Electrophysiological validation and characterization of pharmacological compounds targeting GluK2/GluK5 kainate receptors

Abstract

Os recetores de cainato (KARs) são recetores de glutamato ionotrópicos tetraméricos, com caraterísticas biofísicas distintas, que regulam a atividade dos circuitos sinápticos a nível pré-sináptico e pós-sináptico através de ações ionotrópicas e/ou metabotrópicas. Estes recetores podem formar combinações homoméricas ou heteroméricas constituídas por diferentes subunidades do tipo GluK1–GluK5. Em mamíferos, o KAR heteromérico GluK2/GluK5 é o subtipo de KAR mais abundante no cérebro. Aquando da sua ativação por glutamato libertado endogenamente, os KARs GluK2/GluK5 medeiam correntes pós-sinápticas excitatórias (EPSCs) de cinética lenta e baixa amplitude, tendo um papel importante na transmissão sináptica excitatória e na integração sináptica.A necessidade atual de validar e caracterizar novos compostos farmacológicos que possam atuar seletivamente nos KARs surgiu naturalmente de forma a melhor entender as funções fisiológicas desta família de recetores de glutamato e também para melhor explorar o seu impacto na patofisiologia de algumas doenças neurológicas, tais como a epilepsia e a dor neuropática. Esta tese de Mestrado tem como objetivo validar e caracterizar novos antagonistas ortostéricos putativos e moduladores alostéricos putativos dos KAR GluK2/GluK5 usando eletrofisiologia em fatias de cérebro e aplicando diferentes protocolos de eletrofisiologia. Estes compostos farmacológicos foram sintetizados e fornecidos por um colaborador do projeto KARTLE (Laboratório do Dr. Bernard Pirotte – Universidade de Liège, Bélgica). Todo o conjunto de experiências foi realizado num contexto sináptico, especificamente nas sinapses das fibras musgosas com os neurónios da região Cornu ammonis 3 (sinapses mf-CA3) no hipocampo. Entre os dois grupos principais de compostos farmacológicos testados, o grupo de antagonistas ortostéricos putativos mostrou ter um impacto maior na redução quer da amplitude máxima quer da carga elétrica sináptica das EPSCs mediadas por KARs (KAR-EPSCs) nas sinapses mf-CA3. Neste grupo, verificou-se que o composto experimental P03, na concentração testada, foi mais potente que o composto de referência UBP310 em reduzir a carga elétrica sináptica mediada por KARs, indicando que este poderá ser um novo composto líder a atuar nos KARs GluK2/GluK5. Antecipamos que este e outros potenciais novos compostos farmacológicos que atuem nos KARs GluK2/GluK5 possam servir como ferramentas para melhor caraterizar as suas funções fisiológicas e representar opções adicionais para novas abordagens terapêuticas.

Kainate receptors (KARs) are tetrameric ionotropic glutamate receptors, with distinct biophysical features, which regulate the activity of synaptic circuits at presynaptic and postsynaptic levels through ionotropic and/or metabotropic actions. They can co-assemble as homomeric or heteromeric combinations of different GluK1–GluK5 subunits. In mammals, heteromeric GluK2/GluK5 KAR is the most abundant KAR subtype in the brain. Upon its activation by endogenously released glutamate, GluK2/GluK5 KARs participate in excitatory postsynaptic currents (EPSCs) with slow kinetics and small amplitude, having an important role in the overall excitatory synaptic transmission and synaptic integration.The current need of validating and characterizing new pharmacological compounds which can selectively target KARs came naturally in order to better understand the physiological functions of this family of glutamate receptors and also to further explore their impact on the physiopathology of some neurological disorders, such as epilepsy or neuropathic pain. This Master project aims to validate and characterize new putative orthosteric antagonists and allosteric modulators of GluK2/GluK5 KARs using brain slice electrophysiology and applying different electrophysiology protocols. These pharmacological compounds were synthesized and provided by a KARTLE project collaborator (Dr. Bernard Pirotte’s Lab – University of Liège, Belgium). The whole set of experiments was performed in a synaptic context, specifically at hippocampal mossy fiber to Cornu ammonis 3 (mf-CA3) synapses. Among the two main groups of pharmacological compounds tested, the group of putative orthosteric antagonists showed a higher impact reducing both peak amplitude and synaptic charge of EPSCs mediated by KARs (KAR-EPSCs) at mf-CA3 synapses. Within this group, we found that the experimental compound P03, in the tested concentration, was more potent in reducing the synaptic charge than the reference compound UBP310, indicating that it may be a new lead compound targeting GluK2/GluK5 KARs. We anticipate that potential new pharmacological compounds targeting GluK2/GluK5 KARs will be able to serve as tools to better characterize these KARs subtype physiologically and may represent additional options for novel therapeutic approaches.