Correlating FAAH and anandamide cellular uptake inhibition using N-alkylcarbamate inhibitors: from ultrapotent to hyperpotent.

Besides the suggested role of a putative endocannabinoid membrane transporter mediating the cellular uptake of the endocannabinoid anandamide (AEA), this process is intrinsically coupled to AEA degradation by the fatty acid amide hydrolase (FAAH). Differential blockage of each mechanism is possible using specific small-molecule inhibitors. Starting from the natural product-derived 2E,4E-dodecadiene scaffold previously shown to interact with the endocannabinoid system (ECS), a series of diverse N-alkylcarbamates were prepared with the aim of generating novel ECS modulators. While being inactive at cannabinoid receptors and monoacylglycerol lipase, these N-alkylcarbamates showed potent to ultrapotent picomolar FAAH inhibition in U937 cells. Overall, a highly significant correlation (Spearman's rho=0.91) was found between the inhibition of FAAH and AEA cellular uptake among 54 compounds. Accordingly, in HMC-1 cells lacking FAAH expression the effect on AEA cellular uptake was dramatically reduced. Unexpectedly, 3-(4,5-dihydrothiazol-2-yl)phenyl carbamates and the 3-(1,2,3-thiadiazol-4-yl)phenyl carbamates WOBE490, WOBE491 and WOBE492 showed a potentiation of cellular AEA uptake inhibition in U937 cells, resulting in unprecedented femtomolar (hyperpotent) IC50 values. Potential methodological issues and the role of cellular accumulation of selected probes were investigated. It is shown that albumin impacts the potency of specific N-alkylcarbamates and, more importantly, that accumulation of FAAH inhibitors can significantly increase their effect on cellular AEA uptake. Taken together, this series of N-alkylcarbamates shows a FAAH-dependent inhibition of cellular AEA uptake, which can be strongly potentiated using specific head group modifications. These findings provide a rational basis for the development of hyperpotent AEA uptake inhibitors mediated by ultrapotent FAAH inhibition.

Arquitectura subcelular del sistema endocannabinoide en el núcleo ventromedial del hipotálamo de ratón

356 p. : il., graf. Nota: Contiene versión resumida en inglés p.237-256 con el título “Subcellular architecture of the endocannabinoid system in the mouse ventromedial nucleus of the hypothalamus”

Repercussões de variantes genéticas em componentes do sistema endocanabinoide e no receptor PPAR-α sobre o perfil de risco cardiometabólico, adipocitocinas e níveis plasmáticos de endocanabinoides em indivíduos com diferentes graus de adiposidade

Analisar a associação recíproca entre fatores de risco cardiometabólico, níveis de adipocitocinas (leptina e adiponectina de alto peso molecular), endocanabinoides (anandamida [AEA] e 2-araquidonoilglicerol [2-AG]), compostos canabimiméticos (N-oleoiletanolamina [OEA] e N-palmitoiletanolamina [PEA]) e polimorfismos em genes codificadores de componentes do sistema endocanabinoide (enzima de degradação de endocanabinoides FAAH [gene FAAH] e receptor endocanabinoide CB1 [gene CNR1]) e do receptor PPAR-α [gene PPARA], em indivíduos com diferentes graus de adiposidade. Duzentos indivíduos, entre 18 e 60 anos, com diferentes graus de índice de massa corporal (IMC) compuseram a amostra, dividida em dois grupos: cem eutróficos (IMC < 25 kg/m2) e 100 obesos (IMC ≥ 30 kg/m2), com 50 homens e 50 mulheres em cada grupo. Os obesos ficaram assim distribuídos: grau 1, com IMC < 35 kg/m2 (n=54), 27 homens e 27 mulheres; grau 2, com IMC < 40 kg/m2 (n=32), 16 homens e 16 mulheres e grau 3, com IMC ≥ 40 kg/m2 (n=14), 7 homens e 7 mulheres. Todos os indivíduos foram recrutados entre funcionários, estudantes e residentes do Hospital Universitário Pedro Ernesto, bem como voluntários do quadro da Polícia Militar do Estado do Rio de Janeiro e selecionados com base em amostra de conveniência. Todos foram avaliados por parâmetros antropométricos, determinação da pressão arterial, análises laboratoriais e genotipagem, para determinar seu perfil metabólico, níveis de endocanabinoides e adipocitocinas e rastreamento dos polimorfismos FAAH 385C>A, CNR1 3813A>G e PPARA 484C>G. Foram excluídos do estudo aqueles com história de comorbidades crônicas, doenças inflamatórias agudas, dependência de drogas de qualquer natureza e em uso de medicação nos dez dias anteriores à entrada no estudo. A atividade inflamatória, avaliada pela proteína C reativa ultrassensível (PCRUS), acompanhou o grau de resistência insulínica. Os níveis de PEA se associaram negativamente com a adiposidade visceral e resistência insulínica, sugerindo um melhor perfil metabólico, enquanto que os níveis de 2-AG se associaram positivamente com a PCRUS, apontando para piora nesse perfil. Os polimorfismos estudados não se associaram com o fenótipo obeso ou insulinorresistente. A presença do alelo 3813G no gene CNR1 mostrou associação independente com níveis reduzidos de adiponectina em obesos, sugerindo pior perfil metabólico nesse grupo. A presença do alelo 484G no gene PPARA, associando-se com níveis mais elevados de IMC e LDL-colesterol nos eutróficos pode indicar maior predisposição desses indivíduos para o desenvolvimento de obesidade e dislipidemia aterosclerótica. O genótipo homozigoto AA na posição 385 do gene FAAH e os níveis de PCRUS foram as principais associações, diretas e independentes, com os níveis de AEA, indicando claramente disfunção da enzima de degradação da AEA e, possivelmente, contribuindo para um perfil cardiometabólico mais vulnerável em portadores dessa variante genética.

Differences in the Endocannabinoid System of Sperm from Fertile and Infertile Men

Male infertility is a major cause of problems for many couples in conceiving a child. Recently, lifestyle pastimes such as alcohol, tobacco and marijuana have been shown to have further negative effects on male reproduction. The endocannabinoid system (ECS), mainly through the action of anandamide (AEA) and 2-arachidonoylglycerol (2-AG) at cannabinoid (CB(1), CB(2)) and vanilloid (TRPV1) receptors, plays a crucial role in controlling functionality of sperm, with a clear impact on male reproductive potential. Here, sperm from fertile and infertile men were used to investigate content (through LC-ESI-MS), mRNA (through quantitative RT-PCR), protein (through Western Blotting and ELISA) expression, and functionality (through activity and binding assays) of the main metabolic enzymes of AEA and 2-AG (NAPE-PLD and FAAH, for AEA; DAGL and MAGL for 2-AG), as well as of their binding receptors CB(1), CB(2) and TRPV1. Our findings show a marked reduction of AEA and 2-AG content in infertile seminal plasma, paralleled by increased degradation: biosynthesis ratios of both substances in sperm from infertile versus fertile men. In addition, TRPV1 binding was detected in fertile sperm but was undetectable in infertile sperm, whereas that of CB(1) and CB(2) receptors was not statistically different in the two groups. In conclusion, this study identified unprecedented alterations of the ECS in infertile sperm, that might impact on capacitation and acrosome reaction, and hence fertilization outcomes. These alterations might also point to new biomarkers to determine male reproductive defects, and identify distinct ECS elements as novel targets for therapeutic exploitation of ECS-oriented drugs to treat male fertility problems. 

Endogenous cannabinoid receptor CB1 activation promotes vascular smooth-muscle cell proliferation and neointima formation.

Percutaneous transluminal angioplasty is frequently used in patients with severe arterial narrowing due to atherosclerosis. However, it induces severe arterial injury and an inflammatory response leading to restenosis. Here, we studied a potential activation of the endocannabinoid system and the effect of FA amide hydrolase (FAAH) deficiency, the major enzyme responsible for endocannabinoid anandamide degradation, in arterial injury. We performed carotid balloon injury in atherosclerosis-prone apoE knockout (apoE(-/-)) and apoE(-/-)FAAH(-/-) mice. Anandamide levels were systemically elevated in apoE(-/-) mice after balloon injury. ApoE(-/-)FAAH(-/-) mice had significantly higher baseline anandamide levels and enhanced neointima formation compared with apoE(-/-) controls. The latter effect was inhibited by treatment with CB1 antagonist AM281. Similarly, apoE(-/-) mice treated with AM281 had reduced neointimal areas, reduced lesional vascular smooth-muscle cell (SMC) content, and proliferating cell counts. The lesional macrophage content was unchanged. In vitro proliferation rates were significantly reduced in CB1(-/-) SMCs or when treating apoE(-/-) or apoE(-/-)FAAH(-/-) SMCs with AM281. Macrophage in vitro adhesion and migration were marginally affected by CB1 deficiency. Reendothelialization was not inhibited by treatment with AM281. In conclusion, endogenous CB1 activation contributes to vascular SMC proliferation and neointima formation in response to arterial injury.

Expression et localisation du système endocannabinoïde dans la rétine du singe

Les effets de la marijuana, un médicament utilisé par l’homme depuis des millénaires, sur le système visuel sont peu connus. Une meilleure connaissance de la distribution du système endocannabinoïde (eCB) de la rétine pourrait expliquer comment cette drogue affecte la vision. Cette étude vise à caractériser la distribution du récepteur cannabinoïde CB1 (CB1R) et de l’enzyme de dégradation FAAH (“fatty acid amide hydrolase”) des ligands du CB1R dans la rétine du singe Vert (Chlorocebus sabaeus). De plus, elle vise à déterminer quelles sous-populations cellulaires de la rétine expriment ces composantes. La plupart des études à ce jour ont été conduites surtout sur les rongeurs et peu de travaux ont été réalisés chez le singe. Notre étude vient donc combler cette carence. Par le biais de méthodes immunohistochimiques, nous avons investigué la localisation du CB1R et de l’enzyme FAAH à différentes excentricités rétiniennes, de la fovéa centralis vers la périphérie. Nos résultats, en accord avec notre hypothèse de travail, démontrent que CB1R et FAAH sont exprimés à travers toute la rétine mais avec, cependant, des différences notoires. Au niveau de la couche des photorécepteurs, CB1R est exprimé préférentiellement dans les cônes et ce patron d’expression suit la distribution des photorécepteurs centre-périphérie. De plus, CB1R se retrouve surtout dans les pédicules des cônes de la couche plexiforme externe. CB1R et FAAH sont abondants dans les cellules bipolaires tant au centre qu’en périphérie. Le soma et l’axone des cellules ganglionnaires expriment aussi CB1R et FAAH. Ces données suggèrent que le système eCB est présent à travers toute la rétine du primate et pourrait expliquer les perturbations visuelles entrainées par la marijuana, telles la photosensibilité et la vision des couleurs.

Caractérisation du système des endocannabinoïdes au niveau de la rétine adulte et en développement

Le système endocannaboïde (eCB) est constitué des ligands, des récepteurs – les plus étudiés étant les récepteurs CB1 et CB2 – et les enzymes de synthèse et de dégradation. Les ligands étant lipophiles, ils ne sont pas encapsulés dans des vésicules, ce qui place les enzymes de synthèse et de dégradation dans une position de régulateurs clés. Plusieurs études démontrent une participation du système eCB à des processus de développement dans le système nerveux central (SNC). La rétine est un modèle important pour l’étude de ces processus car elle contient plusieurs types cellulaires bien connus, dont le patron de développement est clairement établi. Pour l’instant très peu est connu sur l’expression du système eCB durant le développement rétinien. C’est dans ce cadre que les patrons d’expression du récepteur CB1 et de l’enzyme de dégradation FAAH ont été étudiés pendant le développement rétinien postnatal chez le rat. Pour identifier les types cellulaires exprimant ces protéines, des co-marquages ont été accomplis pour le récepteur CB1 ou FAAH et des marqueurs des types cellulaires rétiniens. À P1, les cellules ganglionnaires, amacrines, horizontales et mitotiques expriment le récepteur CB1. Les cellules ganglionnaires et amacrines cholinergiques sont FAAH-positives. Au cours du développement, certains types cellulaires démontrent une expression transitoire de ces deux protéines, suggérant une implication du système eCB dans les processus de développement. Nos données démontrent également une importante expression du système eCB dans la rétine adulte, ce qui soutient l’hypothèse de son implication dans la réponse rétinienne. En bref, des études fonctionnelles in vitro sur des rétines de non-mammifères ont révélées que le récepteur CB1 modulait la réponse des cônes et des cellules bipolaires. Malgré la récente démonstration de sa présence dans la rétine, il n’existe pas de d’étude sur le rôle du récepteur CB2 dans la rétine. Dans cette thèse, les conséquences fonctionnelles de l’élimination des récepteurs CB1 ou CB2 ont été évaluées chez des souris transgéniques. Les réponses rétiniennes ont été enregistrées par électrorétinographie chez des souris cnr1-/- (CB1R-KO) et cnr2-/- (CB2R-KO). Nos données suggèrent une implication différente pour chaque récepteur dans la formation de la réponse rétinienne

Rôle et implication du système cannabinoïde dans la modulation périphérique de la douleur inflammatoire et neuropathique

Les dérivés de l’opium (opioïdes) et du cannabis (cannabinoïdes) présentent de nombreuses propriétés intéressantes. Suite à l’identification de leurs récepteurs respectifs, diverses stratégies pharmacologiques ont tenté d’exploiter leurs propriétés analgésiques. Le clonage des récepteurs cannabinoïdes CB1 et CB2 a favorisé la découverte de composés endogènes pour ces récepteurs, les endocannabinoïdes, dont les deux plus étudiés sont l’anandamide et le 2-arachidonyl glycérol (2-AG). Cette découverte a également mené à l’identification d’enzymes qui catalysent l’inactivation de ces cannabinoïdes endogènes : une amidohydrolase des acides gras ou FAAH ainsi qu’une monoacylglycérol lipase ou MAGL. Le système cannabinoïde endogène est régulé à la hausse dans une variété de processus pathologiques, tels que les douleurs inflammatoire et neuropathique. Cette augmentation est habituellement interprétée comme une réaction physiologique visant à rétablir l’homéostasie et elle a notamment été observée en périphérie. Les endocannabinoïdes semblent donc agir de façon spécifique à des moments clés dans certains tissus ciblés afin de minimiser les conséquences reliées au déclenchement de ces douleurs. Cette observation est très intéressante d’un point de vue thérapeutique puisqu’elle suggère la possibilité de cibler les enzymes de dégradation des endocannabinoïdes dans le but d’augmenter leurs concentrations locales et d’ainsi prolonger leur action neuromodulatrice. En périphérie, l’activation des récepteurs cannabinoïdes induit des effets antinociceptifs bénéfiques tout en minimisant les effets indésirables souvent associés à leur activation centrale. Nous avons orienté nos travaux vers la modulation périphérique de ce système endogène à l’aide d’inhibiteurs des enzymes de dégradation des endocannabinoïdes afin d’évaluer leur potentiel thérapeutique et d’élucider les mécanismes d’action qui sous-tendent leurs effets dans des modèles animaux de douleurs inflammatoire et neuropathique. Nous avons démontré que cette approche permet de soulager les symptômes associés à ces deux types de douleurs, et ce via les récepteurs CB1 et CB2. Les systèmes cannabinoïde et opioïde présentent des similitudes, dont des localisations similaires le long des voies de la douleur, des mécanismes d’action relayés par des récepteurs couplés aux protéines G et des propriétés pharmacologiques communes telles que l’analgésie. Le système opioïde est impliqué dans les effets antinociceptifs induits par les cannabinoïdes. À l’inverse, le rôle joué par le système cannabinoïde dans ceux induits par la morphine demeure incertain. Nous avons démontré que les effets antinociceptifs périphériques et spinaux produits par la morphine sont diminués chez les souris génétiquement modifiées chez lesquelles l’expression des récepteurs CB1 ou CB2 a été éliminée, laissant supposer un rôle pour ces récepteurs dans les effets de la morphine. Nous avons de plus démontré que la diminution de l'analgésie produite par la morphine dans ces souris n'est pas causée par un dysfonctionnement des récepteurs opioïdes mu (MOP) ni par une régulation à la baisse de ces récepteurs. Nos résultats confirment l'existence d'interactions fonctionnelles entre les systèmes cannabinoïde et opioïde au niveau périphérique et spinal. Ces observations sont prometteuses d’un point de vue thérapeutique puisqu’une modulation périphérique ciblée des niveaux d’endocannabinoïdes et d’opioïdes endogènes permettrait de produire des effets analgésiques bénéfiques potentiellement synergiques tout en minimisant les effets indésirables associés à l’activation centrale de ces systèmes.

Localization and function of the endocannabinoid system throughout the retinogeniculate pathway of vervet monkeys

Le système endocannabinoïde (eCB) est présent dans le système nerveux central (SNC) de mammifères, incluant la rétine, et est responsable de la régulation de nombreux processus physiologiques. Bien que la présence du récepteur cannabinoïde de type 1 (CB1R) a bien été documenté dans la rétine de rongeurs et primates, il y a encore une controverse quant à la présence du récepteur cannabinoïde de type 2 (CB2R) au niveau du SNC. En utilisant la microscopie confocale, nous sommes les premiers à signaler les patrons d’expression du CB2R dans la rétine de singe. Nos résultats démontrent que le CB2R est exprimé exclusivement dans les cellules de Müller de la rétine du singe. En outre, nous avons comparé les différents patrons d’expression du système eCB dans la rétine de la souris, du toupaye, ainsi que du singe vervet et macaque. Nous rapportons que les distributions de CB1R, FAAH (fatty acid amid hydrolase), MAGL (monoacylglycerol lipase) et DAGLα (diacylglycerol lipase alpha) sont hautement conservées parmi ces espèces alors que CB2R et NAPE-PLD (N-acyl phosphatidylethanolamine phospholipase D) présentent différents profils d'expression. CB2R n'a pas été détecté dans les cellules neuronales de la rétine des primates. L’immunoréactivité de NAPE-PLD est présente dans les couches de la rétine de souris et toupayes, mais a été limitée à la couche des photorécepteurs des singes vervet et macaque. Pour étudier les corrélats neuronaux et le rôle de la signalisation du système eCB dans la rétine, nous avons établi un protocole standard pour l'électrorétinographie (ERG), puis enregistré la réponse ERG de la rétine après le blocage des récepteurs avec des antagonistes spécifiques pour CB1R (AM251) et CB2R (AM630). Comparé au témoin, dans des conditions photopiques, et à certaines intensités faibles du stimulus, le blocage de CB1R diminue l'amplitude de l'onde-b, alors qu’à des intensités plus élevées, le blocage de CB2R augmente l'amplitude des deux-ondes a et b. De plus, le blocage des récepteurs cannabinoïdes provoque une augmentation de la latence des deux ondes a et b. Dans des conditions d’adaptation à l'obscurité, le blocage de CB1R et CB2R réduit l’amplitudes de l'onde a seulement à des intensités plus élevées et réduit l’onde b à intensités plus faibles. Des augmentations significatives de latence ont été observées dans les deux cas. Ces résultats indiquent que les récepteurs CB1 et CB2 chez les primates non humains sont impliqués dans la fonction rétinienne conditions photopiques. En outre, nous avons évalué le profil d'expression du CB1R, de FAAH et de NAPE-PLD au-delà de la rétine dans le corps géniculé latéral des singes et nous rapportons pour la première fois que CB1R et FAAH sont exprimés davantage dans les couches magnocellulaires. La NAPE-PLD a été localisée à travers les couches magno- et parvocellulaires. Aucune de ces composantes n’est exprimée dans les couches koniocellulaires. Ces résultats nous aident à mieux comprendre les effets des cannabinoïdes sur le système visuel qui pourraient nous mener à trouver éventuellement de nouvelles cibles thérapeutiques.

Le système endocannabinoïde dans la rétine du singe : expression, localisation et fonctions

Le cannabis produit de nombreux effets psychologiques et physiologiques sur le corps humain. Les molécules contenues dans cette plante, désignées comme « phytocannabinoïdes », activent un système endogène qu’on appelle le système endocannabinoïde (eCB). Les effets de la consommation de cannabis sur la vision ont déjà été décrits sans cependant de formulation sur les mécanismes sous-jacents. Ces résultats comportementaux suggèrent, malgré tout, la présence de ce système eCB dans le système visuel, et particulièrement dans la rétine. Cette thèse vise donc à caractériser l’expression, la localisation et le rôle du système eCB dans la rétine du singe vervet, une espèce animale ayant un système visuel semblable à celui de l’humain. Nous avons mis au point un protocole expérimental d’immunohistochimie décrit dans l’article apparaissant dans l’Annexe I que nous avons utilisé pour répondre à notre objectif principal. Dans une première série de quatre articles, nous avons ainsi caractérisé l’expression et la localisation de deux récepteurs eCBs reconnus, les récepteurs cannabinoïdes de type 1 (CB1R) et de type 2 (CB2R), et d’un 3e présumé récepteur aux cannabinoïdes, le récepteur GPR55. Dans l’article 1, nous avons démontré que CB1R et une enzyme clé de ce système, la fatty acid amide hydrolase (FAAH), sont exprimés dans les parties centrale et périphérique de la rétine, et abondamment présents dans la fovéa, une région où l’acuité visuelle est maximale. Dans l’article 2, nous avons localisé le CB2R dans des cellules gliales de la rétine : les cellules de Müller et nous avons proposé un modèle sur l’action de cette protéine dans la fonction rétinienne faisant appel à une cascade chimique impliquant les canaux potassiques. Dans l’article 3, nous avons observé le GPR55 exclusivement dans les bâtonnets qui sont responsables de la vision scotopique et nous avons soumis un deuxième modèle de fonctionnement de ce récepteur par le biais d'une modulation des canaux calciques et sodiques des bâtonnets. Vu que ces 3 récepteurs se retrouvent dans des cellules distinctes, nous avons suggéré leur rôle primordial dans l’analyse de l’information visuelle au niveau rétinien. Dans l’article 4, nous avons effectué une analyse comparative de l’expression du système eCB dans la rétine de souris, de toupayes (petits mammifères insectivores qui sont sont considérés comme l’étape intermédiaire entre les rongeurs et les primates) et de deux espèces de singe (le vervet et le rhésus). Ces résultats nous ont menés à présenter une hypothèse évolutionniste quant à l’apparition et à la fonction précise de ces récepteurs. Dans les articles subséquents, nous avons confirmé notre hypothèse sur le rôle spécifique de ces trois récepteurs par l’utilisation de l’électrorétinographie (ERG) après injection intravitréenne d’agonistes et d’antagonistes de ces récepteurs. Nous avons conclu sur leur influence indéniable dans le processus visuel rétinien chez le primate. Dans l’article 5, nous avons établi le protocole d’enregistrement ERG normalisé sur le singe vervet, et nous avons produit un atlas d’ondes ERG spécifique à cette espèce, selon les règles de l’International Society for Clinical Electrophysiology of Vision (ISCEV). Les patrons électrorétinographiques se sont avérés semblables à ceux de l’humain et ont confirmé la similarité entre ces deux espèces. Dans l’article 6, nous avons démontré que le blocage de CB1R ou CB2R entraine une modification de l’électrorétinogramme, tant au niveau photopique que scotopique, ce qui supporte l’implication de ces récepteurs dans la modulation des ondes de l’ERG. Finalement, dans l’article 7, nous avons confirmé le modèle neurochimique proposé dans l’article 3 pour expliquer le rôle fonctionnel de GPR55, en montrant que l’activation ou le blocage de ce récepteur, respectivement par un agoniste (lysophosphatidylglucoside, LPG) ou un antagoniste (CID16020046), entraine soit une augmentation ou une baisse significative de l’ERG scotopique seulement. Ces données, prises ensemble, démontrent que les récepteurs CB1R, CB2R et GPR55 sont exprimés dans des types cellulaires bien distincts de la rétine du singe et ont chacun un rôle spécifique. L’importance de notre travail se manifeste aussi par des applications cliniques en permettant le développement de cibles pharmacologiques potentielles dans le traitement des maladies de la rétine.

Cannabinoid system combined to classic targets for a new MTDL strategy: design and synthesis of natural inspired molecules for Alzheimer's disease

In this thesis is described the design and synthesis of potential agents for the treatment of the multifactorial Alzheimer’s disease (AD). Our multi-target approach was to consider cannabinoid system involved in AD, together with classic targets. In the first project, designed modifications were performed on lead molecule in order to increase potency and obtain balanced activities on fatty acid amide hydrolase and cholinesterases. A small library of compounds was synthesized and biological results showed increased inhibitory activity (nanomolar range) related to selected target. The second project was focused on the benzofuran framework, a privileged structure being a common moiety found in many biologically active natural products and therapeutics. Hybrid molecules were designed and synthesized, focusing on the inhibition of cholinesterases, Aβ aggregation, FAAH and on the interaction with CB receptors. Preliminary results showed that several compounds are potent CB ligands, in particular the high affinity for CB2 receptors, could open new opportunities to modulate neuroinflammation. The third and the fourth project were carried out at the IMS, Aberdeen, under the supervision of Prof. Matteo Zanda. The role of the cannabinoid system in the brain is still largely unexplored and the relationship between the CB1 receptors functional modification, density and distribution and the onset of a pathological state is not well understood. For this reasons, Rimonabant analogues suitable as radioligands were synthesized. The latter, through PET, could provide reliable measurements of density and distribution of CB1 receptors in the brain. In the fifth project, in collaboration with CHyM of York, the goal was to develop arginine analogues that are target specific due to their exclusively location into NOS enzymes and could work as MRI contrasting agents. Synthesized analogues could be suitable substrate for the transfer of polarization by p-H2 molecules through SABRE technique transforming MRI a more sensitive and faster technique.

Immunomodulatory lipids in plants: plant fatty acid amides and the human endocannabinoid system

Since the discovery that endogenous lipid mediators show similar cannabimimetic effects as phytocannabinoids from CANNABIS SATIVA, our knowledge about the endocannabinoid system has rapidly expanded. Today, endocannabinoid action is known to be involved in various diseases, including inflammation and pain. As a consequence, the G-protein coupled cannabinoid receptors, endocannabinoid transport, as well as endocannabinoid metabolizing enzymes represent targets to block or enhance cannabinoid receptor-mediated signalling for therapeutic intervention. Based on the finding that certain endocannabinoid-like fatty acid N-alkylamides from purple coneflower ( ECHINACEA spp.) potently activate CB2 cannabinoid receptors we have focused our interest on plant fatty acid amides (FAAs) and their overall cannabinomodulatory effects. Certain FAAs are also able to partially inhibit the action of fatty acid amide hydrolase (FAAH), which controls the breakdown of endocannabinoids. Intriguingly, plants lack CB receptors and do not synthesize endocannabinoids, but express FAAH homologues capable of metabolizing plant endogenous N-acylethanolamines (NAEs). While the site of action of these NAEs in plants is unknown, endogenous NAEs and arachidonic acid glycerols in animals interact with distinct physiological lipid receptors, including cannabinoid receptors. There is increasing evidence that also plant FAAs other than NAEs can pharmacologically modulate the action of these endogenous lipid signals. The interference of plant FAAs with the animal endocannabinoid system could thus be a fortunate evolutionary cross point with yet unexplored therapeutic potential.

Anticancer activity of anandamide in human cutaneous melanoma cells

Cannabinoids are implicated in the control of cell proliferation, but little is known about the role of the endocannabinoid system in human malignant melanoma. This study was aimed at characterizing the in vitro antitumor activity of anandamide (AEA) in A375 melanoma cells. The mRNA expression of genes that code for proteins involved in the metabolism and in the mechanism of AEA action was assessed by RT-PCR. Cell viability was tested using WST-1 assay and the apoptotic cell death was determined by measuring caspase 3/7 activities. A375 cells express high levels of fatty acid amide hydrolase (FAAH), cyclooxygenase (COX)-2, cannabinoid receptor 1 (CB1), transient receptor potential cation channel subfamily V member 1 (TRPV1) and G-protein-coupled receptor 55 (GPR55) genes. AEA induced a concentration-dependent cytotoxicity with an IC50 of 5.8±0.7 µM and such an effect was associated to a caspase-dependent apoptotic pathway. AEA cytotoxicity was potentiated by FAAH inhibition (2-fold increase, p<0.05) and mitigated by COX-2 or lipoxygenase (LOX) inhibition (5- and 3-fold decrease, respectively; p<0.01). Blocking CB1 receptors partially decreased AEA cytotoxicity, whereas selective antagonism on the TRPV1 barely affected the mechanism of AEA action. Finally, methyl-β-cyclodextrin, a membrane cholesterol depletory, completely reversed the cytotoxicity induced by the selective GPR55 agonist, O-1602, and AEA. Overall, these findings demonstrate that AEA induces cytotoxicity against human melanoma cells in the micromolar range of concentrations through a complex mechanism, which involves COX-2 and LOX-derived product synthesis and CB1 activation. Lipid raft modulation, probably linked to GPR55 activation, might also have a role.

Guineensine is a novel inhibitor of endocannabinoid uptake showing cannabimimetic behavioral effects in BALB/c mice

High-content screening led to the identification of the N-isobutylamide guineensine from Piper nigrum as novel nanomolar inhibitor (EC50 = 290 nM) of cellular uptake of the endocannabinoid anandamide (AEA). Noteworthy, guineensine did not inhibit endocannabinoid degrading enzymes fatty acid amide hydrolase (FAAH) or monoacylglycerol lipase (MAGL) nor interact with cannabinoid receptors or fatty acid binding protein 5 (FABP5), a major cytoplasmic AEA carrier. Activity-based protein profiling showed no inhibition of serine hydrolases. Guineensine also inhibited the cellular uptake of 2-arachidonoylglycerol (2-AG). Preliminary structure–activity relationships between natural guineensine analogs indicate the importance of the alkyl chain length interconnecting the pharmacophoric isobutylamide and benzodioxol moieties for AEA cellular uptake inhibition. Guineensine dose-dependently induced cannabimimetic effects in BALB/c mice shown by strong catalepsy, hypothermia, reduced locomotion and analgesia. The catalepsy and analgesia were blocked by the CB1 receptor antagonist rimonabant (SR141716A). Guineensine is a novel plant natural product which specifically inhibits endocannabinoid uptake in different cell lines independent of FAAH. Its scaffold may be useful to identify yet unknown targets involved in endocannabinoid transport.

Identification of endocannabinoid system-modulating N-alkylamides from Heliopsis helianthoides var. scabra and Lepidium meyenii.

The discovery of the interaction of plant-derived N-alkylamides (NAAs) and the mammalian endocannabinoid system (ECS) and the existence of a plant endogenous N-acylethanolamine signaling system have led to the re-evaluation of this group of compounds. Herein, the isolation of seven NAAs and the assessment of their effects on major protein targets in the ECS network are reported. Four NAAs, octadeca-2E,4E,8E,10Z,14Z-pentaene-12-ynoic acid isobutylamide (1), octadeca-2E,4E,8E,10Z,14Z-pentaene-12-ynoic acid 2'-methylbutylamide (2), hexadeca-2E,4E,9Z-triene-12,14-diynoic acid isobutylamide (3), and hexadeca-2E,4E,9,12-tetraenoic acid 2'-methylbutylamide (4), were identified from Heliopsis helianthoides var. scabra. Compounds 2-4 are new natural products, while 1 was isolated for the first time from this species. The previously described macamides, N-(3-methoxybenzyl)-(9Z,12Z,15Z)-octadecatrienamide (5), N-benzyl-(9Z,12Z,15Z)-octadecatrienamide (6), and N-benzyl-(9Z,12Z)-octadecadienamide (7), were isolated from Lepidium meyenii (Maca). N-Methylbutylamide 4 and N-benzylamide 7 showed submicromolar and selective binding affinities for the cannabinoid CB1 receptor (Ki values of 0.31 and 0.48 μM, respectively). Notably, compound 7 also exhibited weak fatty acid amide hydrolase (FAAH) inhibition (IC50 = 4 μM) and a potent inhibition of anandamide cellular uptake (IC50 = 0.67 μM) that was stronger than the inhibition obtained with the controls OMDM-2 and UCM707. The pronounced ECS polypharmacology of compound 7 highlights the potential involvement of the arachidonoyl-mimicking 9Z,12Z double-bond system in the linoleoyl group for the overall cannabimimetic action of NAAs. This study provides additional strong evidence of the endocannabinoid substrate mimicking of plant-derived NAAs and uncovers a direct and indirect cannabimimetic action of the Peruvian Maca root.