Thesis (doctoral)--München, 1978.

One third of all market approved drugs target G protein coupled receptors (GPCRs), covering a highly diverse spectrum of indications reaching from acute anti-allergic treatment over bloodpressure regulation, Parkinson's disease, schizophrenia up to the treatment of severe pain. GPCRs are key signaling proteins that mostly function as monomers, but for several receptors constitutive dimer formation has been described and in some cases is essential for function. I have investigated this problem using the μ-opioid receptor (µOR) as a model system - based both on its pharmacological importance and on specific biochemical data suggesting that it may present a particularly intriguing case of mono- vs- dimerization. The µOR is the prime target for the treatment of severe pain. In its inactive conformation it crystallizes as homodimer when bound to the antagonist β- funaltrexamine (β-FNA), whereas the active, agonist-bound receptor crystallizes as a monomer. Using single-molecule microscopy combined with superresolution techniques on intact cells, I describe here a dynamic monomer-dimer equilibrium of µORs where dimer formation is driven by specific agonists. The agonist DAMGO, but not morphine, induces dimer formation in a process that correlates temporally and, in its agonist, and phosphorylation dependence with β-arrestin2 binding to the receptors. This dimerization is independent from but may precede µOR internalization. Furthermore, the results show that the μOR tends to stay, on the cell surface, within compartments defined by actin fibers and its mobility is modulated by receptor activation. These data suggest a new level of GPCR regulation that links receptor compartmentalization and dimer formation to specific agonists and their downstream signals. / Abgesehen davon, dass der μ-Opioid-Rezeptor das primäre Zielprotein zur Behandlung schwerer Schmerzen ist, führt die Aktivierung dieses Rezeptors zu einer Reihe von unerwünschten Nebenwirkungen wie Atemdepression, Obstipation und Drogenabhängigkeit. Um die medizinischen Chemiker bei der Entwicklung neuer Arzneistoffe zu unterstützen, ist das Verständnis der molekularen Funktion insbesondere der Aktivierungs- und Deaktivierungsmechanismen des μ-Opioid-Rezeptors von voranschreitender Bedeutung. Die prominentesten Signalpartner des μ-Opioid-Rezeptors sind G-Proteine des Typs Gi, sowie nach vorheriger Phosphorylierung durch G-Protein-gekoppelte Rezeptorkinasen, β- Arrestin2. Die neusten strukturbasierten Bemühungen zur Entwicklung sicherer Opioid-Schmerzmittel waren auf die Herstellung von Signal-selektiven konzentriert, die eine hohe Präferenz für G-Protein-Signalwege aufweisen und somit die β- Arrestin-vermittelten Nebenwirkungen umgehen sollen. In der Tat konnte, durch Knock-in -Mäuse mit phosphorylierungs-defizienten μ-Opioid-Rezeptoren gezeigt werden, dass die analgetischen Effekte verbessert wurden und die Toleranzentwicklung abgeschwächt wurde, wenn der Rezeptor eine Präferenz für den G-Protein Signalweg zeigte. Unerwarteterweise wurden die anderen Nebenwirkungen, wie Atemdepressionen, Obstipation, sowie Entzugssymptome jedoch dadurch verschlimmert. Ein Erklärungsversuch für dieses andauernde Problem bei der Entwicklung sicherer Opioid-Medikamente basiert auf der verminderten intrinsischen Aktivität dieser G- Protein Signalweg-betonten Arzneistoffe. ...

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.

Opioide gehören zu den potentesten Analgetika für die Behandlung akuter und chronischer Schmerzen, werden jedoch in ihrer Anwendung durch analgetische Toleranz aber auch Nebenwirkungen wie Abhängigkeit, Atemdepression und Obstipation limitiert. Opioid-Analgetika vermitteln dabei nahezu alle klinisch relevanten Wirkungen durch Stimulation des μ-Opioidrezeptors, einem G- Protein-gekoppelten Rezeptor. Die „klassische“ Signaltransduktion durch Aktivierung inhibitorischer Gi/0-Proteine kann durch G-Protein gekoppelte Rezeptorkinasen (GRKs) und β-Arrestine negativ reguliert werden. Zusätzlich können durch β-Arrestin-Bindung an den Rezeptor G-Protein-unabhängige Signalwege aktiviert werden. Die genauen Mechanismen wie β-Arrestin- assoziierte Rezeptordesensibilisierung, -internalisierung und G-Protein- unabhängige Signalwege an der physiologischen Antwort und insbesondere an Toleranzentwicklung und Abhängigkeit von Opioid-Analgetika beteiligt sind, können bislang nicht ausreichend erklärt werden. In dieser Arbeit konnte in HEK293-Zellen mit Lebendzell-Konfokalmikroskopie und Luciferase-Komplementierung für 17 Opioide eine differenzierte β-Arrestin2- Rekrutierung zum μ-Opioidrezeptor gezeigt werden. Von den untersuchten Opioiden sind 13 häufig eingesetzte Opioid-Analgetika. Durch die Erstellung detaillierter pharmakologischer Profile ließen sich die Opioide bezüglich ihres β- Arrestin2-Rekrutierungsvermögens in Voll-, Partial und Antagonisten eingruppieren. Bemerkenswert war die fehlende β-Arrestin2-Rekrutierung für Buprenorphin, Tramadol und Tilidin, sodass diese interessante Substanzen für weitere Untersuchungen in physiologischerem Kontext sind. Durch Überexpression von GRK2 konnte die β-Arrestin2-Rekrutierung insbesondere für Partialagonisten gesteigert werden, was die Abhängigkeit der β-Arrestin- Rekrutierung vom GRK-Expressionslevel, das in verschiedenen Assays und Gewebetypen variieren kann, zeigt. Außerdem konnte ein heterogenes Bild der Rezeptorregulierung demonstriert werden, welches indirekt durch Endozytosehemmung unter Verwendung von Dynamin-Inhibitoren erfasst wurde. Die erhobenen Daten dienen als Anknüpfungspunkt für weiteren Arbeiten auf dem Gebiet der μ-Opioidrezeptorregulation. Ein besseres Verständnis der molekularen Mechanismen ist nötig, um sichere und nebenwirkungsärmere Opioid-Analgetika entwickeln zu können. / Opioids remain among the most effective analgesics for the treatment of acute and chronic pain, but their clinical use is limited by analgesic tolerance and other side effects including dependence, respiratory depression and obstipation. Opioid analgesics exert nearly all their clinically relevant actions through stimulation of µ-opioid receptors, which belong to the family of G Protein-coupled receptors. “Classical” signaling through activation of inhibitory Gi/o Proteins can be negatively regulated via G Protein-coupled receptor kinases and β-Arrestins. Additionally, recruitment of β-Arrestins to the µ-opioid receptor can transduce G Protein independent signals. The detailed mechanisms how β-Arrestin-induced receptor desensitization, internalization and G Protein independent signaling mediate physiological effects including tolerance and dependence remains unclear. In this study using confocal live-cell imaging and split luciferase complementation in HEK293 cells 17 opioids showed differential β-Arrestin2 recruitment to the µ-opioid receptor. Of the opioids under investigation, 13 are frequently administered opioid analgesics. Detailed pharmacologic profiles of these opioids allowed for grouping into full agonists, partial agonist and antagonists in regards to β-Arrestin2 recruitment. Surprisingly, β-Arrestin2 recruitment was not detected for Buprenorphin, Tramadol and Tilidin, making these substances interesting candidates for further investigations in a more physiological setting. Overexpression of GRK2 led to increased β-Arrestin2 recruitment especially for partial agonists. This demonstrates the dependence on GRK expression level for β-Arrestin recruitment, which can vary between assays or cell types. Furthermore different opioids showed a heterogenous receptor regulation, assessed by inhibition of receptor endocytosis using dynamin inhibitors. The collected data serve as basis for further research on µ-receptor regulation. Better understanding of the molecular mechanisms is necessary for the development of safer opioid analgesics with fewer side effects.

The present thesis concerns the molecular imaging of opioid receptors and human butyrylcholinesterase with the aid of tailored probes, which are suitable for the respective applied imaging techniques. The first part focusses on imaging of opioid receptors with selective probes using total internal reflection- and single molecule fluorescence microscopy. Design and synthesis of the ligands are presented and their pharmacological characterization and application in microscopy experiments are shown. The second part of this thesis focused on the development of 18F-labeled, selective radiotracers for imaging of butyrylcholinesterase via positron emission tomography. The design and synthesis of each a reversible and pseudoirreversible 18F-labeled tracer are presented. After evaluation of the binding properties of each tracer, their initial application in ex vivo autoradiography- and preliminary in vivo microPET studies is described and analyzed. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der molekularen Bildgebung von Opioidrezeptoren und der humanen Butyrylcholinesterase mithilfe von maßgeschneiderten Verbindungen, die jeweils optimal geeignet für die angewendeten Bildgebungstechniken sind. Der erste Teil behandelt die Bildgebung von Opioidrezeptoren durch selektive Liganden mittels interner Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie- und Einzelmolekül-Mikroskopie. Design und Synthese der Liganden werden beschrieben und ihre pharmakologische Charakterisierung und Anwendung in Mikroskopieexperimenten werden gezeigt. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von 18F-markierten, selektiven Radiotracern für die Bildgebung der Butyrylcholinesterase mittels Positronen-Emissions-Tomographie. Das Design und die Synthese jeweils eines reversiblen und pseudo-irreversiblen, 18F-markierten Tracers werden beschrieben. Nach der Bewertung der Bindungseigenschaften beider Tracer am Enzym, wird ihre erste Anwendung in ex vivo Autoradiographie- und vorläufigen in vivo microPET Studien beschrieben und ausgewertet.

Der Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer ist ein Phänomen, welches erstmals 1948 von Theodor Förster beschrieben wurde. Mit der Entwicklung von Fluoreszenzproteinen konnten in Kombination mit Mikroskopietechniken Einblicke in zellbiologische Vorgänge gewonnen werden, die durch biochemische oder physiologische Experimente nicht möglich sind. Dabei spielt die hohe zeitliche und räumliche Auflösung eine wichtige Rolle. Auf dem Forschungsgebiet der GPCR, welche die größte Gruppe von Membranproteinen bei den Säugetieren darstellen, wurden insbesondere Erkenntnisse über Konformationsänderungen der Rezeptoren, die Kinetik der Rezeptoraktivierung und die Interaktion mit intrazellulären Signalproteinen gewonnen. Der µ-Opioidrezeptor gehört zur Familie der GPCR und stellt aufgrund seiner analgetischen Wirkungen eine wichtige pharmakologische Zielstruktur dar. Das Ziel dieser Arbeit war sowohl den Rezeptor als auch seine Signalwege mittels FRET-Mikroskopie zu untersuchen. Zunächst sollte ein intramolekularer FRET-Sensor des µ-Opioidrezeptors entwickelt werden, dazu wurden basierend auf den Kenntnissen über die Tertiärstruktur und dem Aufbau bereits bekannter GPCR-Sensoren verschiedene Rezeptorkonstrukte kloniert. Bei den Konstrukten wurden entweder zwei Fluoreszenzproteine oder ein Fluoreszenzprotein und ein Fluorophor-bindendes Tetracysteinmotiv kombiniert. Auch die Positionen der eingefügten Sequenzen wurden in den intrazellulären Domänen variiert, da der Rezeptor auf die Modifikationen mit beeinträchtigter Membranlokalisation reagierte. Durch die Optimierung wurden Rezeptoren konstruiert, die an der Zellmembran lokalisiert waren. Jedoch zeigte keines der Rezeptorkonstrukte Funktionalität im Hinblick auf die Rezeptoraktivierung. Im zweiten Teil wurden die pharmakologischen Effekte der Metabolite von Morphin am humanen µ-Opioidrezeptor systematisch analysiert. Dazu wurde die Fähigkeit der Metabolite, Gi-Proteine zu aktivieren und β-Arrestin2 zu rekrutieren, mittels FRET-basierter Messungen an lebenden Zellen untersucht. Außerdem wurde die Affinität der Metabolite zum humanen µ Opioidrezeptor anhand der Verdrängung eines radioaktiven Liganden analysiert. Meine Experimente identifizierten eine Gruppe mit stark agonistischen und eine mit schwach agonistischen Eigenschaften. Die starken Partialagonisten aktivieren den Rezeptor bereits bei nanomolaren Konzentrationen, während die schwachen Metabolite den Rezeptor erst bei Konzentrationen im mikromolaren Bereich aktivieren. Die Metabolite Normorphin, Morphin-6-Glucuronid und 6-Acetylmorphin zeigen geringere Potenz als Morphin bei der Gi-Aktivierung aber überraschenderweise höhere Potenz und Effizienz für die β-Arrestin-Rekrutierung. Dies deutet auf eine bevorzugte Aktivierung von β-Arrestin2 hin. Die aus diesen Studien gewonnenen Ergebnisse liefern Hinweise darauf, welche Metabolite bei der Signalverarbeitung am µ Opioidrezeptor in vivo beteiligt sind. / Fluorescence resonance energy transfer was first described by Theodor Förster in 1948. The discovery and development of intrinsic fluorescent proteins revolutionized cell and molecular biology. The FRET-technique allows the analysis of protein-protein interactions and intramolecular conformational changes. In this method, its high temporal and spatial resolution plays a crucial role. Especially in the research field of GPCR, which are the largest family of membrane proteins in mammals, insights into receptor conformational changes, kinetics of receptor activation and the interaction with intracellular proteins were obtained. The µ-opioid receptor belongs to the GPCR family and is involved in analgesia. Therefore, the receptor is an important pharmacological target. Its pharmacological properties were extensively analyzed in the current thesis by FRET. Engineering of an intramolecular MOR-biosensor was initially planned. Based on the knowledge about the tertiary receptor structure and earlier GPCR-sensors, different receptor constructs were cloned. For each receptor construct either two fluorescent proteins or one fluorescent protein and one fluorophore binding tetracysteine motif were combined. The insertion of the additional amino acid sequences prevented the membrane localization for some constructs. Hence, the insertion site of the amioacid sequences was varied in the intracellular loops. Ultimately, the optimization resulted in some membrane localized receptor constructs with the tetracysteine motif in the third intracellular loop. Nevertheless, none of the receptor constructs was functional in terms of measurable conformational change upon receptor activation. In the second part of this thesis, the pharmacological effects of morphine and its metabolites were studied. The analgesic effects of morphine are mainly mediated via the activation of the µ opioid receptor. This receptor activates inhibitory G-proteins and induces the recruitment of β-arrestin2. Therefore I analyzed activation of these two pathways induced by morphine metabolites using FRET-microscopy in living cells. Furthermore, radioligand binding studies were used to determine the affinity of each compound to the human µ-opioid receptor. This approach identified two groups of metabolites, which were classified into strong and weak ligands. Strong partial agonists showed efficacies in the nanomalar range. In contrast, weak metabolites activated µ opioid receptor pathways in the micromolar range. Normorphine, morphine-6-glucuronide and 6 acetylmorphine had lower potencies regarding Gi-protein activation but higher potencies and efficacies for β-arrestin2 recruitment than morphine. These findings indicate that these metabolites are biased towards β-arrestin2 pathways.