Diskussion

Abbildung 126: von Nicotin 1 und einer Kombination von Nicotin 1 und Phenyl-carbamidsäure-chinuclidin-3-yl-ester 74 induzierte Stromsignale in primären Hippocampus-Neuronen links: Nicotin 1 (100 µM) rechts: Nicotin 1 (100 µM) & Phenylcarbamat 56 (100 µM)

: Zeitraum der Substanzapplikation(2s)

: Perfusionslösung, enthält DHβE (0,1 µM) und TTX 88 (0,1 µM)

Das Phenylcarbamat 75, das sich schon in den Bindungsstudien als das potenteste Derivat dieser Serie erwies, zeigte wahrscheinlich schwach additive Effekte bei gleichzeitiger Applikation mit Nicotin 1 (109 %). Diese Tatsache lässt vermuten, dass möglicherweise alle im Rahmen dieser Arbeit hergestellten Chinuclidin-Derivate 74 &

76 in höheren Konzentration (> 100 µM) agonistisch am α7-Rezeptor reagieren.

notwendig. Dies ist für die Zukunft geplant.

In der Literatur finden sich Hinweise, dass die intrinsische Aktivität einiger Verbindungen mit ihrer Affinität korreliert^416,417. Sollte dies auch für das Cholin-Analogon 42 gelten, so wäre die hohe Affinität der Substanz zum α4β2-Rezeptor (Ki = 22,3 nM) ein möglicher Erklärungsansatz, warum im Patch-Clamp-Versuch keine Konzentrations-Effektabhängigkeit im Bereich zwischen 100 und 1000 µM zu beobachten war.

Vergleich man die intrinsische Aktivität des Phenylcholinethers 42 (16 %) mit der von Nicotin 1 bei gleicher Konzentration, so ist anzunehmen, dass diese Substanz am α4β2-Rezeptor nur als partieller Agonist fungiert. Es sind jedoch weitere Untersuchungen notwendig, um diese Annahme endgültig zu bestätigen.

Die Hemmung vom Nicotin-induzierten Stromsignalen im Anschluss an die Testsubstanz-Applikation (siehe Abbildung 122) lässt eine antagonistische Wirkung der untersuchten Substanzen am α4β2-Rezeptor vermuten. Die Erholung des Signals mit der Zeit (4,5 min) ist durch die Auswaschung bzw. Dissoziation des Liganden vom Rezeptor zu erklären. Dadurch ist zu vermuten, dass die Carbamate nicht irreversibel an nAChR binden, sondern mit Nicotin 1 um dessen Bindungsstelle konkurrieren (kompetitive Antagonisten). Die Phenylcarbamate dissoziieren im Vergleich zu MLA 14 und DHβE 29 (Daten nicht gezeigt) relativ langsam vom Rezeptor, da sie noch nach über 3 bzw. 4,5 Minuten nach ihrer letzten Applikation ein von Nicotin 1 induziertes Stromsignal partiell inhibieren (Abbildung 121).

Vergleicht man die Ergebnisse der Patch-Clamp-Untersuchungen mit den Resultaten der Radioligand-Bindungsstudien am α4β2-Rezeptor ist festzustellen, dass die Befunde nicht korrelieren. Anhand der ermittelten Ki-Werten der Bindungs-Studien (3.4 Ergebnisse der Radioligand-Bindungsstudien) würde man vermuten, dass neben den Trimethylammonium- 56-58 und Chinuclidin-Derivaten 74-76 die N-Methyl-pyrrolidin-phenylcarbamate 59-61 (Ki = 526-1633 nM) funktionelle Effekte am α4β2-nAChR aufweisen. Letztere scheinen aber am Rezeptor schlechter zu wirken, als es ihre Affinitätswerte vermuten lassen. Umgekehrt wurde festgestellt, dass die N-Methyl-piperidin-3-yl-phenylcarbamate 71-73, für die in Bindungsstudien Ki-Werte von größer

20000 nM ermittelt wurden, ähnlich funktionell aktiv waren, wie die deutlich affineren Trimethylammonium- 56-58 und Chinuclidin-Analoga 74-76. Diese Tatsache bestätigt einige Aussagen verschiedener Arbeitsgruppen, die postulierten, dass eine hohe Affinität zum Rezeptor nicht zwangsläufig mit einer hohen intrinsischen Aktivität einhergeht und umgekehrt221,257,417. Weiterhin finden sich auch Hinweise in der Literatur, dass Substanzen trotz unterschiedlicher Affinität zu verschiedenen nAChR-Subtypen annähernd gleiche intrinsische Aktivität an diesen besitzen (z.B. Nicotin 1 an α4β2- und α7-Rezeptoren)212,213,226.

Generell ist zu bemerken, dass die Wechselbeziehung zwischen Affinität und intrinsischer Aktivität abhängig ist von dem eingesetzten Testsystem und somit von dem verwendeten Rezeptor exprimierenden Gewebe. Der Unterschied zwischen der Affinität in den Bindungsstudien und der funktionellen Wirkung im Patch-Clamp-Experiment könnte auf die Verwendung unterschiedlicher Expressionssysteme für den α4β2-Rezeptor zurückzuführen sein. In den Radioligand-Bindungsstudien wurden Homogenate nativer Gewebe verwendet, während in den funktionellen Studien transfizierte HEK-293-Zellen, die letztendlich artifizielle Konstrukte darstellen, bzw.

primäre Kulturen von Hippocampus-Neuronen eingesetzt. Es ist nicht vollkommen auszuschließen, dass sich die Eigenschaften der in den verwendeten organischen Materialien exprimierten Rezeptoren unterscheiden, was zwangsläufig die Ergebnisse der unterschiedlichen Testmethoden beeinflussen würde. Es ist bereits mehrfach in der Literatur erwähnt worden, dass die pharmakologischen Eigenschaften von nAChR aus artifiziellen Expressionssystemen und aus nativen Geweben divergieren^386,418.

Ein weiterer Aspekt, der zu einer Diskrepanz zwischen den Ergebnissen der Bindungsstudien und der funktionellen Assays führt, ist die Tatsache, dass bei der Ermittlung der Affinität in Bindungsstudien Rezeptoren im „desensibilisierten Zustand“ berücksichtigt werden, wohingegen diese in funktionellen Studien keinerlei Beitrag leisten416,419,420.

Toma et al. führen einen weiteren Gründ für die Widersprüchlichkeit der Resultate auf.

Sie vermuten, dass möglicherweise derzeitig noch unbekannte Untereinheiten und Subtypen der nAChR für die Divergenz der Versuchsergebnisse verantwortlich sind⁴¹⁷. Auch innerhalb einer Carbamatserie mit gleicher Aminkomponente, deren Derivate sich

durch ihre Substitution am Phenylring unterscheiden, stimmen die Ergebnisse der antagonistischen Testung mittels Patch-Clamp-Versuchen nicht mit den Resultaten der Bindungsstudien am nativen α4β2-Rezeptor überein. Das Fluor-substituierte Chinuclidinyl-phenylcarbamat 75, das bei gleichzeitiger Applikation mit Nicotin 1 den größten hemmenden Effekt auf das induzierte Stromsignal besaß, zeigte zwar die höchste Affinität aller getesteten Verbindungen am α7- und 5-HT3A-Rzeptor, war aber am α4β2-Nicotinrezeptor-Subtyp deutlich schlechter wirksam als die beiden anderen Analoga (74 & 76) dieser Serie. Dieses Ergebnis könnte, wie schon oben beschrieben, ebenfalls durch die Verwendung unterschiedlicher Gewebe bzw. Zellen bei den verwendeten Untersuchungsmethoden hervorgerufen werden. In diesem Zusammenhang ist nicht auszuschließen, dass die verwendeten Gewebe und Zellen möglicherweise über noch andere „unbekannte“ Subtypen verfügen und diese bei den Untersuchungen mit erfasst werden.

Jedoch ist ebenfalls denkbar, dass eine hohe Affinität nicht zwangsläufig mit einer guten intrinsischen Aktivität einhergeht.

Die elektrophysiologischen Effekte der Carbamate am α4β2-Rezeptor scheinen sich daher nicht unbedingt anhand der Affinitätswerte der Radioligand-Bindungsstudien vorhersagen zu lassen⁴¹⁶. Zur detaillierten Charakterisierung der antagonistischen Wirkung der hergestellten Carbamate sind daher weitere Experimente, vor allem die unter „Antagonisten am Subtyp α4β2“ beschriebene Methode zur Testung von Antagonisten, unerlässlich. Die Ermittlung einer Dosis-Wirkungsbeziehung der Carbanile am α4β2-Rezeptor wäre zusätzlich hilfreich, um die Auswirkung unterschiedlicher Substitutionsmuster auf die funktionellen Eigenschaften besser vergleichen zu können.

Ergebnisse am Subtyp α7 der nAChR

Wie schon am α4β2-Rezeptor zeigt der Phenylcholinether 42 auch an diesem Subtyp ein agonistisches Verhalten, jedoch ist sein Effekt am α7 fast fünffach stärker (α4β2→17%;

α7→78%). Dies korreliert nicht unbedingt mit den Ergebnissen der Bindungsstudien, aus denen sich für den Ether eine etwas höhere Affinität zum Subtyp α4β2 ergab (α4β2:

Ki = 22 nM; α7: Ki = 196 nM) (Tabelle 3.6-1, Tabelle 3.6-9, 3.4 Ergebnisse der

Radioligand-Bindungsstudien). Wie schon für den α4β2-Rezeptor diskutiert, finden sich mehrere Gründe für das Fehlen einer Korrelation zwischen Affinität und intrinsischer Aktivität in der Literatur. Zum einen könnte die Abweichung der Testergebnisse durch die Verwendung unterschiedlicher Gewebe bzw. Zellen bei den verwendeten Untersuchungsmethoden hervorgerufen werden. Wie bereits zuvor beschrieben, werden aber möglicherweise auch bei der einen oder anderen verwendeten Methode

„unbekannte“ Nicotinrezeptor-Subtypen miterfasst. Es ist jedoch ebenfalls denkbar, dass die hohe Affinität einer Substanz nicht zwangsläufig mit einer guten intrinsischen Aktivität einhergeht.

Ein gutes Beispiel für eine Substanz, die gegensätzliche Ergebnisse im Vergleich von Bindungsstudien und funktionellen Tests zeigt, ist Cholin 28. Alkondon et al. und Papke et al. zeigten, dass der Precursor und Metabolit des Acetylcholins 2 trotz geringer Affinität zu Nicotinrezeptoren (α4β2: Ki = 112 µM & α7: Ki = 2,2 mM) am α7-nAChR als selektiver und voller Agonist und am α4β2-Rezeptor als Co-Agonist fungiert^195,196.

Im Gegensatz zum α4β2-Subtyp erwiesen sich die Trimethylammonium-Carbamate 56-58 am α7-Rezeptor als Agonisten und induzieren im Fall des am Aromaten unsubstituierten Phenylcarbamates 56 sogar ein etwas stärkeres Stromsignal als die Bezugssubstanz Nicotin 1 (107 %) (Tabelle 3.6-9).

Vergleicht man die Effekte der Trimethylammonium-Derivate in den Patch-Clamp-Versuchen mit ihren in den Radioligand-Bindungsstudien ermittelten Affinitäten, so fällt auf, dass auch hier die Ergebnisse nicht immer korrelieren. In den Bindungsstudien zeigten die Phenylcarbamate 56 und 58 gleich hohe Affinität zum α7-nAChR (ca. 30 nM). Betrachtet man hingegen die Ergebnisse der Patch-Clamp-Versuche, so erweist sich das Carbamat 56 im Vergleich zum Carbanil 58 um 30 % wirksamer (56→107 %;

58→71 %) (Tabelle 3.6-9).

Betrachtet man die Ergebnisse der Patch-Clamp-Experimente für die N-Methyl-pyrrolidinyl- 59-61 und N-Methyl-piperidinyl-phenylcarbamate 68-70 & 71-73 im Vergleich zu ihren Radioligand-Bindungsdaten, so ist festzustellen, dass die Verbindungen trotz stark unterschiedlicher Affinität zum α7-Rezeptor im funktionellen Test eine ähnliche Wirkstärke besitzen (Tabelle 3.6-13). Weiterhin ist im

Patch-Clamp-Versuch keinerlei Einfluss der Substitutionsposition am Methyl-piperidinring der N-Methyl-piperidin-2-yl- 68-70 und N-Methyl-piperidin-3-yl-Carbamate 71-73 auf die Signalhemmung zu erkennen. Konstatieren lässt sich in jedem Fall, dass die drei Carbamatserien 59-61, 68-70 und 71-73 antagonistisch am α7-nAChR wirken, allerdings können nur weitere, detaillierte und konzentrationsabhängige Untersuchungen zeigen, inwieweit sich diese Phenylcarbamate in ihrer Wirkstärke voneinander unterscheiden.

Aufgrund der agonistischen Wirkung des Brom-substituierten Chinuclidin-phenylcarbamats 83 und des additiven Effekts des Carbamats 75 bei gleichzeitiger Applikation mit Nicotin 1 ist nicht auszuschließen (Tabelle 3.6-11& Tabelle 3.6-14), dass alle Derivate dieser Serie in Abhängigkeit ihrer Konzentration agonistisch am α7-nAChR wirken. Jedoch sind zur Bestätigung dieser Vermutung weitere Patch-Clamp-Experimente notwendig, in denen die Chinuclidincarbanile 74-76 in einer höheren Konzentration als 100 µM eingesetzt werde. Gestützt wird diese Hypothese durch Erkenntnisse anderer Arbeitsgruppen, die für einige den Carbamaten 74-76 sehr ähnliche Substanzen eine agonistische Wirkung veröffentlichten (z.B. AR-R1779 43)320,321,421.

Da diese Carbamate 74-76 aber auch in der Lage sind, ein Nicotin-induziertes Signal zu hemmen (Tabelle 3.6-14), handelt es sich vermutlich um Partialagonisten an diesem Rezeptorsubtyp. Diese Vermutung korreliert wiederum mit Befunden aus der Patentliteratur, in denen diverse Chinuclidinyl-phenylcarbamate bzw.

Chinuclidinylamide als Partialagonisten an α7-Rezeptoren beschrieben wurden^416,422. Weiterhin sind die im Rahmen dieser Arbeit an Makrophagen untersuchten Chinuclidinyl-carbanile 74-76 in der Lage in den monozytären Zellen einen Anstieg der intrazellulären Calciumkonzentration [Ca²⁺]i hervorzurufen. Sollte diese Erhöhung der [Ca²⁺]i über den Einstrom von Calcium-Ionen durch Ionenkanäle (α7-Rezeptor) zu Stande kommen, was noch zu beweisen wäre, so würde diese Tatsache ebenfalls für eine agonistische Wirkungsweise der Chinuclidin-Derivate am α7-nAChR sprechen (siehe 3.7 Bestimmung der [Ca²⁺]i in Mäusemakrophagen). Ein weiterer Hinweis auf ein mögliches agonistisches Verhalten der Chinuclidin-Derivate 74-76 & 83 findet sich in der Veröffentlichung von Dolle et al. Die Arbeitsgruppe beschrieb den

para-substituierten, ¹¹C-markierten N-(4-Bromophenyl)-carbamidsäure-chinuclidin-3-ylester, der sich von dem Phenylcarbamat 83 einzig durch die Substitutionsposition am Phenylring unterscheidet, als einen agonistischen Radiotracer für den α7-Rezeptor³⁷⁵. Kritisch ist in diesem Zusammenhang die Hypothese einer Forschergruppe der Firma Lilly zu beurteilen, die für die Verbindung 5-Pyridin-2-yl-thiophene-2-carbonsäure-(chinuclidin-3-yl)-amid und für einige weitere α7-Agonisten postulierten, dass diese schon in viel geringeren Konzentrationen, als zur Aktivierung des Ionenkanals notwendig, den Rezeptor desensibilisieren416,423,424,425. O’Neill et al. vermuten sogar, dass diese Desensibilisierung in vivo zu einem funktionellen Antagonismus am α7-nAChR führt⁴²⁵.

Überträgt man diese Theorie auf die im Rahmen dieser Arbeit hergestellten Chinuclidin-Derivate, könnte diese Hypothese die Tatsache erklären, dass die Chinuclidinyl-carbanile 74-76 zwar in Makrophagen zu eine Erhöhung der [Ca²⁺]i

führen, aber kein Stromsignal nach Applikation im Patch-Clamp-Experiment induzieren.

Die Auswirkung des Substituenten am Phenylring der Chinuclidin-phenylcarbamate auf die funktionellen Eigenschaften der Substanzen ist anhand der erhobenen Patch-Clamp-Daten nur schwierig zu bewerten. Aus den Radioligand-Bindungsstudien geht hervor, dass eine Erhöhung der Elektronendichte im Aromat durch den Fluor-Substituenten zu einer Verbesserung der Affinität führt. Diese Tendenz ist im funktionellen Screening ebenfalls zu beobachten. Jedoch erwies sich im Vergleich zum Fluor-substituierten Phenylcarbamat 75 das Brom-substituierte Derivat 83, dessen Substituent einen geringeren (+)-M-Effekt aufweist und wesentlich voluminöser ist, als potenter. Der (-)-M-Effekt der Trifluormethyl-Gruppe scheint sich wiederum negativ auf die Wirkstärke am α7-Rezeptor auszuwirken, da das Carbamat 76 deutlich schlechter wirksam ist als die anderen Derivate dieser Serie.

Auch für die Serie der Chinuclidin-Derivate gilt, dass weitere Versuche zum Verständnis der Struktur-Wirkungsbeziehungen dieser Substanzen notwendig sind (5.2 Ausblick).

Zusammenfassung

Für die Patch-Clamp-Experimente am α7-Rezeptoren lässt sich feststellen, dass die Trimethylammonium- 56-58 und die Chinuclidin-Derivate 74-76, die schon in den Radioligand-Bindungsstudien die besten Affinitäten zu diesem Subtyp zeigten, die größten funktionellen Effekte (agonistisch) in diesen Versuchen aufwiesen.

Ähnliches ist auch für den α4β2-Rezeptor festzustellen. Die Substanz mit der höchsten Affinität zu diesem Rezeptorsubtyp, der Phenylcholinether 42, wirkte ebenfalls agonistisch.

Ferner ist zu bemerken, dass die erhobenen Patch-Clamp-Daten mit den Befunden aus den Bindungsstudien in den wichtigsten Punkten korrelieren. Die potentesten Verbindungen in den Bindungsstudien besitzen auch die stärksten Effekte im funktionellen Test. Lediglich in Detailfragen, wie dem Einfluss der Substitutionsposition der N-Methyl-piperidinyl-carbamate 68-73 auf die Substanz-eigenschaften, ist eine Korrelation der Ergebnisse der beiden Methoden aufgrund der verwendeten unterschiedlichen Gewebe und nicht zuletzt aufgrund der geringen Datenmenge der Patch-Clamp-Versuche kaum feststellbar.

Um eine genauere Struktur-Wirkungsbeziehung der Carbamate an neuronalen nAChR Subtypen zu postulieren, reichen die während des Auslandsaufenthaltes in Japan erhobenen Daten bei weitem nicht aus. Eine exakte Evaluierung der antagonistischen Wirkung der Phenylcarbamate mit der unter „Antagonisten am Subtyp α4β2“ beschriebenen Methode wäre genauso erforderlich, wie die Ermittlung der Effekt-Konzentrationsabhängigkeit in der Untersuchung auf Agonismus.