Mindestens 1,5 Milliarden Menschen leiden weltweit unter Schmerzen, und trotz der Verfügbarkeit verschiedener schmerzstillender Medikamente sind nicht alle Schmerzformen behandelbar. Darüber hinaus können Schmerzmittel Nebenwirkungen wie Abhängigkeit und Verträglichkeit haben, insbesondere bei Morphin und anderen Opioiden.
Auf der Suche nach neuartigen Schmerzmitteln untersuchten Forscher des Special Pain and Signaling Laboratory (LEDS) des Butantan Institute in São Paulo, Brasilien, TRPV1, einen sensorischen Neuronenrezeptor, der schädliche Reize, einschließlich Hitze und das brennende Gefühl, das von Chilischoten vermittelt wird, einfängt, und entdeckten a potenzielle Schmerzunempfindlichkeitsmutation in dem Gen, das dieses Protein kodiert. Sie berichten über ihre Ergebnisse in einem Artikel, der in der veröffentlicht wurde Zeitschrift für klinische Untersuchung.
Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit der Stanford University und der Emory University in den Vereinigten Staaten sowie dem Universitätsklinikum Münster in Deutschland durchgeführt. Die Forscher analysierten eine Reihe von Mutationen beim Menschen und profitierten auch vom bestehenden Wissen über Vögel, die im Gegensatz zu Säugetieren einen TRPV1-Rezeptor haben, der von Natur aus resistent gegen schädliche Beleidigungen und sogar pfeffriges Essen ist, aber dennoch Schmerzen wahrnehmen kann.
„Es gibt mehr als 1.000 TRPV1-Mutationen beim Menschen, und es ist nichts Neues, den Rezeptor auszuschalten, um Schmerzen zu lindern, aber diese Versuche waren bisher nicht erfolgreich“, sagte Vanessa Olzon Zambelli, Forscherin bei LEDS and Co-Erstautor des Artikels.
„Erstens stören viele aus diesem Prozess resultierende Medikamente die Regulierung der Körpertemperatur. Zweitens ist TRPV1 ein wichtiger Kanal für die Signalisierung von Wärme, und die vollständige Veränderung seiner Aktivität hebt physiologische Schmerzen auf und stört das Gefühl von brennender Hitze, das eine Schutzfunktion hat. “
Die Forscher begannen mit der Untersuchung einer Genomdatenbank, um die genetischen Sequenzen von Vogel- und menschlichem TRPV1 zu vergleichen. Mithilfe eines rechnergestützten Ansatzes identifizierten sie fünf Vogelmutationen, von denen sie glaubten, dass sie mit der Schmerzresistenz in Verbindung stehen.
Kryo-Elektronenmikroskopie (die keine großen Probenmengen oder Kristallisation erfordert und daher für die Visualisierung von Strukturen mit nahezu atomarer Auflösung geeignet ist) zeigte, dass die fünf Vogelmutationen in K710 lokalisiert waren, einem Aminosäurerest, von dem angenommen wird, dass er das Gating steuert (Öffnung und Schließen) des TRPV1-Kanals.
Die Mutationen können auch beim Menschen vorhanden sein, aber sie sind sehr selten, daher beschlossen die Forscher herauszufinden, was passieren würde, wenn sie in Säugetiere „transplantiert“ würden. Als sie diese Varianten in gentechnisch veränderten Zellen testeten, stellten sie fest, dass die Funktion des Kanals tatsächlich verändert war. Als nächstes verwendeten sie die CRISPR/Cas9-Geneditierungstechnik, um Mäuse mit der Mutation K710N zu erschaffen, von der sie zuvor festgestellt hatten, dass sie die Reaktion des Rezeptors auf Capsaicin in Zellen reduziert. Capsaicin ist der Wirkstoff in Pfeffer.
Die Forscher beobachteten kein nozizeptives Verhalten (was auf Schmerzvermeidung hindeutet) bei Mäusen mit der K710N-Mutation, denen Capsaicin injiziert wurde und denen pfeffriges Hühnerfutter verabreicht wurde, im Gegensatz zum Verhalten normaler Mäuse, die ihre Pfoten hoben, um eine Berührung des Capsaicins zu vermeiden, vermutlich weil sogar Hautkontakt verursachte Schmerzen.
Die Mäuse mit der K710N-Mutation zeigten auch eine geringere Überempfindlichkeit gegenüber Nervenverletzungen, während ihre Reaktion auf schädliche Hitze intakt blieb. Darüber hinaus begrenzte die Blockierung der K710-Region bei normalen Mäusen die akuten Verhaltensreaktionen auf schädliche Reize und brachte die durch Nervenverletzungen induzierte Schmerzüberempfindlichkeit auf das Ausgangsniveau zurück.
Neben der Schmerzmodulation spielt TRPV1 auch eine wichtige Rolle beim Schutz vor anderen Reizen. Beispielsweise deuten neuere Erkenntnisse darauf hin, dass es in nicht-neuronalen Zellen als intrazellulärer molekularer Sensor dient, der vor Glucose-induziertem Zellstress oder Gewebeischämie schützt. Weitere im Rahmen dieser Studie durchgeführte Tests mit mit Wasserstoffperoxid geschädigten Kardiomyozyten (Herzmuskelzellen), hohen Glukosespiegeln und einem zerebralen Ischämiemodell bestätigten die Schutzwirkung auch mit der Mutation.
Translationale Analyse
Der zweite Teil der Studie bestand aus dem Versuch, die Funktion des Rezeptors pharmakologisch zu reduzieren. Zu diesem Zweck entwickelten die Forscher ein Peptid, V1-cal, das selektiv auf die K710-Region einwirkte. Mit V1-cal behandelte und mit Capsaicin behandelte Mäuse zeigten ein weniger nozizeptives Verhalten und eine verminderte Freisetzung von Neuropeptiden, was zu einer neurogenen Entzündung und Ödemen führte, ohne die Temperatur zu verändern. Schließlich verbesserten sich auch die chronischen Schmerzen erheblich.
„Wir wollen diese Studie nun aufwerten, indem wir die Ergebnisse unter Best-Practice-Laborbedingungen validieren [required by regulatory agencies]andere kleine Moleküle neben dem Peptid zu identifizieren, die leichter synthetisiert werden können, präklinische Studien durchzuführen und, wenn diese erfolgreich sind, eine klinische Studie zu beginnen“, sagte Zambelli.
Mehr Informationen:
Shufang He et al., Eine humane genetische TRPV1-Variante innerhalb der Channel-Gating-Domäne reguliert die Schmerzempfindlichkeit bei Nagetieren, Zeitschrift für klinische Untersuchung (2022). DOI: 10.1172/JCI163735