A. Brand, S. Hentschel, K. NieberDer Adenosinrezepto

Signalmolekül Adenosin

Im Organismus und ganz besonders im Gehirn gibt es eine Vielzahl von Regulationsmechanismen, die vor schädigenden Einflüssen schützen und zur Sicherung des Stoffwechselgleichgewichts beitragen. An diesen Prozessen sind Neurotransmitter, Chemokine oder andere Botenstoffe und ihre Rezeptoren beteiligt. Zu ihnen gehört auch das extrazelluläre Signalmolekül Adenosin.

Unter physiologischen Bedingungen ist die Konzentration von Adenosin im Extrazellularraum gering. Sie erhöht sich aber unter pathophysiologischen Bedingungen, z. B. bei Sauerstoffmangel [1], sehr stark. Sauerstoffmangel tritt beispielsweise während einer zerebralen Ischämie (Schlaganfall) auf.

Adenosinrezeptoren

Zahlreiche Untersuchungen belegen, dass Adenosin die Neuronen vor den pathologischen Auswirkungen des Sauerstoffmangels schützt. Seine biologischen Wirkungen werden über Rezeptoren an den Zelloberflächen vermittelt. Bisher sind vier Subtypen bekannt: A1, A2A, A2B und A3.

A1- und A2-Rezeptoren wurden erstmals durch van Calker et al. beschrieben. Ihre Untersuchungen an kultivierten Neuronen der Maus zeigten, dass die Aktivierung von A1-Rezeptoren zu einer Hemmung der Adenylatcyclase führt, während die Aktivierung von A2-Rezeptoren den gegenteiligen Effekt hat [2]. Die Existenz der A2-Rezeptor-Subtypen A2A und A2B wurde postuliert, nachdem man im Gehirn der Ratte hoch affine A2-Rezeptoren im Striatum und niedrig affine A2-Rezeptoren im gesamten ZNS nachgewiesen hatte [3]. Der humane A3-Rezeptor wurde von Zhou und Mitarbeitern durch molekularbiologische Studien, basierend auf früheren Arbeiten von Meyerhof und Mitarbeitern [4], identifiziert [5]. Seine Aminosäurensequenz zeigt Homologien von 50% zum A1-, von 43% zum A2A- und von 40% zum A2B-Rezeptor [6].

Kopplung an G-Proteine

Die Signalweiterleitung der Adenosinrezeptoren erfolgt über eine Aktivierung heterodimerer G-Proteine und nachfolgende Interaktionen mit verschiedenen Effektorsystemen. Alle Adenosinrezeptor-Subtypen können die Aktivität der Adenylatcyclase beeinflussen, einerseits über ein Gi-Protein (A1, A3) oder über ein Gs-Protein (A2A, A2B). Die Aktivierung von Gi-Proteinen führt zur Hemmung der Adenylatcyclase und zur Verminderung der cAMP-Konzentration [8, 9].

Der A3-Rezeptor koppelt zusätzlich an Gq/11-Proteine [10] (Abb. 1). Die Wirkung erfolgt über die Stimulation der Phospholipase C, die Erhöhung der Konzentration von Inositoltriphosphat (IP3) und die nachfolgende Erhöhung der intrazellulären Ca²⁺-Konzentration [11]. Adenosinrezeptoren koppeln auch an andere G-Proteine, doch sind die physiologischen Wirkungen noch unbekannt.

Unterschiede bei Ratte und Mensch

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren verschiedener Spezies weisen in der Regel Sequenzhomologien von 85 bis 95% auf. Im Gegensatz dazu zeigen die A3-Rezeptoren des Menschen und der Ratte nur eine Sequenzhomologie von 74% [7]. Auch die Gewebsverteilung des A3-Rezeptors differiert zwischen Mensch, Ratte und anderen Spezies erheblich. Während bei der Ratte mRNA des A3-Rezeptors nur in Hoden, Lunge, Niere, Herz, Gehirn sowie an Immunzellen nachgewiesen wurde, findet man mRNA des A3-Rezeptors in zahlreichen menschlichen Geweben, wobei die höchsten Konzentrationen in der Lunge und in der Leber auftreten. Das deutet darauf hin, dass der A3-Rezeptor beim Menschen ein großes Spektrum von physiologischen Wirkungen vermittelt.

Selektive A3-Rezeptoragonisten

Um den A3-Rezeptor pharmakologisch charakterisieren zu können, wird seit Jahren an der Entwicklung selektiver A3-Agonisten und -Antagonisten gearbeitet. Bisher stehen selektive Agonisten für den A3-Rezeptor der Ratte und selektive Antagonisten für den humanen A3-Rezeptor zur Verfügung [12]. Alle bisher bekannten selektiven A3-Rezeptoragonisten leiten sich vom Adenosin ab (Abb. 2).

N6-(3-Iodobenzyl)-adenosin-5'-N-methylcarboxamid (IB-MECA) zeigte in In-vitro-Untersuchungen eine 50fache Selektivität gegenüber dem A1-Rezeptor [16]. Deshalb lassen sich A1- und A3-vermittelte Effekte experimentell relativ gut unterscheiden. In In-vivo-Untersuchungen ist die A3-Selektivität von IB-MECA noch höher [13, 14]. Dabei ist die Affinität zum humanen A3-Rezeptor höher als zum A3-Rezeptor der Ratte (Tab. 1).

Eine Modifizierung der C2-Position durch Halogenierung führte zu einer weiteren Erhöhung der Affinität und Selektivität zum A3-Rezeptor: Die Substanz 2-Chloro-N6-(3-iodobenzyl)-adenosin-5'-N-methylcarboxamid (Cl-IB-MECA) zeigte in Bindungsstudien zum A3-Rezeptor der Ratte eine 2500fach höhere Selektivität als zum A1-Rezeptor und eine 1600fach höhere Selektivität als zum A2A-Rezeptor [18].

Selektive A3-Rezeptorantagonisten

Selektive A3-Antagonisten entstammen verschiedenen Substanzklassen (Abb. 2). Das Triazolochinazolin-Derivat 9-Chloro-2-(2-furanyl)-5-[(phenylacetyl)amino]-1,2,4-triazolo[1,5-c]chinazolin (MRS 1220) ist am humanen A3-Rezeptor sehr wirksam (Tab. 1).

6-Ethyl-5-(ethylsulfanylcarbonyl)-2-phenyl-4-n-propyl-3-(propoxy-carbonyl)-pyridin (MRS 1523) zeigt eine hohe Affinität zum humanen A3-Rezeptor und eine etwas geringere Affinität zum A3-Rezeptor der Ratte (Tab. 1). Sie eignet sich gut für In-vitro- und In-vivo-Untersuchungen zur physiologischen Rolle von A3-Rezeptoren an Ratten.

Die Rolle von A3-Rezeptoren

Der A3-Rezeptor weist in vitro ein heterogenes Wirkungsprofil auf. Während A3-Rezeptoragonisten in niedrigen Konzentrationen zytoprotektiv wirken, zeigen sie in hohen Konzentrationen eine zytotoxische Wirkung [21, 22]. Bisher gibt es für dieses Phänomen noch keine befriedigende Erklärung.

Unter physiologischen Bedingungen erfolgt die Aktivierung von A3-Rezeptoren im Vergleich zu A1- und A2A-Rezeptoren erst bei höheren Adenosinkonzentrationen [23]. Derartig hohe Konzentrationen von Adenosin treten beispielsweise bei Sauerstoffmangel oder Zellschädigung auf. A3-Rezeptoren könnten demzufolge an endogenen Regulationsmechanismen zur Kompensation pathologischer Stoffwechsellagen beteiligt sein.

A3-Rezeptoren im ZNS

Im Gehirn werden den A3-Rezeptoren regulative Funktionen während eines Schlaganfalls zugeschrieben. Sie wirkten bei chronischer, nicht aber bei akuter Applikation in experimentellen In-vivo-Modellen neuroprotektiv [14, 24]. (Neuroprotektive Wirkungen wurden bisher vor allem mit einer Aktivierung von A1-Rezeptoren assoziiert.)

Unter pathophysiologischen Bedingungen, beispielsweise unter Sauerstoffmangel, kommt es zu einer massiven Ausschüttung exzitatorischer Neurotransmitter, wie des Botenstoffs Glutamat. Gleichzeitig ist die Adenosinkonzentration im synaptischen Spalt erhöht [1, 25]. Über eine Aktivierung präsynaptisch lokalisierter A1-Rezeptoren bewirkt Adenosin eine Hemmung der Glutamatfreisetzung aus den Nervenendigungen [26 - 29].

Wird die Verfügbarkeit von Glutamat und damit auch die Aktivierung von Glutamatrezeptoren verringert, so wird der Ca²⁺-Einstrom über spannungsabhängige und Rezeptor-kontrollierte Calciumkanäle gehemmt [30]. Auf diese Weise wird eine Überladung der Neuronen mit Ca²⁺-Ionen verhindert, die als Ursache für den postischämischen Zelltod angesehen wird [31]. Die Hemmung der Glutamatfreisetzung durch die Aktivierung präsynaptisch lokalisierter A1-Rezeptoren stellt daher einen neuroprotektiven Mechanismus des Adenosins bei Sauerstoffmangel dar [1, 32].

In In-vitro-Untersuchungen am frontalen Kortex der Ratte konnten wir zeigen, dass nicht nur die Aktivierung von A1-Rezeptoren (Abb. 3), sondern auch die Aktivierung von A3-Rezeptoren (Abb. 4) zu einer Hemmung der synaptischen Informationsübertragung führt [33]. Auch auf diese Weise wird die Glutamatfreisetzung aus präsynaptischen Nervenendigungen gehemmt, und zwar unabhängig von einer Beeinflussung der A1-Rezeptoren.

Da A3-Rezeptoren erst bei höheren Adenosinkonzentrationen aktiviert werden als A1-Rezeptoren, kann ihr neuroprotektiver Mechanismus nur in Ausnahmesituationen, beispielsweise während einer zerebralen Ischämie, zum Tragen kommen (Abb. 5).

Abbracchio und Mitarbeiter konnten an menschlichen Astrogliazellen zeigen, dass der selektive A3-Agonist Cl-IB-MECA in niedrigen Konzentrationen wachstumsfördernd und antiapoptotisch wirkt [22]. Daher könnten A3-Rezeptor-vermittelte Effekte auch eine Rolle bei der ischämischen Präkonditionierung im Gehirn spielen. Darunter versteht man, dass die Neuronen durch kurze ischämische Episoden auf eine lang andauernde Ischämie vorbereitet werden und diese dann besser überstehen. Adenosin löst derartige Effekte über eine Aktivierung von A1-Rezeptoren aus. Die Rolle von A3-Rezeptoren bei der neuronalen Schädigung eröffnet neue Möglichkeiten der Behandlung des Schlaganfalls und anderer neurodegenerativer Erkrankungen.

A3-Rezeptoren im Herzen

Adenosin wird während einer myokardialen Ischämie freigesetzt und zeigt eine kardioprotektive Wirkung [34]. Obwohl diese Wirkung schon lange bekannt ist, konnte der Wirkungsmechanismus noch nicht vollständig aufgeklärt werden. Eine Adenosin-vermittelte Kardioprotektion kann auf zwei Wegen erfolgen:

• durch eine akute kardioprotektive Wirkung und
• durch eine ischämische Präkonditionierung.

Untersuchungen an kultivierten ventrikulären Herzmuskelzellen aus Hühnerembryonen zeigten, dass sowohl A1- als auch A3-Agonisten einen akuten kardioprotektiven Effekt vermitteln, wobei die Wirkung durch die jeweiligen selektiven Antagonisten blockierbar ist [35].

Wie im Gehirn schützen kurze ischämische Episoden kardiales Gewebe vor einer Schädigung durch einen lang andauernden Herzinfarkt. Der A1-Rezeptor war der erste identifizierte Adenosinrezeptor am Myokard, für den die Präkonditionierung durch selektive Agonisten nachgewiesen wurde [36 - 38]. Eine kardioprotektive Funktion von A3-Rezeptoren bei der postischämischen Präkonditionierung konnte ebenfalls an verschiedenen In-vitro-Modellen nachgewiesen werden [39, 40].

Der Einsatz von A3-Agonisten in geringen Konzentrationen könnte daher ein sinnvolles Therapiekonzept beim Herzinfarkt sein. Hohe Konzentrationen von A3-Agonisten lösten allerdings Apoptose in Herzmuskelzellen der Ratte aus [41].

A3-Rezeptoren im Immunsystem

A3-Rezeptoren spielen eine wichtige Rolle bei verschiedenen pathophysiologischen Prozessen, an denen das Immunsystem beteiligt ist. Durch die Aktivierung von A3-Rezeptoren wird die Produktion und Freisetzung des Zytokins Tumor-Nekrose-Faktor alpha (TNF-alpha) gehemmt [42]. Diese Wirkung könnte zur Behandlung des septischen Schocks und entzündlicher Erkrankungen genutzt werden. Kontrovers wird bisher die Funktion von A3-Rezeptoren beim allergischen Asthma diskutiert. Sowohl A3-Agonisten als auch A3-Antagonisten zeigten antiasthmatische Wirkungen.

An eosinophilen Granulozyten aus humanem peripherem Blut konnten A3-Rezeptoren nachgewiesen werden. Die Gabe des selektiven A3-Agonisten Cl-IB-MECA führte zu einer Calcium-Freisetzung aus intrazellulären Speichern und einem Calcium-Einstrom [43]. Um die Freisetzung von Entzündungsmediatoren aus eosinophilen Granulozyten zu blockieren, wurden A3-Antagonisten zur Therapie des allergischen Asthmas und anderer allergisch bedingter Erkrankungen vorgeschlagen. Andererseits hemmen A3-Agonisten die Wanderung von eosinophilen und neutrophilen Granulozyten zum Entzündungsherd [44 - 46]. Da die Chemotaxis dieser Immunzellen einen entscheidenden Einfluss auf den Verlauf der Entzündung besitzt, wird der Einsatz von A3-Agonisten zur Therapie des allergischen Asthmas diskutiert [47].

A3-Agonisten in subnanomolaren Konzentrationen zeigten in vitro antiproliferative Effekte an Tumorzellen und eine stimulatorische Wirkung an Knochenmarkzellen durch eine Erhöhung der Produktion des Granulozyten-Kolonie-stimulierenden Faktors (G-CSF). In vivo hemmten A3-Agonisten das Wachstum von Tumoren. Sie verstärkten die Wirkung von Chemotherapeutika und verringerten deren unerwünschte Wirkungen. So wurde keine Abnahme der Leukozyten- und Neutrophilenzahl nach der Chemotherapie beobachtet [48].

Ausblick

Seit Jahren wird versucht, selektive A3-Agonisten und -Antagonisten zu entwickeln. Die bisher zur Verfügung stehenden A3-Rezeptorliganden wurden mit verschiedenen pharmakologischen Modellen charakterisiert. Dadurch konnte die Beteiligung des A3-Rezeptors an einigen pathophysiologischen Prozessen nachgewiesen werden. Er stellt neben dem A1-Rezeptor ein effektives System zur Regulation von Zellfunktionen dar. Allerdings erfolgt unter physiologischen Bedingungen die Aktivierung von A3-Rezeptoren im Vergleich zu A1-Rezeptoren erst bei höheren Adenosinkonzentrationen [23].

Das Vorkommen des A3-Rezeptors in zahlreichen Geweben macht ihn als Target für verschiedene therapeutische Anwendungen interessant. Seine physiologische und pathophysiologische Rolle wird deshalb weiterhin Gegenstand zahlreicher Untersuchungen sein.

Kastentext: Glossar

• Apoptose: Programmierter Zelltod
• Astrogliazellen: Im ZNS vorkommende, zur Phagozytose befähigte sternförmige Zellen, die mit Nervenzellen und Blutgefäßen in Kontakt stehen
• CAMP: Zyklisches Adenosinmonophosphat
• G-Protein: GTP (Guanosintriphosphat)-bindendes Protein
• Ischämie: Verminderte Durchblutung bzw. Blutleere von Geweben, Organteilen und Organen durch unzureichende Blutzufuhr (z. B. Herzinfarkt, Schlaganfall)
• Ki-Wert: Maß für die Affinität einer Substanz zu einem bestimmten Rezeptor

Kastentext: Eosinophile

Eosinophile Granulozyten spielen eine wichtige Rolle bei allergischen Erkrankungen. Auf ihrer Oberfläche tragen sie IgE-Antikörper; eine Allergenexposition führt deshalb zur Calcium-vermittelten Degranulation und dadurch zur Freisetzung von Entzündungsmediatoren.

Danksagung: Die Arbeit wurde unterstützt durch das Interdisziplinäre Zentrum für Klinische Forschung Leipzig (IZKF) Projekt C12, das Graduiertenkolleg "Intercell" Leipzig und die Studienstiftung des deutschen Volkes.

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