Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-3535
Authors: Firner, Matthias
Title: Sensibilisierung hitzeevozierter Ionenströme an nozizeptiven Spinalganglienneuronen der Ratte
Online publication date: 30-Jun-2006
Language: german
Abstract: Die freien Endigungen von Spinalganglienneuronen sind für die Detektion schmerzhafter Reize verantwortlich. Dabei rufen thermische, chemische oder mechanische Reize Ionenströme über die Membran und dadurch Membranpotentialänderungen hervor. Diese noxisch induzierten Ströme sind in großem Ausmaß durch chemische Substanzen und andere Reize modulierbar. Der Ionenkanal TRPV1 ist für die Detektion zahlreicher chemischer Reize und zumindest eines Teils der noxischen Hitzereize verantwortlich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden einige der Mechanismen geklärt, die zur schnellen Sensibilisierung hitzeevozierter Ionenströme führen. Hierfür wurden akut dissoziierte Spinalganglienneurone der Ratte als Modell ihrer peripheren Endigung verwendet und mittels Ganzzellableitung in der patch-clamp-Technik untersucht. Die Verwendung von Trypsin während der Präparation von Spinalganglienneuronen hat keinen funktionellen Einfluss auf hitze- oder capsaicininduzierte Ströme, verbessert aber die Untersuchungsbedingungen für das patch-clamp-Verfahren. Bei 144 akut dissoziierten Spinalganglienneuronen wurden die Stromantworten auf drei im Abstand von 40 s durch Überspülen mit 45,3 bis 46,3°C heißer Extrazellularlösung applizierte einsekündige Hitzereize gemessen. Dabei ließen sich repetitiv reproduzierbare hitzeinduzierte Einwärtsströme von etwa 160 pA erzielen; es konnte keine Tachyphylaxie und nahezu keine Inaktivierung beobachtet werden. Direkt vor dem zweiten Hitzereiz wurden die Neurone für zwei Sekunden mit Extrazellularlösung überspült, die Kontrolllösung, 0,5 μM Capsaicin, 10 μM Natriumnitroprussid oder 10 μM YC-1 enthielt. Es fand sich kein Hinweis, dass Stickstoffmonoxid oder die Guanylatzyklase einen signifikanten Beitrag zur Sensibilisierung von hitzeinduzierten Strömen in Spinalganglienneuronen leisten, wobei ein durch den Versuchsaufbau bedingtes Auswaschen zytosolischer Faktoren, die für den Signalweg notwendig sind, nicht ausgeschlossen werden kann. Bei einer Konzentration von 0,5 μM löst Capsaicin für zwei Sekunden einen sehr kleinen Einwärtsstrom von etwa 33 pA aus und führt innerhalb von zwei Sekunden zu einer schnell reversiblen Sensibilisierung von hitzeinduzierten Einwärtsströmen in Spinalganglienneuronen (p<0,01). Das Ausmaß der Sensibilisierung ist proportional zur Größe des capsaicininduzierten Stromes (r=−0,7, p<0,001). Konstant halten der intrazellulären Calciumkonzentration mittels des Calciumchelators BAPTA verhindert die capsaicininduzierte Sensibilisierung hitzeinduzierter Ströme an Spinalganglienneuronen. Demzufolge beruht die capsaicininduzierte Sensibilisierung trotz der schnellen Kinetik nicht auf einer synergistischen Wirkung der beiden Agonisten Capsaicin und Hitze auf ihren gemeinsamen Rezeptor; vielmehr ist sie von einer Erhöhung der intrazellulären freien Calciumkonzentration abhängig. Funktionelle Änderungen der zellulären Funktion werden häufig durch Proteinkinasen vermittelt. Die zur Gruppe der MAP-Kinasen gehörende ERK (extracellular signal related kinase) wird bei Membrandepolarisation und Calciumeinstrom in die Zelle durch MEK (MAPK/extracellular signal related kinase kinase) aktiviert. Blockade der MEK/ERK-Kaskade durch den spezifischen MEK-Hemmstoff U0126 führt ebenfalls zu einer Aufhebung der Sensibilisierung der Hitzeantworten durch Capsaicin. Applikation von Capsaicin führt innerhalb von zwei Sekunden zu einer schnell reversiblen Sensibilisierung hitzeevozierter Ionenströme an nozizeptiven Spinalganglienneuronen. Diese Sensibilisierung wird durch einen Calciumeinstrom in die Zelle und die dadurch eintretende Aktivierung von Proteinkinasen hervorgerufen. Die MEK/ERK-Kaskade ist ein sehr schnell (deutlich unter 2 s) aktivierbares intrazelluläres Signalsystem, welches bei der Regulation der Empfindlichkeit nozizeptiver Spinalganglienneurone eine entscheidende Rolle spielt; die schnelle Kinetik ist dabei nur durch eine membranständige oder zumindest membrannahe Lokalisation dieser Proteinkinasen erklärbar. Durch Applikation zehnsekündiger Hitzereize lässt sich ebenfalls eine Sensibilisierung hitzeevozierter Ionenströme auslösen, die ebenso ausgeprägt ist, wie die Sensibilisierung durch 0,5 μM Capsaicin (p<0,005). Durch das immer größere Verständnis der Funktionsweise des nozizeptiven Systems ergeben sich ständig neue Ansätze für die Entwicklung neuer Analgetika. So könnte durch Modulation spezifischer intrazellulärer Proteinkinasen der Phosphorylierungszustand und damit die Aktivierbarkeit von Ionenkanälen, die der Transduktion noxischer Reize dienen, positiv beeinflusst werden. Neuere, noch spezifischere Inhibitoren der MEK können der Forschung und später auch der Therapie neue Möglichkeiten eröffnen.
The free endings of dorsal root ganglion neurones are responsible for the detection of painful stimuli. Thermal, chemical and mechanical stimuli cause ionic currents across the cell membrane and thereby changes of the membrane potential. These noxic inducible currents can be modulated by chemical substances and other stimuli on a large scale. The ion channel TRPV1 is responsible for detecting many chemical and at least part of noxic thermal stimuli. The goal of this work was to clarify some of the mechanisms leading to fast sensitisation of heat-induced ionic currents. Therefor acutely dissociated dorsal root ganglion neurones of the rat were used as a model of their peripheral ending and were investigated using whole-cell patch clamp. The usage of trypsin during the preparation of dorsal root ganglion neurones has no functional influence towards heat- or capsaicin-induced currents, but greatly improves investigation conditions. The current responses of 144 acutely dissociated dorsal root ganglion neurones to three subsequent heat pulses lasting for one second, which were applied at 40 s intervals by overflowing with extracellular solution having a temperature of 45.3 to 46.3°C, were measured. Reproducible heat-induced currents of about 160 pA could repetitively be obtained; no tachyphylaxis and nearly no inactivation could be observed. Directly prior to the second heat stimulus, the neurones were superfused with extracellular solution containing control solution, 0.5 μM capsaicin, 10 μM sodium nitroprusside or 10 μM YC-1. There was no hint that nitric oxide or guanylyl cyclase contribute a significant part to the sensitisation of heat-induced currents in dorsal root ganglion neurones. However, a setup-related wash-out of cytosolic factors necessary for the signalling pathway cannot be excluded. Given for two seconds at a concentration of 0.5 μM, capsaicin triggers a very small inward current of about 33 pA and leads within two seconds to a quickly reversible sensitisation of heat-induced inward currents in dorsal root ganglion neurones (p<0,01). The amount of sensitisation is proportional to the capsaicin-induced current’s size (r=−0.7, p<0.001). Keeping the intracellular calcium concentration constant using the calcium chelator BAPTA prevented the capsaicin-induced sensitisation of heat-induced currents in dorsal root ganglion neurones. As a result, the capsaicin-induced sensitisation – despite its fast kinetics – is not based on a synergistic effect of the two agonists capsaicin and heat on their common receptor; it is rather dependent on an increase of free intracellular calcium ions. Functional changes of cellular function are often mediated by protein kinases. ERK (extracellular signal related kinase), belonging to the MAPK group of kinases, is being activated by MEK (MAPK/extracellular signal related kinase kinase) following membrane depolarisation and calcium influx into the cell. Blocking the MEK/ERK cascade using the specific MEK inhibitor U0126 likewise inhibits sensitisation of answers to noxic heat by capsaicin. Application of capsaicin causes within two seconds a quickly reversible sensitisation of heat-induced currents in dorsal root ganglion neurones. This sensitisation is caused by an influx of calcium ions into the cell and the thereby caused activation of protein kinases. The MEK/ERK cascade is a very quickly (clearly less than two seconds) activatable intracellular signalling pathway playing a vital role in the regulation of nociceptive neurones’ sensitivity. The fast kinetics are only explainable with a membrane-attached or at least near-membrane localisation of these kinases. Application of ten second lasting heat stimuli also triggers a sensitisation of heat-induced currents, which is as pronounced as the sensitisation caused by 0.5 μM capsaicin. The ever-increasing knowledge of the nociceptive systems functionality constantly yields new approaches for the development of new analgetics. By modulating specific intracellular protein kinases, the phosphorylation status and therewith the activatability of ion channels transducing noxic stimuli could be positively influenced. Newer, even more specific MEK inhibitors could provide new means for both science and therapy.
DDC: 610 Medizin
610 Medical sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 04 Medizin
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-3535
URN: urn:nbn:de:hebis:77-10014
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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