Régulation des processus de réparation de l’épithélium bronchique sain et Fibrose Kystique par le TNF-alpha

La Fibrose Kystique, causée par des mutations du canal CFTR, mène à la dysfonction du transport des fluides et des ions causant la déshydratation du liquide de surface des voies aériennes et ainsi une défaillance de la clairance mucocilliaire. Ce défaut entraine l’accumulation et l’épaississement du mucus au niveau des bronches qui devient alors un environnement idéal pour le développement d’infections chroniques et d’inflammation qui sont associées à la destruction progressive de l’épithélium chez les patients Fibrose Kystique. Même si leur rôle dans les processus lésionnels est très bien connu, l’impact de médiateurs inflammatoires sur la capacité de réparation ne l’est cependant pas. L’objectif de ma maitrise était donc d’étudier la régulation des mécanismes de réparation de l’épithélium bronchique sain et Fibrose Kystique par le facteur de nécrose tumoral (TNF)-alpha, une cytokine pro-inflammatoire cruciale dans l’initiation et la propagation de la réponse inflammatoire chez les patients FK. À l’aide d’un modèle de plaies mécaniques, nous avons montré que le TNF-alpha stimule la réparation de l’épithélium bronchique sain (NuLi-1) et Fibrose Kystique (CuFi-1). De façon surprenante, l’exposition chronique au TNF-alpha augmente cette stimulation tout comme le taux de migration cellulaire pendant la réparation. Cette augmentation de réparation semble être médiée par l’activation de la métalloprotéinase MMP-9, la relâche d’EGF par les cellules épithéliales et ainsi l’activation de la voie d’EGFR. De plus, l’activation de la réparation par le TNF-alpha semble aussi impliquer l’activation des canaux K+, dont nous avons démontré le rôle important dans la réparation. Contrairement à son effet sur la migration cellulaire et sur la réparation, le TNF-alpha diminue la prolifération cellulaire. En somme, en plus de son rôle dans les processus lésionnels, le TNF-alpha semble avoir un rôle complexe dans les processus de réparation puisqu’il stimule la migration et ralentit la prolifération cellulaire.

Implications des canaux K+ sur la régulation génique du canal ENaC, et impact de l'hyperglycémie sur le transport ionique et la réparation de l'épithélium respiratoire

Dans mon projet de doctorat, j’ai étudié des fonctions primordiales de l’épithélium respiratoire telles que la régulation du transport ionique, la clairance liquidienne et la réparation épithéliale. J’ai particulièrement mis l’emphase sur le rôle des canaux potassiques qui interviennent dans ces trois fonctions de l’épithélium respiratoire. J’ai tout d’abord prouvé que la modulation des canaux potassiques régulait l’activité du promoteur de αENaC, en partie via la voie de signalisation ERK1/2, dans des cellules alvéolaires. Cette régulation entraîne une variation de l’expression génique et protéique du canal ENaC. Physiologiquement, il en résulte une augmentation du phénomène de clairance liquidienne suite à l’activation des canaux K+, tandis que l’inhibition de ces canaux la diminue sévèrement. J’ai aussi pu démontrer que l’absence de canal KvLQT1 entraînait une diminution du courant (ENaC) sensible à l’amiloride, dans les cellules de trachée en culture primaire, isolées de souris KO pour kcnq1. Dans la seconde partie de mon étude, j’ai évalué l’impact de l’hyperglycémie sur la capacité de transport ionique et de réparation de cellules épithéliales bronchiques saines ou Fibrose Kystique. Mes résultats montrent que l’hyperglycémie diminue le transport transépithélial de chlore et le transport basolatéral de potassium. Des études préalables du laboratoire ayant montré que les canaux K+ et Cl- contrôlent les processus de réparation, j’ai donc évalué si ceux-ci étaient modifiés par l’hyperglycémie. Et en effet, l’hyperglycémie ralentit la vitesse de réparation des cellules issues des voies aériennes (CFBE-wt et CFBE-ΔF508). J’ai donc démontré que le transport de potassium intervenait dans des fonctions clés de l’épithélium respiratoire, comme dans la régulation génique de canaux ioniques, le contrôle de la clairance liquidienne alvéolaire, et que l’hyperglycémie diminuait le transport ionique (K+ et Cl-) et la réparation épithéliale.

Implication de l'aldostérone dans les changements hémodynamiques de la grossesse

La grossesse s’accompagne d’importantes modifications hormonales et hémodynamiques. Parmi celles-ci, le système rénine-angiotensine-aldostérone (SRAA) est activé très tôt durant la grossesse. De plus, cette augmentation du SRAA est accompagnée d’élévations du débit cardiaque et du volume plasmatique ainsi que des baisses paradoxales de la pression artérielle et de la résistance vasculaire périphérique. Ceci suggère que la grossesse induit un remaniement des réponses physiologiques normales au SRAA. Une résistance vasculaire à l’action des vasopresseurs est également observée durant la gestation. Ce phénomène serait causé par la modification de la fonction des canaux calciques et potassiques. De plus, il serait possiblement dû à la participation de la Na+/K+-ATPase, par son influence sur le potentiel membranaire des cellules des muscles lisses vasculaires (VSMC). La présence des récepteurs minéralocorticoïdes (MR) dans les VSMC laisse croire que l’aldostérone peut influencer le tonus vasculaire par des effets génomiques et non-génomiques. Compte tenu des connaissances actuelles, nous avons émis l’hypothèse que l’augmentation des taux sériques d’aldostérone durant la grossesse est responsable des changements hémodynamiques observés et que ces effets sont causés par l’activation des MR. Des rates gestantes ont été traitées avec du canrénoate de potassium (20 mg/kg•jr), un antagoniste des MR, durant la dernière semaine de gestation (sur 3). Sur des anneaux aortiques dénudés de leur endothélium, nous avons mesuré les réponses contractiles à la phényléphrine (PhE) et au KCl en présence d’un bloqueur des canaux calciques dépendants du voltage (VDCC), la nifédipine, et d’activateurs des canaux potassiques à large conductance (BKCa) et ceux dépendants de l’ATP (KATP), respectivement le NS-1619 et la cromakalim. Les réponses à la PhE et au KCl sont réduites à partir du 17e jour de gestation et le traitement au canrénoate augmente ces réponses dans tous les groupes. Les modulateurs de canaux ioniques atténuent les réponses à la PhE et au KCl. Cependant, le canrénoate modifie aussi les effets des modulateurs sur les aortes. Aucun effet ou une baisse des réponses est observable chez les rates non gestantes, tandis qu’une hausse de leur effet inhibiteur est notée chez les rates gestantes. Ces effets du canrénoate font croire que l’aldostérone participe à l’adaptation de la réactivité vasculaire durant la grossesse. Par ailleurs, le potentiel membranaire des VSMC pourrait être affecté dans la gestation. Pour vérifier cette hypothèse, nous avons évalué l’activité de la Na+/K+-ATPase, impliquée dans le contrôle du potentiel membranaire. Nos résultats démontrent que l’activité de la pompe est inhibée à partir du 19e jour de gestation. Cet effet est renversé par le canrénoate. Toutefois, comme le renversement de l’inhibition de la pompe est également présent chez les rates gestantes traitées avec du PST 2238, un antagoniste de l’ouabaïne sur la Na+/K+-ATPase, et que le canrénoate agit également comme agoniste partiel de la pompe, nous croyons que la diminution d’activité associée à la gestation est liée à une inhibition de la Na+/K+-ATPase par des stéroïdes cardiotoniques plutôt qu’à un effet des minéralocorticoïdes. L’augmention d’activité de la pompe liée au canrénoate s’accompagne d’une diminution de l’expression de la sous-unité α1, suggérant que la sous-unité α2 est responsable des variations de contractilité de l’aorte, puisque son expression n’est pas modifiée par le canrénoate. Les effets de la diminution de l’expression de la sous-unité α1, influencée par la signalisation du MR, restent à être déterminés. Néanmoins, nos résultats montrent que les modifications d’activité de la Na+/K+-ATPase influencent l’activité des canaux potassiques et que la pompe pourraient être un des éléments primordiaux dans le contrôle de la réactivité vasculaire durant la grossesse. Comme le canrénoate modifie la réactivité vasculaire, nous voulions déterminer ses impacts sur la pression artérielle. Des rates gestantes ont été traitées avec du canrénoate (20 ou 60 mg/kg•jr) et les paramètres hémodynamiques ont été évalués par radiotélémétrie. Aucune modification de la pression artérielle, du rythme cardiaque et de la pression pulsée ne sont mesurées chez les rates recevant le traitement. Toutefois, des augmentations de l’osmolalité, des taux sériques d’aldostérone et de corticostérone ainsi que de l’activité rénine plasmatique sont observées chez les animaux recevant 60 mg/kg•jr. Le canrénoate bloque donc le rétrocontrôle du SRAA. Par contre, les MR ne sont pas les principaux responsables du contrôle de la pression artérielle durant la grossesse. En conclusion, nous avons démontré que le traitement des rates au canrénoate influence la réactivité vasculaire de l’aorte durant la gestation. Cet effet est causé par la modification de l’activité de certains canaux ioniques (VDCC, BKCa et KATP). De plus, le canrénoate renverse l’inhibition de la Na+/K+-ATPase observée durant la gestation. Finalement, les actions locales de cet antagoniste des MR sur les vaisseaux sanguins ne se répercutent pas sur l’effet systémique global et aucune modification de la pression artérielle n’est observée. D’autres études seront toutefois nécessaires pour déterminer les voies de signalisation par lesquelles l’aldostérone module les réponses des canaux ioniques dans les VSMC.

Relation entre CaMKII et les dynamiques calciques endothéliales : impact de l'hypertension arterielle.

L’endothélium vasculaire joue un rôle prépondérant dans la régulation du tonus vasculaire en générant l’oxyde nitrique (NO), la prostacycline (PGI2) et les facteurs hyperpolarisants dérivés de l’endothélium (EDHF) comme puissants vasodilatateurs. Ces mécanismes requièrent le calcium (Ca2+) à divers niveaux, démontrant l’importance des dynamiques calciques endothéliales. Une perturbation de l’homéostasie calcique est observée dans une dysfonction endothéliale liée à l’hypertension artérielle. Il est impératif d’approfondir nos connaissances sur les signalisations calciques endothéliales impliquées dans le contrôle du tonus vasculaire. Des études récentes ont montré qu’une variation locale de la concentration en Ca2+ libre intracellulaire ([Ca2+]i) est suffisante pour générer une réponse physiologique importante. Les pulsars calciques sont caractérisés par une augmentation de [Ca2+]i spontanée et transitoire spécifiquement localisée au niveau des projections myoendothéliales (PMEs). Ces PMEs sont des sites de communication privilégiés entre les cellules endothéliales (CEs) et les cellules musculaires lisses vasculaires (CMLVs). Les pulsars calciques sont impliqués dans le mécanisme de l’EDHF via l’activation des canaux potassiques Ca2+-dépendant de moyenne conductance (KCa3.1 ou IKCa). Les travaux de cette thèse visent à améliorer nos connaissances sur les signalisations calciques locales en caractérisant une nouvelle voie de signalisation pouvant être impliquée dans la régulation du tonus vasculaire en condition physiopathologique. Outre les canaux KCa3.1 peu d’informations sont disponibles sur les cibles sensibles aux pulsars calciques. Une première étude a permis d’identifier la protéine kinase II dépendante du complexe Ca2+/calmoduline (CaMKII) sous ses isoformes α, β et δ dans les CEs d’artères natives de souris comme une cible pouvant être modulée par les pulsars calciques. Des études en immunofluorescence ont permis d’observer la localisation particulière de CaMKII endothéliale dans les PMEs, les sites des pulsars calciques. Une stimulation spécifique des pulsars calciques par la phényléphrine (PE) engendre un recrutement de CaMKII dans les PMEs. Sachant que CaMKII active l’oxyde nitrique synthase endothéliale (NOS3), nous avons évalué l’impact d’une stimulation des pulsars calciques sur la production de NO en présence d’un inhibiteur de CaMKII, le KN-93. Nous avons démontré que la production de NO est en partie dépendante de l’activation de CaMKII par les pulsars calciques. En utilisant un modèle d’hypertension induite par l’infusion chronique de PE, nous avons permis de mettre en évidence une perturbation dans la relation entre les pulsars calciques et CaMKII. Dans une seconde étude nous avons établi deux modèles (normo- et hypertendus) d’infusion chronique à l’angiotensine II (AngII) afin évaluer l’impact des ROS et de l’hypertension sur la voie de signalisation pulsars/CaMKII/NO. Nos résultats ont montré une augmentation des pulsars calciques accompagnée d’un recrutement de CaMKII dans les PMEs. Une stimulation aigue à l’AngII suggère que les ROS modulent les dynamiques calciques et que l’AngII stimule la production de NO. Cette étude propose que ces voies de signalisations impliquent les récepteurs de type 1 et 2 à l’AngII (AT1 et AT2). L’étude des pulsars calciques dépend fortement de la structure native des artères qui permet de conserver la formation des PMEs. La dernière étude présentée dans cette thèse a permis d’établir une relation entre les PMEs et les pulsars calciques dans trois lits vasculaires distincts (artères mésentériques, pulmonaires et coronariennes). Nos résultats ont montré que les paramètres cinétiques des pulsars calciques sont fortement conservés entre les différents lits vasculaires. Toutefois, la fréquence globale ainsi que le nombre de sites actifs des pulsars calciques diffèrent avec une proportion plus élevée dans les artères mésentériques et coronariennes comparativement aux artères pulmonaires. Ces résultats corrèlent avec le nombre plus élevé de PMEs retrouvé dans les artères mésentériques et coronariennes. Ces travaux suggèrent que les pulsars calciques sont fondamentaux pour les artères de résistance. Les études de cette thèse ont mené à l’identification d’une nouvelle voie de signalisation impliquant les pulsars calciques et CaMKII endothéliale dans la stimulation de la production de NO. Cette nouvelle voie de signalisation pourrait être impliquée dans la régulation du tonus vasculaire en condition physiopathologique. Les pulsars calciques semblent être fortement conservés entre les différentes artères de résistances et ce malgré la disparité dans les PMEs, suggérant un rôle prépondérant dans la fonction vasculaire. Ces travaux ouvrent une avenue pour le développement de potentielles cibles thérapeutiques pouvant contrer la dysfonction endothéliale associée à l’hypertension artérielle.

Eag 1, Eag 2 and Kcnn3 gene brain expression of isolated reared rats

The Eag1 and Eag2, voltage-dependent potassium channels, and the small-conductance calcium-activated potassium channel (Kcnn3) are highly expressed in limbic regions of the brain, where their function is still unknown. Eag1 co-localizes with tyrosine hydroxilase enzyme in the substantia nigra and ventral tegmental area. Kcnn3 deficiency leads to enhanced serotonergic and dopaminergic neurotransmission accompanied by distinct alterations in emotional behaviors. As exposure to stress is able to change the expression and function of several ion channels, suggesting that they might be involved in the consequences of stress, we aimed at investigating Eag 1, Eag2 and Kcnn3 mRNA expression in the brains of rats submitted to isolation rearing. As the long-lasting alterations in emotional and behavioral regulation after stress have been related to changes in serotonergic neurotransmission, expressions of serotonin Htr1a and Htr2a receptors in male Wistar rats` brain were also investigated. Rats were reared in isolation or in groups of five for nine weeks after weaning. Isolated and socially reared rats were tested for exploratory activity in the open field test for 5 min and brains were processed for reverse-transcription coupled to quantitative polymerase chain reaction (qRT-PCR). Isolated reared rats showed decreased exploratory activity in the open field. Compared to socially reared rats, isolated rats showed reduced Htr2a mRNA expression in the striatum and brainstem and reduced Eag2 mRNA expression in all examined regions except cerebellum. To our knowledge, this is the first work to show that isolation rearing can change Eag2 gene expression in the brain. The involvement of this channel in stress-related behaviors is discussed.

Anesthetic Activation of Central Respiratory Chemoreceptor Neurons Involves Inhibition of a THIK-1-Like Background K(+) Current

At surgical depths of anesthesia, inhalational anesthetics cause a loss of motor response to painful stimuli (i.e., immobilization) that is characterized by profound inhibition of spinal motor circuits. Yet, although clearly depressed, the respiratory motor system continues to provide adequate ventilation under these same conditions. Here, we show that isoflurane causes robust activation of CO(2)/pH-sensitive, Phox2b-expressing neurons located in the retrotrapezoid nucleus (RTN) of the rodent brainstem, in vitro and in vivo. In brainstem slices from Phox2b-eGFP mice, the firing of pH-sensitive RTN neurons was strongly increased by isoflurane, independent of prevailing pH conditions. At least two ionic mechanisms contributed to anesthetic activation of RTN neurons: activation of an Na(+)-dependent cationic current and inhibition of a background K(+) current. Single-cell reverse transcription-PCR analysis of dissociated green fluorescent protein-labeled RTN neurons revealed expression of THIK-1 (TWIK-related halothane-inhibited K(+) channel, K(2P)13.1), a channel that shares key properties with the native RTN current (i.e., suppression by inhalational anesthetics, weak rectification, inhibition by extracellular Na(+), and pH-insensitivity). Isoflurane also increased firing rate of RTN chemosensitive neurons in urethane-anesthetized rats, again independent of CO(2) levels. In these animals, isoflurane transiently enhanced activity of the respiratory system, an effect that was most prominent at low levels of respiratory drive and mediated primarily by an increase in respiratory frequency. These data indicate that inhalational anesthetics cause activation of RTN neurons, which serve an important integrative role in respiratory control; the increased drive provided by enhanced RTN neuronal activity may contribute, in part, to maintaining respiratory motor activity under immobilizing anesthetic conditions.

Redox regulation of the mitochondrial K(ATP) channel in cardioprotection

The mitochondrial ATP-sensitive potassium channel (mK(ATP)) is important in the protective mechanism of ischemic preconditioning (IPC). The channel is reportedly sensitive to reactive oxygen and nitrogen species, and the aim of this study was to compare such species in parallel, to build a more comprehensive picture of mK(ATP) regulation. mK(ATP) activity was measured by both osmotic swelling and Tl(+) flux assays, in isolated rat heart mitochondria. An isolated adult rat cardiomyocyte model of ischemia-reperfusion (IR) injury was also used to determine the role of mK(ATP) in cardioprotection by nitroxyl. Key findings were as follows: (i) mK(ATP) was activated by O(2)(center dot-) and H(2)O(2) but not other peroxides. (ii) mK(ATP) was inhibited by NADPH. (iii) mK(ATP) was activated by S-nitrosothiols, nitroxyl, and nitrolinoleate. The latter two species also inhibited mitochondrial complex II. (iv) Nitroxyl protected cardiomyocytes against IR injury in an mK(ATP)-dependent manner. Overall, these results suggest that the mK(ATP) channel is activated by specific reactive oxygen and nitrogen species, and inhibited by NADPH. The redox modulation of mK(ATP) may be an underlying mechanism for its regulation in the context of IPC. This article is part of a Special Issue entitled: Mitochondria and Cardioprotection. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Nicorandil protects cardiac mitochondria against permeability transition induced by ischemia-reperfusion

Ischemia followed by reperfusion is known to negatively affect mitochondrial function by inducing a deleterious condition termed mitochondrial permeability transition. Mitochondrial permeability transition is triggered by oxidative stress, which occurs in mitochondria during ischemia-reperfusion as a result of lower antioxidant defenses and increased oxidant production. Permeability transition causes mitochondrial dysfunction and can ultimately lead to cell death. A drug able to minimize mitochondrial damage induced by ischemia-reperfusion may prove to be clinically effective. We aimed to analyze the effects of nicorandil, an ATP-sensitive potassium channel agonist and vasodilator, on mitochondrial function of rat hearts and cardiac HL-1 cells submitted to ischemia-reperfusion. Nicorandil decreased mitochondrial swelling and calcium uptake. It also decreased reactive oxygen species formation and thiobarbituric acid reactive substances levels, a lipid peroxidation biomarker. We thus confirm previous reports that nicorandil inhibits mitochondrial permeability transition and demonstrate that nicorandil inhibits this process by preventing oxidative damage and mitochondrial calcium overload induced by ischemia-reperfusion, resulting in improved cardiomyocyte viability. These results may explain the good clinical results obtained when using nicorandil in the treatment of ischemic heart disease.

Effects of a high fat diet on liver mitochondria: increased ATP-sensitive K(+) channel activity and reactive oxygen species generation

High fat diets are extensively associated with health complications within the spectrum of the metabolic syndrome. Some of the most prevalent of these pathologies, often observed early in the development of high-fat dietary complications, are non-alcoholic fatty liver diseases. Mitochondrial bioenergetics and redox state changes are also widely associated with alterations within the metabolic syndrome. We investigated the mitochondrial effects of a high fat diet leading to non-alcoholic fatty liver disease in mice. We found that the diet does not substantially alter respiratory rates, ADP/O ratios or membrane potentials of isolated liver mitochondria. However, H(2)O(2) release using different substrates and ATP-sensitive K(+) transport activities are increased in mitochondria from animals on high fat diets. The increase in H(2)O(2) release rates was observed with different respiratory substrates and was not altered by modulators of mitochondrial ATP-sensitive K(+) channels, indicating it was not related to an observed increase in K(+) transport. Altogether, we demonstrate that mitochondria from animals with diet-induced steatosis do not present significant bioenergetic changes, but display altered ion transport and increased oxidant generation. This is the first evidence, to our knowledge, that ATP-sensitive K(+) transport in mitochondria can be modulated by diet.

Signaling path of the action of AVP on distal K+ secretion

Background. Previous studies from our laboratory have shown that luminal perfusion with arginine vasopressin (AVP) stimulates distal tubule secretory potassium flux (J(K)) via V1 receptors (Am J Physiol 278: F809- F816, 2000). In the present work, we investigate the cell signaling mechanism of this process.Methods. In vivo stationary microperfusion was performed in rat cortical distal tubules and luminal K was measured using double K+ resin/reference microelectrodes.Results. In control conditions, J(K) was 0.71 +/- 0.05 nmol. cm(-2).second(-1); this process was inhibited (14%) by 10(-5) mol/L 8-bromo-cyclic adenosine monophosphate (cAMP), and increased by 35% with 10(-8) mol/L phorbol ester [phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA), which activates protein kinase C (PKC)]. During luminal perfusion with 10(-11) mol/L AVP, J(K) increased to 0.88 +/- 0.08 nmol. cm(-2).seconds(-1). In the presence of 10(-11) mol/L AVP, J(K) was not affected by 10(-4) mol/L H89, a blocker of protein kinase A (PKA), but was inhibited (45%) by 10(-5) mol/L staurosporine, an inhibitor of PKC, and by 41% during perfusion with 5 x 10(-5) mol/L of the cell Ca2+ chelator bis (2-aminophenoxy) ethane-tetraacetic acid (BAPTA). In order to study the role of Ca2+-dependent K channels in the luminal hormonal action, the tubules were perfused with 5 mmol/L tetraethylammonium chloride (TEA) or 10(-7) mol/L iberiotoxin, in the presence of AVP, and JK was significantly reduced by both agents. Iberiotoxin reduced AVP-stimulated J(K) by 36.4%, and AVP-independent J(K) (after blocking V1 receptors) by only 16%.Conclusion. The results suggest that the luminal V1-receptor effect of AVP on J(K) was mediated by the phospholipase C (PLC)/ Ca2+/PKC signaling path and not by adenylate cyclase/cAMP/PKA, therefore probably acting on maxi-potassium channels.

Neurogenic neuroprotection: Future perspectives

Neurogenic neuroprotection elicited by deep brain stimulation is emerging as a promising approach for treating patients with ischemic brain lesions. In rats, stimulation of the fastigial nucleus, but not dentate nucleus, has been shown to reduce the volume of focal infarction. Protection of neural tissue is a rapid intervention that has a relatively long-lasting effect, rendering fastigial nucleus stimulation (FNS) a potentially valuable method for clinical application. We review some of the main findings of animal experimental research from a clinical perspective. Results: Although the complete mechanisms of neuroprotection induced by FNS remain unclear, important data has been presented in the last two decades. The acute effect of electrical stimulation of the fastigial nucleus is likely mediated by a prolonged opening of potassium channels, and the sustained effect appears to be linked to inhibition of the apoptotic cascade. A better understanding of the cellular and molecular mechanisms underlying neurogenic neuroprotection by stimulation of deep brain nuclei, with special attention to the fastigial nucleus, can contribute toward improving neurological outcomes in ischemic brain insults.

Impaired beta-adrenoceptor-induced relaxation in small mesenteric arteries from DOCA-salt hypertensive rats is due to reduced K-Ca channel activity

beta-Adrenoceptor (beta-AR)-mediated relaxation plays an important role in the regulation of vascular tone. beta-AR-mediated vascular relaxation is reduced in various disease states and aging. We hypothesized that beta-AR-mediated vasodilatation is impaired in DOCA-salt hypertension due to alterations in the cAMP pathway. beta-AR-mediated relaxation was determined in small mesenteric arteries from DOCA-salt hypertensive and control uninephrectomized (Uni) rats. To exclude nitric oxide (NO) and cyclooxygenase (COX) pathways, relaxation responses were determined in the presence of L-NNA and indomethacin, NO synthase inhibitor and COX inhibitors, respectively. Isoprenaline (ISO)-induced relaxation was reduced in arteries from DOCA-salt compared to Uni rats. Protein kinase A (PKA) inhibitors (H89 or Rp-cAMPS) or adenylyl cyclase inhibitor (SQ22536) did not abolish the difference in ISO-induced relaxation between the groups. Forskolin (adenylyl cyclase activator)-induced relaxation was similar between the groups. The inhibition of IKCa/SKCa channels (TRAM-34 plus UCL1684) or BKCa channels (iberiotoxin) reduced ISO-induced relaxation only in Uni rats and abolished the relaxation differences between the groups. The expression of SKCa channel was decreased in DOCA-salt arteries. The expression of BKCa channel a subunit was increased whereas the expression of BKCa channel p subunit was decreased in DOCA-salt arteries. The expression of receptor for activated C kinase 1 (RACK1), which is a binding protein for BKG, channel and negatively modulates its activity, was increased in DOCA-salt arteries. These results suggest that the impairment of beta-AR-mediated relaxation in DOCA-salt mesenteric arteries may be attributable to altered IKCa/SKCa and/or BKCa channels activities rather than cAMP/PKA pathway. Impaired beta-AR-stimulated BKCa channel activity may be due to the imbalance between its subunit expressions and RACK1 upregulation. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

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.

Synthese und radioaktive Markierung potentieller PET- bzw. SPECT-Liganden zur Quantifizierung und Visualisierung der pankreatischen beta-Zell-Masse

Abstract Due to the ongoing efforts in transplanting b-cell mass there is also a great medical interest in specific b-cell imaging agents to quantify the acceptance of transplanted islets in humans in vivo. Additionally, in the context of type 1 diabetes mellitus the chronic and progressive loss of b-cells caused by autoimmune destruction has led to concerted efforts to prevent further loss of b-cells by autoantigen-specific immunotherapy of pre-diabetic patients. nateglinide and glibenclamide are SUR1 ligands used to stimulate insulin secretion in type 2 diabetic patients. They bind to a class of molecules known as the ATP-sensitive potassium channels, located on the insulin producing b-cells of the islets of Langerhans and are therefore excellent candidates as b-cell specific tracers. To obtain a precursor for a direct labelling of nateglinide with [18F]fluoride, the aromatic system of the phenylalanine structure element was derivatised to obtain a phenolic OH-group in 4-position which is capable of further derivatisation. The formed phenylether N-(trans-4-isopropylcyclohexanecarbonyl)-O-(2-hydroxyethyl)-D-tyrosin benzylester was tried to be tosylated according to several literature procedures but none of them was applicable. The catalytic influence of ytterbium(III)triflate in the reaction of toluenesulfonic acid anhydride and the alcohol was investigated. It was found that Yb(III) facilitates the tosylation of the alcohol under non-basic conditions and was extended to the tosylation of a great variety of different alcohols to prove its applicability in general. The radioactive labelling of N-(trans-4-isopropyl-cyclohexanecarbonyl)-O-(2-[18F]fluoroethyl)-D-tyrosine with [18F]F-/ Kryptofix® 222/ K2CO3-system was achieved in radiochemical yields (RCY) of 10 % after deprotection with Pd/ C and H2. In addition to the direct labelling approach, a labelling procedure applying 2[18F]fluoroethyltosylate and N-(trans-4-isopropyl-cyclohexanecarbonyl)-D-tyrosin was performed in 40 % RCY. Unfortunately the determination of the KD value of N-(trans-4-isopropylcyclohexanecarbonyl)-O-(2-fluoroethyl)-D-tyrosine revealed a significant decrease in affinity compared to original nateglinide. The in vivo evaluation of some 18F-labelled glibenclamide derivatives in humans and animals revealed that longer measuring times are warranted because a high liver uptake spoiles the data acquisition and the activity washout proceeds very slowly. Therefore glibenclamide was labelled with a radioisotope with a longer half life such as 99mTc (t1/2 = 6 h) to lengthen the possible time frame for image acquisition. The synthesis of a 99mTc labelled hydrophilic glibenclamide derivative was performed. It is hoped that gliben-clamide is internalised into the b-cell and there binds to the 95 % of intracellular SUR-1 receptors with eventual metablolisation and thus trapping in the cell. The KD-value of the corresponding Re-compound was determined to be 0.5 nM and the insulin secretion properties were similar to those of original glibenclamide. The labelling precursor N-{4-[N,N-bis-(carboxy-methyl)-aminoethyl)-5-chlorobenzene-carboxamido]-ethyl}-benzene-sulfonyl-N'-cyclohexyl urea tris sodium salt was reacted with [99mTc(I)(OH2)3(CO)3] Cl to yield the final N-{4-[99mTc(I)-tricarbonyl-N,N-bis-(carboxymethyl)-aminoethyl)-5-chloro-benzene-carboxamidoethyl]-benzene-sulfonyl}-N'-cyclo-hexyl-urea sodium salt in 70% RCY.

Expression der pronozizeptiven Vanilloidrezeptoren TRPV1 und TRPV2 und des antinozizeptiven Cannabinoidrezeptors CB1 in Spinalganglienneuronen der Ratte

Nozizeptive Spinalganglienneurone detektieren mit einer Vielzahl liganden- und spannungsgesteuerter Ionenkanäle noxische Reize, d.h. Reize, die eine Gewebeschädigung bewirken können, wandeln sie in Aktionspotenzialentladungen um und leiten sie über das Rückenmark zum Gehirn weiter, wo eine Schmerzempfindung ausgelöst wird. Die pronozizeptiven transienten Rezeptor-Potenzial-Kanäle der Vanilloidrezeptorfamilie, TRPV1 und TRPV2, sind die klassischen Transduktionsmoleküle für noxische Hitzereize in den Spinalganglien und werden von Reiztemperaturen über 43°C bzw. 52°C aktiviert. Daneben finden sich auch antinozizeptive Membranproteine, wie z.B. der metabotrope Cannabinoidrezeptor CB1. Er koppelt an spannungsgesteuerte Kaliumkanäle, die neben Natrium- und Kalziumkanälen ebenfalls an der neuronalen Erregbarkeit beteiligt sind. Von den spannungsgesteuerten Kaliumkanälen könnte der Kv1.4, der einen schnell inaktivierenden A-Strom vermittelt, an antinozizeptiven Signalwegen beteiligt sein. Um die molekulare Physiologie der Regulation von Nozizeption und Antinozizeption zu charakterisieren, wurde die Expression bzw. Ko-Expression dieser Membranproteine auf der einen als auch die funktionelle Charakterisierung von TRPV1 auf der anderen Seite im Soma der Spinalganglienneurone und im heterologen Expressionssystem untersucht. TRPV1 wurde in je einem Drittel und TRPV2 in je einem Zehntel aller Spinalganglienneurone nachgewiesen. Das Expressionsmuster veränderte sich nicht zwischen verschiedenen Präparationsmethoden, die zur Aufarbeitung der Zellen für unterschiedliche experimentelle Ansätze notwendig sind. Somit können die aus Expressionsanalysen und funktionellen Untersuchungen gewonnenen Ergebnisse miteinander verglichen werden. Obwohl TRPV1 und TRPV2 in unterschiedlich großen Zellen exprimiert werden, überlappen dennoch ihre Größenverteilungen. Durch Ko-Expressionsanalysen konnten hier erstmalig TRPV1-TRPV2-ko-exprimierende Neurone detektiert werden. Mit dem neu entwickelten N-terminalen Antikörper gegen TRPV1 (3C11) konnte gezeigt werden, dass für TRPV1 verschiedene Splice-Varianten existieren. Neben den bereits bekannten Splice-Varianten wurde hier die neue Variante Vr.3’sv isoliert. Diese besitzt zwischen Exon 15 und 16 eine Insertion aus 104 Basen und exprimiert daher einen veränderten C-Terminus. Trotz dieser Veränderung bildeten sich im heterologen Expressionssystem funktionelle Kanäle aus, die im Gegensatz zu den anderen Varianten immer noch durch Capsaicin aktivierbar waren. Vr.3’sv könnte als Homo- oder Heterotetramer die Eigenschaften TRPV1-positiver Neurone beeinflussen. Bei der Bestimmung der Häufigkeit von TRPV1 in einem Gewebe ist somit die Wahl des Antikörpers von entscheidender Bedeutung. Für TRPV2 dagegen gibt es hier keine Hinweise auf Splice-Varianten. TRPV1 wird durch das Vanilloid Capsaicin aktiviert, wobei diese Substanz neurotoxisch ist und eine Degeneration von Neuronen und epidermalen Nervenfasern bewirkt. Hier wurde nun gezeigt, dass unabhängig von den Splice-Varianten nicht alle TRPV1-positiven Neurone bei langer Inkubationszeit absterben. Funktionelle Untersuchungen belegten, dass auch Capsaicin-sensitive Zellen unter dem Einfluss des Agonisten überleben können. Dieser Schutzmechanismus wird möglicherweise von den verschiedenen Splice-Varianten vermittelt. Ko-Expressionsanalysen zeigten, dass der spannungsgesteuerte Kaliumkanal Kv1.4 in nahezu allen TRPV1- aber nicht TRPV2-positiven Neuronen exprimiert wird. Desweiteren ko-exprimierten nahezu alle TRPV1-positiven Neurone auch den Cannabinoidrezeptor CB1. Diese fast vollständige Ko-Lokalisation von CB1 und Kv1.4 in nozizeptiven Spinalganglienneuronen spricht für eine funktionell synergistische Aktivität. Der Kaliumkanal kann unter der regulativen Kontrolle von CB1 als Vermittler von A-Typ-Kaliumströmen an der Kontrolle der repetitiven Entladungen in der Peripherie und der Transmitterausschüttung zentral beteiligt sein. Es ergeben sich daraus Ansatzpunkte für die Entwicklung neuer Medikamente. Mit Kv1.4-Aktivatoren und/oder peripher wirkenden Cannabinoiden könnten die Nebenwirkungen der Cannabinoide im zentralen Nervensystem umgangen werden.