Untersuchung der Rolle von mPGES-1 bei der nozizeptiven Transmission

Characterisation of mPGES-1 in nociceptive transmisson

Bei inflammatorischen Schmerzen kann durch Hemmung der COX-2 im Rückenmark die zentrale Sensibilisierung reduziert werden. Da die Hemmung der gesamten COX-2 vermittelten Prostaglandinsynthese jedoch zahlreiche unerwünsch
Bei inflammatorischen Schmerzen kann durch Hemmung der COX-2 im Rückenmark die zentrale Sensibilisierung reduziert werden. Da die Hemmung der gesamten COX-2 vermittelten Prostaglandinsynthese jedoch zahlreiche unerwünschte Nebenwirkungen verursacht, wird in jüngster Zeit diskutiert, ob eine selektive Hemmung der PGE2 Synthese auf Ebene der mPGES-1 für die Therapie passagerer Schmerzen sinnvoller ist. Um die funktionellen Rollen von COX-2 und mPGES-1 im Rückenmark zu charakterisieren, wurden in der vorliegenden Arbeit die Folgen einer COX-Inhibierung und mPGES-1-Deletion auf den spinalen Eicosanoidmetabolismus, die neuronale Erregbarkeit, die Synthese proinflammatorischer Zytokine und das nozizeptive Verhalten untersucht. Das proinflammatorische Zytokin TNFa induzierte in primären Rückenmarksneuronen eine COX-2- und mPGES-1-Expression und eine erhöhte PGE2 Synthese. Diese Induktion der PGE2 Synthese konnte durch den selektiven COX-2 Inhibitor Rofecoxib und den „selektiven COX-1 Inhibitor“ SC-560 gleichermaßen potent gehemmt werden. Da der Effekt von SC-560 unerwartet war, wurde sein Wirkmechanismus genauer untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass SC-560 in Rückenmarkskulturen weder die COX-2 und mPGES-1 Expression, die PLA2 Aktivität, die mPGES-1 Aktivität noch den PGE2 Transport hemmte. Durch Experimente mit Zellen aus COX-1-/- Mäusen konnte gezeigt werden, dass SC-560 in Rückenmarkskulturen die COX-2 unabhängig von COX-1 in nanomolaren Konzentrationen inhibiert. Da dieses Ergebnis den postulierten COX-1-selektiven Eigenschaften von SC-560 widersprach, wurde nach der Ursache für den Verlust der COX-1-Selektivität gesucht. Es zeigte sich, dass SC-560 in einer zellfreien in vitro Synthese und im Vollbluttest mit klarer Selektivität COX-1 hemmt. In kultivierten Rückenmarkszellen, RAW-Makrophagen und Blutzellen (Monozyten und Thrombozyten) inhibiert SC-560 allerdings d beide COX-Isoformen potent. Es wurde dadurch deutlich, dass die zelluläre Einbindung von COX-2 sowie ein niedriger Proteingehalt im extrazellulären Medium die halbmaximalen Konzentrationen (IC50) für die COX-2-Hemmung durch SC-560 stark reduzieren kann und hierdurch die COX-1-Selektivität der Substanz verloren geht. Neben einer COX-2 Hemmung verursachte auch eine mPGES-1-Deletion in Rückenmarkskulturen sowie im adulten Rückenmark eine Reduktion der PGE2 Synthese. Überrachenderweise bewirkte jedoch die mPGES-1-Defizienz im Gegensatz zur COX-2 Hemmung durch Etoricoxib im Zymosanmodell keine Reduktion der mechanischen Hyperalgesie. Um die Ursache für die unterschiedliche antihyperalgetische Wirkung der COX-2-Hemmung und mPGES-1-Deletion zu finden, wurden zunächst die Konsequenzen für die gesamte Prostaglandinsynthese untersucht. Die Analyse mittels LC-MS/MS zeigte, dass im Rückenmark mPGES-1-defizienter Mäuse verstärkt PGI2, PGF2a und PGD2 synthetisiert wird. Da für alle drei Prostaglandine bereits pronozizeptive Effekte beschrieben wurden, wurde die Expression von den entsprechenden Rezeptoren im Rückenmark und die Konsequenzen der Rezeptoraktivierung auf die neuronale Erregbarkeit untersucht. Mittels „calcium imaging“ wurde demonstriert, dass selektive IP Rezeptoragonisten in Rückenmarksneuronen eine PKA und PKC vermittelte Phosphorylierung der NMDA Rezeptoren verursachen und die Aktivierbarkeit der NMDA Rezeptoren sensibilisieren. Eine Verstärkung des NMDA induzierten Calciumeinstromes konnte nach Applikation der anderen Prostaglandine nicht beobachtet werden. Die Ergebnisse zeigen daher, dass in mPGES-1-defizienten Mäusen durch die Umleitung der Prostaglandinsynthese zu Prostacyclin die exzitatorischen NMDA Rezeptoren sensibilisiert und hierdurch die antihyperalgitische Wirkung von PGE2-Synthesehemmung kompensiert werden kann. Zusammenfassend lässt sich aus den Ergebnissen schlussfolgern, dass mPGES-1 als Zielmolekül für die Schmerztherapie eher nicht eignet ist. mPGES-1-defiziente Tiere zeigten in inflammatorischen Schmerzmodellen ein normales nozizeptives Verhalten. Dies kann dadurch erklärt werden, dass es nach einer mPGES-1 Deletion im Rückenmark zwar zur Reduktion der PGE2 Synthese aber auch gleichzeitig zur verstärkten Synthese anderer pronozizeptiv wirkender Prostaglandine kommt.
show moreshow less
Prostaglandin E2 (PGE2) produced by cyclooxygenase-2 (COX-2) and microsomal prostaglandin E2 synthase-1 (mPGES-1) plays an important role in the pathophysiology of inflammation, pain, and fever. We investigated the actio
Prostaglandin E2 (PGE2) produced by cyclooxygenase-2 (COX-2) and microsomal prostaglandin E2 synthase-1 (mPGES-1) plays an important role in the pathophysiology of inflammation, pain, and fever. We investigated the actions of TNFalpha toward stimulation of PGE2 synthesis in primary spinal cord neurons. TNFalpha induced COX-2 and mPGES-1 expression in neurons, followed by formation of PGE2, which was blocked by a selective COX-2 inhibitor. Surprisingly, the "selective COX-1" inhibitor SC-560 completely inhibited TNFalpha-induced PGE2 synthesis in neurons at nanomolar concentrations. Moreover, SC-560 inhibited PGE2 and thromboxane A2 synthesis in human monocytes and platelets with IC50 of 1.8 nM and 2.5 nM, respectively. SC-560 treatment neither altered TNFalpha-induced COX-2 or mPGES-1 expression nor did the addition of the calcium ionophore A23187 or arachidonic acid reverse the inhibition by SC-560. Moreover, no influence of SC-560 on PGE2 synthase activities or PGE2 transport was seen. Most importantly, SC-560 blocked TNFalpha-induced PGE2 synthesis in COX-1-deficient spinal cord neurons, demonstrating a COX-1-independent inhibition of PGE2 synthesis. Although SC-560 inhibited LPS-induced PGE2 synthesis in neurons and RAW264.7 macrophages in whole cell assays, no inhibition was observed in lysates of the same cells. Taken together our data demonstrate that SC-560 acts at least in some cell types as an unselective COX inhibitor despite its selectivity toward COX-1 under cell-free conditions. Cyclooxygenase-2 (COX-2)-dependent prostaglandin (PG) E2 synthesis in the spinal cord plays a major role in the development of inflammatory hyperalgesia and allodynia. Microsomal PGE2 synthase-1 (mPGES-1) isomerizes COX-2-derived PGH2 to PGE2. Here, we evaluated the effect of mPGES-1-deficiency on the nociceptive behaviour in various models of nociception that depend on PGE2 synthesis. Surprisingly, in the COX-2-dependent zymosan-evoked hyperalgesia model, the nociceptive behaviour was not reduced in mPGES-1-deficient mice despite a marked decrease of the spinal PGE2 synthesis. Similarly, the nociceptive behaviour was unaltered in mPGES-1-deficient mice in the formalin test. Importantly, spinal cords and primary spinal cord cells derived from mPGES-1-deficient mice showed a redirection of the PGE2 synthesis to PGD2, PGF2a and 6-keto-PGF1a (stable metabolite of PGI2). Since the latter PGs serve also as mediators of nociception they may compensate the loss of PGE2 synthesis in mPGES-1-deficient mice.
show moreshow less

Export metadata

  • Export Bibtex
  • Export RIS

Additional Services

    Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author:Christian Brenneis
URN:urn:nbn:de:hebis:30-51654
Referee:Dieter Steinhilber
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2008/01/22
Year of first Publication:2007
Publishing Institution:Univ.-Bibliothek Frankfurt am Main
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Univ.
Date of final exam:2007/11/30
Release Date:2008/01/22
Tag:Cyclooxygenasen ; PGE2 ; Prostgandin E Synthasen; mPGES-1
cyclooxygenase ; hyperalgesia; nociception ; prostaglandin synthases ; spinal cord
SWD-Keyword:Chronischer Schmerz ; Entzündung ; Hinterhorn <Rückenmark> ; Hyperalgesie ; Nichtsteroidales Antiphlogistikum; Prostaglandine ; Rückenmark ; Schmerz
Source:FASEB 2006 Jul; 20(9):1352-60.; J Cell Mol Med., 2007 Nov; 11(5):1-10
HeBIS PPN:194409538
Institutes:Pharmazie
Dewey Decimal Classification:570 Biowissenschaften; Biologie
Sammlungen:Universitätspublikationen
Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)
Licence (German):License Logo Veröffentlichungsvertrag für Publikationen

$Rev: 11761 $