Mechanisms and therapeutic implications of impaired sensory neuron opioid receptor expression, coupling and function in streptozotocin-induced diabetes
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Ansprechbarkeit auf Opioide und damit ihre analgetische Wirksamkeit scheinen bei verschiedenen Krankheitszuständen unterschiedlich reguliert zu sein, insbesondere im Ausbreitungsgebiet primär sensorischer Neurone, deren spinale und periphere Nervenendigungen zur Entstehung und Transmission schmerzhafter Impulse beitragen. Im Unterschied zur schmerzhaften Entzündung, bei der wir eine vermehrte Anzahl, G Protein Kopplung und analgetische Wirksamkeit von Mu-Opioidrezeptoren (MOR) sensorischer Neurone gezeigt haben, untersuchte dieses Projekt die möglichen zugrunde liegenden Mechanismen eines Verlustes der analgetischen Wirksamkeit von Opioden bei Vorliegen einer schmerzhaften diabetischen Neuropathie. Im Gegensatz zu bisherigen Studien, die kontroverse Ergebnisse auf der Ebene des Gehirns oder Rückenmarks diskutierten, haben wir unser Interesse auf mögliche Veränderungen der MOR-Expression, -Kopplung und Signalkaskade primär sensorischer Neurone fokussiert, zumal die diabetische Neuropathie eine Erkrankung des peripheren Nervensystems ist. Die wesentlichen Ergebnisse dieses Projektes zeigten, dass im Rattenmodell des Streptozotocin (STZ)-induzierten Diabetes mellitus es zu einer selektiven Destruktion Insulin produzierender ß-Zellen des Pancreas mit erhöhten Blutzuckerwerten, einer Polydypsie und Polyurie, sowie einer mechanischen Allodynie kam. Die analgetische Wirksamkeit eines lokal verabreichten Mu-Opioidagonisten war signifikant reduziert. In Kooperation mit Prof. Christian Zöllner unterstützten Patch-Clamp-Experimente an akut dissoziierten Spinalganglienzellen, dass die Inhibition der TRPV1-Aktivität sensorischer Neurone durch Mu-Opioidagonisten in diabetischen Tieren signifikant reduziert waren. Als mögliche Ursache zeigte sich eine signifikante Reduktion der MOR-Immunreaktivität, der membranständigen MOR-Bindungsstellen sowie ihrer funktionellen G Protein Kopplung. In Zusammenarbeit mit Prof. Mehdi Shakibaei ergaben elektronmikroskopische Untersuchungen deutliche Hinweise einer MOR Akkumulation in „Multivesicular Body- und Lyssome-like Structures“ von Spinalganglienzellen diabetischer Tiere. Übereinstimmend zeigte sich eine ausgeprägte Kolokalisation von MOR mit Markern des lysosomalen Abbauwges, z.B. LAMP-1 und Rab7. Die intrathekale Gabe von Rab7 spezifischer siRNA – entsprechend der Beratung mit Prof. Tony Shippenberg – führte zu einer Herunterregulation der erhöhten Rab7-Expression in Spinalganglein diabetischer Tiere. Hierdurch kam es zu einer signifikanten Umkehrung der beschriebenen pathologischen Veränderungen. In Kooperation mit Prof. Rainer Hellweg konnte gezeigt werden, dass die Konzentration an Nervenwachstumfaktor (NGF) in Spinalganglien diabetischer Tiere signifikant reduziert war, ihre Normalisierung durch intrathekales NGF eine Reduktion der erhöhten Rab7-Expression bewirkte und dieses einen Verlust der analgetischen Opioidwirksamkeit verhinderte. In weiteren Untersuchungen ergab sich, dass auch die zentralwärts, präsynaptisch gelegenen MOR im Rückenmark diabetischer Tiere reduziert und durch NGF der Verlust der analgetischen Wirksamkeit spinaler Opioide verhindert werden konnte. Unsere Ergebnisse zeigen die erste systematische Untersuchung der zugrunde liegenden Mechanismen eines Opioidwirkungsverlustes von primär sensorischen Neuronen bei der schmerzhaften diabetischen Neuropathie. Ebenso ist dies der erste in vivo Nachweis einer vermehrten Einschleusung von MOR in den lysosomalen Abbauweg. Weitere Ergebnisse, die in zukünftigen Veröffentlichungen Eingang finden, zeigen eine vermehrte MOR-Phosphorylierung und –Internaliserung als Vorstufe des lysosomalen Abbaus. Diese Erkenntnisse bieten einen neuen Einblick in die Regulation der Ansprechbarkeit und damit analgetischen Wirksamkeit von Opioiden in Abhängigkeit von unterschiedlichen Krankheitsprozessen (wie z.B. Arthritis, Tumor, Neuropathie) und ermöglichen neue therapeutische Anreize für eine verbesserte Opioidwirksamkeit.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Recruitment of opioid peptide-containing neutrophils is independent of formyl peptide receptors. J Neuroimmunol 2011, 230(1-2):65-73
Hackel D, Stolz A, Mousa SA, Brack A, Rittner HL
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Impaired nociception and and peripheral opioid antinociception in mice lacking both kinik B1 and B2 receptors. Anesthesiology 2012, 116:448-57
Cayla C, Labuz D, Machelska H, Bader M, Schäfer M, Stein C
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Mitogen-activated protein kinase activation by nerve growth factor in primary sensory neurons up-regulates mu-opioid receptors to enhance opioid responsiveness towards better pain control. Anesthesiology 2012, 116:1323-34
Yamdeu RS, Shaqura M, Mousa SA, Schäfer M, Droese J
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Modulation of tight junction proteins in the perineurium to facilitate peripheral opioid analgesia. Anesthesiology 2012, 116:1323-34
Rittner HL, Amasheh S, Moshourab R, Hackel D, Yamdeu RS, Mousa SA, Fromm M, Stein C, Brack A
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Rab7 silencing prevents Mu-opioid receptor lysosomal targeting and rescues opioid responsiveness to strengthen diabetic neuropathic pain therapy. Diabetes 2012, Dec 10. [Epub ahead of print]
Mousa SA, Shaqura M, Khalefa BI, Zöllner C, Schaad L, Schneider J, Shippenberg TS, Richter J, Hellweg R, Shakibaei M, Schäfer M
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Relative contributions of peripheral versus supraspinal or spinal opioid receptors to the antinociception of systemic opioids. Eur J Pain 2012, 16(5):690-705
Khalefa BI, Shaqura M, Al-Khrasani M, Fürst S, Mousa SA, Schäfer M
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Transient opening of the perineural barrier for analgesic drug delivery. Proc Natl Acad Sci USA 2012, 109:E2018-27
Hackel D, Krug SM, Sauer RS, Mousa SA, Böcker A, Pflücke D, Wrede EJ, Kistner K, Hoffmann T, Niedermirtl B, Sommer C, Bloch L, Huber O, Blasig IE, Amasheh S, Reeh PW, Fromm M, Brack A, Rittner HL
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Opioid withdrawal increases transient receptor potential vanilloid 1 activity in a protein kinase A-dpendent manner. Pain 2013, Jan 11
Spahn V, Fischer O, Endres-Becker J, Schäfer M, Stein C, Zöllner C
