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Schlagworte
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Der Einfluss des PI3-Kinase Signalwegs auf die Regulation des alternativen HIV-1 prä-mRNA Spleißens
(2013)
In der vorliegenden Arbeit wurden ausgehend von HIV-1 basierten Minigenkonstrukten und der proviralen NL4-3 DNA die Einflüsse der PI3K Signalwegmodulation auf das alternative Spleißen der HIV-1 prä-mRNA sowie auf die Virus Replikation untersucht. Mittels RT-PCR Analysen konnte gezeigt werden, dass die PI3K Inhibition im Falle der HIV-1 basierten Minigenkonstrukte in einer erhöhten Abundanz ungespleißter bzw. intronhaltiger mRNAs resultierte, während im Kontext des Virus die Induktion alternativer Tat Transkriptvarianten nachgewiesen werden konnte. Als Folge der Inhibition des PI3K Signalwegs kam es zu einem vermehrten Einschluss der HIV-1 Leader Exone2/2b und 3. Da der Einschluss dieser Exone durch die hnRNP A/B- und F/H-abhängigen Silencer Elemente ESSV und GI2-1 negativ reguliert wird, wurde vermutet, dass die PI3K Inhibition mit der Funktionalität dieser spleißregulatorischen Aktivität interferiert. Unterstützt wurde diese Hypothese durch Replikationsexperimente mit ESSV und GI2-1 Mutanten in Gegenwart und Abwesenheit des PI3K-Inhibitors. Zusätzlich wurde auch der Einfluss des Inhibitors unter Überexpressionsbedingungen von hnRNP H auf das alternative HIV-1 Spleißen analysiert. In dieser Arbeit konnte ebenfalls gezeigt werden, dass die PI3K Inhibition ein verändertes hnRNP H Spleißmuster bedingt sowie die SR-Protein Phosphorylierung und Expression beeinflusst. Des Weiteren war es im Verlauf der vorliegenden Arbeit möglich, eine Interferenz der PI3K Modulation mit der Virus Replikation nachzuweisen. Die Überexpression der aktivierten Akt-Kinase lies hier nur eine sehr geringe Virus Produktion zu während die PI3K Inhibition diese auf ca. die Hälfte reduzierte. Weiterführende Experimente zeigten, dass die Überexpression der aktivierten Akt-Kinase den nuklearen Export Rev-abhängiger HIV-1 mRNAs zu blockieren scheint. Darüber hinaus beeinflusste die PI3K Inhibition neben dem alternativen HIV-1 Spleißen auch die virale Transkription sowie die zelluläre Translation. Zusammen könnten diese Effekte die reduzierte virale Replikation erklären. Der PI3K Signalweg spielt somit eine zentrale Rolle bei dem alternativen HIV-1 Spleißen und der viralen Replikation und bietet so die Möglichkeit der Entwicklung neuer Ansätze einer antiviralen Therapie.
Weltweit sind über 34 Millionen Menschen mit dem HI-Virus infiziert, täglich steigt die Zahl weiter an. Es liegt auf der Hand, dass die Forschung zur Bekämpfung der Replikation des Virus stetig weiter geführt werden muss. In dieser Arbeit wurden die Grundlagen für einen neuartigen HIV-Therapieansatz geschaffen. Dabei steht nicht die Hemmung von Replikations-essentiellen Enzymen wie Protease, Reverse Transkriptase oder Integrase im Vordergrund, sondern die Aufrechterhaltung des humanen retroviralen Schutzes. Durch Hemmung der vif–Elongin-C-Interaktion mit Elongin-C-Inhibitoren bleibt der Organismus in der Lage, sich mithilfe von APOBEC3G auf natürlichem Wege vor dem HI-Virus zu schützen, unabhängig von viralen Mutationen. Aufgrund der Tatsachen, dass die Kristallstruktur von Elongin-C und der Bindemodus von vif in der essentiellen Bindetasche des Proteins aufgeklärt sind, konnten durch Docking-Berechnungen in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Christoph Sotriffer in-silico Substanzen bestimmt werden, die theoretisch mit hoher Affinität in die Bindetasche binden und so vif aus dieser verdrängen. Basierend auf diesen Docking-Studien wurden im Rahmen dieser Arbeit ca. 50 potentielle Inhibitoren synthetisiert und weitere 27 Substanzen kommerziell erworben. Diese wurden anschließend zum größten Teil in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Axel Rethwilm in einer zellulären Testvariante auf Hemmung des APOBEC3G-Abbaus getestet. Dabei erwies sich die Substanz A19 (FM329, Abb. 7.1) als sehr effektiv. Zur Bestätigung dieses Testergebnisses wurde A19 weiterhin in der Arbeitsgruppe von PD Dr. Jochen Bodem auf Hemmung der Replikation der Viren untersucht. Auch hier hemmt A19 die Replikation des Virus bei einer Konzentration von 30 µM zu 100%. Da allerdings die Hemmung des Abbaus von APOBEC3G bzw. der Replikation des Virus kein Nachweis auf die tatsächliche postulierte Interaktion zwischen dem Inhibitor und der Bindetasche des Proteins ist, wurde im weiteren Verlauf versucht diese Interaktion nachzuweisen. Dazu wurde zunächst unter Anleitung von Mitarbeitern des Arbeitskreises von Prof. Dr. Caroline Kisker das Targetprotein exprimiert und isoliert. Damit konnten erste Versuche zur Bindungsaufklärung durchgeführt werden. Diese beliefen sich auf Mikrokalorimetrie-Experimente und Surface-Plasmon-Resonance Untersuchungen. Erste Indizien für eine Wechselwirkung zwischen dem Inhibitor und dem Protein konnten damit bereits ermittelt werden, ein eindeutig positives Ergebnis wurde allerdings noch nicht erzielt.
Zahlreiche Studien zeigen, dass antiretrovirale Medikamente die Entwicklung von AIDS aufhalten bzw. verhindern können. Die Mortalitätsraten sind durch die Therapie drastisch zurückgegangen. Anfang des 21. Jahrhunderts konnten durch internationale Unterstützung auch in ressourcenarmen Ländern flächendeckende Maßnahmen zur Betreuung von HIV-infizierten Erwachsenen und Kindern verwirklicht werden. Kambodscha ist ein Vorzeigeland bezüglich des Umgangs mit der Epidemie.
Die Mehrzahl der pädiatrischen Patienten lebt in Ländern mit begrenzten Ressourcen. Diese Länder sind auf kostengünstige Behandlung der Kinder angewiesen. Einige der antiretroviralen Medikamente, die Kinder in Ländern mit hoher HIV-Prävalenz erhalten, werden in den Industriestaaten aufgrund ihrer Nebenwirkungen und besserer Alternativen bei Erwachsenen meist nicht mehr eingesetzt. Es fehlt an Studien, die Langzeitwirkung und -nebenwirkungen der eingesetzten Medikamente v.a. im kindlichen Organismus in ressourcenarmen Ländern untersuchen.
Ziel dieser Studie war es, am Beispiel einer Kohorte in Kambodscha die Langzeitwirkung und Verträglichkeit von ART anhand immunologischer und klinischer Parameter darzustellen.
Es erfolgte eine retrospektive Datenanalyse von 281 Kindern, die bis zu sechs Jahre antiretroviral behandelt wurden, unter Betrachtung folgender Aspekte:
• Verlauf des WAZ-Score
• Verlauf der CD4-Helferzellen (Zahl/μl und Prozent)
• Überlebensrate und Sterbefälle
• Gründe der Medikamentenwechsel
• Verlauf der Leber- und Hämoglobinwerte
Zusätzlich wurde bei 29 Kindern der Kohorte eine anamnestische Befragung und klinische Untersuchung durchgeführt mit der Fragestellung:
• Wie ist der Allgemeinzustand der Kinder?
• Treten Nebenwirkungen der Medikamente auf?
Dabei zeigten sich folgende Ergebnisse.
WAZ-Score: Anhand des Verlaufs der Weight-for-Age Z-Scores konnte eine signifikante Gewichtszunahme über die ersten zwei Therapiejahre gezeigt werden. In den weiteren vier Jahren des Beobachtungszeitraumes blieb der Mittelwert des WAZ-Score bei – 2,0 konstant.
CD4-Helferzellen: Die absolute Zahl/μl bzw. Prozent der CD4-Helferzellen der Gesamtkohorte erhöhten sich signifikant nach sechs und zwölf Monaten Therapie. Danach stellte sich über die folgenden fünf Jahre ein konstanter medianer Wert zwischen 800 und 900/μl bzw. 29 und 31% ein. Elf Kinder erhielten Second-Line-Medikamente, da ein Therapieversagen festgestellt wurde.
Überlebensrate und Sterbefälle: Aussagen über die Überlebensrate konnten aufgrund fehlender Informationen über die verstorbenen Kinder nur bedingt gemacht werden. Nach unklaren Zahlen am Anfang der Therapie starben nur zwei Kinder im Langzeitverlauf der Therapie. Die Überlebensrate nach sechs Therapiejahren war 93,8%. Die Gesamtmortalitätsrate betrug 1,5 pro 100 Patientenjahre (PJ) mit einer maximalen Mortalitätsrate von 6,3 pro 100 PJ in den ersten sechs Monaten.
Medikamentenwechsel: Ein Wechsel aufgrund von Unverträglichkeiten bzw. Toxizitäten fand nur selten statt. Von Nevirapin auf Efavirenz wurde bei elf Kindern (5%) wegen Hautausschlags und bei fünf Kindern wegen Leberwerterhöhung (2%) gewechselt. Bei zwei Kindern wurde nach Auftreten von „mentalen Problemen“, bei weiteren zwei Kindern wegen Hautausschlags ein Wechsel von Efavirenz auf Nevirapin vollzogen. Das Auftreten von Lipodystrophie war bei sieben Kindern für einen Medikamentenwechsel von Stavudin auf Zidovudin verantwortlich.
Leber- und Hämoglobinwerte: Der Median von SGOT sank in den ersten sechs Monaten der Therapie signifikant. Im weiteren Verlauf über sechs Jahre Behandlung blieben die Werte konstant. Die SGPT-Werte befanden sich über den gesamten Studienzeitraum im Normbereich. Es gibt demnach keinen Anhalt auf langfristige hepatotoxische Nebenwirkungen der Medikamente. Hämatotoxische Nebenwirkungen werden v.a. bei der Behandlung mit Zidovudin beschrieben. Bei den sieben Kindern, die mit diesem Medikament behandelt wurden, kam es zu einer durchschnittlichen Hb-Senkung um ca. 20 g/L, welche jedoch bei keinem der Kinder einen Abbruch der Therapie erforderte.
Anamnestische Befragung und klinische Untersuchung: 28 der 29 Kinder befanden sich in gutem und ein Kind, das bereits Second-Line-Medikamente erhielt, in vermindertem Allgemeinzustand. Aus der Befragung nach HIV bzw. ART relevanten Nebenwirkungen ging hervor, dass 30% der Kinder Anzeichen auf periphere Polyneuropathie (PNP) hatten, wobei sich in den Akten nur in 3% der Kinder Notizen fanden, die auf eine PNP schließen lassen könnten. Auch stellte sich bei einem Kind der Verdacht auf Lipodystrophie. Die Autorin vermutet, dass Nebenwirkungen wie periphere Polyneuropathie und Lipodystrophie in der untersuchten Kohorte unterdiagnostiziert sind.
Die Ergebnisse belegen, dass unter ART bei Kindern auch lang- bzw. mittelfristig gute Erfolge bezüglich Wirkung und Verträglichkeit erzielt werden können. Jedoch zeigte sich auch, dass auf die Erfassung der Langzeitnebenwirkungen der antiretroviralen Medikamente in den pädiatrischen HIV-Programmen ein weiterer Schwerpunkt gesetzt und neue Behandlungsoptionen gefunden werden müssen, um möglichen Therapieabbrüchen und noch nicht absehbaren gesundheitlichen Folgen für die Patienten entgegen zu wirken. Langzeitstudien über die Nebenwirkungen von ART bei Kindern, insbesondere im ressourcenarmen Umfeld, sind dringend erforderlich.
Um Wirkstoffe gegen das SARS-Coronavirus zu erhalten, wurden in dieser Arbeit Proteaseinhibitoren gegen die SARS-CoV-PLpro entwickelt. Ein Ansatz um neue Wirkstoffe gegen HIV zu finden, wurde über eine versuchte Blockade von Elongin-C beschritten. Bei der computergestützten Suche nach neuen SARS-CoV-PLpro-Inihibitoren wurde zunächst die strukturell bekannte Ligand-Bindetasche analysiert, und nach Evaluation des Dockingprozesses wurden mehrere Screeningprojekte an den Röntgenkristallstrukturen 3E9S und 3MJ5 durchgeführt. Von 24 kommerziell erworbenen Screening-Verbindungen riefen 7 eine Störung des beim Enzymassay gemessenen Fluoreszenzsignals hervor (Quenching bzw. Eigenfluoreszenz). Letztlich konnte den beiden inhibitorisch aktiven Imidazolderivaten B6 und B9 je ein IC50-Wert von etwa 50 µM zugewiesen werden. Das Imidazolscaffold eröffnet damit eine neue Substanzklasse zur Inhibition der SARS-CoV-PLpro. Im präparativ-chemischen Teil des SARS-Projekts wurden weitere Substanzklassen dargestellt, von denen die Inhibitoren vom Benzamid-Typ und Isoindolin-Typ eine Hemmung im einstelligen Mikromolaren Bereich (IC50) zeigten. Die Isoindolin-Derivate sind damit eine weitere, in dieser Arbeit entwickelte Leitstruktur zur Hemmung der SARS-CoV-PLpro. Bei der Suche nach einem Wirkstoff gegen HIV-1 wurde die neue Zielstruktur Elongin-C zur Inhibition durch niedermolekulare Liganden ausgewählt. Vier virtuelle Screeningprojekte führten zur Bestellung von 27 Verbindungen. Die durchgeführten Untersuchungen lassen noch keine abschließende Beurteilung der Ergebnisse zu, und der bisherige Zellassay wird noch durch spezifischere Methoden zur Bestimmung einer Ligandbindung an Elongin-C ergänzt werden. Falls es gelingt, einer der Verbindungen Elongin-C-blockierende Aktivität nachzuweisen, sind aufgrund des Eingriffs in einen zellulären Mechanismus neben der anti-HIV-Wirkung noch weitere pharmakologische Effekte denkbar, und das therapeutische Potenzial eines solchen Stoffs könnte in zukünftigen Experimenten erforscht werden.
Die Progression der HIV Infektion ist vermutlich bedingt von einer unspezifischen generalisierten Immunaktivierung des Patienten (Sousa, Carneiro et al. 2002; Hazenberg, Otto et al. 2003). Somit könnte ein immunsuppressives Medikament wie das Kortisonpräparat Prednisolon die Progression der Erkrankung verlangsamen. Im Rahmen nicht-kontrollierter Studien konnte die Stabilisierung der CD4+ T-Lymphozyten in HIV-Patienten durch den Einsatz von Kortison beobachtet werden (Andrieu, Lu et al. 1995; Lu, Salerno-Goncalves et al. 1995). Dieser Effekt konnte auch mit niedrig dosiertem Prednisolon (5 mg/Tag) nachgewiesen werden (Ulmer, Muller et al. 2005). Jedoch zeigen neuere Ergebnisse, dass der CD4+ T-Lymphozytenwert bei Studien zu Immunmodulatoren kein verlässlicher Surrogatmarker für die Progression ist (Abrams, Levy et al. 2009). In der vorliegenden Arbeit sollte untersucht werden, ob sich zum Einen der stabilisierende Effekt von niedrig dosiertem Prednisolon (5 mg pro Tag) auf CD4+ T-Lymphozyten in einer kontrollierten Studie bestätigt, ob zum Zweiten die CD4+ T-Lymphozytenstabilisierung auf eine Senkung der Immunaktivierung zurückgeführt werden kann und ob zum Dritten die CD4+ TLymphozytenstabilisierung die klinische Krankheitsprogression verlangsamt. Im Rahmen der ProCort-Studie sollte außerdem eine Bestimmung der Prävalenz medikamentenresistenter HIV-Infektionen bei ART unbehandelten Patienten erfolgen. Hierbei wurden die WHO Kriterien überprüft, die als Einschlusskriterien für Patienten in Resistenz-Überwachungsstudien ein Höchstalter von 25 Jahren festgelegt hat. In unserer Untersuchung wurden demgegenüber Proben von Patienten mit höherem Alter und bereits therapierten Partnern analysiert.Methoden: Im Rahmen einer doppelblinden randomisierten klinischen Studie (ProCort1) im Bugando Medical Center (BMC) in Mwanza, Tansania, wurden 326 HIV-Patienten eingeschlossen, die zuvor noch nie mit ART behandelt wurden und einen CD4+ TLymphozytenwert von mindestens 300/μl aufwiesen. In 14 Visiten wurden, während einer zweijährigen Behandlungsdauer entweder mit 5mg Prednisolon täglich oder mit Placebo, die CD4+ T-Lymphozytenwerte und das Auftreten von Progression der HIV-Infektion bestimmt. Primärer Studienendpunkt war die Krankheitsprogression, definiert als ein Unterschreiten von 200 CD4-Zellen/μl oder dem Auftreten AIDS-definierender Erkrankungen. Um die immunologische Wirkungsweise von Prednisolon in HIV-infizierten Patienten zu untersuchen wurden sowohl in den tansanischen Studienpatienten als auch in einer mit 5 mg Prednisolon behandelten deutschen Kohorte die Lymphozytenaktivierungsmarker CD38/HLADR auf CD3/CD8-Zellen, der Monozytenaktivierungsmarker sCD14 und der Entzündungsmarker suPAR bestimmt. Um die Prävalenz der HIV Medikamentenresistenz (HIVDR) in der ProCort Studienpopulation zu ermitteln wurden 88 Proben der ART unbehandelten Patienten sequenziert. Ergebnisse: Die Ergebnisse der ProCort Studie zeigten eine statistisch signifikante Stabilisierung der CD4+ T-Lymphozytenwerte im Vergleich zum Ausgangswert durch Einsatz einer niedrig dosierten Prednisolonbehandlung (5 mg täglich). In der Intent to treat Analyse wurde ein Zugewinn von +20,1 Zellen/μl pro Jahr für den Prednisolonarm (p < 0.0001) im Vergleich zu -54,2 Zellen/μl pro Jahr für den Placeboarm (p < 0.0001) bestimmt. Die CD4+ T-Lymphozytenwerte zum Zeitpunkt der Startvisite waren im Prednisolonarm statistisch signifikant niedriger (Mean 512.14 Zellen/μl ± S.E.M. 13.39) als im Placeboarm (Mean 554.40 ± S.E.M 15.75; p = 0.042). Dies bedeutet eine schlechtere Ausgangslage für die mit Prednisolon behandelten Patienten. Trotzdem entwickelten nur vier Patienten mit Prednisolonbehandlung im Vergleich zu 11 Patienten mit Placebobehandlung AIDS, was eine statistisch signifikante Verringerung der Progressionsrate bedeutet (p=0.0196). In 16 Patienten versus 18 Patienten fielen die CD4+ T-Lymphozytenwerte unter die Werte von 200 Zellen/μl. Die Behandlung mit Prednisolon war nicht mit einer höheren Rate von unerwünschten Ereignissen oder höherer Viruslast assoziiert.