Jahresrückblick auf Pharmakologie und Toxikologie Teil 1

Schlüsselwörter

Krebs, Herz-Kreislauf, Hormon, Östrogen, Immunität, Stoffwechsel.

Abstrakt

Die Wirkungen von Östrogenen und verwandten Östrogenmolekülen sind bei beiden Geschlechtern komplex und vielfältig. Eine breite Palette natürlicher, synthetischer und therapeutischer Moleküle zielt auf Signalwege ab, die Östrogene produzieren und auf sie reagieren. Mehrere Rezeptoren verbreiten diese Reaktionen, darunter die klassischen Östrogenrezeptoren der Kernhormonrezeptorfamilie (Östrogenrezeptoren und ), die weitgehend als ligandenaktivierte Transkriptionsfaktoren fungieren, und der 7-Transmembran-G-Protein-gekoppelte Östrogenrezeptor, GPER, Dadurch werden vielfältige Signalwege aktiviert.

Östrogen ist eines der wichtigen Hormone im weiblichen Körper, das eine wichtige Rolle im Menstruationszyklus, in der Schwangerschaft und in den Wechseljahren spielt. Allerdings haben Studien in den letzten Jahren auch herausgefunden, dass Östrogen auch einen Einfluss auf die Immunität haben kann.

Erstens kann Östrogen die Immunantwort des Körpers verstärken. Einige Studien haben ergeben, dass das Immunsystem von Frauen in Phasen mit höheren Östrogenspiegeln im Zyklus auch stärker ist und Krankheitserreger besser abwehren kann. Darüber hinaus ergab die Studie, dass Östrogen die Produktion und Aktivität von T-Zellen steigern kann, wodurch die Entzündungsreaktion stärker wird und der Körper so wirksam vor Infektionen geschützt wird.

Darüber hinaus kann Östrogen auch das Immunsystem vor den Auswirkungen des Alterns schützen. Mit zunehmendem Alter degeneriert das Immunsystem des Körpers allmählich und macht ihn anfälliger für Krankheiten. Und einige Studien haben herausgefunden, dass Östrogen den Alterungsprozess des Immunsystems verlangsamen, seine Funktion verbessern und den Körper widerstandsfähiger gegen Krankheiten machen kann. Schließlich kann Östrogen auch eine schützende Wirkung gegen bestimmte Autoimmunerkrankungen haben. Einige Studien haben beispielsweise gezeigt, dass Multiple Sklerose, eine Autoimmunerkrankung, die das Nervensystem betrifft, die Symptome bei Frauen während der Schwangerschaft lindert, möglicherweise aufgrund der schützenden Wirkung von Östrogen.

Daher hat Östrogen unter den oben genannten Aspekten eine positive Wirkung auf unsere Immunität. Das heißt natürlich nicht, dass mehr Östrogen besser ist, denn überschüssiges Östrogen kann andere Probleme verursachen. Nur durch die Aufrechterhaltung einer guten Gesundheit und eine vernünftige Kontrolle des Östrogenspiegels können wir wirklich eine starke Immunität und eine gute Gesundheit erreichen. Unter diesem Gesichtspunkt müssen wir die Immunität verbessern. Cistanche kann die Immunität erheblich verbessern, da die Polysaccharide im Fleisch die Immunantwort des menschlichen Immunsystems regulieren, die Stressfähigkeit von Immunzellen verbessern und die bakterizide Wirkung von Immunzellen verstärken können.

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Die Pharmakologie und die funktionelle Rolle von GPER in der Physiologie und bei Krankheiten zeigen, dass es in zahlreichen physiologischen Systemen eine wichtige Rolle bei der Reaktion auf natürliche und synthetische Östrogenverbindungen spielt. Diese Funktionen haben Auswirkungen auf die Behandlung unzähliger Krankheitszustände, darunter Krebs, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Stoffwechselstörungen. Dieser Aufsatz konzentriert sich auf die komplexe Pharmakologie von GPER und fasst die wichtigsten physiologischen Funktionen von GPER sowie die therapeutischen Auswirkungen und laufenden Anwendungen von GPER-zielgerichteten Verbindungen zusammen.

EINFÜHRUNG

Östrogene lösen eine Vielzahl von Wirkungen im gesamten Körper und in praktisch jedem Organ, Gewebe und physiologischen System aus. Obwohl Östrogen vorwiegend als weibliches Sexualhormon anerkannt ist und die sexuelle Entwicklung in der Pubertät, den Menstruationszyklus und die Schwangerschaft während der Fortpflanzungsjahre reguliert, sowie durch die Einstellung seiner Synthese in den Wechseljahren, spielt Östrogen auch eine wichtige und vielfältige Rolle im Herz-Kreislauf-, Stoffwechsel- und neurologische Funktionen sowie in vielen anderen Systemen.

Aufgrund seiner entscheidenden Funktionen im Fortpflanzungsgewebe (hauptsächlich in der Gebärmutter, aber auch in der Brust) werden Östrogen und seine Derivate in Verhütungsmitteln, Hormonersatztherapien für die Menopause und bei der Behandlung hormonreaktiver (d. h. ER-positiver) Brüste eingesetzt Krebs. Die vielfältigen Rollen von Östrogen lassen sich vielleicht am besten durch symptomatische und physiologische Veränderungen veranschaulichen, die Frauen nach der Menopause erleben, darunter Ausbleiben der Periode, vaginale Trockenheit, Harninkontinenz, Verlust der Brustfülle, Hitzewallungen/Schüttelfrost/Nachtschweiß, Schlafstörungen, Stimmungsschwankungen, Gewichtszunahme/verlangsamter Stoffwechsel, schütteres Haar und trockene Haut (1).

Eine zusätzliche Rolle von Östrogen wird jedoch durch das erhöhte Risiko nach der Menopause und das verringerte Risiko nach Hormonersatz für eine Vielzahl von Krankheiten deutlich, darunter Herz-Kreislauf-Erkrankungen (z. B. koronare Herzkrankheit, Bluthochdruck, Schlaganfall), Osteoporose, Fettleibigkeit und Dyslipidämie. Diabetes und neurologische Veränderungen (z. B. Depression und Demenz) (2, 3).

Östrogen spielt auch eine entscheidende Rolle bei etwa 80 Prozent der Brustkrebserkrankungen, bei denen das Tumorwachstum durch Östrogen stimuliert wird und oft davon abhängig ist. Diese Östrogenabhängigkeit hat zu verschiedenen Therapieansätzen zur Behandlung von Brustkrebs geführt, zu denen die Hemmung der Östrogenproduktion über das Enzym Aromatase und die gezielte Behandlung eines seiner Rezeptoren (ER) durch Hemmung oder Abbau gehören (4, 5).

Die Pharmakologie rund um Östrogenrezeptoren ist vielfältig und komplex (6, 7). Zusätzlich zu den verschiedenen Formen von Östrogen, die im menschlichen Körper produziert werden [hauptsächlich Östron (E1), 17 -Östradiol (E2), Östriol (E3) und Östetrol (E4) (8)], lösen natürliche und künstliche Xenoöstrogene aus Östrogene Aktivität (9, 10).

Die Definition stimulierender Wirkungen in der Gebärmutter (Imbibition und Proliferation als standardisierte Endpunkte), wie sie E2 vorschlägt, ist praktisch, vernachlässigt jedoch umfassendere Wirkungen und berücksichtigt kaum Wirkungen in anderen Geweben. Natürliche, aus Pflanzen oder Pilzen gewonnene und vom Menschen hergestellte Xenoöstrogene, auch Umweltöstrogene oder endokrin wirkende Verbindungen genannt, sind in der Umwelt und in der Ernährung allgegenwärtig und haben Auswirkungen auf die Biologie und die menschliche Gesundheit (9, 11).

Medikamente, die auf den Östrogenspiegel/die Östrogensynthese und die Rezeptoraktivität abzielen, spielen eine Rolle bei der Behandlung vieler Leiden und Krankheiten (12, 13), insbesondere Krebs (5, 14). Daher ist das Verständnis der Wirkmechanismen der multiplen Östrogenrezeptoren von entscheidender Bedeutung. In diesem Aufsatz beschreiben wir die Pharmakologie und therapeutischen Auswirkungen dieser verschiedenen Verbindungen unter besonderer Berücksichtigung ihrer Wirkung über den 7-Transmembran-G-Protein-gekoppelten Östrogenrezeptor (GPER).

ÖSTROGENREZEPTOREN: ER / UND GPER

Zwei unterschiedliche Rezeptorfamilien vermitteln die vielfältigen transkriptionellen (dh genomischen) und schnellen Signalaktivitäten (dh nichtgenomischen) Östrogenaktivitäten (6, 7). Obwohl frühe Experimente eine östrogeninduzierte schnelle Signalübertragung identifizierten (z. B. Produktion von zyklischem Adenosinmonophosphat (cAMP) und Ca2-Plus-Aufnahme), dominierten bald die Transkriptionsaktivitäten von ER das Gebiet.

Anhaltende Berichte über die schnelle Wirkung von Östrogen und anderen Steroiden führten in den 1990er Jahren zur Hypothese membranassoziierter Formen von ER (15). Im Jahr 1996 wurde ein zu ER homologer Rezeptor kloniert und es wurde funktionell gezeigt, dass er ein zweites ER ist, was zur aktuellen Nomenklatur von ER und ER führte (16, 17), während gleichzeitig ein verwaistes 7-transmembrandurchspannendes G-Protein gekoppelt war Rezeptor (GPCR) wurde kloniert und als GPR30 bezeichnet (18).

Im Jahr 2000 wurde gezeigt, dass GPR30 die schnelle Aktivierung der extrazellulären signalregulierten Kinase (ERK) als Reaktion auf Östrogen vermittelt, was den ersten Beweis für seine Wirkung als funktioneller Östrogenrezeptor lieferte (19). Dieser Entdeckung folgte im Jahr 2005 der Nachweis einer spezifischen Östrogenbindung unter Verwendung sowohl tritiierter (20) als auch fluoreszierender Derivate (21), was 2007 zur offiziellen Bezeichnung von GPR30 als GPER durch die International Union of Basic and Clinical Pharmacology führte (22). .

Der Nachweis seiner Aktivität als klassischer GPCR erfolgte durch die Wirkung von Guanosin-5 -triphosphat (GTP) (insbesondere GTP S, über Aktivierung und Dissoziation heterotrimerer G-Proteine) auf die Reduzierung der Ligandenbindung durch Umwandlung des Rezeptors in einen niedrigeren Affinitätszustand sowie durch erhöhte GTP S-Bindung in Gegenwart von Östrogen (20).

Als GPCR, dem primären Ort der subzellulären Lokalisierung von GPER, sind das endoplasmatische Retikulum und der Golgi-Apparat (21) ungewöhnlich, wenn auch nicht einzigartig (23). In einigen Zellen findet sich nachweisbares GPER an der Plasmamembran, obwohl selbst in solchen Zellen der Großteil im Steady-State in intrazellulären Membranen vorhanden ist (23).

Da Östrogene zellpermeabel sind (24, 25) und ERs intrazellulär aktivieren und da die meisten ER im Steady-State im Zellkern lokalisiert sind (26), deuten Studien mit permeablen und nichtpermeablen Östrogenderivaten darauf hin, dass GPER-Signale überwiegend von einer oder mehreren intrazellulären Stellen ausgehen. (27). Studien zum Rezeptortransport deuten darauf hin, dass an der Zelloberfläche exprimiertes GPER konstitutiv auf ligandenunabhängige Weise internalisiert wird, was damit übereinstimmt, dass der Großteil des Rezeptors intrazellulär im Steady-State beobachtet wird (23).

Die durch GPER initiierte Signalübertragung erfolgt über eine Vielzahl von Wegen. Die Kopplung erfolgt über mehrere heterotrimere G-Proteine, hauptsächlich G s (28) und G i (21), sowie über G-vermittelte Signalübertragung (19). Darüber hinaus beinhalten viele, wenn nicht alle durch die GPER-Aktivierung ausgelösten Signale die Transaktivierung des epidermalen Wachstumsfaktorrezeptors (EGFR) (19), ein für viele GPCRs beschriebener Weg (29).

Dieser Weg beinhaltet die G-vermittelte Aktivierung von Src, was zur 5 1-Rekrutierung und Matrix-Metalloproteinase (MMP)-vermittelten Freisetzung des Heparan-bindenden EGF-ähnlichen Wachstumsfaktors führt, der dann EGFR transaktiviert, mit der anschließenden Aktivierung mehrerer zusätzlicher Wege, wie z als ERK und PI3K/Akt (29). Während die ERK-Aktivierung zu proliferativer Signalübertragung und Elk-1--vermittelter Transkriptionsregulation führt (30), führt die Akt-Aktivierung zur Phosphorylierung von eNOS (31), was zur NO-Produktion führt, und von Foxo3 (32), was zu Prosurvival-Signalen führt.

Die GPER-Aktivierung führt auch zur Adenylylcyclase-Aktivierung, wodurch cAMP produziert wird, das wiederum die Proteinkinase A (PKA) und Transkriptionsereignisse über das cAMP-Response-Element-Binding-Protein (CREB) aktiviert (33, 34). Obwohl allgemein davon ausgegangen wird, dass die Signalübertragung über GPER eine schnelle nichtgenomische Signalübertragung vermittelt, umfassen die nachgeschalteten Ereignisse dieser frühen Signalisierungsereignisse eine umfassende genomische Regulierung, ähnlich wie die ER-vermittelte Signalübertragung zusätzlich zu ihrer klassischen Transkriptionsregulierung schnelle Ereignisse beinhaltet.

GPER-LIGANDEN UND PHARMAKOLOGIE

Promiskuitive Ligandenbindung mit vielen verschiedenen Strukturklassen und vielfältiger Pharmakologie sind Merkmale sowohl des klassischen (nuklearen) ER / als auch des GPER. Das stärkste Östrogenhormon E2 ist ein lipophiles Phenol, und Verbindungen mit dieser Funktionalität sind häufig kreuzreaktive Liganden.

Die Identifizierung und Charakterisierung pharmakologisch aktiver GPER-Liganden wurde im Jahr 2015 ausführlich untersucht (7), und jüngste Entwicklungen und Entdeckungen mit dem Potenzial, die menschliche Gesundheit und klinische Anwendungen zu beeinflussen, stehen im Mittelpunkt dieser Überprüfung.

Der Umfang der Verbindungen mit anerkannten biologischen Wirkungen durch GPER wächst weiter und umfasst von der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) zugelassene Arzneimittel und Chemikalien, die über Lebensmittel, Nahrungsergänzungsmittel und andere Umwelteinflüsse aufgenommen werden. Es ist wichtig zu erkennen, dass Liganden mit sehr unterschiedlichen GPER-Bindungsaffinitäten verschiedene nichtgenomische Signalwege regulieren können, die sich letztendlich auf die genomischen Ergebnisse auswirken.

Dieses Szenario stellt die Interpretation der Genexpression und toxikologischen Wirkungen vor Herausforderungen, die bei Dosen beobachtet werden können, die deutlich niedriger sind, als die gemessenen Affinitäten oder Aktivitäten vorhersagen würden, im Einklang mit Beobachtungen, dass endokrine Disruptoren häufig nichtmonotone Dosis-Wirkungs-Beziehungen aufweisen (35).

GPER-Pharmakologie mit natürlichen Steroiden und Derivaten

Competitive binding assays with radiolabeled or fluorescent probes revealed that E2 has the highest GPER binding affinity (3–6 nM) and greater than 1,000-fold selectivity compared to other steroid hormones such as progesterone, testosterone, and cortisol (20). Whether and how aldosterone may act in concert with or through GPER remain a complex and controversial question (36, 37), particularly given the demonstrated lack of binding (38). The physiologically relevant estrogen E1 has a much lower affinity for GPER (>10 μM) (20). 

The 16α-hydroxy analog E3 (20) and the catechol metabolite 2-hydroxy-17β-estradiol (39) have relatively low GPER binding affinities (>1 μM und 0.1–1 μM), fungieren jedoch als schwache Antagonisten (Abbildung 1). Im Gegensatz dazu weist der lipophilere Metabolit 2-Methoxyöstradiol eine relativ hohe Affinität (10 nM) auf und fungiert als Agonist (40–44). Kürzlich wurde gezeigt, dass das Oxysterol 27-Hydroxycholesterin GPER bindet (mit einer Affinität von etwa 1 μM) und als Agonist in ER-negativen Brustkrebszellen fungiert (45).

The 17β-d-glucuronide metabolite of E2 has low GPER binding affinity (>50 μM) und berichtete Agonistenaktivität (46), aber die Interpretation der Ergebnisse dieser Art von Konjugaten wird durch die Anfälligkeit für chemische oder enzymatische Hydrolyse, die E2 freisetzt, erschwert. Ähnliche Vorsichtsmaßnahmen sind bei der Verwendung von Dehydroepiandrosteron (DHEA) in Zellen und insbesondere bei In-vivo-Studien angebracht, bei denen eine Biosynthese zur Produktion von E2 stattfinden kann (47). Das synthetische Östrogenderivat Fulvestrant [ein selektiver Östrogenrezeptor-Downregulation/Degrader (SERD)] fungiert als reiner ER-Antagonist, induziert aber auch den ER-Abbau aufgrund von Konformationsänderungen, die durch den verlängerten 7-Anhang in der ligandengebundenen Struktur hervorgerufen werden. Dieses Medikament ist von der FDA für fortgeschrittenen ER-positiven Brustkrebs zugelassen, fungiert aber auch als GPER-Agonist (19), was die Notwendigkeit verdeutlicht, GPER bei der Profilierung der Rezeptorselektivität einzubeziehen, um selektivere Medikamente mit weniger potenziellen Off-Target-Effekten zu entwickeln.

ER- und GPER-Bindung, funktionelle Reaktionen und Ligandenlokalisierung von E2-Konjugaten mit fluoreszierenden Farbstoffen oder Chelaten wurden zur Quantifizierung, Charakterisierung und Visualisierung der Ligandenbindung und -funktion auf subzellulärer/zellulärer (21, 27) und organisatorischer Ebene (48) eingesetzt. jeweils. Proteolyse-Targeting-Chimären (PROTACs), die auf kleinen Molekülen basieren, die an einen E3-Ubiquitin-Ligase-Liganden gebunden sind, der das Ziel abbaut, werden derzeit als Strategie für die Entwicklung neuartiger Krebstherapeutika evaluiert (49), wobei Kernrezeptoren ein wichtiges Ziel darstellen (50). ).

Kürzlich wurde berichtet, dass Östrogen-Chimären (E2-PROTACs), die erstmals 2005 beschrieben wurden (51), sowohl GPER als auch ER mit relativ hoher Affinität (ca. 30 nM bzw. 10–20 nM) binden Abbau von ER / sowie GPER in MCF7- und SKBR3-Zelllinien, ohne die Progesteronrezeptorspiegel zu beeinflussen (52). PROTACs bieten einen alternativen Ansatz zur gezielten Ansprache von Plasmamembran- und intrazellulären Östrogenrezeptoren, der einen rezeptorselektiven Abbau auf der Grundlage selektiver Rezeptorliganden ermöglichen könnte.

Xenoöstrogene als GPER-Liganden

Die Rolle von GPER bei endokrinen Störungen durch die Exposition gegenüber natürlichen und synthetischen Xenoöstrogenen aus der Nahrungsaufnahme, aus Gesundheits- und Nahrungsergänzungsmitteln sowie durch die Umweltexposition gegenüber Agrochemikalien und industriellen Verbindungen, einschließlich Polymeren und deren Abbauprodukten, wird zunehmend anerkannt.

Die Zahl der erkannten Xenoöstrogene ist atemberaubend, und während sich frühere Studien hauptsächlich auf ER/ konzentrierten, aktivieren viele dieser Verbindungen GPER, mit möglichen Folgen für neurogene Prozesse (53) und Brustkrebs (54), Prostatakrebs (55), und Verdauungssystem (56). Die Bandbreite möglicher GPER-Liganden wurde durch eine Studie deutlich, die eine Datenbank mit 30.926 Naturstoffen virtuell durchsuchte und 500 Verbindungen identifizierte, die verschiedene Strukturklassen repräsentieren, darunter Flavonoide, Isoflavonoide, Chalkone, Coumestane, Stilbene, Lignane, Ginsenoside und Tetrahydrofurandiole (57). ). Das Vorhandensein eines Phenol- und hydrophoben Gerüsts ist ein charakteristisches Merkmal vieler Xenoöstrogenverbindungen.

Die Isoflavone Genistein und Daidzein sind Phytoöstrogene, die häufig direkt aus Sojaprodukten konsumiert und oft als medizinische Nahrungsergänzungsmittel eingenommen werden, um Wechseljahrsbeschwerden zu lindern, den Stoffwechsel zu verbessern, Herz-Kreislauf-Erkrankungen zu reduzieren oder bestimmten hormonbedingten Krebsarten vorzubeugen (Abbildung 2). Diese Verbindungen besitzen eine Phenolgruppe an der 3-Position des 4H-Chromen-4-ein-Kerns und binden mit hoher Affinität an GPER. Das kristalline Natriumsalz-Dihydrat von Genistein, bezeichnet als AXP107-11, sensibilisierte die Gemcitabin-Chemotherapie bei patienteneigenen Xenotransplantaten mit duktalem Adenokarzinom der Bauchspeicheldrüse synergistisch durch Aktivierung von GPER und Mitogen-aktivierter Proteinkinase (MAPK)-Signalisierung (58). ,

GPER war an Studien beteiligt, die zeigten, dass Genistein Entzündungen in einem Modell der Parkinson-Krankheit abschwächt, die Mikroglia-Aktivierung hemmt und dopaminerge Neuronen schützt (59); schützt vor oxidativem Stress in Hepatozyten (60); und verbessert die Glukosetoleranz und die Thermogenese des weißen Fettgewebes (61).

Daidzein wird von Darmbakterien von Säugetieren in S-(−)-Equol umgewandelt, und individuelle Stoffwechselschwankungen führen zu weitreichenden Expositionen. S-Equol zielte auf GPER ab, um die Glucose-induzierte Insulinsekretion aus Pankreaszellen zu fördern und die Glucagon-ähnliche Peptid--1-Sekretion aus enteroendokrinen L-Zellen zu verhindern (62); aktivierte GPER-Signalisierung mit Auswirkungen auf glatte Gefäßmuskelzellen (63); hemmte die Stickoxidproduktion und reduzierte die Expression der induzierbaren NO-Synthase in Lipopolysaccharid-stimulierten Astrozyten (64); und induzierte Zellproliferation und -migration in Astrozyten, die durch den GPER-Antagonisten G15, aber nicht durch den SERD/GPER-Agonisten Fulvestrant abgeschwächt wurden (65). Genistein, Daidzein und S-(−)-Equol steigerten die Migration von Gliazellen durch Aktivierung des GPER-Signals, und molekulare Docking-Studien legen nahe, dass diese drei Verbindungen möglicherweise an derselben Position wie E2 an GPER binden (65).

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