Paclitaxel induziert akute und chronische Alterationen in der intrazellulären Ca2+ Homöostase

Abstract

Im Rahmen der hier vorgestellten Arbeiten wurde eine bisher unbekannte Interaktion zwischen dem Inositol-1,4,5-triphosphat - Rezeptor (InsP3R) und dem Calcium (Ca2+) bindenden Protein Neuronaler Calcium Sensor-1 (NCS-1) beschrieben. Außerdem wurde untersucht, welche Bedeutung diese Interaktion für akute und chronische Effekte des antineoplastischen Medikaments Paclitaxel auf die intrazelluläre Ca2+ Homöostase neuronaler Zellen hat. Die Analyse der Interaktion zwischen dem InsP3R und NCS-1 ergab, dass die InsP3RKanalaktivität durch NCS-1 sowohl Ca2+-abhängig als auch unabhängig erhöht wird. Interessanterweise konnte die Verstärkung der Kanalaktivität durch die Zugabe von Lithiumionen abgeschwächt werden. Dies ist vor dem Hintergrund erhöhter NCS-1 Konzentrationen im präfrontalen Kortex schizophrener und bipolarer Patienten von besonderem medizinischem Interesse. Im Gegensatz dazu führte die akute Zugabe des Chemotherapeutikums Paclitaxel zu einer Verstärkung der Interaktion zwischen dem InsP3R und NCS-1. Dabei stabilisiert Paclitaxel die Ca2+-gebundene Konformation von NCS-1. Diese Konformation bedingt eine vermehrte Bindung von NCS-1 an den InsP3R, wodurch in einer neuronalen Zelllinie eine starke Zunahme InsP3R vermittelter langsamer Ca2+-Oszillationen induziert wurde. Der beobachtete Effekt ist von hoher klinischer Relevanz, da er im Bereich therapeutischer Paclitaxel Konzentrationen beobachtet werden konnte. Diese langsamen oszillatorischen Schwankungen der zytoplasmatischen Ca2+-Konzentration eröffnen einen neuen Erklärungsansatz für häufige Nebenwirkungen dieses Medikaments, wie zum Beispiel kardiale Arrythmien, anaphylaktische Reaktionen und vor allem insbesondere die periphere Polyneuropathie, eine häufige und Dosis limitierende unerwünschte Arzneimittelwirkung. Um den zuletzt beschriebenen Aspekt der Polyneuropathie genauer zu untersuchen, wurden neuronale Zellen längere Zeit mit Paclitaxel im therapeutischen Konzentrationsbereich exponiert. Dies führte bei erhaltener zellulärer Integrität sowohl in einer neuronalen Zelllinie, als auch in einer Kultur primärer Spinalganglien zu einer verminderten InsP3R vermittelter Ca2+-Freisetzung. Dieser im Vergleich zu den akuten Wirkungen scheinbar paradoxe Effekt, kann mit einer negativen Rückkoppelung durch den vermehrten Abbau von NCS-1 durch die Ca2+ aktivierte Protease Calpain erklärt werden. Mit dem aus diesen Arbeiten resultierenden Modell eröffnet sich eine neue Perspektive für das Verständnis und die Behandlung substanzspezifischer Nebenwirkungen von Paclitaxel.

This thesis summarizes three papers, which focus on the previously unknown interaction between the Inositol-1,4,5-triphosphat - Rezeptor (InsP3R) and the calcium binding protein "neuronal calcium sensor-1" (NCS-1). It was shown, that addition of NCS-1, a high-affinity, low-capacity, calcium-binding protein, to purified InsP3R increased the channel activity in both a calcium- dependent and -independent manner. Interestingly, Lithium inhibits this interaction, suggesting that InsP3R1/NCS-1 interaction might be an important component of the pathomechanism of bipolar disorder. In other studies the importance of this interaction for Paclitaxel induced side effects was elucidated. Paclitaxel (Taxol) is a well established chemotherapeutic agent for the treatment of solid tumors, but it is limited in its usefulness by the frequent induction of various side effects, including severe peripheral neuropathy. NCS-1 was identified as a new Paclitaxel binding protein and shown, that Paclitaxel increases binding of NCS-1 to the InsP3R. Intriguingly, submicromolar concentrations of Paclitaxel, mimicking concentrations found in patients, induce slow cytosolic calcium (Ca2) oscillations in a human neuronal cell line. However prolonged exposure of neuronal cells with Paclitaxel leads to a reduction in inositol trisphosphate (InsP3)-mediated calciumsignaling. Also Paclitaxel-specific reduction in neuronal calcium sensor 1 (NCS-1) protein levels occurred, which could be prevented by inhibition of the calcium activated protease Calpain. From these results, it can be concluded that prolonged exposure to Paclitaxel activates µ-calpain through slow calcium oscillations in neuronal cells. This leads to degradation of NCS-1, which, in turn, attenuates InsP3-mediated calcium signaling. These findings provide a previously undescribed approach to understanding and treating Paclitaxel induced peripheral neuropathy.