Antonios Drakopoulos

• Opioid receptors (ORs) are among the most intensively studied members of the G protein-coupled receptor (GPCR) family due to their important role in pain management and their involvement in psychological and neurological disorders. However, currently available opioid drugs exhibit both serious drawbacks, such as addiction, and life-threatening side effects, such as respiratory depression. Contrary to the classic monomeric model, indirect evidence suggests that ORs might form dimers, which could be endowed with a distinct pharmacologicalOpioid receptors (ORs) are among the most intensively studied members of the G protein-coupled receptor (GPCR) family due to their important role in pain management and their involvement in psychological and neurological disorders. However, currently available opioid drugs exhibit both serious drawbacks, such as addiction, and life-threatening side effects, such as respiratory depression. Contrary to the classic monomeric model, indirect evidence suggests that ORs might form dimers, which could be endowed with a distinct pharmacological profile, and, thus, be exploited to develop innovative drugs. However, direct evidence for the spontaneous formation of OR dimers in living cells under physiological condition are missing. The focus of this thesis was the design, synthesis and characterization of new, highly subtype-selective OR fluorescent ligands to be used as tools for state-of-the-art microscopy methods, such as single molecule microscopy (SMM), in heterologous cells and potentially in native tissue, in order to investigate OR organization and mobility on the surface of intact, living cells, at low/physiological expression levels. The μOR is the OR subtype which plays the most critical role in pain modulation, while mediating the effects of the most powerful analgesic drugs. Also, it is the OR subtype which is mostly responsible for the major adverse effects of the currently marketed opioid drugs. We aimed to develop a new μOR-selective fluorescent ligand with a potential irreversible binding mode. Although the approach was in principle successful, i.e. the labelled cells were visible and distinguishable; this initial attempt was not suitable for SMM due to the ligands’ poor selectivity and affinity as well as due to its high background noise. A second generation of the fluorescent ligand was designed; however the synthesis and characterization are part of another doctoral thesis. Lately, δOR has received attention as a promising drug target, due to its distinct pharmacological profile which features low abuse liability and lack of physical dependence. In addition, δOR expression has been associated with cancer regulation in the periphery, thus further highlighting the interest of imaging tools for this receptor. In this thesis, the development and characterization of two new δOR-selective fluorescent probes with excellent optical properties, based on the well-studied ligand naltrindole (NTI) is presented. Their application in SMM studies is currently underway at the group of Prof. Dr. Davide Calebiro at the University of Birmingham. The κOR is a subtype which has also emerged as a drug target due to its low abuse potential. Despite a growing interest in this receptor, κOR-selective fluorescent probes have been particularly scarce in literature. Herein, the design, synthesis and characterization of the first reported set of fluorescent κOR-selective probes with antagonistic properties, based on the established ligand 5’-guanidinonaltrindole (5’-GNTI) is presented. Two of these were employed for SMM experiments to investigate κOR homodimerization, localization and trafficking. Our findings do not support homodimerization of the κOR-bound probe complexes, while showing that the majority of them follow a normal Brownian diffusion on the cell surface.…
• Opioid-Rezeptoren (OR) gehören aufgrund ihrer wesentlichen Rolle bei der Schmerztherapie und ihrer Beteiligung an physiologischen und neurologischen Störungen zu den am intensivsten untersuchten Mitgliedern der G-Protein-gekoppelten Rezeptor (GPCR) Familie. Jedoch haben aktuell erhältliche Opioid-Arzneimittel schwerwiegende Nachteile, wie Abhängigkeit, und lebensbedrohliche Nebenwirkungen, wie Atemdepression. Im Gegensatz zu dem klassischen Monomer-Modell legen indirekte Hinweise nahe, dass ORs Dimere formen können, welche mit einemOpioid-Rezeptoren (OR) gehören aufgrund ihrer wesentlichen Rolle bei der Schmerztherapie und ihrer Beteiligung an physiologischen und neurologischen Störungen zu den am intensivsten untersuchten Mitgliedern der G-Protein-gekoppelten Rezeptor (GPCR) Familie. Jedoch haben aktuell erhältliche Opioid-Arzneimittel schwerwiegende Nachteile, wie Abhängigkeit, und lebensbedrohliche Nebenwirkungen, wie Atemdepression. Im Gegensatz zu dem klassischen Monomer-Modell legen indirekte Hinweise nahe, dass ORs Dimere formen können, welche mit einem spezifischen pharmakologischen Profil ausgestattet sein könnten und daher für die Entwicklung innovativer Arzneimittel verwendet werden könnten. Jedoch gibt es keinen direkten Beweis für die spontane Bildung von OR-Dimeren in lebenden Zellen unter physiologischen Bedingungen. Der Fokus dieser Doktorarbeit war daher das Design, die Synthese und Charakterisierung von neuen hoch subtyp-selektiven fluoreszierenden OR Liganden, welche als Hilfsmittel für hochmoderne Mikroskopie-Anwendungen Anwendung finden sollen, wie Einzelmolekül-Mikroskopie (EMM) in heterologen Zellen und potentiell in nativem Gewebe, um OR-Organisierung und Mobilität auf der Oberfläche von intakten lebenden Zellen bei niedrigen/physiologischen Expressions-Spiegeln zu untersuchen. Der μOR ist der OR Subtyp, der die entscheidenste Rolle bei der Schmerzmodulierung spielt, indem er die Wirkung der stärksten analgetischen Arzneien vermittelt. Des Weiteren ist dieser OR-Subtyp der Subtyp, der größtenteils für die wesentlichen unerwünschten Nebenwirkungen der aktuell vermarkteten Opioid-Arzneimittel verantwortlich ist. Das Ziel dieser Arbeit war daher, einen neuen μOR-selektiven fluoreszierenden Liganden mit einem potentiell irreversiblen Bindungsmodus zu entwickeln. Obwohl dieser Ansatz prinzipiell erfolgreich war, das heißt die markierten Zellen waren sicht- und unterscheidbar, war dieser erste Ansatz aufgrund der geringen Selektivität und Affinität des Liganden und aufgrund seines hohen Hintergrundrauschens nicht für EMM geeignet. Daher wurde eine zweite Generation fluoreszierender Liganden entworfen. Deren Synthese und Charakterisierung ist jedoch Teil einer anderen Doktorarbeit. Kürzlich erhielt der δOR aufgrund seines spezifischen pharmakologischen Profils, welches ein geringes Missbrauchsrisiko und das Fehlen körperlicher Abhängigkeit beinhaltet, vielseitige Beachtung als ein vielversprechendes Arznei-Target. Des Weiteren wurde δOR-Expression mit Krebsregulation in der Peripherie assoziiert, was das Interesse an einem bildgebenden Werkzeug für diesen Rezeptor zusätzlich unterstreicht. In dieser Doktorarbeit wird die Entwicklung und Charakterisierung von zwei neuen, auf dem gut untersuchten Liganden Naltrindol (NTI) basierenden, δOR-selektiven fluoreszierenden Sonden mit sehr guten optischen Eigenschaften gezeigt. Ihre Anwendung in EMM Untersuchungen läuft derzeit bei Kooperationspartnern im Arbeitskreis von Professor Davide Calebiro an der Universität Birmingham an. Der κOR ist der Subtyp, der auch als Arznei-Target aufgrund seines geringen Missbrauchspotentials in Erscheinung getreten ist. Obwohl steigendes Interesse an diesem Rezeptor besteht, sind κOR-selektive fluoreszierende Sonden in der Literatur bisher kaum beschrieben. In dieser Arbeit wird das Design, die Synthese und Charakterisierung des ersten beschriebenen Sets von fluoreszierenden κOR-selektiven Sonden mit antagonistischen Eigenschaften, basierend auf dem Liganden 5’-Guanidinonaltrindol (5’-GNTI) gezeigt. Zwei dieser Liganden wurden für EMM Experimente verwendet, um die κOR Homodimerisierung, Lokalisation und Transportwege zu untersuchen. Unsere Ergebnisse zeigen keine Homodimerisierung des κOR-gebundenen Sondenkomplexes und außerdem, dass die Mehrheit der Rezeptoren einer normalen Brown’schen Diffusion auf der Zelloberfläche folgt.…