Wirkung adrenerg und cholinerg funktionalisierter Goldnanopartikel an G-Protein-gekoppelten Rezeptoren

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren sind die größte Rezeptorfamilie des Menschen und an der Steuerung wichtiger physiologischer Funktionen beteiligt. Daher greift eine Vielzahl von Medikamenten an G-Protein-gekoppelten Rezeptoren an. Nanopartikel (NPs), die aktuell ein großes Interesse in der biomedizinischen Forschung erfahren, können mit Liganden dieser Rezeptoren funktionalisiert werden. Die funktionalisierten Nanopartikel können im Vergleich zur „klassischen“ Applikationsform von pharmakologisch wirksamen Einzelmolekülen zu einer verbesserten Wirksamkeit, einem besseren Transport von Wirkstoffen über biologische Barrieren und möglicherweise einer Reduktion der Nebenwirkungen führen. In meinem Projekt wurde neben Carbachol-, Adrenalin- bzw. Noradrenalin-funktionalisierten Goldnanopartikeln auch die Wirkung von Goldnanopartikeln, welche mit dem muskarinergen Rezeptorantagonisten Atropin funktionalisiert waren, untersucht. Ziel meiner Arbeit war dabei, herauszufinden, ob die biofunktionalisierten Goldnanopartikel an typischen Zielgeweben mit adrenergen oder cholinergen Rezeptoren wirksam sind.
Die adrenerg funktionalisierten NPs waren in der Lage, am Kolonepithel, das mehrere Subtypen von β-Rezeptoren exprimiert, eine K+-Sekretion auszulösen. Experimente an isolierten Kardiomyozyten ergaben, dass sie in der Lage sind, β1-Rezeptoren zu stimulieren, wodurch sie an den Herzmuskelzellen die Inotropie steigern (hemmbar durch den β1-Rezeptorblocker Atenolol). Glattmuskuläre β2-Rezeptoren, die therapeutisch bei der Behandlung des Asthma bronchiale einen zentralen Angriffspunkt darstellen, werden von Adrenalin- oder Noradrenalin-funktionalisierten Goldnanopartikeln allerdings nicht stimuliert, wie Organbad-Versuche zur Messung der isometrischen Kraftentwicklung von isolierten Tracheal- und Bronchialringen zeigten. Eine Bronchodilatation durch Atropin-funktionalisierte NPs war hingegen durch subnanomolare Konzentrationen dieser Partikel möglich.
Um die Passagefähigkeit durch das Darmepithel, die eine entscheidende Voraussetzung für eine orale Bioverfügbarkeit der NPs wäre, zu untersuchen, wurden zwei Ansätze gewählt. Dabei wurde bestimmt, ob Atropin-NPs nach mukosaler Applikation Muskarinrezeptoren auf der basolateralen Membran von Epithelzellen bzw. auf der glatten Muskulatur der Tunica muscularis hemmen können. In der Tat verminderten mit Atropin funktionalisierte NPs zeitabhängig sowohl die durch das stabile Acetylcholinderivat Carbachol ausgelöste Cl--Sekretion als auch Kontraktionen, die durch Stimulation cholinerger Neurone des enterischen Nervensystems (ausgelöst durch elektrische Feldstimulation) induziert wurden. Die systematische Variation des Goldkerndurchmessers im Bereich von 8 bis 16 nm in 1 bis 2 nm großen Schritten ergab eine glockenförmige Abhängigkeit der Hemmwirkung von Atropin-NPs an Muskarinrezeptoren mit einem Optimum zwischen 12 und 14 nm. Der Nachweis von Goldnanopartikeln in transmissionselektronenmikroskopischen Untersuchungen nach Inkubation von Zellen mit den Nanopartikeln spricht dafür, dass die funktionalisierten Nanopartikel wahrscheinlich per Endozytose in Zellen aufgenommen werden.
Eine massive Potenzierung im Sinne einer Steigerung der Affinität wurde – wie schon aus vorherigen Publikationen meiner Arbeitsgruppe aus Experimenten am Darmepithel bekannt – für Nanopartikel beobachtet, die mit Carbachol funktionalisiert worden waren. Sie induzierten in meinen Experimenten schon in pikomolaren Konzentrationen einen Anstieg der isometrisch gemessenen Muskelkraft intestinaler Längsmuskelpräparate und führten an isolierten Kolonkrypten zu einem Anstieg der zytosolischen Ca2+-Konzentration, der zeitlich gesehen deutlich stabiler ausfiel als derjenige, der durch natives Carbachol ausgelöst wurde.
Die Ergebnisse meines Projekts zeigen, dass cholinerg und adrenerg funktionalisierte Goldnanopartikel an den adressierten G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (wenn auch nicht an allen, wie im Fall von β2-Rezeptoren) abhängig von ihrem Durchmesser wirksam sind. Sie sind außerdem in der Lage, zeitabhängig das Darmepithel zu passieren. Damit erfüllen sie prinzipielle Voraussetzungen für die weitere Prüfung ihrer Anwendungsmöglichkeit z.B. zur Behandlung von Erkrankungen des Gastrointestinal- oder des Respirationstrakts. G protein-coupled receptors are the largest receptor family in humans and are involved in the regulation of many physiologically important functions. Thus, many drugs target these receptors. Nanoparticles (NPs) which have gained massive attention in the biomedical field during the last years can be functionalized with ligands of G protein-coupled receptors. Compared to “classical” single molecules, nanoparticles which are functionalized with these molecules can improve their efficacy, transport them over biological barriers and may reduce their side effects. For my project, gold nanoparticles were functionalized with carbachol, adrenaline, noradrenaline and additionally with the muscarinic receptor antagonist atropine. The aim of my project was to find out whether biofunctionalized gold NPs are effective at adrenergic or cholinergic receptors in pharmacologically interesting tissues.
Adrenaline functionalized NPs induced a K+ secretion at the distal colon, which expresses several subtypes of β adrenoceptors. Contractility studies with isolated cardiomyocytes revealed that the adrenergic NPs enhance the inotropy of cardiac muscle cells by stimulating β1 receptors (which was inhibited by the β1 specific antagonist atenolol). Muscular β2 receptors, which are targeted to relax the airways in obstructive lung diseases, are not stimulated by adrenaline or noradrenaline functionalized gold NPs. In contrast, atropine-functionalized NPs could relax respiratory smooth muscle cells in subnanomolar concentrations.
For a possible oral application of the NPs, the bioavailability after oral administration is very important. Thus, atropine-functionalized NPs were applied at the mucosal side of the jejunum and I investigated whether they can inhibit muscarinic receptors on the basolateral side of epithelial cells or on smooth muscle cells of the tunica muscularis. Indeed, the atropine-NPs did reduce the intestinal Cl- secretion induced by the stable acetylcholine derivative carbachol as well as contractions which were evoked by electric stimulation of cholinergic neurons of the enteric nervous system. Both, the intestinal Cl- secretion and contractions were inhibited in a time-dependent manner suggesting delayed passage of the NPs across the intestinal epithelium. Atropine-functionalized NPs were synthesized with diameters between 8 and 16 nm in 1 to 2 nm size steps. I found out that 12 to 14 nm sized NPs were most effective to inhibit the carbachol-induced Cl--secretion, while smaller or larger NPs were less effective. Transmission electron microscope images revealed that NPs can be internalized into cells via endocytosis, suggesting that the NPs crossed the intestinal epithelium through transcytosis.
A massive potentiation, i.e. an increase of the affinity towards the receptors was observed for carbachol-functionalized gold nanoparticles in previous studies of my work group. In my experiments, picomolar concentrations of carbachol-functionalized gold nanoparticles led to an increase of isometric muscle force of intestinal smooth muscle segments and a rise of the cytosolic Ca2+ concentration. This increase of the cytosolic Ca2+ concentration was more stable compared to the one stimulated by native carbachol.
The results of my project show that cholinergic and adrenergic functionalized gold nanoparticles can bind to their respective G protein-coupled receptors (except for β2 receptors). These receptor interactions are dependent on the diameter of the gold NPs. Moreover, the NPs cross the intestinal epithelium in a time-dependent manner. Therefore, the biofunctionalized NPs are suitable candidates for further studies to investigate whether they could be used as a treatment for gastrointestinal or respiratory diseases.