Funktionen der purinergen Rezeptoren

1.1 Die möglichen physiologischen Quellen von Nukleotiden und Nukleosiden

ATP und andere beschriebene Nukleotide behandeln sowohl metabotrope (P2Y) als auch ionotrophe (P2X) Rezeptoren. Die Untereinheiten der P2X-Rezeptoren (P2X1-P2X7) bilden ligandengesteuerte Kationenkanäle als Homomultimere oder Heteromultimere. Die P2X3-Untereinheiten tragen zum Ionenpermeabilitätsweg bei, indem sie die Felder der einzelnen Untereinheiten verbinden. P2X3R hat die niedrigste gemessene relative Ca2+-Durchlässigkeit der Familie. P2X7 wird zusätzlich zu den Kationenkanälen mit großen zytolytischen Poren in Verbindung gebracht, die in Makrophagen und Mikrogliazellen des Gehirns zu finden sind. P2Y-Rezeptoren können die Adenylatzyklase aktivieren oder hemmen, je nach Subtyp und folglich der Art des gekoppelten G-Proteins. Adenylatzyklase und insbesondere für die Ca2+-Kanalhemmung erscheint. P2Y-Rezeptoren bilden eine Untergruppe der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren; die meisten verbinden sich über das G-Protein mit der Phospholipase C, aber es kommt auch zur Hemmung der Adenylatzyklase und der Ca2+-Kanäle vom N-Typ sowie zur Aktivierung von K+-Kanälen. Die exprimierten P2Y-Rezeptoren werden im Allgemeinen pharmakologisch durch die Rangfolge der Agonisten unterschieden; einige bevorzugen Pyrimidin gegenüber Purin. Mehrere P2Y-Rezeptoren haben eine sehr häufige Gewebeverteilung. Die Molekularstrukturen von ATP und BzATP sind in Abbildung 1 dargestellt.

Adenin-Nukleotide hemmen die Isoproterenol- und Forskolin-induzierte zyklische AMP-Akkumulation in C6-2B-Ratten-Gliomzellen. Diese Hemmung erfolgt in Anwesenheit eines Phosphodiesterase-Inhibitors. Adenin-Nukleotide hatten keine Auswirkungen auf die Messung der direkten Phosphodiesterase-Aktivität in intakten Zellen. Die Vorbehandlung von C6-2B-Gliomzellen mit Pertussis-Toxin blockierte die hemmende Wirkung von P2Y-purinergen Rezeptor-Agonisten. Eine Reihe von ATP- und ADP-Analoga ergaben eine Rangfolge der Potenz (2-Methylthioadenosin-5′-triphosphat> oder = 2-Methylthioadenosin-5′-diphosphat > Adenosin-5′-O-(2-Thiodiphosphat) > 2-Chlor-Adenosin ADP = Adenosin 5′-O-(3-Thio-Triphosphat) > ATP > UTP) von einer P2Y-purinergen Rezeptoraktivierung erwartet; und die P2X-purinergen Rezeptor-Agonisten alpha,beta-Methylenadenosin-5′-triphosphat und beta,gamma-Methylenadenosin-5′-triphosphat hatten keine Wirkung. Die Phospholipase-C-Aktivität tritt als Reaktion auf die Aktivierung von P2-purinergen Rezeptoren in vielen Zielgeweben auf, daher wurden die Auswirkungen von P2Y-Rezeptor-Agonisten auf die Inositphosphat-Akkumulation in C6-2B-Zellen gemessen. Unter den Bedingungen, unter denen die Aktivierung des muskarinischen cholinergen Rezeptors oder von AIF4 die Inositolphosphat-Akkumulation erhöhte, wurden keine Hinweise auf eine durch den Inositol-Lipid-Stoffwechsel vermittelte Regulierung des P2Y-purinergen Rezeptors gefunden. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass auf den C6-2B-Gliomzellen der Ratte ein P2-purinerger Rezeptor-Subtyp mit unterschiedlichen Signalcharakteristika vorhanden ist. Obwohl dieser Rezeptor die allgemeinen pharmakologischen Eigenschaften eines Phospholipase C-verknüpften P2Y-purinergen Rezeptors aufweist, stellt er möglicherweise einen einzigartigen Rezeptor-Subtyp dar, da er die Adenylylcyclase hemmt.

Man ging davon aus, dass Purine auf das intrazelluläre Kompartiment beschränkt sind, in dem sie für die Energieverarbeitung, die Nukleinsäuresynthese und eine große Zahl biochemischer Reaktionen verwendet werden. Karl Lohmann isolierte 1929 das ATP, das die wichtigste intrazelluläre Energiewährung darstellt. Adenosin und Adenosintriphosphat sind jedoch (i) reichlich vorhandene biochemische Komponenten der Tumormikroumgebung, (ii) starke Modulatoren der Immunzellreaktionen und der Zytokinfreisetzung und (iii) Schlüsselakteure in der Wirt-Tumor-Interaktion. Darüber hinaus beeinflussen beide Nukleotide direkt das Wachstum von Tumorzellen. Adenosin ist ein starkes Immunsuppressivum (hauptsächlich wirksam an A2A-Rezeptoren) und ein Zellwachstumsmodulator (hauptsächlich wirksam an A3-Rezeptoren). ATP ist ein entzündungsförderndes Mittel (wirksam an P2Y1-, P2Y2-, P2Y4-, P2Y6- und P2Y12- sowie an P2X4- und P2X7-Rezeptoren), ein Immunsuppressivum (wirksam an P2Y11) und ein Wachstumsförderer (wirksam an P2Y1, P2Y2 und P2X7). Dieses komplexe Signalnetzwerk erzeugt eine Reihe von hemmenden und stimulierenden Reaktionen, die die Funktion der Immunzellen, das Tumorwachstum und die Ausbreitung von Metastasen beeinflussen.

Purinerge Rezeptoren, die von vielen Familien vertreten werden, sind die am häufigsten vorkommenden Rezeptoren in lebenden Organismen, die möglicherweise schon in den frühen Stadien der Evolution auftraten. Die purinerge Signalübertragung im peripheren und zentralen Nervensystem ist ein schnell wachsendes Gebiet. Die Untersuchung dieser Rezeptoren ermöglicht die Entwicklung therapeutischer Strategien für diese Störungen mit neuartigen Wirkmechanismen, einschließlich purinerger, pathogener Zustände wie Schmerz, Trauma, Ischämie, Epilepsie, Migräne, psychiatrische Störungen und Drogenabhängigkeit.

In mikromolaren/nanomolaren Konzentrationen hat sich gezeigt, dass extrazelluläres Adenosintriphosphat (ATP) signifikante funktionelle Veränderungen in einer Vielzahl normaler und transformierter Zelltypen bewirkt. Obwohl ATP spezifisch aus dem Zytosol geschädigter Zellen freigesetzt werden kann, ist es auch in einigen exozytotischen Vesikeln/Granula verpackt, die herkömmliche Neurotransmitter und Hormone enthalten. Verschiedene biologische Reaktionen auf ATP werden durch verschiedene P2-purinerge Zelloberflächenrezeptoren vermittelt, die durch die Bindung von ATP und anderen Nukleotiden aktiviert werden. Neuere physiologische, biochemische und pharmakologische Studien haben gezeigt, dass es mehrere Subtypen von ATP-Rezeptoren gibt. Dazu gehören: (1) G-Protein-gebundene ATP-Rezeptoren, die Inositol-Phospholipid-Hydrolyse, Ca2 +-Mobilisierung und Aktivierung der Proteinkinase C induzieren; (2) ATP-Rezeptoren, die direkt nicht-selektive Kationenkanäle in Plasmamembranen verschiedener Zelltypen aktivieren, und (3) ATP-Rezeptoren, die in der Lage sind, zytotoxische oder Aktivierungsreaktionen in T-Lymphozyten und anderen Immuneffektorzellen durch rasche Induktion von Oberflächenmembranporen hervorzurufen, die für Ionen und endogene Metaboliten durchlässig sind (mit Molekulargewichten bis 900 Da). Zusätzlich zu diesen funktionellen Kriterien können diese Standard-ATP-Rezeptor-Subtypen pharmakologisch durch eine charakteristische Potenz für verschiedene strukturell modifizierte ATP-Analoga unterschieden werden.

Intrazelluläre Nukleotide spielen eine grundlegende und allgegenwärtige Rolle im Energiestoffwechsel, bei der Nukleinsäuresynthese und der Enzymregulation. Es ist allgemein bekannt, dass extrazelluläre Nukleotide und Nukleoside in vielen Geweben und Zellen wichtige biologische Wirkungen entfalten. GLUTs (erleichtern den Transport von Glukose in die Zellen), SGLTs (erleichtern die Rückresorption von Glukose in den Kreislauf) und KATP (ATP-empfindliche Kaliumkanäle) spielen eine wichtige Rolle bei der Glukosehomöostase und dem Glukosestoffwechsel im Körper und in vielen spezifischen Organen (z. B.,

KATP-Kanäle verbinden Stoffwechselsignale mit der Erregbarkeit von Zellen und spielen in vielen Geweben eine wichtige Rolle, unter anderem bei der Regulierung der Insulinsekretion, der Kontrolle des Gefäßtonus und dem Schutz von Neuronen und Muskeln vor Ischämie. KATP-Kanäle sind oktamere Komplexe, die aus vier Sulfonylharnstoffrezeptoren (SUR.x) und vier inwardly rectifying potassium channels (Kir6.x) bestehen. Sie werden durch intrazelluläres ATP und ADP reguliert. Während ATP die Kanalaktivität hemmt, hebt ADP die hemmende Wirkung von ATP in Gegenwart von Mg2+ auf und stimuliert die Kanalaktivität. Diese Gate-Eigenschaften sind für diesen Kanal wesentlich, um metabolische Veränderungen in Zellen zu erkennen. So steigt in β-Zellen der Bauchspeicheldrüse das /-Verhältnis als Reaktion auf einen Anstieg des Blutzuckerspiegels an, was zur Schließung des KATP-Kanals, zur Depolarisierung der Membran, zur Aktivierung spannungsabhängiger Ca2+-Kanäle und zur Insulinfreisetzung führt. Wenn der Blutzuckerspiegel jedoch niedrig ist, sinkt das / -Verhältnis, die KATP-Kanäle werden geöffnet und die Insulinausschüttung nimmt ab.

Die katastrophalen Kanäle in der Bauchspeicheldrüse werden wie folgt aktiviert; wenn der Glukosespiegel in der β-Zelle steigt, erhöht sich auch das intrazelluläre Verhältnis von ATP zu ADP, was zum Schließen des KATP-Kanals, zur Depolarisierung der Zellen und zur Insulinfreisetzung führt.

Man nimmt an, dass der P-empfindliche K′(K + )-Strom durch GTP-bindende Proteine (G-Proteine) reguliert wird, aber die Wege, die Rezeptor, G-Protein und Kanal verbinden, sind nicht identifiziert. Die Regulierung des Tolbutamid-empfindlichen K′-Stroms in neonatalen ventrikulären Myozyten der Ratte wird bestimmt. Aktivierte ATP-empfindliche K + (K + )-Kanäle sind in Zellen vorhanden, wenn der intrazelluläre ATP-Spiegel sinkt. Sie sind vorhanden, wenn der intrazelluläre ATP-Spiegel in der Zelle, im Skelettmuskel, im Gehirn und in der Bauchspeicheldrüse reduziert ist. Über die Funktion der K+-Kanäle in Herzzellen ist wenig bekannt, obwohl ihre wichtige Rolle bei der Kontrolle der Insulinsekretion aus den P-Zellen der Bauchspeicheldrüse gut bekannt ist. Wenn diese Kanäle pharmakologisch aktiviert werden, verkürzen sie die Dauer des Aktionspotenzials erheblich, und es wurde vorgeschlagen, dass sie für die Verkürzung des Aktionspotenzials in metabolisch gefährlichen ischämischen Muskeln verantwortlich sind. Die ATP-Konzentration in der metabolisch blockierten Kaste bleibt jedoch über dem Niveau, das die Kanäle in den exzidierten Membranflecken verhindert. Eine mögliche Erklärung für diese Diskrepanz ist, dass die ATP-Empfindlichkeit der Kanäle durch intrazelluläre Mechanismen moduliert werden kann.

ATP-responsive K+-Kanäle, so genannte KATP-Kanäle, stellen eine Verbindung zwischen dem zellulären Stoffwechsel und der elektrischen Membranaktivität in verschiedenen Geweben her. Die Kanal-Isoformen sind Ziele für Verbindungen, die ihre Aktivität stimulieren und hemmen, was zu einer Hyperpolarisierung bzw. Depolarisierung der Membran führt. Die glatte Muskulatur der Gefäße und die Stimulierung der Insulinsekretion sind Beispiele für die oben genannten Situationen. Es wurde berichtet, dass Adenosin-Agonisten und die Öffner des ATP-sensitiven Kaliumkanals (KATP) die Infarktgröße (IS) begrenzen. ATP-empfindliche Kaliumkanäle (KATP-Kanäle) sind im Herzen, im Skelett und in der glatten Muskulatur, in den Zellen der Bauchspeicheldrüse, in der Hypophyse und im zentralen und peripheren Nervensystem sowohl elektrophysiologisch als auch pharmakologisch gut definiert. Die Aktivitäten und damit die verschiedenen zellulären Funktionen werden durch den zellulären Stoffwechsel gesteuert. Im Allgemeinen geht man davon aus, dass die Veränderungen von ATP (das die Schließung des Kanals bewirkt) und von MgADP (das den Kanal aktiviert) einen doppelten Einfluss auf die Kanalaktivität haben 6. Es wird beschrieben, dass die zelluläre Lokalisierung von zwei mRNA-Transkripten, die ATP-empfindliche K+-Kanäle im Mäusegehirn erzeugen, zu erwarten ist. Es gibt Hinweise darauf, dass der KATP-Kanal in Pankreaszellen aus einem Kir6.2 und einem Komplex von SUR1-Untereinheiten besteht. KATP-Kanäle mit ähnlichen Merkmalen (Typ I) wurden in verschiedenen Neuronen beschrieben, darunter in der Hirnrinde, der Basis nigra, dem Caudat und dem Hippocampus.

Fast alle Tumorzellen und alle Immunzellen exprimieren Plasmamembranrezeptoren für extrazelluläre Nukleoside (Adenosin) und Nukleotide (ATP, ADP, UTP, UDP und Zucker-UDP). Die Mikroumgebung von Tumoren ist durch eine ungewöhnlich hohe Konzentration von ATP und Adenosin gekennzeichnet. Adenosin ist eine wichtige Determinante der immunsuppressiven Tumorumgebung. Die serielle Hydrolyse von extrazellulärem ATP, die durch CD39 und CD73 katalysiert wird, ist der Hauptweg für die Adenosinbildung im Tumorinterstitium. Extrazelluläres ATP und die Adenosinbildung sind sowohl eine Reaktion des Wirts als auch des Tumors. Je nach aktiviertem spezifischem Rezeptor vermitteln extrazelluläre Purine auf der Wirtsseite Immunsuppression oder Immunstimulation und auf der Tumorseite Wachstumsstimulation oder Zytotoxizität. Jüngste Entwicklungen auf diesem Gebiet liefern den Schlüssel zur Entschlüsselung dieses komplexen Szenarios, indem sie die potenziellen Vorteile einer Therapie nutzen. Präklinische Daten deuten darauf hin, dass die Beeinflussung des Adenosin-produzierenden Signalwegs oder der adenosinergen Rezeptoren die Immunsuppression abschwächt und das Tumorwachstum stark hemmt. Andererseits wird das Wachstum von experimentellen Tumoren stark gehemmt, indem der Rezeptor für P2X7 ATP selektiv auf Krebs- und Immunzellen ausgerichtet wird. Die Rolle der extrazellulären Purine (purinerge Signalübertragung) spielt bei der Interaktion zwischen Wirt und Tumor eine Rolle und zeigt neue Behandlungsmöglichkeiten auf, die sich aus den jüngsten Fortschritten ergeben. Es besteht inzwischen ein Konsens darüber, dass ATP und Adenin die Hauptbestandteile der Tumormikroumgebung (TME) sind, wobei die TME das Tumorwachstum, die Funktionen der Immunzellen und die Tumor-Wirt-Interaktion auf unterschiedliche Weise beeinflusst. Angesichts der weit verbreiteten Beobachtung, dass viele bösartige Tumore mehrere P1R- oder P2R-Subtypen überexprimieren, würde ein einfacher Ansatz darin bestehen, diese Rezeptoren mit selektiven Rezeptoren anzugreifen, um das Wachstum der Tumorrezeptoren zu unterdrücken. Auf der gleichen Störungslinie werden die Enzyme betrachtet, die am Metabolismus extrazellulärer Nukleotide und Nukleoside beteiligt sind (CD39, CD73 und Adenosin-Desaminase). Obwohl die Wirksamkeit mehrerer einfacher präklinischer Modelle erwiesen ist, ist dieser einfache Ansatz eindeutig sehr rein. P1Rs, P2Rs und ATP/Adenosin-disruptive Enzyme werden zusammen mit immunstimulatorischen und Stromazellen des Wirts exprimiert, die sehr wichtige Funktionen für die Bildung des integrierten Wirtskomplexes um den Tumor haben. Eine sorgfältige Auswahl des purinergen Rezeptor-Kandidaten in Kombination mit Modulatoren extrazellulärer adenosinerger Signalwege könnte eine Hemmung des Tumorzellwachstums ermöglichen und gleichzeitig die Anti-Tumor-Wirtsantwort verstärken. Dieses Anti-Krebsmittel wird eine zusätzliche wirksame Waffe für kombinierte Behandlungen darstellen.

Nukleotide und ihre Rezeptoren entwickeln sich zu potenziellen Akteuren in der Wirt-Tumor-Interaktion, wie z.B. neue und wichtige Entzündungs- und Immunmodulatoren. Eine große Anzahl von P2 und P1-Rezeptoren, die von Tumor- und Entzündungszellen exprimiert werden und unterschiedliche Ligandenaffinitäten für P2 und P1-Rezeptor-Subtypen aufweisen, werden durch lokale Faktoren moduliert, die von Ektonukleotiden und ADA auf die Nukleotid- und Adenosinkonzentration erhalten werden. In-vivo-Daten unterstützen die in-vitro-Beweise, dass die Verringerung der intratumoralen Adenosinkonzentration und die Ausrichtung auf den P2X7-Rezeptor eine starke antitumorale Wirkung haben. Daher eröffnet die Untersuchung der purinergen Signalübertragung bei Krebs vielversprechende Perspektiven für die Entwicklung innovativer Therapeutika.

Die purinerge Signalübertragung hat sich auf die tumorassoziierte Immunantwort konzentriert; Nukleotide und Nukleoside haben starke direkte Auswirkungen auf die Tumorzellen selbst. Die Stimulierung von P2Y-Rezeptoren (P2Y1 und P2Y2) fördert das Wachstum, so dass je nach den exprimierten P2Y-Rezeptor-Subtypen die Anhäufung von ATP in der Mikroumgebung des Tumors wahrscheinlich das Tumorwachstum fördert. Neben den P2Y-Rezeptoren spielt auch P2X7 eine Rolle beim Tumorwachstum. Es ist seit langem bekannt, dass die meisten bösartigen Tumoren P2X7 überexprimieren. Es ist bekannt, dass dieser Rezeptor eine starke zytotoxische Reaktion auslöst. Daher ist die Frage, warum ein Tumor einen „Selbstmord“-Rezeptor überexprimieren sollte. Die Zytotoxizität wird jedoch in der Regel durch pharmakologische (d.h. nahezu millimolare) ATP-Dosen ausgelöst. Im Gegensatz dazu bewirkt die Aktivierung von P2X7 durch endogen freigesetztes ATP eine trophische, wachstumsfördernde Wirkung.

Nukleotide und Nukleoside in der Oberflächenflüssigkeit der Atemwege regulieren die Aktivitäten der mukoziliären Clearance (MCC), des primären natürlichen Abwehrmechanismus, der Fremdpartikel und Krankheitserreger von der Oberfläche der Atemwege entfernt. Diese Wirkungen in den Atemwegen werden hauptsächlich durch zwei purinerge Rezeptorsubtypen vermittelt, den Gq-gekoppelten ATP/UTP-sensing P2Y2-Rezeptor und den Gs-konjugierten A2b-Adenosinrezeptor. Die Aktivierung des A2b-Rezeptors führt zu einer von zyklischem AMP abhängigen Aktivierung des Cın1-Kanals des Mukoviszidose-Transmembranregulators (CFTR) und zur Stimulierung der ziliaren Pulsfrequenz. Die Agonistenaktivierung des P2Y2-Rezeptors fördert die Hemmung der CFTR-abhängigen und CFTR-unabhängigen Cl-Sekretion, des Ziliarklopfens und der Muzinsekretion sowie der Na+-Absorption.

Das Phänomen des Prozesses zeigt die Beteiligung einer biologischen Kaskade. In diesem Zusammenhang ahmen Adenosin-Agonisten und ATP-sensitive K+-Kanal-Öffner (KATP) einige schützende Effekte des Präkonditionierungsprozesses nach. Darüber hinaus werden diese Wirkungen durch Adenosin-Antagonisten und KATP-Blocker aufgehoben; dies deutet darauf hin, dass die Freisetzung von Adenosin und die Aktivierung von KATP-Kanälen durch Adenosin-A-Rezeptoren einen frühen Schritt in der ischämischen zerebralen Präkonditionierung darstellen kann.

Die Aktivierung des Adenosinrezeptors, der Proteinkinase C (PKC) und des ATP-sensitiven Kaliumkanals (KATP) ist dafür bekannt, die Präkonditionierung auszulösen. Die Daten liefern den direkten Beweis, dass der KATP-Kanal und nicht der Adenosinrezeptor der Effektor ist, der der PKC nachgeschaltet ist und die PKC-vermittelte Präkonditionierung auslöst. Sowohl der Adenosinrezeptor als auch der KATP-Kanal sind erforderlich, um die eigentliche Schutzwirkung bei anhaltender Hypoxie zu fördern. Die Möglichkeit einer Verbindung der biologischen Stufe des schützenden Ereignisses, an der Adenosin-A1-Rezeptoren und KATP-Kanäle beteiligt sind und die mit der Kreuztoleranz zwischen KA-induzierter epileptischer Toleranz oder KA-induzierter Epilepsie und globaler Ischämie verbunden ist, wird bewertet.