DE10331980A1 - Use of calpain to identify pain modulating compounds - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft die Verwendung von Calpain oder funktionellen Fragmenten oder Derivaten davon zur Herstellung von schmerzmodulierenden pharmazeutischen Verbindungen sowie die Verwendung von Calpain oder funktionellen Fragmenten oder Derivaten davon zur Identifizierung solcher Verbindungen und ein Verfahren zum Screenen von Arzneimitteln, die zur Schmerzmodulation und/oder -vorbeugung geeignet sind.The invention relates to the use of calpain or functional fragments or derivatives thereof for the preparation of pain modulating pharmaceutical compounds and to the use of calpain or functional fragments or derivatives thereof for the identification of such compounds and a method for the screening of medicaments for pain modulation and / or prevention are suitable.
Description
Die Erfindung betrifft die Verwendung von Calpain oder funktionellen Fragmenten oder Derivaten davon zur Herstellung von schmerzmodulierenden pharmazeutischen Verbindungen sowie die Verwendung von Calpain oder funktionellen Fragmenten oder Derivaten davon zur Identifizierung solcher Verbindungen und ein Verfahren zum Screenen von Arzneimitteln, die zur Schmerzmodulation und/oder -vorbeugung geeignet sind.The The invention relates to the use of calpain or functional Fragments or derivatives thereof for the production of pain modulating pharmaceutical compounds and the use of calpain or functional fragments or derivatives thereof for identification of such compounds and a method for the screening of medicaments, which are suitable for pain modulation and / or prevention.
Die Auswirkungen der peripheren entzündlichen Stimulation auf das Proteinexpressionsmuster im Rückenmark der Ratte wurden untersucht. Mit dem Verfahren der zweidimensionalen (2D) Gelelektrophorese wurde ein zeitabhängiger Abbau des Neurofilament-leichte-Kette-(NF-L-)Proteins nach 24, 48 bzw. 96 h einer Behandlung mit Zymosan festgestellt, was durch immunhistochemische und Western Blot-Experimente bestätigt wurde.The Effects of peripheral inflammatory Stimulation on the protein expression pattern in the spinal cord of the rat were examined. With the method of two-dimensional (2D) Gel electrophoresis was a time-dependent degradation of neurofilament light chain (NF-L) protein after 24, 48 or 96 h of treatment with zymosan, which was confirmed by immunohistochemical and Western Blot experiments.
Da es sich bei den Neurofilamenten um Substrate der Calcium-abhängigen Cysteinprotease Calpain handelt, wurde die Rolle von Calpain bei entzündlichen und schmerzhaften Prozessen weiter analysiert. Dabei konnte gezeigt werden, daß die periphere entzündliche Stimulation mit Zymosan zu einer Hochregulierung der Calpainaktivität und der Proteinexpression im Rückenmark der Ratte führt. Durch Hemmung der Calpain-Protolyse mit dem spezifischen Calpain-Inhibitor III (MDL-28170; 12,5 mg/kg und 25 mg/kg i.p.) wurde der Zymosan-induzierte Abbau der Neurofilamente abgeschwächt. Die Calpain-Proteinexpression wurde durch MDL-28170 nicht beeinflußt. Die chemische Struktur des Calpain-Inhibitors III ist wie folgt: Since the neurofilaments are substrates of the calcium-dependent cysteine protease calpain, the role of calpain in inflammatory and painful processes was further analyzed. It has been shown that peripheral inflammatory stimulation with zymosan leads to an upregulation of calpain activity and protein expression in the rat spinal cord. By inhibiting calpain protolysis with the specific calpain inhibitor III (MDL-28170, 12.5 mg / kg and 25 mg / kg ip), zymosan-induced neurofilament degradation was attenuated. Calpain protein expression was unaffected by MDL-28170. The chemical structure of calpain inhibitor III is as follows:
Die Wirkungen von MDL-28170 auf Entzündung und Nozizeption wurden in zwei unterschiedlichen Tiermodellen getestet. Im Modell der Zymosan-induzierten Pfotenentzündung wurde im Vergleich mit Kontrolltieren das Pfotenödem durch den Calpain-Inhibitor III (25 mg/kg) deutlich reduziert. Im thermischen Hyperalgesiemodell führte die Anwendung von Calpain-Inhibitor III zu antinozizeptiven Reaktionen. Zusammengenommen lassen diese Daten vermuten, daß Calpain bei Entzündungs- und Schmerzprozessen eine wichtige Rolle spielt und deuten daher ein therapeutisches Potential für Calpain-Inhibitoren als alternative entzündungs- und schmerzhemmende Arzneistoffe an.The Effects of MDL-28170 on inflammation and nociception were tested in two different animal models. In the model of zymosan-induced paw inflammation was compared with Control animals the paw edema significantly reduced by the calpain inhibitor III (25 mg / kg). in the thermal hyperalgesia model led the application of calpain inhibitor III to antinociceptive reactions. Taken together, these data suggest that calpain may be used in inflammatory and pain processes play and therefore play an important role a therapeutic potential for Calpain inhibitors as an alternative anti-inflammatory and analgesic Drugs on.
Darüber hinaus wurde der Calpain-Inhibitor MDL-102935 wie für den Calpain-Inhibitor III beschrieben getestet. MDL-102935 besitzt die folgende chemische Formel: Die Wirkungen von MDL-102935 auf Entzündung und Nozizeption sind dieselben wie die von MDL-28170. Bei MDL-102935 handelt es sich um einen Calpain-Inhibitor.In addition, the calpain inhibitor MDL-102935 was tested as described for calpain inhibitor III. MDL-102935 has the following chemical formula: The effects of MDL-102935 on inflammation and nociception are the same as those of MDL-28170. MDL-102935 is a calpain inhibitor.
Bei der spinalen nozizeptiven Verarbeitung werden verschiedene Schmerzreize von der Peripherie von den primären Zuleitungen auf das Zentralnervensystem im Hinterhorn des Lendenmarks umgeschaltet. Eine Dauerstimulation primärer Nozizeptoren und C-Fasern, wie sie bei entzündlichen Stimulationen auftritt, löst eine erhöhte Erregbarkeit nozizeptiver Neuronen im Rückenmark aus und führt dadurch zur Hyperalgesie und Allodynie (Yaksh et al., 1999). Langzeitveränderungen bei der synaptischen Kommunikation (sogenannte Langzeitpotenzierung (long term potentiation, LTP)) werden mit Lern- und Gedächtnisvorgängen in Verbindung (Bliss et al., 1993) gebracht und können für die synaptische Plastizität sowie chronische Schmerzen verantwortlich sein (Rygh et al., 1999; Vikman et al., 2001). Durch wiederholte oder ausgedehnte schädigende Stimulation wird eine Reihe intrazellulärer Second-Messenger-Systeme aktiviert, was auf die Phosphorylierung von Membranrezeptoren und -kanälen in Schlüsselpositionen durch Proteinkinasen, insbesondere Proteinkinase C (PKC), hinweist. Diese Kinaseaktivierung führt zu posttranslationalen Veränderungen, die zu einer Erhöhung der synaptischen Effektivität führen können. Intrazelluläre Signalkaskaden führen zu einer Induktion der „immediate early genes" (IEG) (c-fos, Zif 268, Cox-2) sowie der „later response genes", die Neuropeptide sowie Neuropeptid- und Neurotrophin-Rezeptoren codieren. Diese Proteinveränderungen werden als Beginn einer weitreichenden Veränderung der Proteinsynthese und darüber hinaus als allgemeine Grundlage für die Plastizität des Nervensystems angesehen (Dubner et al., 1992; Ji et al., 1994; McCarson et al., 1994) (Beiche et al., 1996; Ji et al., 1995; Mannion et al., 1999) (Woolf et al., 1999).In spinal nociceptive processing, various pain stimuli are switched from the periphery of the primary leads to the central nervous system in the dorsal horn of the lumbar cord. Long-term stimulation of primary nociceptors and C-fibers, as occurs in inflammatory stimulation, triggers an increased excitability of nociceptive neurons in the spinal cord, leading to hyperalgesia and allodynia (Yaksh et al., 1999). Long-term changes in synaptic communication (so-called long-term potentiation, LTP) are associated with learning and memory processes (Bliss et al., 1993) and may be responsible for synaptic plasticity as well as chronic pain (Rygh et al. 1999, Vikman et al., 2001). Repeated or extensive noxious stimulation activates a number of intracellular second messenger systems, indicating the phosphorylation of key receptor membrane receptors and channels by protein kinases, particularly protein kinase C (PKC). This kinase activation leads to post-translational changes that may increase synaptic efficacy. Intracellular signaling cascades lead to immediate early gene (IEG) induction (c-fos, Zif 268, Cox-2) and later response genes, which encode neuropeptides as well as neuropeptide and neurotrophin receptors. These protein alterations are considered to be the beginning of a profound change in protein synthesis and moreover as a general basis for the plasticity of the nervous system (Dubner et al., 1992, Ji et al., 1994, McCarson et al., 1994) (Beiche et al. 1996; Ji et al., 1995; Mannion et al., 1999) (Woolf et al., 1999).
In der folgenden Untersuchung wurden interzelluläre Veränderungen des Proteinexpressionsmusters, die die peripheren Entzündungszustände im Lendenmark der Ratte begleiten, mittels zweidimensionaler Gelelektrophorese (2D PAGE) in Kombination mit MALDI-TOF MS untersucht. Mit diesem Verfahren wurden mehrere Proteinänderungen im Rattenmodell der Zymosan-induzierten Pfotenentzündung nachgewiesen. Diese Arbeit konzentrierte sich auf eines dieser Proteine, das als Neurofilament-leichte Kette (NF-L) identifiziert wurde. NF-L ist ein Cytoskelettprotein, das in neuronalen Zellen vorkommt, in denen es für den korrekten Zusammenbau von Neurofilamenten sowie die Aufrechterhaltung des Axon-Innendurchmessers verantwortlich ist (Sakaguchi et al., 1993). Die Desorganisation von Neurofilamenten wird mit verschiedenen neurodegenerativen Erkrankungen, wie etwa Parkinson und amyotrophe Lateralsklerose, in Zusammenhang gebracht (Julien, 1999). Zudem werden Neuronentod und neurologische Funktionsstörungen nach Rückenmarksverletzungen vom Verlust an Neurofilamentprotein begleitet (Ray et al., 2000a). Der Abbau der Neurofilamentproteine wird hauptsächlich durch die Wirkung der Protease Calpain vermittelt (Ray et al., 2000b; Schlaepfer et al., 1985; Stys et al., 2002). Bei den Calpainen handelt es sich um eine Familie ubiquitär exprimierter Calciumabhängiger Cysteinproteasen, die mit grundlegenden Zellvorgängen, einschließlich Vermehrung, Apoptose und Differenzierung, in Verbindung gebracht wurden. Viele Calpain-Substrate sind in den prä- und postsynaptischen Kompartimenten von Neuronen lokalisiert, was in zunehmendem Maße auf die Beteiligung von Calpainen an neurodegenerativen Erkrankungen und der Modulation der synaptischen Plastizität hindeutet (Chan of al., 1999). Das Calpain der Ratte wird von Thompson und Goll (Meth. Mol. Biol., Vol 144, 3–16, 2000) beschrieben. Zwei menschliche Calpain-Isoformen sind bekannt, nämlich Calpain I (embl locus HSCANPR, Zugangs-NR. X04366.1) und Calpain II (Morford et al., Biochem. Biophys. Res. Commun. 295 (2), 540–546, 2002).In In the following study, intercellular changes of the protein expression pattern, the peripheral inflammatory conditions in the lumbar region accompany the rat, using two-dimensional gel electrophoresis (2D PAGE) in combination with MALDI-TOF MS. With this Procedures were several protein changes demonstrated in the rat model of zymosan-induced pawing. This work focused on one of these proteins, called as Neurofilament light chain (NF-L) was identified. NF-L is a cytoskeletal protein found in neuronal cells in which it for the correct assembly of neurofilaments as well as the maintenance Axon inside diameter (Sakaguchi et al., 1993). The disorganization of neurofilaments becomes different neurodegenerative diseases such as Parkinson's and amyotrophic Lateral sclerosis, related (Julien, 1999). moreover are neuronal death and neurological dysfunction after spinal cord injuries of Loss of neurofilament protein (Ray et al., 2000a). Of the Degradation of neurofilament proteins is mainly due to the action of Protease calpain (Ray et al., 2000b, Schlaepfer et al. , 1985; Stys et al., 2002). The Calpainen is one Family ubiquitous expressed calcium-dependent cysteine proteases, those with basic cellular processes, including Propagation, apoptosis and differentiation, associated were. Many calpain substrates are in the pre- and postsynaptic compartments localized by neurons, which is increasingly due to the involvement of Calpainene in neurodegenerative diseases and modulation synaptic plasticity indicates (Chan of al., 1999). The calpain of the rat is by Thompson and Goll (Meth. Mol. Biol., Vol. 144, 3-16, 2000). Two human Calpain isoforms are known, namely calpain I (embl locus HSCANPR, access NR. X04366.1) and calpain II (Morford et al., Biochem. Biophys. Res. Commun. 295 (2), 540-546, 2002).
In der folgenden Arbeit wurde die Rolle von Calpain beim Zymosan-induzierten Abbau von Neurofilamenten ebenso wie die potentiellen entzündungshemmenden und antinozizeptiven Eigenschaften eines spezifischen Calpain-Inhibitors (MDL 28170) im allgemein eingeführten Modell der Zymosan-induzierten Pfotenentzündung untersucht.In In the following work, the role of calpain in zymosan-induced Degradation of neurofilaments as well as the potential anti-inflammatory and antinociceptive properties of a specific calpain inhibitor (MDL 28170) in the generally introduced Model of zymosan-induced pawing investigated.
Überraschenderweise wurde nun festgestellt, daß Calpain eine Rolle im Zusammenhang mit Schmerz spielt.Surprisingly it has now been established that calpain plays a role related to pain.
Eine erfindungsgemäße Ausführungsform besteht in der Verwendung von Calpain oder funktionellen Fragmenten oder Derivaten davon zur Herstellung schmerzmodulierender pharmazeutischer Verbindungen.A inventive embodiment consists in the use of calpain or functional fragments or derivatives thereof for the manufacture of pain modulating pharmaceutical Links.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform besteht in der Verwendung von Calpain oder funktionellen Fragmenten oder Derivaten davon zur Identifizierung schmerzmodulierender Verbindungen.A another embodiment of the invention consists in the use of calpain or functional fragments or derivatives thereof for identifying pain modulating compounds.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform besteht in der wie oben beschriebenen Verwendung, wobei es sich bei den pharmazeutischen Verbindungen um Verbindungen zur Schmerzvorbeugung oder -behandlung handelt und wobei insbesondere die Verbindungen Schmerzen lindern oder beseitigen.A another embodiment of the invention consists in the use as described above, wherein it is in the pharmaceutical compounds to compounds for pain prevention or treatment, and in particular the compounds Relieve or eliminate pain.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform besteht in einem Verfahren zum Screenen von zur Schmerzmodulation und/oder -vorbeugung geeigneten Arzneimitteln, bei dem
- a. zwei Proben bereitgestellt werden,
- b. eine Probe, die Calpain oder ein funktionelles Fragment oder Derivat davon enthält, mit einer Verbindung in Kontakt gebracht,
- c. die Calpainaktivität in Gegenwart der Verbindung bestimmt,
- d. die Calpainaktivität in Abwesenheit der Verbindung bestimmt und
- e. die Calpainaktivität gemäß (c) mit der gemäß (d) verglichen wird.
- a. two samples are provided
- b. a sample containing calpain or a functional fragment or derivative thereof, contacted with a compound,
- c. determines the calpain activity in the presence of the compound,
- d. determines the calpain activity in the absence of the compound and
- e. the calpain activity according to (c) is compared with that according to (d).
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform besteht in einer Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens, wobei es sich bei dem Calpain um menschliches Calpain I und/oder Calpain II handelt, insbesondere, wobei es sich bei dem Calpain um ein isoliertes Polypeptid oder Polynukleotid handelt.A another embodiment of the invention consists in a use of the method described above, wherein Calpain is human calpain I and / or calpain II, in particular, wherein the calpain is an isolated Polypeptide or polynucleotide is.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform besteht aus einer wie oben beschriebenen Verwendung oder einem wie oben beschriebenen Verfahren, wobei es sich bei dem Calpain um ein Polypeptid handelt, insbesondere, wobei es sich bei dem Calpain um ein Polypeptid oder funktionelles Fragment davon handelt, das die Sequenz gemäß SEQ ID No 1 (Calpain I) oder ein Fragment davon, die Sequenz gemäß SEQ ID No 3 (Calpain II) oder ein Fragment davon enthält oder daraus besteht, oder wobei das Calpain von einem Polynukleotid, das die Sequenz gemäß SEQ ID No 2 (codiert Calpain II) oder ein Fragment davon oder die Sequenz gemäß Sequenz gemäß SEQ ID No 4 (codiert Calpain II) oder ein Fragment davon enthält oder daraus besteht, codiert wird.A another embodiment of the invention consists of a use as described above or a like method described above, wherein the calpain is a Polypeptide, in particular, wherein it is the calpain is a polypeptide or functional fragment thereof, the the sequence according to SEQ ID No 1 (calpain I) or a fragment thereof, the sequence according to SEQ ID No 3 (calpain II) or a fragment thereof or consists thereof, or wherein the calpain is derived from a polynucleotide comprising the sequence according to SEQ ID No 2 (encodes calpain II) or a fragment thereof or the sequence according to sequence according to SEQ ID No 4 (coded calpain II) or contains a fragment thereof or consists of is encoded.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform besteht aus einer wie oben beschriebenen Verwendung oder einem wie oben beschriebenen Verfahren, wobei es sich bei dem Calpain um ein Polynukleotid handelt, insbesondere, wobei es sich bei dem Calpain um ein Polynukleotid, das die Sequenz oder einen Teil der Sequenz, die für ein funktionelles Fragment von Calpain gemäß SEQ ID No 2 oder SEQ ID No 4 enthält oder daraus besteht, oder um ein Polynukleotid, das eine Sequenz, die mit den Polynukleotiden unter stringenten Bedingungen hybridisieren kann, enthält oder daraus besteht, handelt, wobei vorzugsweise die funktionellen Fragmente die Aminosäuren 115 bis 272 der SEQ ID No 2 und/oder 105 bis 262 der SEQ ID No 4 enthalten oder daraus bestehen.A another embodiment of the invention consists of a use as described above or a like method described above, wherein the calpain is a Polynucleotide, in particular, wherein it is the calpain a polynucleotide containing the sequence or part of the sequence, the for a functional fragment of calpain according to SEQ ID No 2 or SEQ ID No 4 contains or a polynucleotide containing a sequence, which hybridize with the polynucleotides under stringent conditions can, contains or consists thereof, preferably the functional fragments the amino acids 115 to 272 of SEQ ID No 2 and / or 105 to 262 of SEQ ID No 4 contain or consist of.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform besteht aus einem wie oben beschriebenen Verfahren, wobei eine Calpain exprimierende, vorzugsweise rekombinantes Calpain exprimierende Zelle verwendet wird.A another embodiment of the invention consists of a method as described above, wherein a calpain expressing, preferably recombinant calpain expressing Cell is used.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform besteht aus einem wie oben beschriebenen Verfahren, wobei eine modifizierte Zelle, die im Vergleich mit ihrem nichtmodifizierten Zustand eine niedrigere Calpainaktivität aufweist, verwendet wird, wobei vorzugsweise eine Calpain-Knockout-Zelle verwendet wird.A another embodiment of the invention consists of a method as described above, wherein a modified Cell, which compared to its unmodified state a lower calpain activity which is preferably a calpain knockout cell is used.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform besteht aus einem wie oben beschriebenen Verfahren, wobei die Calpainaktivität direkt oder indirekt bestimmt wird.A another embodiment of the invention consists of a method as described above, wherein the calpain activity is direct or determined indirectly.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform besteht aus einem Verfahren zur Identifizierung einer schmerzmodulierenden Verbindung, bei dem
- a. eine Verbindung, die die Aktivität von Calpain moduliert, als Testverbindung ausgewählt und
- b. diese Testverbindung an eine Versuchsperson verabreicht wird, um zu bestimmen, ob die Schmerzen moduliert werden.
- a. a compound modulating the activity of calpain is selected as a test compound and
- b. This test compound is administered to a subject to determine if the pain is modulated.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform besteht aus der Verwendung von MDL-28170 (Calpain-Inhibitor III) beim Verfahren zur Herstellung eines Medikaments zur Schmerzbehandlung.A another embodiment of the invention consists of the use of MDL-28170 (calpain inhibitor III) in the process of preparing a medicament for pain treatment.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform besteht aus der Verwendung von MDL-28170 als Arzneimittel zur Schmerzbehandlung.A another embodiment of the invention consists of the use of MDL-28170 as a drug for the treatment of pain.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform besteht aus der Verwendung von MDL-102935 beim Verfahren zur Herstellung eines Medikaments zur Schmerzbehandlung.A another embodiment of the invention consists of the use of MDL-102935 in the manufacturing process a drug for pain treatment.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform besteht aus der Verwendung von MDL-102935 als Arzneimittel zur Schmerzbehandlung.A another embodiment of the invention consists of the use of MDL-102935 as a drug for the treatment of pain.
Die Erfindung wird im folgenden durch die Beispiele beschrieben, durch die die Erfindung in keiner Weise auf die spezifischen Ausführungsformen der Beispiele beschränkt sein soll.The Invention is described below by the examples, by the invention in no way to the specific embodiments limited to the examples should be.
BeispieleExamples
In den Beispielen verwendete Materialien und MethodenUsed in the examples Materials and methods
Tiereanimals
Männliche Sprague-Dawley-Ratten (Charles River, Sulzbach) mit einem Gewicht von 260–300 g wurden in Gruppen von fünf Tieren in Standardkäfigen in Räumen mit Klima- und Lichtkontrolle (22 ± 0,5°C, 12/12 h Dunkel/Hell-Zyklus) mit freiem Zugang zu Futter und Wasser gehalten. In allen Experimenten wurden die ethischen Richtlinien für Untersuchungen an Tieren bei Bewußtsein befolgt und die Vorgehensweisen durch den örtlichen Ethikausschuß genehmigt.male Weighing Sprague-Dawley rats (Charles River, Sulzbach) from 260-300 g were in groups of five Animals in standard cages in rooms with climate and light control (22 ± 0.5 ° C, 12/12 h dark / light cycle) with free access to food and water. In all experiments became the ethical guidelines for animal studies conscious and procedures approved by the local Ethics Committee.
Zymosanbehandlung der RattenZymosanbehandlung of the rats
Eine Entzündung der Hinterpfote sowie ein Pfotenödem wurden jeweils einseitig mittels subkutaner Injektion von 1,25 mg Zymosan (Sigma, München), suspendiert in 100 μl phosphatgepufferter Kochsalzlösung (12,5 mg/ml), in den mittleren Bereich der Fußsohle der rechten Hinterpfote induziert. Nach 24, 48 oder 96 h wurden die Tiere betäubt und durch Herzpunktur getötet. Das Rückenmark wurde jeweils herausgeschnitten, in flüssigen Stickstoff schockgefroren und dann bis zur weiteren Analyse bei –80°C aufbewart.A inflammation the hindpaw and a paw edema were each unilaterally by subcutaneous injection of 1.25 mg Zymosan (Sigma, Munich), suspended in 100 μl phosphate buffered saline (12.5 mg / ml), in the middle area of the sole of the right hind paw induced. After 24, 48 or 96 h, the animals were anesthetized and killed by heart puncture. The spinal cord each was excised, snap frozen in liquid nitrogen and then stored at -80 ° C until further analysis.
Pfotenödempaw edema
Das Pfotenödem wurde durch Zymosaninjektion wie oben beschrieben induziert. Das Pfotenvolumen wurde vor sowie 0,25, 0,5, 1, 2, 4, 6, 8 und 24 h nach Zymosaninjektion mit einem Plethysmometer (Ugo Basile, Varese, Italy) gemessen. Dabei wurden sechs Ratten pro Gruppe eingesetzt. Bei jedem Zeitpunkt wurden fünf Messungen des Pfotenvolumens durchgeführt. Der Mittelwert dieser fünf Messungen wurde für die weitere Analyse verwendet.The paw edema was induced by zymosan injection as described above. The Paw volume was before and 0.25, 0.5, 1, 2, 4, 6, 8 and 24 h after zymosan injection with a plethysmometer (Ugo Basile, Varese, Italy). Six rats were used per group. At each point in time, five measurements were taken paw volume performed. The mean of these five Measurements were made for used the further analysis.
Thermische Hyperalgesiethermal hyperalgesia
Die nozizeptive Latenz des Zurückziehens der Pfote gegenüber radikaler Wärme wurde nach Hargreaves (Hargreaves et al., 1988) bewertet, wobei ein spezielles, kommerziell erhältliches Gerät (Ugo Basile, Varese, Italy) verwendet wurde. Die Ratten wurden in durchsichtigen Plastikkammern (18 × 29 × 12,5 cm) auf ein Metallgitter (5 × 5 mm) gesetzt. Die aus einer starken Projektorglühbirne bestehende Wärmequelle wurde auf die Oberfläche der Fußsohlenmitte der Hinterpfote fokussiert. Bei Beginn des Tests wurden die Glühbirne und ein elektronischer Zeitmesser gleichzeitig aktiviert, und beide wurden automatisch inaktiviert, wenn ein Zurückziehen der Hinterpfote als Reaktion auf die Wärme von einer Photozelle nachgewiesen wurde. Die Latenzzeiten des Zurückziehens (paw withdrawal latencies, (PWL)) der rechten und linken Pfote (behandelte bzw. unbehandelte Pfote) wurden jeweils vor und dann alle 60 min bis zu 8 h und 24 h nach Zymosaninjektion aufgezeichnet.The nociceptive latency of withdrawal the paw opposite Radical heat was evaluated according to Hargreaves (Hargreaves et al., 1988), wherein a special, commercially available Device (Ugo Basile, Varese, Italy). The rats were in transparent Plastic chambers (18 × 29 × 12.5 cm) on a metal grid (5 × 5 mm). The heat source consisting of a strong projector bulb was on the surface the sole of the foot the hind paw is focused. At the beginning of the test were the bulb and a electronic timepiece activated simultaneously, and both were automatically inactivated when retracting the hind paw as Reaction to the heat was detected by a photocell. The latencies of withdrawal (paw withdrawal latencies, (PWL)) of the right and left paw (treated or untreated paw) were in each case before and then every 60 min recorded up to 8 h and 24 h after zymosan injection.
Wirkstoffbehandlungdrug treatment
Calpain-Inhibitor III (MDL 28170) (Calbiochem, Schwalbach/Ts.) wurde in einer Konzentration von 10 mg/ml in PEG 400/DMSO (1:1) gelöst. Die Tiere erhielten Calpain-Inhibitor III in Form einer intraperitonealen (i.p.) Bolus-Injektion von entweder 12,5 mg/kg oder 25 mg/kg 20 min vor der intraplantaren Injektion mit Zymosan. Für jede Behandlungsgruppe wurden sechs Tiere eingesetzt (Kontrollen erhielten 1 ml Vehikel.). Den Tieren wurden die Behandlungen willkürlich zugewiesen, wobei den Beobachtern diese Zuweisung unbekannt war.Calpain inhibitor III (MDL 28170) (Calbiochem, Schwalbach / Ts.) Was in one concentration of 10 mg / ml dissolved in PEG 400 / DMSO (1: 1). The animals received calpain inhibitor III in the form of an intraperitoneal (i.p.) bolus injection of either 12.5 mg / kg or 25 mg / kg 20 min before the intraplantar injection with zymosan. For Each treatment group used six animals (controls received 1 ml of vehicle.). The animals were randomly assigned to the treatments, the observers were unaware of this assignment.
Datenanalyse und Statistikdata analysis and statistics
Der relative prozentuale Unterschied in der Latenz des Zurückziehens der Pfote (ΔPWL) zwischen der mit Zymosan behandelten rechten und der unbehandelten linken Hinterpfote, berechnet als: ΔPWL = (rechts – links)/links × 100, wurde zur Bewertung der antinozizeptiven Wirkungen verwendet. Zur Beurteilung der entzündungshemmenden Wirkungen wurde der relative Unterschied zwischen dem Pfotenvolumen vor und nach Zymosaninjektion (ΔPV) verwendet. Die Flächen unterhalb der ΔPWL-Zeit-Kurven (AUCΔPWL) wurden ebenso wie die Flächen unterhalb der ΔPV-Zeit-Kurven (AUCΔPV) unter Anwendung der linearen Trapezoidregel berechnet. Die statistische Auslesewertung wurde mit SPSS 9,02 für Windows durchgeführt. Die Wirkungen der in der Arbeit durchgeführten Medikationen wurden bewertet, indem der AUCΔPV-Wert von 0–8 h einer univariaten Varianzanalyse (ANOVA) mit nachfolgenden T-Tests unter Verwendung einer Bonferroni ⎕-Korrektur für Mehrfachvergleiche unterzogen wurde. Die statistische Signifikanz von ΔPWL wurde mit dem ungepaarten Student-T-Test berechnet (Zymosan-behandelte Ratten gegen Kontrollratten). ⎕ wurde auf 0,05 festgelegt.The relative percentage difference in paw retraction latency (ΔPWL) between the zymosan-treated right and untreated left hind paw, calculated as: ΔPWL = (right-left) / left × 100, was used to evaluate antinociceptive effects. To assess the anti-inflammatory effects, the relative difference between the paw volume before and after zymosan injection (ΔPV) was used. The areas below the ΔPWL time curves (AUC ΔPWL ) as well as the areas below the ΔPV time curves (AUC ΔPV ) were calculated using the linear trapezoid rule . Statistical readings were taken with SPSS 9.02 for Windows. The effects of the medications performed in the work were evaluated by taking the AUC ΔPV value of 0-8 h of a univari Analysis of variance (ANOVA) with subsequent T tests using Bonferroni ⎕ correction for multiple comparisons. The statistical significance of ΔPWL was calculated using unpaired Student's T-test (zymosan-treated rats versus control rats). ⎕ was set to 0.05.
2D-PAGE2D-PAGE
Die Lendenmarksgewebe wurden in Lysepuffer mit 9 M Harnstoff, 2% CHAPS, 1 DTT und 2 mM Pefabloc homogenisiert. Nach Entfernen der Zelltrümmer wurden die Extrakte 1 h bei 40'000 rpm ultrazentrifugiert (15°C), und der Überstand wurde bis zur weiteren Analyse bei –70°C aufbewahrt. Die Proteinkonzentrationen wurden mit dem Bradford-Proteinassay bestimmt.The Lumbar cord tissues were incubated in lysis buffer with 9 M urea, 2% CHAPS, 1 DTT and 2 mM Pefabloc homogenized. After removing the cell debris were the extracts for 1 h at 40,000 rpm ultracentrifuged (15 ° C), and the supernatant was stored at -70 ° C until further analysis. The protein concentrations were determined with the Bradford protein assay.
Die 2D-PAGE wurde mit leichten Modifikationen wie zuvor beschrieben durchgeführt (Gorg et al., 1995). In Kürze: für die erste Dimension (isoelektrische Fokussierung (IEF)) wurden 600 μg Protein mit 50% TCA bei –20°C ausgefällt. Das Pellet wurde in Rehydrationslösung (8 M Harnstoff, 2% CHAPS, 2,8% DTT und 0,5% IPG-Puffer (Amersham Biosciences, Freiburg) gelöst und auf 13 cm lange Immobiline DryStrips, pH 3–10 linear (Amersham Biosciences, Freiburg) aufgetragen. Die IEF wurde unter Verwendung des isoelektrischen Fokussierungssystems IPGphor von Amersham durchgeführt, wobei der Lauf wie folgt durchgeführt wurde: Rehydration 2 h, 30 V für 6 h, 60 V für 3 h, 200 V für 1 h, 500 V für 1 h, 5000 V für 4 h und 8000 V für 1 h. Nach der IEF wurden die IPG-Streifen 10 min in Equilibrierungspufter (1,5 M Tris-Cl pH 8,8, 6 M Harnstoff, 30% Glycerin, 2% SDS) unter Zugabe von 10% DTT und danach weitere 10 min in Equilibrierungspuffer mit 260 mM Iodacetamid equilibriert. Die IPG-Streifen wurden dann oben auf ein 13%iges Natriumdodecylsulfatpolyacrylamidgel gelegt und mit 1 %iger Agaroselösung abgedichtet. Die Elektrophorese in der zweiten Dimension wurde 1 h bei 2,5 W/Gel und danach 4 h bei 5 W/Gel durchgeführt. Die Gele wurden mit Coomassie Brilliant Blue gefärbt. Die gefärbten Gele wurden mit einem UMAX-PowerLookIII-Scanner abgebildet und mit der Software Image Master 2D analysiert (Amersham Biosciences, Freiburg). Die mit Coomassie gefärbten gewünschten Spots wurden aus den Gelen ausgeschnitten, die Proteine wurden verdaut und danach mittels Peptid-Massen-Fingerprinting unter Verwendung der matrixunterstützten Laserdesorption/Ionisation-Time Of Flight-Massenspektrometrie (MALDI-TOF MS) identifiziert.The 2D PAGE was done with slight modifications as previously described carried out (Gorg et al., 1995). Shortly: for the first dimension (isoelectric focusing (IEF)) was 600 μg of protein precipitated with 50% TCA at -20 ° C. The Pellet was in rehydration solution (8M urea, 2% CHAPS, 2.8% DTT and 0.5% IPG buffer (Amersham Biosciences, Freiburg) and 13 cm long Immobiline DryStrips, pH 3-10 linear (Amersham Biosciences, Freiburg). The IEF was determined using the isoelectric focusing system IPGphor performed by Amersham, the run was carried out as follows: rehydration 2 h, 30 V for 6 h, 60 V for 3 h, 200 V for 1 h, 500 V for 1 h, 5000 V for 4 h and 8000 V for 1 h. After IEF, the IPG strips were placed in equilibration buffer for 10 min (1.5 M Tris-Cl pH 8.8, 6 M urea, 30% glycerol, 2% SDS) Add 10% DTT and then 10 more minutes in equilibration buffer equilibrated with 260 mM iodoacetamide. The IPG strips were then placed on top of a 13% sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel and with 1% agarose solution sealed. Electrophoresis in the second dimension became 1 h at 2.5 W / gel and then 4 h at 5 W / gel performed. The Gels were stained with Coomassie Brilliant Blue. The colored gels were imaged with a UMAX PowerLookIII scanner and with the Software Image Master 2D analyzed (Amersham Biosciences, Freiburg). The Coomassie stained desired spots were cut out of the gels, the proteins were digested and then by use of peptide mass fingerprinting the matrix-assisted Laser Desorption / Ionization Time Of Flight Mass Spectrometry (MALDI-TOF MS) identified.
Immunoblot-AnalyseImmunoblot analysis
Die aus homogenisierten Rückenmarksgeweben extrahierten äquivalenten Mengen an Gesamtzellproteinen wurden mit 4 × Probenpuffer (1 × Probenpuffer besteht aus 2,5% Natriumdodecylsulfat (SDS), 50 mM Tris-HCl (pH 6,8), 2,5% 2-Mercaptoethanol, 10% Glycerin und einer Spur Bromphenolblau) verdünnt. Die Proben wurden 5 min gekocht und die Proteine (30 μg pro Spur) einer SDS-PAGE mit 10%igen Polyacrylamidgelen unterzogen. Die Proteine wurden dann auf Nitrocellulosemembranen übertragen (Pall Corporation). Die Blots wurden in PBS/5% Magermilch/0,3% Tween 20 über Nacht bei 4°C blockiert. Danach wurden sie mit primärem Antikörper gegen Neurofilament-L (1:500) (Sigma) für 90 min bei RT inkubiert und danach dreimal mit PBS/0,3% Tween 20 gewaschen und dann 60 min mit einem mit alkalischer Meerrettichperoxidase (HRP) markierten sekundären Antikörper (1:20000) (Santa Cruz Biotechnology) inkubiert. Nach dreimaligem Waschen mit PBS/0,3% Tween 20 wurden spezifische Proteinbanden mit dem Enhanced Chemiluminescence (ECL)-System (Santa Cruz Biotechnology) nachgewiesen. Die ECL-Filme wurden mit einem Umax-PowerLookIII-Scanner unter Verwendung der Software Photoshop (Adobe Systems) abgebildet und die Bandenintensitäten densitrometrisch mit der Software Quantity One (PDI) bestimmt.The from homogenized spinal cord tissues extracted equivalents Quantities of total cell proteins were assayed with 4x sample buffer (1x sample buffer consists of 2.5% sodium dodecyl sulfate (SDS), 50 mM Tris-HCl (pH 6.8), 2.5% 2-mercaptoethanol, 10% glycerol and a trace of bromophenol blue). The samples were 5 min cooked and the proteins (30 ug per lane) of SDS-PAGE with 10% polyacrylamide gels. The proteins were then transferred to nitrocellulose membranes (Pall Corporation). Blots were made in PBS / 5% skimmed milk / 0.3% Tween 20 over Night at 4 ° C blocked. Then they were treated with primary antibody against neurofilament-L (1: 500) (Sigma) for Incubated for 90 min at RT and then three times with PBS / 0.3% Tween 20 washed and then with an alkaline horseradish peroxidase for 60 min (HRP) labeled secondary antibody (1: 20000) (Santa Cruz Biotechnology). After three times Washing with PBS / 0.3% Tween 20 were associated with specific protein bands the Enhanced Chemiluminescence (ECL) system (Santa Cruz Biotechnology). The ECL films were used with a Umax PowerLook III scanner the software Photoshop (Adobe Systems) and the intensity densitometrometrically determined with the software Quantity One (PDI).
Immunhistochemische Färbungimmunohistochemical coloring
Für die immunhistochemische Färbung wurden Lendenmarksegmente herausgeschnitten, in flüssigem Stickstoff schockgefroren und bei –80°C gelagert. Frischgefrorene Gewebsschnitte (14 μm) wurden in einem Cryostat geschnitten, auf mit Gelatine beschichtete Objektträger aufgebracht und 10 min in 4% Paraformaldehyd in PBS (pH 7,4) fixiert. Die Objektträger wurden dreimal jeweils 10 min in PBS gewaschen und 15 min mit PBS mit 0,1 % Triton-X-100 behandelt. Die Schnitte wurden dann in 3% BSA in PBS 1 h blockiert, um die nichtspezifische Bindung zu verringern, und danach mit primärem monoklonalem Antikörper, Anti-NFL (1:100; Sigma) und Anti-M-Calpain (1:50; Affinity BioReagents) 1 h bei 37°C inkubiert. NF-L und M-Calpain wurden durch einstündige Inkubation bei 37°C mit Cy3-konjugiertem sekundärem Antikörper (1:600; Sigma) fluoreszenzmarkiert. Die Objektträger wurden nach jeder Inkubation dreimal für jeweils 10 min in PBS gewaschen. Die Inkubationen mit primärem und sekundärem Antikörper wurden in PBS mit 1 % BSA durchgeführt. Die Objektträger wurden mit SlowFade Light Antifade-Mounting-Medien nach Anleitung des Herstellers präpariert.For the immunohistochemical coloring Lumbar segments were excised, in liquid nitrogen Shock frozen and stored at -80 ° C. Fresh frozen tissue sections (14 μm) were placed in a cryostat cut, applied to gelatin-coated slides and fixed in 4% paraformaldehyde in PBS (pH 7.4) for 10 min. The slides were washed three times for 10 min each in PBS and 15 min with PBS containing 0.1 % Triton-X-100 treated. The sections were then in 3% BSA in PBS blocks for 1 h to reduce nonspecific binding and then with primary monoclonal antibody, Anti-NFL (1: 100; Sigma) and Anti-M-Calpain (1:50; Affinity BioReagents) for 1 h at 37 ° C. NF-L and M-Calpain were incubated at 37 ° C with Cy3-conjugated for one hour secondary antibody (1: 600, Sigma) fluorescently labeled. The slides were after each incubation three times for each washed for 10 min in PBS. The incubations with primary and secondary antibody were performed in PBS with 1% BSA. The slides were with SlowFade Light anti-fade mounting media according to the manufacturer's instructions prepared.
Bestimmung der Calpain-Aktivitätdetermination calpain activity
Die Calpainaktivität wurde mit einem kommerziell erhältlichen Calpainaktivitätsassay-Kit (Biocat, Heidelberg) gemäß Herstellerangaben analysiert. Der Assay beruht auf dem fluorometischen Nachweis der Spaltung des Calpainsubstrats Ac-LLY-AFC, das blaues Licht ausstrahlt (λmax = 400 nm). Nach Spaltung des Substrats durch Calpain strahlt das freie AFC mit einer gelbgrünen Fluoreszenz (λmax = 505 nm), die mit einem Fluorometer (Spectra Fluor Plus, Tecan) quantifiziert wurde.The calpain activity was analyzed with a commercially available calpain activity assay kit (Biocat, Heidelberg) according to the manufacturer's instructions. The assay is based on the fluorometric detection of cleavage of the calpain substrate Ac-LLY-AFC which emits blue light (λ max = 400 nm). After cleavage of the substrate by calpain, the free AFC radiates with a yellow-green fluorescence (λ max = 505 nm), which was quantified with a fluorometer (Spectra Fluor Plus, Tecan).
Beispiel 1: Chronische Entzündung führt zu Veränderungen bei verschiedenen ProteinenExample 1: Chronic inflammation leads to changes with different proteins
Zum Nachweis von auf Entzündung reagierenden Proteinen wurde das Zymosaninduzierte Entzündungsmodell in Ratten mit anschließender 2D-PAGE des Lendenmarks der Ratte verwendet. Die Proteinexpressionsmuster des Rückenmarklysats der Kontrolle wurden mit Rückenmarksproteinen von Ratten nach einer Zymosanbehandlung von 24, 48 bzw. 96 h verglichen. Mehr als 500 Proteinspots wurden auf jedem Gel getrennt, wobei die scheinbaren Molmassen in einem Bereich von 10 bis 100 kDa und die pl-Werte in einem Bereich von 3 bis 10 lagen, wie durch Coomassie Blue-Färbung nachgewiesen wurde. Die Zymosanbehandlung führte zur Modifikation von wenigstens 10 Proteinspots. Die Wirkungen waren am deutlichsten 96 h nach der Zymosaninjektion.To the Evidence of inflammation Reactive proteins became the zymosan-induced model of inflammation in rats with subsequent 2D PAGE of the rat's lumbar spine used. The protein expression patterns of the spinal cord lysate Control was with spinal cord proteins of rats after a zymosan treatment of 24, 48 and 96 h, respectively. More than 500 protein spots were separated on each gel, with the apparent molecular weights in a range of 10 to 100 kDa and the pl values ranged from 3 to 10, as determined by Coomassie Blue staining was detected. The zymosan treatment resulted in the modification of at least 10 protein spots. The effects were most pronounced 96 h after Zymosaninjektion.
Beispiel 2: NF-L wird nach Zymosanbehandlung im Rückenmark der Ratte zeitabhängig runterreguliert.Example 2: NF-L becomes after zymosan treatment in the spinal cord the rat is time-dependent downregulated.
Weitere
Untersuchungen in dieser Arbeit konzentrierten sich auf Spot 1,
der mittels MALDI-TOF-Massenspektrometrie als Neurofilament-leichte
Kette (NF-L) mit einer Molmasse von 61,3 kDa und einem pl bei 4,63
identifiziert wurde (
Um
den Abbau der NF-L-Proteinexpression im Rückenmark nach einer entzündliche
Stimulation zu beweisen, wurde ebenfalls eine Western-Blot-Analyse
mit einem monoklonalen Anti-NF-L-Antikörper, der mit anderen intermediären Filamentproteinen
nicht kreuzreagierte, durchgeführt.
Wie in
Die
densitrometrische Analysen der NF-L-Proteinbanden in der Western-Blot-Analyse sind in
Beispiel 3: Entzündliche Stimulation führt zu einem Anstieg der Calpainaktivität.Example 3: Inflammatory Stimulation leads an increase in calpain activity.
Es
ist allgemein bekannt, daß der
Neurofilamentabbau hauptsächlich
durch die Aktivität
der Calcium-abhängigen
Cysteinprotease Calpain stattfindet. Daher wurden die Wirkungen
der peripheren Zymosanbehandlung auf die Calpainaktivität im die
Wirkungen der peripheren Zymosanbehandlung auf die Calpainaktivität im Rückenmark
untersucht. Die Calpainaktivität
wurde durch fluorometrischen Nachweis der Spaltung eines synthetischen
Calpainsubstrats bestimmt. Durch die periphere Entzündung wurde
die Calpainaktivität
im Rückenmark
nach 24 und 48 h leicht und nach 96 h deutlich erhöht (p < 0,05) (
Beispiel 4: ImmunhistochemieExample 4: Immunohistochemistry
Die Immunhistochemie wurde angewendet, um die Proteinniveaus von Neurofilament-L und Calpain in Rückenmarksschnitten der Ratte nach Zymosanbehandlung mit und ohne zusätzliche Verabreichung von Calpain-Inhibitor III zu bestimmen.The Immunohistochemistry was used to assess the protein levels of Neurofilament-L and calpain in spinal cord incisions the rat after zymosan treatment with and without additional Administration of calpain inhibitor III.
Die
mit einem spezifischen NF-L-Antikörper behandelten Schnitte zeigten
eine reduzierte Immunfluoreszenzintensität nach 96 h Zymosanbehandlung,
was auf den Abbau von Neurofilament hindeutet. Diese Wirkung wurde
durch Zugabe von Calpain-Inhibitor III rückgängig gemacht. Mit dem Proteaseinhibitor
behandelte Schnitte zeigten Immunfluoreszenzniveaus, die mit denen
von Kontrollschnitten unbehandelter Ratten vergleichbar waren (
Zur
Bewertung der Calpain-Proteinexpression wurde ein Antikörper gegen
M-Calpain verwendet. Nach
Zymosanbehandlung (96 h) war die M-Calpain-Expression in Rückenmarksschnitten
leicht erhöht.
Diese Erhöhung
der Immunreaktivität
wurde durch Anwendung des Calpain-Inhibitors III nicht geändert (
Beispiel 5: Wirkungen eines Calpain-Inhibitors im Zymosan-induzierten Entzündungsmodell in RattenExample 5: Effects a calpain inhibitor in the zymosan-induced inflammatory model in rats
Da
die Calpain-Aktivität
durch Zymosan-induzierte Entzündung
hochreguliert wird und dadurch möglicherweise
Neurofilamentabbau verursacht, wurde die Hypothese aufgestellt,
daß der
spezifische Calpain-Inhibitor entzündungshemmende Eigenschaften
liefern könnte.
Diese Hypothese wurde wiederum im Modell der Zymosan-induzierten
Pfotenentzündung
in Ratten getestet. In mit Vehikel behandelten Ratten führte die
intraplantare Injektion von 1,25 mg Zymosan zu einem maximalen Anstieg
des Pfotenvolumens von 129 ± 5,9 (Mittelwert ± sem [Standardabweichung])%
nach 4 h. Wie in der Hypothese angenommen, wurde die Pfotenentzündung durch
Calpain-Inhibitor III dosisabhängig
in Dosen von 12,5 und 25 mg/kg gehemmt (
Beispiel 6: Wirkungen des Calpain-Inhibitors III bei der Zymosan-induzierten thermischen Hyperalgesie in RattenExample 6: Effects of calpain inhibitor III in zymosan-induced thermal Hyperalgesia in rats
Um
den Einfluß der
Calpain-Hemmung auf die Hyperalgesie zu bewerten, wurde die Latenz
des Zurückziehens
der Pfote im thermischen Hyperalgesiemodell bestimmt. Die Ergebnisse
in
Diskussion der Ergebnisse der Beispiele:discussion of the results the examples:
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigten mittels der 2D-Gelelektrophorese, daß die Neurofilament-Leichtkette nach peripherer entzündlicher Stimulation abgebaut wird. Die Neurofilamente stellen eine wichtige Gruppe von Cytoskelettproteinen dar, die an der Kontrolle des Axoninnendurchmessers sowie des Axonaufbaus und des axoplasmatischen Flusses beteiligt sind (Perrone Capano et al., 2001). Neurofilamentanomalien lösen den selektiven Abbau und Tod von Motoneuronen hervor und treten bei neurodegenerativen Erkrankungen auf (Julien, 1999). Der Neurofilamentabbau wurde bei Rückenmarksverletzungen ebenso wie unter anoxischen und ischämischen Bedingungen durch Aktivierung der Calcium abhängigen Cysteinprotease Calpain beobachtet (Banik et al., 1997; Leski et al., 2001; Stys et al., 2002).The Results of the present work showed by means of 2D gel electrophoresis, that the Neurofilament light chain degraded after peripheral inflammatory stimulation becomes. The neurofilaments represent an important group of cytoskeletal proteins The control of the axon inner diameter and the Axonaufbaus and the axoplasmic flow (Perrone Capano et al., 2001). Neurofilament anomalies trigger selective degradation and Death of motor neurons and occur in neurodegenerative diseases on (Julien, 1999). The neurofilament degradation was in spinal cord injuries as well as under anoxic and ischemic conditions by activation the calcium dependent Cysteine protease calpain (Banik et al., 1997, Leski et al., 2001; Stys et al., 2002).
Wie
in
Zur Zeit gibt es zwei Hauptisoformen von Calpain im zentralen Nervensystem, μ-Calpain (Calpain I) und m-Calpain (Calpain II), die durch mikromolare bzw. millimolare Calciummengen aktiviert werden. Sie sind mit einer Reihe physiologischer und pathologischer Zustände, einschließlich neuronaler Plastizität und neuronalen Zelltod, in Zusammenhang gebracht worden. Hinsichtlich dieses neuronalen Zelltods führt die Aktivierung von Calpain zur Protolyse mehrerer zellulärer Proteine, die größtenteils mit der Zellmembran assoziiert sind, einschließlich Cytoskelettproteine (z.B. Neurofilament, Spectrin, Fodrin und mit Mikrotubuli assoziierte Proteine), Membranproteine (z.B. Wachstumsfaktorrezeptoren, Adhäsionsmoleküle und Ionentransporter), Enzyme (z.B. Kinasen, Phosphatasen und Phospholipasen) ebenso wie Cytokine und Transkriptionsfaktoren (Kampfl of al., 1997; Shields et al., 1998). Obwohl viele dieser Calpainwirkungen mit entzündungsbeitragenden Mechanismen in Zusammenhang gebracht werden können, bedarf die genaue Rolle der Calpainaktivierung in entzündetem Gewebe weiterhin der Aufklärung.There are currently two major isoforms of calpain in the central nervous system, μ-calpain (calpain I) and m-calpain (calpain II), which are activated by micromolar and millimolar calcium, respectively. They have been implicated in a variety of physiological and pathological conditions, including neuronal plasticity and neuronal cell death. With regard to this neuronal cell death, activation of calpain results in the protolysis of several cellular proteins that are largely associated with the cell membrane, including cytoskeletal proteins (eg, neurofilament, spectrin, fodrin, and microtubule-associated Proteins), membrane proteins (eg growth factor receptors, adhesion molecules and ion transporters), enzymes (eg kinases, phosphatases and phospholipases) as well as cytokines and transcription factors (Kampfl et al., 1997, Shields et al., 1998). Although many of these calpain effects may be associated with inflammatory mechanisms, the exact role of calpain activation in inflamed tissue remains elucidated.
Es gibt Hinweise darauf, daß die Aktivierung von Calpain zum Abbau von IκB im Proteasom führt und daher einen wesentlichen Schritt bei der Translokation des nuklearen Faktors κB (NF-κB) aus dem Cytosol in den Zellkernen führt (Chen et al., 2000; Saido et al., 1994). Es konnte gezeigt werden, daß der Calpain-Inhibitor I diese NF-kB-Aktivierung sowie die nachfolgende Hochregulierung von iNOS und COX-2-Protein verhindert, wodurch die Entwicklung einer akuten und chronischen Entzündung vermindert wird (Cuzzocrea et al., 2000). Der entzündungshemmende Wirkstoff Indomethacin, der die Cyclooxygenase-Aktivität und die Hochregulierung von Prostaglandin hemmt, zeigte zusätzlich Calpain-hemmende Aktivität (Banik et al., 2000). Darüber hinaus wurde durch neue Ergebnisse über eine erhöhte Calpainaktivität bei der Ischämie, Morbus Alzheimer, Rückenmarksverletzungen sowie Hirntrauma, die durch Calpain vermittelte Protolyse mit der Zerstörung und dem Abbau von Gewebe bei CNS-Trauma und -Erkrankungen in Zusammenhang gebracht (Banik et al., 1997; Shields et al., 1998). Die unkontrollierte Calpainaktivierung führt zum Abbau von Cytoskelettproteinen, dem darauf folgenden Verlust der strukturellen Integrität und zu Störungen des axonalen Transports.It indicates that the Activation of calpain leads to the degradation of IκB in the proteasome and therefore a significant step in the translocation of the nuclear factor κB (NF-κB) from the Cytosol leads in the cell nuclei (Chen et al., 2000; Saido et al., 1994). It could be shown, that the Calpain inhibitor I this NF-kB activation and the subsequent Upregulation of iNOS and COX-2 protein prevented, causing the Development of acute and chronic inflammation is reduced (Cuzzocrea et al., 2000). The anti-inflammatory Indomethacin, which has the cyclooxygenase activity and the Inhibiting upregulation of prostaglandin, additionally showed calpain-inhibiting activity (Banik et al., 2000). About that In addition, new results on increased calpain activity in the ischemia, Alzheimer's disease, spinal cord injuries as well as brain trauma, the calpain mediated protolysis with the Destruction and tissue degradation in CNS trauma and disease (Banik et al., 1997; Shields et al., 1998). The uncontrolled Calpain activation leads to degrade cytoskeletal proteins, the consequent loss the structural integrity and to disturbances of axonal transport.
Die Ergebnisse über eine erhöhte Calpainaktivität in Erkrankungen lassen vermuten, daß sich Calpain-Inhibitoren als Therapeutika einsetzen lassen, da sie den Gewebeabbau durch Verhinderung des Abbaus von Substratproteinen minimieren. In der vorliegenden Arbeit wurde der Calpain-Inhibitor III (MDL 28170), ein potenter, spezifischer Calpain-Inhibitor, verwendet, der nach systemischer Verabreichung rasch die Blut-Hirn-Schranke durchdringt. Durch intraperitoneale Applikation dieses Inhibitors wurde der Abbau von Neurofilamentprotein im Rückenmark blockiert, was auf die Hemmung der Proteaseaktivität, jedoch nicht auf eine Runterregulierung des Calpain-Proteins zurückzuführen war. Zusätzliche Wirkungen der Calpain-Hemmung auf andere Calpain-Substrate sind ebenfalls möglich, wurden jedoch in der folgenden Arbeit nicht untersucht.The Results over an increased calpain in diseases suggest that calpain inhibitors can be used as therapeutics, as they through the tissue degradation Minimize prevention of degradation of substrate proteins. In the present work was the Calpain Inhibitor III (MDL 28170), a potent, specific calpain inhibitor used after Systemic administration rapidly penetrates the blood-brain barrier. By intraperitoneal application of this inhibitor was the degradation of neurofilament protein in the spinal cord blocked, indicating the inhibition of protease activity, however was not due to a down-regulation of calpain protein. additional Effects of calpain inhibition on other calpain substrates also possible, however, were not investigated in the following work.
Es konnte erstmals gezeigt werden, daß die Vorbehandlung von Ratten mit Calpain-Inhibitor III die Entwicklung der Zymosan-induzierten Pfotenentzündung und thermischen Hyperalgesie in Ratten abschwächt. Als Abschluß wird von uns vorgeschlagen, daß es sich bei Calpain um eine wichtige Vermittlersubstanz bei nozizeptiven Reaktionen handelt und daß der Calpain-Inhibitor III möglicherweise zur Therapie von Entzündungserkrankungen geeignet ist.It could be shown for the first time that pretreatment of rats with calpain inhibitor III the development of zymosan-induced paw inflammation and attenuates thermal hyperalgesia in rats. As conclusion is from We suggested that it Calpain is an important mediator in nociceptive Reactions and that the Calpain inhibitor III may be for the treatment of inflammatory diseases suitable is.
Literaturliterature
- Banik, N. L., Matzelle, D., Terry, E., Gantt-Wilford, G. & Hogan, E. L. Inhibition of proteolysis by a cyclooxygenase inhibitor, indomethacin. Neurochem Res, 25, 1509-15(2000)Banik, N.L., Matzelle, D., Terry, E., Gantt-Wilford, G. & Hogan, E. L. Inhibition of proteolysis by a cyclooxygenase inhibitor, indomethacin. Neurochem Res, 25, 1509-15 (2000)
- Banik, N. L., Matzelle, D. C., Gantt-Wilford, G., Osborne, A. & Hogan, E. L. Increased calpain content and progressive degradation of neurofilament protein in spinal cord injury. Brain Res, 752, 301-6(1997)Banik, N.L., Matzelle, D.C., Gantt-Wilford, G., Osborne, A. & Hogan, E.L. Increased calpain content and progressive degradation of neurofilament protein in spinal cord injury. Brain Res, 752, 301-6 (1997)
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- Chan, S. L. & Mattson, M. P. Caspase and calpain substrates: roles in synaptic plasticity and cell death. J Neurosci Res, 58, 167-90 Order(1999)Chan, S.L. & Mattson, M.P. Caspase and calpain substrates: roles in synaptic plasticity and cell death. J Neurosci Res, 58, 167-90 Order (1999)
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Beschreibung der AbbildungenDescription of the pictures
(A) Vergrößerte Bereiche der 2D-Gele
von Ratten-Rückenmarksgewebe
der Kontrolle sowie nach 24 h, 48 h und 96 h Zymosanbehandlung.
Die Pfeile markieren das Protein 1, das als Neurofilament-leichte
Kette identifiziert wurde.
(B) Repräsentative Western-Blot-Analyse
der Expression der Neurofilament-leichte Kette (NF-L) nach 24, 48 und
96 h Zymosanbehandlung.
(C) Densitometrische Analyse von 3
unabhängigen
Western-Blot-Experimenten (**statistisch signifikanter mittlerer
Unterschied, p < 0,01).
(A) Enlarged areas of the 2D gels of rat spinal cord tissue from the control and after 24, 48 and 96 hours of zymosan treatment. The arrows mark protein 1, which has been identified as neurofilament light chain.
(B) Representative Western blot analysis of neurofilament light chain (NF-L) expression after 24, 48 and 96 h zymosan treatment.
(C) Densitometric analysis of 3 independent Western blot experiments (** statistically significant mean difference, p <0.01).
(A): Calpain-Aktivität von Ratten-Rückenmarksextrakten
der Kontrolle und nach 24, 48 und 96 h Zymosanbehandlung.
(B):
Calpain-Aktivität
der Rückenmarksextrakte
Zymosan-behandelter Kontrollratten und von Tieren, die 12,5 mg/kg
oder 25 mg/kg Calpain-Inhibitor III erhielten.
Die Aktivität wird durch
den fluorometrischen Nachweis der Spaltung des Calpain-Substrats Ac-LLY-AFC
bestimmt.
(*, **statistisch signifikanter mittlerer Unterschied
p < 0,01 bzw. p < 0,05)
(A): Calpain activity of rat spinal cord extracts of the control and after 24, 48 and 96 hours of zymosan treatment.
(B): Calpain activity of the spinal cord extracts of zymosan-treated control rats and of animals receiving 12.5 mg / kg or 25 mg / kg calpain inhibitor III.
Activity is determined by fluorometric detection of cleavage of the calpain substrate Ac-LLY-AFC.
(*, ** statistically significant mean difference p <0.01 or p <0.05)
(A): Mit monoklonalem Anti-NF-L-Antikörper immunhistochemisch angefärbte Schnitte.
Der Calpain-Inhibitor III verringert den Verlust an NF-L nach Zymosanbehandlung.
(B):
Mit monoklonalem Anti-m-Calpain-Antikörper immunhistochemisch angefärbte Schnitte.
Die Zymosanbehandlung führte
zu einer Erhöhung
der m-Calpain-Immunpositivität, die durch
den Calpain-Inhibitor III nicht geändert wurde.
(A): Immunohistochemically stained sections with monoclonal anti-NF-L antibody. Calpain inhibitor III reduces the loss of NF-L after zymosan treatment.
(B): immunohistochemically stained sections with monoclonal anti-m-calpain antibody. Zymosan treatment resulted in an increase in m-calpain immunopositivity, which was not altered by calpain inhibitor III.
(A):
Veränderung
des Pfotenvolumens in Abhängigkeit
von der Zeit nach intraplantarer Injektion von 1,25 mg Zymosan in
Kontrolltieren (♦)
und in mit 12,5 (∎) bzw. 25 mg/kg Calpain-Inhibitor
III behandelten Ratten.
(B): Für den statistischen Vergleich
der Wirkstoffwirkungen wurden die Flächen unterhalb der Kurven "Pfotenvolumenanstieg" gegen "Zeit" (AUCΔPW von
0–8 h,
Mittelwert ± s.e.m.)
unter Verwendung der linearen Trapezregel berechnet und einer univariaten
Varianzanalyse mit anschließendem
Bonferroni-post-hoc-Tests unterzogen (* statistisch signifikanter
mittlerer Unterschied mit p < 0.05)
(A): Change in paw volume as a function of time after intraplantar injection of 1.25 mg zymosan in control animals (♦) and at 12.5 (∎) and 25 mg / kg, respectively Calpain inhibitor III treated rats.
(B): For the statistical comparison of drug effects, the areas under the paw volume increase versus time curves (AUC ΔPW of 0-8 h, mean ± sem) were calculated using the linear trapezoidal rule and a univariate analysis of variance followed by Bonferroni. subjected to post-hoc tests (* statistically significant mean difference with p <0.05)
Zeitlicher Verlauf der Latenz des
Zurückziehens
der Pfote als Antwort auf die thermische Stimulation der Fußsohlenoberfläche nach
intraplantarer Injektion von 1,25 mg Zymosan allein (♦) oder
von Zymosan und Calpain-Inhibitor III Die
Daten werden als relativer Unterschied zwischen der mit Zymosan
behandelten rechten und der unbehandelten linken Hinterpfote, berechnet
als: ΔPWL
= (rechts – links)/links × 100, ausgedrückt.
(A):
Latenz des Zurückziehens
der Pfote nach intraperitonealer Verabreichung von 25 mg/kg Calpain-Inhibitor 111
im Vergleich mit Vehikel-behandelten Ratten. (B): Fläche unterhalb
der Wirkung (relative Abnahme der Latenz des Zurückziehens der Pfote, ΔPWL) gegen
Zeit-Kurven nach intraplantarer Injektion mit Zymosan und Behandlung
mit 25 mg/kg Calpain-Inhibitor III. (***, statistisch signifikanter
mittlerer Unterschied, p < 0,001)
Time course of latency of paw retraction in response to thermal stimulation of the plantar surface after intraplantar injection of 1.25 mg zymosan alone (♦) or zymosan and calpain inhibitor III Data are expressed as the relative difference between the zymosan-treated right and untreated left hind paw, calculated as: ΔPWL = (right-left) / left × 100.
(A): Latency of paw retraction after intraperitoneal administration of 25 mg / kg calpain inhibitor 111 in comparison with vehicle-treated rats. (B): area below effect (relative decrease in paw retraction latency, ΔPWL) versus time curves after intraplantar injection with zymosan and treatment with 25 mg / kg calpain inhibitor III. (***, statistically significant mean difference, p <0.001)
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