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Title
Unraveling the molecular pharmacology of 4-MEC and 4-MePPP- Insights into their mode of action / submitted by Kusimika Saha
Additional Titles
Entschlüsselung der molekularen Pharmakologie von 4-MEC und 4-MePPP-Einblicke in ihre Wirkmechanismen
AuthorSaha, Kusumika
CensorSitte, Harald
PublishedWien, 2016
Description78 Blätter : Illustrationen
Institutional NoteMedizinische Universität Wien, Dissertation, 2016
Annotation
Zusamenfassung in deutscher Sprache
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Mephedron Analoga / 4-Methylethcathinon (4-MEC) and 4'-Methyl-α-pyrrolidinopropiophenone (4-MePPP) / Monoamintransporter / Synaptosomen / Krallenfrosch-Oozyten / in vivo Mikrodialyse
Keywords (EN)Mephedrone analogue / 4-Methylethcathinon (4-MEC) and 4'-Methyl-α-pyrrolidinopropiophenone (4-MePPP) / Monoamine Transporter / oocytes / in vivo Microdialysis
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-7233 Persistent Identifier (URN)
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Unraveling the molecular pharmacology of 4-MEC and 4-MePPP- Insights into their mode of action [6.51 mb]
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Abstract (German)

Aufgrund des weltweit steigenden Mißbrauchs von Designerdrogen ist ein detailliertes Verständnis über die pharmakologischen Wirkmechanismen dieser Substanzen von essentieller Bedeutung.

In meiner Arbeit beschreibe ich das neuropharmakologische Profil zweier Mephedron Analoga: 4-Methylethcathinon (4-MEC) and 4'-Methyl-α- pyrrolidinopropiophenone (4-MePPP). Um deren Wirkung auf bekannte Monoamintransporter, Transporter (SERT) sowie den Dopamine Transporter (DAT) zu untersuchen, wurden sowohl in vitro als auch in vivo Methoden verwendet. In vitro Experimente umfassten die Präperation von Synaptosomen aus der Ratte (Rattus Norvegicus), die Verwendung von Krallenfrosch-Oozyten (Xenopus Leavis) als auch heterologe Zellexpressionssysteme. Ebenso wurden die Effekte der zwei Mephedron Analoga auf neurophysiologischer Ebene mittels in vivo Mikrodialyse als auch auf verhaltensbiologischer Ebene in Ratten untersucht.

Diese Arbeit beschreibt die individuellen pharmakologischen Profile von 4-MEC und 4-MePPP sowie die molekularen Mechanismen die der Interaktion dieser Substanzen mit ihren Targets zugrunde liegen.

Eine besondere Problematik der heutigen Designerdrogen liegt in der immer kürzer werdenen Zeitspanne zwischen Synthetisierung und Verkauf. Als Reaktion auf die Illegalisierung von Mephedron 2010, überschwemmen jetzt 4-MEC und 4- MePPP die Drogenmärkte.

Diese Arbeit beschreibt das einzigartige „Hybrid“-Profil von 4-MEC: den Dopamintransport zu blockieren und die Freisetzung von Serotonin zu verstärken; ebenso erzeugt 4-MEC einen SERT-mediierten Einwärtsstrom. In vivo Experimente zeigen daß 4-MEC zu einem erhöten Serotoningehalt in Gehirnen von Ratten führt. 4-MePPP hingegen ihibiert zwar auch den Dopamintransport, zeigt jedoch eine viel geringere Wirksamkeit gegenüber SERT. Dabei kommt es bei Applikation von 4- MePPP zu einem erhöhten Dopamingehalt in Rattengehirnen jedoch ohne den Serotoninspiegel zu beeinflussen. Ebenso wurde eine Erhöhung der motorischen sowie stereotypischen Lokomotion in Ratten gemessen. Unterschiedliche experimentelle Erkenntnisse, die aus den pharmakologischen Profile von 4-MEC und 4-MePPP abgeleitet wurden, sowie die Tatsache, dass beide strukturell von Mephedron abstammen, verlangten nach neuen Erklärungsmodellen. Mittels 12 „Computational docking“ konnten die unterschiedlichen Wirkmechanismen der beiden Mephedron Analoga aufgeklärt werden. Die Anwesenheit einer Pyrrolidin- Ringstruktur in 4-MePPP verhindert eine physische Assoziation mit SERT. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Struktur-Funktionsbeziehung auf die pharmakologischen Profile von psychoaktiven Substanzen.

Die Bedeutung eines umfassenden Verständnisses über die genauen Mechanismen der zahlreichen psychoaktiven Substanzen spiegelt sich vor allem in der Dringlichkeit therapeutischer Maßnahmen innerhalb der Suchtprävention. Erst wenn wir die Wirkmechanismen verstehen werden, ist es möglich, präventive Maßnahmen zu ergreifen.

Abstract (English)

The growing abuse of psychoactive designer drugs worldwide requires scientific intervention to elucidate their pharmacological properties, physiological effects. It is important to bring forward crucial information about their abuse potential leading to awareness and effective ban on their use.

My thesis focuses on two mephedrone analogues, 4-MEC and 4-MePPP, to investigate their neuropharmacological profile. I used a spectrum of techniques including in vitro models of rat brain synaptosomes, HEK293 cells and oocytes from Xenopus laevis to reveal their mode of action on their targets, the monoamine neurotransmitter transporters, the serotonin transporter (SERT) and the dopamine transporter (DAT). The work also looks at their effects in the rat brain by using in vivo microdialysis and monitors their effects on behavioral traits like motor locomotion and stereotypical locomotion. The study sheds light to a distinctive pharmacological profile of 4-MEC and 4-MePPP and at the molecular mechanism of interaction between the drugs and their targets by using the tools of computational biology. The two drugs under investigation are popular drugs of abuse, which have flooded the market since the ban of mephedrone in 2010. The study reveals 4-MEC to possess an unique “hybrid” profile wherein it is effectively able to block the DAT and produce substrate mediated efflux at the SERT. It also produces SERT mediated inward current. In vivo studies revealed its potential to aggravate 5-HT neurotransmitter levels in the rat brain. 4-MePPP displays a different profile by blocking DAT effectively however showing less potency at the SERT. In the rat brain the drug was able to elevate the levels of dopamine without affecting the levels of serotonin. It also increases motor and stereotypical locomotion in rats. Their diverse profile captivated our imagination to seek an answer as to why they have different modes of action, which is striking considering their common ancestral lineage from mephedrone. Computational docking solved this puzzle and disclosed the reason behind 4-MePPPs inactivity at the SERT. This was due to its structural constraint, namely its bulky pyrrolidine ring that could not accommodate itself into the binding pocket of SERT. The study reflects on the importance of structure function relationship of drugs and their profound influence on their pharmacological profile.

My thesis puts forward a comprehensive understanding of the mode of action of 4-MEC and 4-MePPP on the monoamine neurotransmitter transporters. The study utilizes various tools and techniques at the molecular, cellular and at the systemic level to understand the biological potential of the drugs. This can be further extrapolated on to other drugs, which still remain a mystery regarding their mode of action as shown by at the later stage of my thesis.

In conclusion, my thesis celebrates the importance of research in deciphering the mechanism of action of drugs of abuse by using an array of scientific methods.

The work puts forward a model wherein drugs of abuse can be evaluated not only to reveal their biological influence and the molecular mechanism behind them but also point to a therapeutic potential towards a cure for drug addiction.