Ether-A -go-go 1 (Eag1) Potassium Channel Expression in Dopaminergic Neurons of Basal Ganglia is Modulated by 6-Hydroxydopamine Lesion

The ether A go-go (Eag) gene encodes the voltage-gated potassium (K+) ion channel Kv10.1, whose function still remains unknown. As dopamine may directly affect K+ channels, we evaluated whether a nigrostriatal dopaminergic lesion induced by the neurotoxin 6-hydroxydopamine (6-OHDA) would alter Eag1-K+ channel expression in the rat basal ganglia and related brain regions. Male Wistar rats received a microinjection of either saline or 6-OHDA (unilaterally) into the medial forebrain bundle. The extent of the dopaminergic lesion induced by 6-OHDA was evaluated by apomorphine-induced rotational behavior and by tyrosine hydroxylase (TH) immunoreactivity. The 6-OHDA microinjection caused a partial or complete lesion of dopaminergic cells, as well as a reduction of Eag1+ cells in a manner proportional to the extent of the lesion. In addition, we observed a decrease in TH immunoreactivity in the ipsilateral striatum. In conclusion, the expression of the Eag1-K+-channel throughout the nigrostriatal pathway in the rat brain, its co-localization with dopaminergic cells and its reduction mirroring the extent of the lesion highlight a physiological circuitry where the functional role of this channel can be investigated. The Eag1-K+ channel expression in dopaminergic cells suggests that these channels are part of the diversified group of ion channels that generate and maintain the electrophysiological activity pattern of dopaminergic midbrain neurons.

Manganese-enhanced magnetic resonance imaging detects mossy fiber sprouting in the pilocarpine model of epilepsy

Purpose: Mossy fiber sprouting (MFS) is a frequent finding following status epilepticus (SE). The present study aimed to test the feasibility of using manganese-enhanced magnetic resonance imaging (MEMRI) to detect MFS in the chronic phase of the well-established pilocarpine (Pilo) rat model of temporal lobe epilepsy (TLE). Methods: To modulate MFS, cycloheximide (CHX), a protein synthesis inhibitor, was coadministered with Pilo in a subgroup of animals. In vivo MEMRI was performed 3 months after induction of SE and compared to the neo-Timm histologic labeling of zinc mossy fiber terminals in the dentate gyrus (DG). Key Findings: Chronically epileptic rats displaying MFS as detected by neo-Timm histology had a hyperintense MEMRI signal in the DG, whereas chronically epileptic animals that did not display MFS had minimal MEMRI signal enhancement compared to nonepileptic control animals. A strong correlation (r = 0.81, p < 0.001) was found between MEMRI signal enhancement and MFS. Significance: This study shows that MEMRI is an attractive noninvasive method for detection of mossy fiber sprouting in vivo and can be used as an evaluation tool in testing therapeutic approaches to manage chronic epilepsy.

Successful Strategy for Targeting the Central Nervous System Using Magnetic Albumin Nanospheres

This study reports on the successful use of magnetic albumin nanosphere (MAN), consisting of maghemite nanoparticles hosted by albumin-based nanosphere, to target different sites within the central nervous system (CNS). Ultrastructural analysis by transmission electron microscopy (TEM) of the material collected from the mice was performed in the time window of 30 minutes up to 30 days after administration. Evidence found that the administered MAN was initially internalized and transported by erythrocytes across the blood-brain-barrier and transferred to glial cells and neuropils before internalization by neurons, mainly in the cerebellum. We hypothesize that the efficiency of MAN in crossing the BBB with no pathological alterations is due to the synergistic effect of its two main components, the iron-based nanosized particles and the hosting albumin-based nanospheres. We found that the MAN in targeting the CNS represents an important step towards the design of nanosized materials for clinical and diagnostic applications.

Looking over Toxin-K+ Channel Interactions. Clues from the Structural and Functional Characterization of alpha-KTx Toxin Tc32, a Kv1.3 Channel Blocker

alpha-KTx toxin Tc32, from the Amazonian scorpion Tityus cambridgei, lacks the dyad motif; including Lys27, characteristic of the family and generally associated with channel blockage. The toxin has been cloned and expressed for the first time. Electrophysiological experiments, by showing that the recombinant form blocks Kv1.3 channels of olfactory bulb periglomerular cells like the natural Tc32 toxin, when tested on the Kv1.3 channel of human T lymphocytes, confirmed it is in an active fold. The nuclear magnetic resonance-derived structure revealed it exhibits an alpha/beta scaffold typical of the members of the alpha-KTx family. TdK2 and TdK3, all belonging to the same alpha-KTx 18 subfamily, share significant sequence identity with Tc32 but diverse selectivity and affinity for Kv1.3 and Kv1.1 channels. To gain insight into the structural features that may justify those differences, we used the recombinant Tc32 nuclear magnetic resonance-derived structure to model the other two toxins, for which no experimental structure is available. Their interaction with Kv1.3 and Kv1.1 has been investigated by means of docking simulations. The results suggest that differences in the electrostatic features of the toxins and channels, in their contact surfaces, and in their total dipole moment orientations govern the affinity and selectivity of toxins. In addition, we found that, regardless of whether the dyad motif is present, it is always a Lys side chain that physically blocks the channels, irrespective of its position in the toxin sequence.

Early and late neurodegeneration and memory disruption after intracerebroventricular streptozotocin

Glucose metabolism and insulin signaling disruptions in the brain have been proposed as a likely etiology of Alzheimer's disease. The aim of the present study was to investigate the time course of cognitive impairments induced by intracerebroventricular injection of streptozotocin (STZ) in rats and correlate them with the ensuing neurodegenerative process. Early and late effects of STZ were evaluated by using the reference and working memory versions of the Morris' water maze task and the evaluation of neurodegenerative markers by immunoblotting and the Fluoro-jade C histochemistry. The results revealed different types of behavioral and neurodegenerative responses, with distinct time courses. We observed an early disruption on the working memory as early as 3 h after STZ injections, which was followed by degenerative processes in the hippocampus at 1 and 15 days after STZ injections. Memory disruption increases over time and culminates with significant changes in amyloid-beta peptide and hyperphosphorylated Tau protein levels in distinct brain structures. These findings add information on the Alzheimer's disease-like STZ animal model and on the mechanisms underlying neurodegenerative processes. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Transcriptional regulation of human mu-opioid receptor gene: functional characterization of activating and inhibitory transcription factors

The organization of the nervous and immune systems is characterized by obvious differences and striking parallels. Both systems need to relay information across very short and very long distances. The nervous system communicates over both long and short ranges primarily by means of more or less hardwired intercellular connections, consisting of axons, dendrites, and synapses. Longrange communication in the immune system occurs mainly via the ordered and guided migration of immune cells and systemically acting soluble factors such as antibodies, cytokines, and chemokines. Its short-range communication either is mediated by locally acting soluble factors or transpires during direct cell–cell contact across specialized areas called “immunological synapses” (Kirschensteiner et al., 2003). These parallels in intercellular communication are complemented by a complex array of factors that induce cell growth and differentiation: these factors in the immune system are called cytokines; in the nervous system, they are called neurotrophic factors. Neither the cytokines nor the neurotrophic factors appear to be completely exclusive to either system (Neumann et al., 2002). In particular, mounting evidence indicates that some of the most potent members of the neurotrophin family, for example, nerve growth factor (NGF) and brainderived neurotrophic factor (BDNF), act on or are produced by immune cells (Kerschensteiner et al., 1999) There are, however, other neurotrophic factors, for example the insulin-like growth factor-1 (IGF-1), that can behave similarly (Kermer et al., 2000). These factors may allow the two systems to “cross-talk” and eventually may provide a molecular explanation for the reports that inflammation after central nervous system (CNS) injury has beneficial effects (Moalem et al., 1999). In order to shed some more light on such a cross-talk, therefore, transcription factors modulating mu-opioid receptor (MOPr) expression in neurons and immune cells are here investigated. More precisely, I focused my attention on IGF-I modulation of MOPr in neurons and T-cell receptor induction of MOPr expression in T-lymphocytes. Three different opioid receptors [mu (MOPr), delta (DOPr), and kappa (KOPr)] belonging to the G-protein coupled receptor super-family have been cloned. They are activated by structurallyrelated exogenous opioids or endogenous opioid peptides, and contribute to the regulation of several functions including pain transmission, respiration, cardiac and gastrointestinal functions, and immune response (Zollner and Stein 2007). MOPr is expressed mainly in the central nervous system where it regulates morphine-induced analgesia, tolerance and dependence (Mayer and Hollt 2006). Recently, induction of MOPr expression in different immune cells induced by cytokines has been reported (Kraus et al., 2001; Kraus et al., 2003). The human mu-opioid receptor gene (OPRM1) promoter is of the TATA-less type and has clusters of potential binding sites for different transcription factors (Law et al. 2004). Several studies, primarily focused on the upstream region of the OPRM1 promoter, have investigated transcriptional regulation of MOPr expression. Presently, however, it is still not completely clear how positive and negative transcription regulators cooperatively coordinate cellor tissue-specific transcription of the OPRM1 gene, and how specific growth factors influence its expression. IGF-I and its receptors are widely distributed throughout the nervous system during development, and their involvement in neurogenesis has been extensively investigated (Arsenijevic et al. 1998; van Golen and Feldman 2000). As previously mentioned, such neurotrophic factors can be also produced and/or act on immune cells (Kerschenseteiner et al., 2003). Most of the physiologic effects of IGF-I are mediated by the type I IGF surface receptor which, after ligand binding-induced autophosphorylation, associates with specific adaptor proteins and activates different second messengers (Bondy and Cheng 2004). These include: phosphatidylinositol 3-kinase, mitogen-activated protein kinase (Vincent and Feldman 2002; Di Toro et al. 2005) and members of the Janus kinase (JAK)/STAT3 signalling pathway (Zong et al. 2000; Yadav et al. 2005). REST plays a complex role in neuronal cells by differentially repressing target gene expression (Lunyak et al. 2004; Coulson 2005; Ballas and Mandel 2005). REST expression decreases during neurogenesis, but has been detected in the adult rat brain (Palm et al. 1998) and is up-regulated in response to global ischemia (Calderone et al. 2003) and induction of epilepsy (Spencer et al. 2006). Thus, the REST concentration seems to influence its function and the expression of neuronal genes, and may have different effects in embryonic and differentiated neurons (Su et al. 2004; Sun et al. 2005). In a previous study, REST was elevated during the early stages of neural induction by IGF-I in neuroblastoma cells. REST may contribute to the down-regulation of genes not yet required by the differentiation program, but its expression decreases after five days of treatment to allow for the acquisition of neural phenotypes. Di Toro et al. proposed a model in which the extent of neurite outgrowth in differentiating neuroblastoma cells was affected by the disappearance of REST (Di Toro et al. 2005). The human mu-opioid receptor gene (OPRM1) promoter contains a DNA sequence binding the repressor element 1 silencing transcription factor (REST) that is implicated in transcriptional repression. Therefore, in the fist part of this thesis, I investigated whether insulin-like growth factor I (IGF-I), which affects various aspects of neuronal induction and maturation, regulates OPRM1 transcription in neuronal cells in the context of the potential influence of REST. A series of OPRM1-luciferase promoter/reporter constructs were transfected into two neuronal cell models, neuroblastoma-derived SH-SY5Y cells and PC12 cells. In the former, endogenous levels of human mu-opioid receptor (hMOPr) mRNA were evaluated by real-time PCR. IGF-I upregulated OPRM1 transcription in: PC12 cells lacking REST, in SH-SY5Y cells transfected with constructs deficient in the REST DNA binding element, or when REST was down-regulated in retinoic acid-differentiated cells. IGF-I activates the signal transducer and activator of transcription-3 (STAT3) signaling pathway and this transcription factor, binding to the STAT1/3 DNA element located in the promoter, increases OPRM1 transcription. T-cell receptor (TCR) recognizes peptide antigens displayed in the context of the major histocompatibility complex (MHC) and gives rise to a potent as well as branched intracellular signalling that convert naïve T-cells in mature effectors, thus significantly contributing to the genesis of a specific immune response. In the second part of my work I exposed wild type Jurkat CD4+ T-cells to a mixture of CD3 and CD28 antigens in order to fully activate TCR and study whether its signalling influence OPRM1 expression. Results were that TCR engagement determined a significant induction of OPRM1 expression through the activation of transcription factors AP-1, NF-kB and NFAT. Eventually, I investigated MOPr turnover once it has been expressed on T-cells outer membrane. It turned out that DAMGO induced MOPr internalisation and recycling, whereas morphine did not. Overall, from the data collected in this thesis we can conclude that that a reduction in REST is a critical switch enabling IGF-I to up-regulate human MOPr, helping these findings clarify how human MOPr expression is regulated in neuronal cells, and that TCR engagement up-regulates OPRM1 transcription in T-cells. My results that neurotrophic factors a and TCR engagement, as well as it is reported for cytokines, seem to up-regulate OPRM1 in both neurons and immune cells suggest an important role for MOPr as a molecular bridge between neurons and immune cells; therefore, MOPr could play a key role in the cross-talk between immune system and nervous system and in particular in the balance between pro-inflammatory and pro-nociceptive stimuli and analgesic and neuroprotective effects.

Development of original analytical methods for the therapeutic drug monitoring of CNS druges: Antipsychotics, Antidepressants and Anxiolytics-hypnotics

Great strides have been made in the last few years in the pharmacological treatment of neuropsychiatric disorders, with the introduction into the therapy of several new and more efficient agents, which have improved the quality of life of many patients. Despite these advances, a large percentage of patients is still considered “non-responder” to the therapy, not drawing any benefits from it. Moreover, these patients have a peculiar therapeutic profile, due to the very frequent application of polypharmacy, attempting to obtain satisfactory remission of the multiple aspects of psychiatric syndromes. Therapy is heavily individualised and switching from one therapeutic agent to another is quite frequent. One of the main problems of this situation is the possibility of unwanted or unexpected pharmacological interactions, which can occur both during polypharmacy and during switching. Simultaneous administration of psychiatric drugs can easily lead to interactions if one of the administered compounds influences the metabolism of the others. Impaired CYP450 function due to inhibition of the enzyme is frequent. Other metabolic pathways, such as glucuronidation, can also be influenced. The Therapeutic Drug Monitoring (TDM) of psychotropic drugs is an important tool for treatment personalisation and optimisation. It deals with the determination of parent drugs and metabolites plasma levels, in order to monitor them over time and to compare these findings with clinical data. This allows establishing chemical-clinical correlations (such as those between administered dose and therapeutic and side effects), which are essential to obtain the maximum therapeutic efficacy, while minimising side and toxic effects. It is evident the importance of developing sensitive and selective analytical methods for the determination of the administered drugs and their main metabolites, in order to obtain reliable data that can correctly support clinical decisions. During the three years of Ph.D. program, some analytical methods based on HPLC have been developed, validated and successfully applied to the TDM of psychiatric patients undergoing treatment with drugs belonging to following classes: antipsychotics, antidepressants and anxiolytic-hypnotics. The biological matrices which have been processed were: blood, plasma, serum, saliva, urine, hair and rat brain. Among antipsychotics, both atypical and classical agents have been considered, such as haloperidol, chlorpromazine, clotiapine, loxapine, risperidone (and 9-hydroxyrisperidone), clozapine (as well as N-desmethylclozapine and clozapine N-oxide) and quetiapine. While the need for an accurate TDM of schizophrenic patients is being increasingly recognized by psychiatrists, only in the last few years the same attention is being paid to the TDM of depressed patients. This is leading to the acknowledgment that depression pharmacotherapy can greatly benefit from the accurate application of TDM. For this reason, the research activity has also been focused on first and second-generation antidepressant agents, like triciclic antidepressants, trazodone and m-chlorophenylpiperazine (m-cpp), paroxetine and its three main metabolites, venlafaxine and its active metabolite, and the most recent antidepressant introduced into the market, duloxetine. Among anxiolytics-hypnotics, benzodiazepines are very often involved in the pharmacotherapy of depression for the relief of anxious components; for this reason, it is useful to monitor these drugs, especially in cases of polypharmacy. The results obtained during these three years of Ph.D. program are reliable and the developed HPLC methods are suitable for the qualitative and quantitative determination of CNS drugs in biological fluids for TDM purposes.

Zentrale cholinerge Wirkungen von Hyperforin, einem Inhaltsstoff des Johanniskrauts

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Wirkung von Hyperforin, einem Johanniskraut-Inhaltsstoff, auf das zentrale cholinerge System. Da der HACU Na+-abhängig operiert und Hyperforin den transmembranären Na+-Gradienten verringert, wurde an Rattenkortex-Synaptosomen in vitro geprüft, ob der HACU durch Hyperforin gehemmt wird. Es wurde gefunden, dass Hyperforin den HACU mit einer Hemmkonstante IC50 von 8.5 µM inhibiert. Da die de novo-ACh-Synthese direkt HACU-Aktivitäts-abhängig ist, wurde in vivo mittels Mikrodialyse-Technik verifziert, ob die cholinerge Transmission beeinflusst wird. Lokale Infusionen von 100 µM Hyperforin in das Striatum resultierten in einer Reduktion der ACh-Freisetzung bei parallelem Ch-Spiegel-Anstieg bedingt durch die HACU-Inhibition. Infusionen niedrigerer Konzentration (10 und 30 µM) führten hingegen zu einer konzentrations-abhängigen Stimulation der ACh-Freisetzung bei simultaner Ch-Spiegel-Senkung. Systemische Applikation von 1 und 10 mg/kg i.p. resultierten in einer verstärkten ACh-Freisetzung im Striatum und im Hippokampus; diese Dosen führen zu therapeutisch relevanten Plasmaspiegeln. Die Ergebnisse im Striatum und im Hippokampus erklären die motilitätsverringernden Effekte im Tierexperiment bzw. die benignen Effekte in Verhaltensmodellen für Lernen und Gedächtnis. Die vergleichende Analyse der Mikrodialyse-Experimente ergab, dass eine antidepressive Johanniskraut-Begleitmedikation bei Parkinson ungünstig, jedoch Alzheimer günstig zu bewerten ist.

Synthese, 18 F-Markierung, 11 C-Markierung und Evaluierung Hydantoin-substituierter Indolcarbonsäuren zur Visualisierung des NMDA-Rezeptorstatus mittels der Positronen-Emissions-Tomographie (PET)

Der N-methyl-D-aspartat-Rezeptor (NMDA), als Vertreter ionotroper Glutamat-Rezeptoren, ist essentiell für physiologische Lern- und Gedächtnisvorgänge und eine krankhafte Überaktivierung wird als potentielle Ursache für eine Reihe von akuten und chronischen neurodegenerativen Erkrankungen angesehen. Hierbei sind für die akuten Erkrankungen vor allem der Schlaganfall und für die chronischen Erkrankungen Morbus Parkinson sowie die Alzheimer´sche Demenz zu nennen. Durch seine einzigartige spannungsabhängige Mg2+-Blockade und der Notwendigkeit der gleichzeitigen Anwesenheit der endogenen Liganden Glutamat und Glycin zur Rezeptoraktivierung, stellt dieser Rezeptorkomplex daher ein sehr interessantes molekulares Target dar. NMDA-Rezeptor-Antagonisten der Glycin-Bindungsstelle und der verschiedenen allosterischen Bindungsstellen könnten als Neuroprotektiva bei den verschiedenen Krankheiten eine symptomatische Verbesserung bewirken und zur Therapie eingesetzt werden. Eine visuelle Darstellung des Rezeptors im Rahmen von Vorsorgeuntersuchungen ist jedoch derzeit nicht möglich. Zur Visualisierung dieser Prozesse mittels der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) wurden basierend auf einer Hydantoin-substituierten Indol-2-carbonsäure als Leitstruktur, im Rahmen dieser Arbeit Fluorethoxy- und Methoxy-substituierte Derivate dargestellt und in pharmazeutischen und radiopharmazeutischen Studien evaluiert. Dazu wurde die Affinität und Spezifität zum Rezeptor in einem [3H]MDL-105,519 Rezeptorbindungsassay und die Lipophilie als Parameter für die Hirngängigkeit ermittelt. Anhand dieser Resultate wurden geeignete Markierungsvorläufer synthetisiert, welche eine phenolische Hydroxylfunktion besitzen und eine radioaktive Markierung mit den sekundären Markierungsvorläufern 2-[18F]Fluorethyltosylat ([18F]FETos) und [11C]Methyliodid ([11C]CH3I) ermöglichen. Unter Verwendung von 4,6-Dichlor-3-((3-(4-hydroxyphenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäure wurde in einer Einstufenreaktion mit [18F]FETos die Zielverbindung 4,6-Dichlor-3-((3-(4-(2-[18F]fluorethoxy)phenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäure in radiochemischen Ausbeuten von 6 % erhalten. Daher wurde eine alternative Markierung des Ethylester-geschützten Derivates 4,6-Dichlor-3-((3-(4-hydroxyphenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäureethylester in einer Zweistufensynthese mit [18F]FETos und [11C]CH3I untersucht. Unter Verwendung dieser Strategie wurden unter optimierten Bedingungen 4,6-Dichlor-3-((3-4-(2-[18F]fluorethoxy)phenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäureethylester und 4,6-Dichlor-3-((3-(4-[11C]methoxy-phenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)-methyl)-indol-2-carbonsäureethylester in radiochemischen Ausbeuten von 27 – 38 % erhalten. Die anschließende Entfernung der Schutzgruppe führte unter Bildung von Neben- und Zersetzungsreaktionen zu 4,6-Dichlor-3-((3-(4-(2-[18F]fluorethoxy)-phenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäure und 4,6-Dichlor-3-((3-(4-[11C]methoxyphenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäure in radiochemischen Gesamtausbeuten von 5 – 7 %. Die Überprüfung des biochemischen Konzepts in vivo durch µ-PET-Studien und durch autoradiographische Experimente an Rattenhirnschnitten, deuten auf eine niedrige in vivo-Aktivität hin, welche sich auf eine nicht ausreichende Passage der Blut-Hirn-Schranke zurückführen lässt.

Specific PET-ligands for selected 5-HT and GABA A-receptor subtypes = PET-Liganden mit Spezifität für definierte 5-HT und GABA A-Rezeptor-Subtypen

Für diese Arbeit wurden sechs neue Benzodiazepinderivate, TC07, TC08, TC09, TC10, TC11 und TC12, hergestellt. Diese wurden mittels Radioligandenbindungsassay sowohl auf ihre Bindungseigenschaften für Membranen des Cerebellum, des Hippo-campus und des Cortex der Ratte hin untersucht, als auch für Membranen von HEK293 Zellen, die transient rekombinante GABAA Rezeptoren exprimierten. Zusätz-lich wurden kompetitive in situ Rezeptorautoradiographien an Rattenhirnschnitten mit den Liganden [3H]Ro15-4513 und [3H]R015-1788 durchgeführt. Zusammen ergaben sich aus diesen Experimenten deutliche Hinweise auf eine Selektivität der Verbindun-gen TC07, TC11 und TC12 für a5-Untereinheiten enthaltende GABAA Rezeptoren mit a5-Affinitäten im niedrigen nanomolaren Bereich. In vivo Bindungsexperimente in Ratten, mit [3H]Ro15-1788 als Tracer und TC07 als Kompetitor, ergaben, dass TC07 mehr [3H]Ro15-1788 im Vorderhirn als im Cerebellum verdrängt. Bezog man die regionale Verteilung der a5-Untereinheit des GABAA Rezep-tors im Rattenhirn mit ein – sehr wenige a5-Untereinheiten im Cerebellum, etwa 20 % der GABAA Rezeptor-Untereinheiten im Hippocampus – untermauerten diese Ergeb-nisse die Vermutung, TC07 könne a5-selektiv sein. Diese Daten bestätigten darü-berhinaus, dass TC07 die Blut-Hirn-Schranke passieren kann. Für elektrophysiologische Messungen mit TC07 und TC12 wurden die oben erwähnten transient transfizierten HEK293 Zellen verwendet, welche die GABAA Rezeptor Unte-reinheitenkombination a5b3g2 exprimierten. Das Dosis-Antwort Verhalten ergab keinen signifikanten Effekt für TC12. Die Daten von TC07 dagegen lassen auf einen schwach negativ modulatorischen Effekt schließen, was, zumindest theoretisch, die Möglichkeit eröffnet, TC07 auch als sogenannten cognitive enhancer einzusetzen. Der errechnete Ki-Wert lag in derselben Größenordnung wie der Ki-Wert, der anhand der Bindungsas-saydaten errechnet wurde. Insgesamt rechtfertigen die bisherigen Ergebnisse die radiochemische Markierung mit 18F von drei der sechs getesteten Verbindungen in der Reihenfolge TC07, TC12 und TC11. Des Weiteren wurde [18F]MHMZ, ein potentiell 5-HT2A selektiver Ligand und PET-Tracer einschließlich Vorläufer und Referenzverbindungen, mit hohen Ausbeuten syn-thetisiert (Herth, Debus et al. 2008). Autoradiographieexperimente mit Rattenhirn-schnitten zeigten hervorragende in situ Bindungseigenschaften der neuen Verbindung. Die Daten wiesen eine hohe Selektivität für 5-HT2A Rezeptoren in Verbindung mit einer niedrigen unspezifischen Bindung auf. [18F]MHMZ erfährt in vivo eine schnelle Metabo-lisierung, wobei ein polarer aktiver Metabolit entsteht, welcher vermutlich nicht die Blut-Hirn-Schranke passieren kann. Transversale, sagittale und coronale Kleintier-PET-Bilder des Rattenhirns zeigten eine hohe Anreicherung im frontalen Cortex und im Striatum, während im Cerebellum so gut wie keine Anreicherung festzustellen war. Diese Verteilung deckt sich mit der bekann-ten Verteilung der 5-HT2A Rezeptoren. Die in vivo Anreicherung scheint sich ebenfalls gut mit der Verteilung der in den Autoradiographieexperimenten gemessenen Bindung zu decken. Nach Berechnungen mit dem 4-Parameter Referenzgewebe Modell beträgt das Bindungspotential (BP) für den frontalen Cortex 1,45. Das Cortex zu Cerebellum Verhältnis wurde auf 2,7 nach 30 Minuten Messzeit bestimmt, was bemerkenswert nah an den von Lundkvist et al. für [11C]MDL 100907 publizierten Daten liegt. Abgesehen von der etwas niedrigeren Affinität waren die gemessenen in vitro, in situ und in vivo Daten denen von [3H]MDL 100907 und [11C]MDL 100907 sehr ähnlich, so dass wir ein [18F]Analogon in der Hand haben, das die bessere Selektivität von MDL 100907 verglichen mit Altanserin mit der längeren Halbwertszeit und den besse-ren Eigenschaften für die klinische Routine von 18F verglichen mit 11C verbindet. Die Ergebnisse von [18F]MHMZ rechtfertigenden weitere Experimente, um diesen Liganden für die klinische Routine am Menschen nutzbar zu machen.

On the development of novel cocaine-analogues for in vivo imaging of the dopamine transporter status

The present thesis is concerned with the development of novel cocaine-derived dopamine transporter ligands for the non-invasive exploration of the striatal and extra-striatal dopamine transporter (DAT) in living systems. The presynaptic dopamine transporter acquires an important function within the mediation of dopaminergic signal transduction. Its availability can serve as a measure for the overall integrity of the dopaminergic system. The DAT is upregulated in early Parkinson’s disease (PD), resulting in an increased availability of DAT-binding sites in the striatal DAT domains. Thereby, DAT imaging has become an important routine diagnostic tool for the early diagnosis of PD in patients, as well as for the differentiation of PD from symptomatically similar medical conditions. Furthermore, the dopaminergic system is involved in a variety of psychiatric diseases. In this regard, DAT-selective imaging agents may provide detailed insights into the scientific understanding of the biochemical background of both, the progress as well as the origins of the symptoms. DAT-imaging may also contribute to the determination of the dopaminergic therapeutic response for a given medication and thereby contribute to more convenient conditions for the patient. From an imaging point of view, the former demands a high availability of the radioactive probe to facilitate broad application of the modality, whereas the latter profits from short-lived probes, suitable for multi-injection studies. Therefore, labelling with longer-lived 18F-fluoride and in particular the generator nuclide 68Ga is worthwhile for clinical routine imaging. In contrast, the introduction of a 11C-label is a prerequisite for detailed scientific studies of neuronal interactions. The development of suitable DAT-ligands for medical imaging has often been complicated by the mixed binding profile of many compounds that that interact with the DAT. Other drawbacks have included high non-specific binding, extensive metabolism and slow accumulation in the DAT-rich brain areas. However, some recent examples have partially overcome the mentioned complications. Based on the structural speciality of these leads, novel ligand structures were designed and successfully synthesised in the present work. A structure activity relationship (SAR) study was conducted wherein the new structural modifications were examined for their influence on DAT-affinity and selectivity. Two of the compounds showed improvements in in vitro affinity for the DAT as well as selectivity versus the serotonin transporter (SERT) and norepinephrine transporter (NET). The main effort was focussed on the high-affinity candidate PR04.MZ, which was subsequently labelled with 18F and 11C in high yield. An initial pharmacological characterisation of PR04.MZ in rodents revealed highly specific binding to the target brain structures. As a result of low non-specific binding, the DAT-rich striatal area was clearly visualised by autoradiography and µPET. Furthermore, the radioactivity uptake into the DAT-rich brain regions was rapid and indicated fast binding equilibrium. No radioactive metabolite was found in the rat brain. [18F]PR04.MZ and [11C]PR04.MZ were compared in the primate brain and the plasma metabolism was studied. It was found that the ligands specifically visualise the DAT in high and low density in the primate brain. The activity uptake was rapid and quantitative evaluation by Logan graphical analysis and simplified reference tissue model was possible after a scanning time of 30 min. These results further reflect the good characteristics of PR04.MZ as a selective ligand of the neuronal DAT. To pursue 68Ga-labelling of the DAT, initial synthetic studies were performed as part of the present thesis. Thereby, a concept for the convenient preparation of novel bifunctional chelators (BFCs) was developed. Furthermore, the suitability of novel 1,4,7-triazacyclononane based N3S3-type BFCs for biomolecule-chelator conjugates of sufficient lipophilicity for the penetration of the blood-brain-barrier was elucidated.

Synthese, Evaluierung und 18 F-Markierung von neuen Liganden zur Visualisierung der Strychnin-insensitiven Bindungsstelle des NMDA-Rezeptors

Glutamat ist der wichtigste exzitatorische Neurotransmitter im Gehirn. Folglich spielen Glutamat-kontrollierte Rezeptorsysteme eine entscheidende Rolle in neurologischen Vorgängen, wie beispielsweise in Lern- und Gedächtnisprozessen. Gerade der NMDA-Rezeptor ist in eine Vielzahl solcher Vorgänge involviert und wird vor allem mit neurodegenerativen Erkrankungen wie Chorea Huntington, Morbus Alzheimer, Morbus Parkinson und zerebraler Ischämie in Verbindung gebracht. Folglich stellt die Visualisierung des NMDA-Rezeptorstatus eine Möglichkeit dar, den Verlauf solcher Prozesse zu untersuchen.rnDie Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist eine leistungsstarke Anwendung in der molekularen Bildgebung und erlaubt die in vivo-Visualisierung sowie Quantifizierung biochemischer Prozesse. Durch die Verwendung geeigneter Tracer können bestimmte pathologische und neurologische Abläufe beurteilt werden. rnZurzeit sind keine geeigneten PET-Tracer zur Untersuchung des NMDA-Rezeptors verfügbar. Bisher dargestellte PET-Liganden zeichneten sich durch nicht zufriedenstellende Affinitäten und Selektivitäten aus und führten meist auf Grund der hohen Lipophilie zu einem hohen Maß an unspezifischer Bindung. rnDie Strychnin-insensitive Glycinbindungsstelle des NMDA-Rezeptors stellt ein vielversprechendes Target dar, spezifische Liganden für diese Bindungsstelle zu synthetisieren. Hier zeichnen sich einige Verbindungsklassen durch exzellente Affinitäten und Selektivitäten sowie durch vielversprechende in vivo-Eigenschaften aus. rnAuf Grundlage dieser biologischen Daten wurden zwei Substanzen der 2-Indolcarbonsäure, nämlich die 4,6-Dichlor-3-(2-oxo-3-phenylimidazolidin-1-ylmethyl)-1H-indol-2-carbonsäure (MDJ-114) und die (E)-4,6-Dichlor-3-(2-phenylcarbamoylvinyl)-1H-indol-2-carbonsäure (GV150526), als Leitstruktur gewählt. Ferner wurde das 7-Chlor-4-hydroxy-3-(3-phenoxyphenyl)-1H-chinolin-2-on (L-701,324) aus der Substanzklasse der 4-Hydroxy-1H-chinolin-2-one als dritte Leitstruktur gewählt.rnFür diese Substanzen wurden 19F-markierte Analogverbindungen synthetisiert, um als inaktive Referenzverbindungen auf ihre Eignung überprüft zu werden. Hierzu wurde eine Fluorethoxygruppierung im terminalen Phenylring der entsprechenden Leitstruktur eingeführt. Durch Variation der Fluorethoxysubstitution in ortho-, meta- und para-Stellung, konnten die besten Affinitäten in einem kompetitiven Rezeptorbindungsassay durch Verdrängung von [3H]MDL-105,519 bestimmt werden. Als Maß für die Lipophilie wurden die entsprechenden log D-Werte über die HPLC-Methode bestimmt. Basierend auf den Ergebnissen der Evaluierung wurden zwei Derivate identifiziert, welche zur 18F-Markierung genutzt werden sollten (GV150526-Derivat 34: log D = 0,23 ± 0,03, IC50 = 0,20 ± 0,25 µM, Ki = 0,13 ± 0,16 µM; L701,324-Derivat 55: log D = - 0,25 ± 0,01, IC50 = 78 ± 37 µM, Ki = 51 ± 24 µM). Die 18F-Markierung erfolgte durch die Reaktion des entsprechenden Markierungsvorläufers mit dem Markierungssynthon 2-[18F]Fluorethyltosylat, welches durch die Umsetzung von Ethylenditosylat mit [18F]Fluorid hergestellt wurde. Die Radiosynthesen der beiden 18F-markierten Verbindungen [18F]34 (4,6-Dichlor-3-{2-[4-(2-[18F]fluorethoxy)-phenylcarbamoyl]-vinyl}-1H-indol-2-carbonsäure) und [18F]55 (7-Chlor-3-{3-[4-(2-[18F]fluorethoxy)-phenoxy]-phenyl}-4-hydroxy-1H-chinolin-2-on) wurden optimiert sowie semipräparative Abtrennverfahren entwickelt. Beide Tracer wurden auf ihre in vivo-Eignung im µPET-Experiment untersucht. Die Zeitaktivitätskurven lassen erkennen, dass beide Tracer entgegen der Erwartung nicht die Blut-Hirn-Schranke überwinden können. Für das GV150526-Derivat ([18F]34) wurden zusätzlich Autoradiographiestudien durchgeführt. Die erhaltenen Aufnahmen zeigten ein heterogenes Verteilungsmuster der Aktivitätsanreicherung. Ebenso wurde ein hohes Maß an unspezifischer Bindung beobachtet. Möglicherweise sind Cross-Affinitäten zu anderen Rezeptorsystemen oder der recht hohe lipophile Rest des Moleküls hierfür verantwortlich. Ein Grund für die unzureichende Hirngängigkeit der Radioliganden kann sich in der Carboxylatfunktion des GV150526-Derivats bzw. in der 4-Hydroxy-1H-chinolin-2-on-Einheit des L-701,324-Derivats wiederspiegeln. rnAuf Grundlage dieser Resultate können Versuche unternommen werden, für die Verbindungsklasse der 2-Indolcarbonsäuren entsprechende Ester als Prodrugs mit einer verbesserten Bioverfügbarkeit darzustellen. Ebenso können neue Strukturen als Grundlage für neue PET-Tracer untersucht werden.rnrn

Studio elettrofisiologico di modificazioni a lungo termine della forza della trasmissione sinaptica nel sistema nervoso centrale

Il nucleo accumbens (NAc), il maggior componente del sistema mesocorticolimbico, è coinvolto nella mediazione delle proprietà di rinforzo e nella dipendenza da diverse sostanze d’abuso. Le sinapsi glutammatergiche del NAc possono esprimere plasticità, tra cui una forma di depressione a lungo termine (LTD) dipendente dagli endocannabinoidi (eCB). Recenti studi hanno dimostrato un’interazione tra le vie di segnalazione del sistema eCB e quelle di altri sistemi recettoriali, compreso quello serotoninergico (5-HT); la vasta colocalizzazione di recettori serotoninergici e CB1 nel NAc suggerisce la possibilità di un’interazione tra questi due sistemi. In questo studio abbiamo riscontrato che una stimolazione a 4 Hz per 20 minuti (LFS-4Hz) delle afferenze glutammatergiche in fettine cerebrali di ratto, induce una nuova forma di eCB-LTD nel core del NAc, che richiede l’attivazione dei recettori CB1 e 5-HT2 e l’apertura dei canali del Ca2+ voltaggio-dipendenti di tipo L. Inoltre abbiamo valutato che l’applicazione esogena di 5-HT (5 M, 20 min) induce una LTD analoga (5-HT-LTD) a livello delle stesse sinapsi, che richiede l’attivazione dei medesimi recettori e l’apertura degli stessi canali del Ca2+; LFS-4Hz-LTD e 5-HT-LTD sono reciprocamente saturanti. Questi risultati suggeriscono che la LFS-4Hz induce il rilascio di 5-HT, che si lega ai recettori 5-HT2 a livello postsinaptico incrementando l’influsso di Ca2+ attraverso i canali voltaggio-dipendenti di tipo L e la produzione e il rilascio di 2-arachidonoilglicerolo; l’eCB viaggia a ritroso e si lega al recettore CB1 a livello presinaptico, causando una diminuzione duratura del rilascio di glutammato, che risulta in una LTD. Queste osservazioni possono essere utili per comprendere i meccanismi neurofisiologici che sono alla base della dipendenza da sostanze d’abuso, della depressione maggiore e di altre malattie psichiatriche caratterizzate dalla disfunzione della neurotrasmissione di 5-HT nel NAc.

Synthese 18 F-markierter Liganden zur Visualisierung der GABA-Bindungsstelle des GABA A-Rezeptors mittels PET

γ-Aminobuttersäure (GABA) ist der wichtigste inhibitorische Neurotransmitter im zentralen Nervensystem und bindet vorrangig an ionotrope GABAA-Rezeptoren. Diese sind an fast allen neuronalen Prozessen beteiligt und werden darüber hinaus mit neurologischen Erkrankungen wie Epilepsie, Angstzuständen, Schlafstörungen und Schizophrenie in Verbindung gebracht. Die PET bietet als molekulares bildgebendes Verfahren die Möglichkeit einzelne Stoffwechselvorgänge des GABAergen Systems zu visualisieren und zu quantifizieren. Durch den Einsatz eines 18F-markierten Radioliganden an die GABA-Bindungsstelle könnten so die Rezeptorverfügbarkeit des GABAA-Rezeptors gemessen und die Ausschüttung des Neurotransmitters GABA quantifiziert werden.rn4-(2-Naphthylmethyl)-5-(piperidin-4-yl)isothiazolole und -isoxazolole stellen aufgrund ihrer hohen Affinität gegenüber der GABA-Bindungsstelle und ihrer lipophilen Struktur vielversprechende Leitstrukturen für die Entwicklung eines PET-Tracers zur Visualisierung der GABA-Bindungsstelle dar. Daher wurden zunächst 19F-substituierte Referenzverbindungen synthetisiert, um diese hinsichtlich ihrer Eignung als Radioligand in in vitro-Studien zu evaluieren. Dazu wurde Fluor direkt sowie über eine Fluorethoxygruppe an Position 1 des Naphthalinrings eingeführt. Zusätzlich wurde ein Fluorethylether eines Isothiazolols als Referenz-verbindung synthetisiert. In anschließenden Verdrängungsstudien wurden die Affinitäten der synthetisierten Verbindungen mit [3H]Muscimol an Membranpräparaten aus Rattenhirnen, sowie transfizierten HEK293-Zellen bestimmt. Zusätzlich wurden die entsprechenden Log D-Werte bestimmt. Die Verbindung 5-(piperidin-4-yl)-4-(1-fluornaphth-2-ylmethyl)-isothiazol-3-ol VK5 zeigte in den in vitro-Studien die vielversprechendsten Ergebnisse (IC50 = 10 nM; Log D = 1,7) und wurde im Folgenden in einer dreistufigen Radiosynthese als 18F-Verbindung synthetisiert.rnZu diesem Zweck wurde ein geeigneter Markierungsvorläufer dargestellt und über eine n.c.a. SNAr-Markierung mit [18F]F- umgesetzt. Die Reaktionsparameter wurden hinsichtlich Reaktionszeit, -temperatur, Basenkonzentration und Lösungsmittel optimiert. Die zur Aktivierung einer SNAr ein-geführte Carbonylfunktion wurde in einem zweiten Schritt mit Triethylsilan/Trifluoressigsäure reduziert. Im finalen Schritt wurden zwei Schutzgruppen mit Bortrichlorid in DCM abgespaltet und [18F]VK5 als injektionsfertige Lösung in isotoner NaCl-Lösung erhalten. Es wurden radiochemische Ausbeuten von 0,7-1 % (EOS) nach einer durchschnittlichen Synthesedauer von 275 Minuten erhalten.rnDer Radioligand [18F]VK5 wurde anschließend in Autoradiographie-Versuchen an Hirnschnitten der Ratte hinsichtlich seiner Spezifität für die GABA-Bindungsstelle untersucht. Die unspezifische Bindung wurde durch die Zugabe von GABA bestimmt wonach kein signifikanter Unterschied festgestellt werden konnte. Die hohe unspezifische Bindung kann möglicherweise auf die niedrigen spezifischen Aktivitäten zurückgeführt werden. Diese lagen, bedingt durch die drei Schritte der Radiosynthese, in einem Bereich von 0,1-0,6 GBq/μmol. Die erhaltenen Ergebnisse lassen für zukünftige Versuche noch einige Optimierungsmöglichkeiten offen. Aufgrund der bisher erhaltenen Daten lässt sich daher keine definitive Aussage über die Eignung des Liganden [18F]VK5 als PET-Tracer treffen.rn

Modulation of network excitability and epileptiform activity in the hippocampus of immature rats by the activation of GlyRs

Epileptic seizures are the manifestations of epilepsy, which is a major neurological disorder and occurs with a high incidence during early childhood. A fundamental mechanism underlying epileptic seizures is loss of balance between neural excitation and inhibition toward overexcitation. Glycine receptor (GlyR) is ionotropic neurotransmitter receptor that upon binding of glycine opens an anion pore and mediates in the adult nervous system a consistent inhibitory action. While previously it was assumed that GlyRs mediate inhibition mainly in the brain stem and spinal cord, recent studies reported the abundant expression of GlyRs throughout the brain, in particular during neuronal development. But no information is available regarding whether activation of GlyRs modulates neural network excitability and epileptiform activities in the immature central nervous system (CNS). Therefore the study in this thesis addresses the role of GlyRs in the modulation of neuronal excitability and epileptiform activity in the immature rat brain. By using in vitro intact corticohippocampal formation (CHF) of rats at postnatal days 4-7 and electrophysiological methods, a series of pharmacological examinations reveal that GlyRs are directly implicated in the control of hippocampal excitation levels at this age. In this thesis I am able to show that GlyRs are functionally expressed in the immature hippocampus and exhibit the classical pharmacology of GlyR, which can be activated by both glycine and the presumed endogenous agonist taurine. This study also reveals that high concentration of taurine is anticonvulsive, but lower concentration of taurine is proconvulsive. A substantial fraction of both the pro- and anticonvulsive effects of taurine is mediated via GlyRs, although activation of GABAA receptors also considerably contributes to the taurine effects. Similarly, glycine exerts both pro- and anticonvulsive effects at low and high concentrations, respectively. The proconvulsive effects of taurine and glycine depend on NKCC1-mediated Cl- accumulation, as bath application of NKCC1 inhibitor bumetanide completely abolishes proconvulsive effects of low taurine and glycine concentrations. Inhibition of GlyRs with low concentration of strychnine triggers epileptiform activity in the CA3 region of immature CHF, indicating that intrinsically an inhibitory action of GlyRs overwhelms its depolarizing action in the immature hippocampus. Additionally, my study indicates that blocking taurine transporters to accumulate endogenous taurine reduces epileptiform activity via activation of GABAA receptors, but not GlyRs, while blocking glycine transporters has no observable effect on epileptiform activity. From the main results of this study it can be concluded that in the immature rat hippocampus, activation of GlyRs mediates both pro- and anticonvulsive effects, but that a persistent activation of GlyRs is required to prevent intrinic neuronal overexcitability. In summary, this study uncovers an important role of GlyRs in the modulation of neuronal excitability and epileptiform activity in the immature rat hippocampus, and indicates that glycinergic system can potentially be a new therapeutic target against epileptic seizures of children.