylcholine-homodimers. Quinolone-based hybrids connected to the superagonist iperoxo and to the endogenous ligand acetylcholine, respectively, linked through an alkyl chain of different length were synthesized in order to develop further partial agonists (Figure 3). FRET studies confirmed M1 subtype-selectivity as well as linker dependent receptor response. The greatest positive FRET signal was observed with quinolone-C6-iper resulting from a positive cooperativity between the two separated moieties, alloster and orthoster. However, the corresponding hybrids with a longer linker led to an inverse FRET signal indicating a different binding mode, e.g. purely allosteric, in contrast to the shorter linked hybrids. Furthermore, the flexible alkyl spacer was replaced by a rigidified linker resulting in the hybrid quinolone-rigid-iperoxo (Figure 3). FRET studies on the M1 receptor showed reduced FRET kinetics, resulting from interactions between the bulky linker and the aromatic lid, located between the orthosteric and allosteric binding site. A bitopic binding mode of the rigidified hybrid is presumed. For further clarity, mutational studies are necessary. Figure 3: M1-selective hybrid compounds. Another aim of this work was the design and synthesis of new hybrid compounds, acting as agonists at the M1 and M2 receptor and as inhibitors for AChE and BChE in the context of M. Alzheimer. Several sets of hybrid compounds consisting of different pharmacophoric units (catalytic active site: phthalimide, naphthalimide, tacrine; peripheric anionic site: iperoxo, isoxazole) linked through a polymethylene chain of varying length were synthesized. Tac-C10-iper (Figure 4), consisting of tacrine and the superagonist iperoxo linked by a C10 polymethylene spacer, was found to have excellent anticholinesterase activity for both AChE (pIC50 = 9.81) and BChE (pIC50 = 8.75). Docking experiments provided a structural model to rationalize the inhibitory power towards AChE. Additionally, the tacrine related hybrids showed affinity to the M1 and M2 receptor. Such compounds, addressing more than one molecular target are favorable for multifactorial diseases such as Alzheimer. Figure 4: Structure of the most active compound regarding anticholinesterase activity. In summary, the choice of the pharmacophoric units, their connecting point as well as the nature, length, and flexibility of the linker play an important role for the activity of designed bivalent ligands. A shorter linker length cannot bridge both binding sites simultaneously in contrast to longer linker chains. On the other hand, too long linker chains can result in unwanted steric interactions. Further investigations with respect to structural variations of hybrid compounds, with or without quaternary ammonium groups, are necessary in the light of drug development. / Die vorliegende Studie beschäftigt sich mit der Synthese und der pharmakologischen Untersuchung von neu entwickelten dualsteren Liganden des muskarinischen Acetylcholinrezeptors, welcher zur Superfamilie der G-Proteine gehört. In derartigen bipharmakophoren Liganden sind die Vorteile des orthosteren Bindemodus und des räumlich davon getrennten allosteren Bindemodus vereint. Der orthostere Bindemodus bewirkt eine hohe Affinität zum Rezeptor, während der allostere Bindemodus Subtypselektivität vermittelt. Dadurch weisen diese Verbindungen weniger Nebenwirkungen auf. Dies eröffnet einen neuen Therapieansatz in der medikamentösen Behandlung von z.B. chronischen Schmerzen, Drogenentzug, Morbus Parkinson und Morbus Alzheimer. Die neu synthetisierten, dualsteren Verbindungen wurden pharmakologisch untersucht, um ein besseres Verständnis über das Bindungsverhalten und die Signalweiterleitung an muskarinischen Acetylcholinrezeptoren zu erhalten, besonders in Hinblick auf Partialagonismus. Die Entwicklung des Konzeptes der „dynamischen Ligandenbindung“ bietet neue Perspektiven in Hinblick auf das Bindungsverhalten und die Signalweiterleitung an G-Protein gekoppelten Rezeptoren. Somit werden GPCRs nicht mehr nur in ihrem aktiven oder inaktiven Zustand betrachtet. Vielmehr können dualstere Liganden sowohl einen dualsteren Bindemodus, welcher den aktiven Rezeptorzustand widerspiegelt, als auch einen rein allosteren Bindemodus, welcher durch einen inaktiven Rezeptorzustand charakterisiert ist, einnehmen, was schließlich zu Partialagonismus führt. Die Stärke des resultierenden Partialagonismus hängt vom Verhältnis zwischen aktiver und inaktiver Rezeptorbesetzung ab. Auf Basis dessen wurden orthostere/orthostere Hybridverbindungen, bestehend aus einem Antagonisten, Atropin oder Scopolamin, und einem Agonisten, Iperoxo oder Isoxazol, die über eine Alkylkette unterschiedlicher Länge miteinander verknüpft sind, synthetisiert, um mit deren Hilfe den Partialagonismus zu steuern (Abbildung 1). Abbildung 1: Strukturen der synthetisierten Iperoxo/Isoxazol-Atropin/Scopolamin-Hybride. Es wurden verschiedene quartäre sowie tertiäre Homodimere, welche entweder aus zwei Iperoxo-Einheiten oder aus zwei Acetylcholin-Einheiten bestehen, synthetisiert, um deren Ausmaß in Bezug auf Partialagonismus untersuchen zu können (Abbildung 2). Die beiden Agonisten wurden über unterschiedlich lange Alkylketten miteinander verknüpft. Bindungsstudien an CHO-hM2 Zellen der quartären Verbindungen zeigten, dass die Dimerisierung eines Agonisten zu einer verringerten Wirkstärke führt. Die Dimere von Iperoxo erreichten sowohl auf dem Gi- als auch auf dem Gs-Signalweg höhere Maximaleffekte als die Dimere von Acetylcholin. Neben der Wahl des orthosteren Bausteins (Wirkstärke des Agonisten) spielt auch die Länge der Alkylkette eine entscheidende Rolle für die Stärke des Partialagonismus. Abbildung 2: Strukturen der synthetisierten quart./tert. Iperoxo/Acetylcholin-Homodimere. Um weitere Partialagonisten zu entwickeln, wurden Chinolon-basierte Verbindungen, die mit dem Superagonisten Iperoxo oder mit dem endogenen Liganden Acetylcholin über eine Alkylkette mit unterschiedlicher Länge verknüpft sind, synthetisiert (Abbildung 3). FRET-Messungen bestätigen, dass es sich bei den Hybriden um M1-subtypselektive Substanzen handelt und das FRET-Signal von der Länge der Zwischenkette abhängig ist. Das stärkste positive FRET-Signal wurde mit der Verbindung Chinolon-C6-Iper erzielt, welches durch positive Kooperativität zwischen den beiden Liganden, Alloster und Orthoster, zustande kommt. Im Gegensatz zu den kurzkettigen Hybriden beobachtete man bei den langkettigen Hybriden ein inverses FRET-Signal, welches auf einen anderen Bindemodus zum Rezeptor hindeutet, z.B. könnte es sich um eine rein allostere Bindung handeln. Außerdem wurde die flexible Alkylkette durch einen starren Linker ersetzt, welches im Hybrid Chinolon-rigide-Iperoxo verwirklicht ist (Abbildung 3). FRET-Messungen dieser starren Hybridverbindung am M1-Rezeptor zeigten eine verzögerte FRET-Kinetik, welche vermutlich auf Wechselwirkungen zwischen dem starren Linker und dem aromatischen Deckel, der sich zwischen der orthosteren und der allosteren Bindestelle befindet, zurückzuführen ist. Es wird vermutet, dass das starre Hybrid bitopisch in den Rezeptor bindet. Um diese Annahme bestätigen zu können, müssten Mutationsstudien durchgeführt werden. Abbildung 3: M1-selektive Hybridverbindungen. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war das Wirkstoffdesign und die Synthese von neuen Hybridverbindungen, die als Agonisten am M1- und am M2-Rezeptor sowie als Inhibitoren der AChE als auch der BChE im Hinblick auf die Alzheimer`sche Krankheit wirken sollen. Verschiedenartige Hybridverbindungen, bestehend aus unterschiedlichen pharmakophoren Gruppen (katalytische, aktive Seite: Phthalimid, Naphthalimid, Tacrin; periphere, anionische Seite: Iperoxo, Isoxazol), die über eine Polymethylenkette unterschiedlicher Länge miteinander verknüpft sind, wurden synthetisiert. Tac-C10-Iper (Abbildung 4), bestehend aus Tacrin und dem Superagonisten Iperoxo, welche über eine C10 Polymethylenkette miteinander verknüpft sind, zeigte exzellente Anticholinesterase-Aktivitäten sowohl für die AChE (pIC50 = 9.81) als auch für die BChE (pIC50 = 8.75). Docking-Experimente lieferten ein Strukturmodell, welches die inhibitorische Aktivität in Bezug auf die AChE begründet. Zusätzlich zeigten die aus Tacrin bestehenden Hybride Affinität zum M1- als auch zum M2-Rezeptor. Solche Verbindungen, die mehr als ein Zielmolekül adressieren, sind für multifaktorielle Krankheiten, wie z.B. die Alzheimer`sche Krankheit, von Vorteil. Abbildung 4: Struktur der aktivsten Substanz in Bezug auf die Anticholinesterase-Aktivität. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass sowohl die Wahl des Pharmakophors, deren Verbindungsstelle als auch die Zusammensetzung, Länge und Flexibilität des Linkers eine große Rolle für die Aktivität der entwickelten bivalenten Verbindungen spielen. Kurzkettige Linker können im Gegensatz zu längeren Zwischenketten nicht beide Bindestellen gleichzeitig überbrücken. Andererseits können zu lange Zwischenketten unerwünschte sterische Wechselwirkungen hervorrufen. Weitere Untersuchungen in Bezug auf strukturelle Veränderungen der Hybridverbindungen, mit oder ohne quartäre Ammoniumgruppen, sind in Bezug auf die Arzneimittelentwicklung notwendig.

Stuttgart, Univ., Diss., 2006.

University, Diss., 2000--München.