4 ECTS credits
120 u studietijd
Aanbieding 1 met studiegidsnummer 4007985ENR voor alle studenten in het 2e semester met een verdiepend master niveau.
De cursus bestaat uit volgende delen:
Dit deel van deze cursus handelt over signaalstoffen, essentiele benaderingen ter studie van geneesmiddel-receptor interakties en de struktuur en funktie van receptoren. In het eerste hoofdstuk van dit deel worden endogene signaalstoffen (‘chemical mediators’) ingedeeld volgens hun mechanisme van transmissie (hormonen, neurotransmitters, locale boodschappers) en volgens hun hydrofobiciteit (hydrofobe hormonen die door de celwand kunnen diffunderen en voor dewelke de receptoren in de cel aanwezig zijn en hydrofiele/grote signaalstoffen voor dewelke de receptoren aan het oppervlak van celwand aanwezig zijn).
De receptoren voor chemical mediators worden vervolgens ingedeeld volgens de wijze waarop ze de signalentransmissie door de celwand verwezenlijken ('second messengers' met speciale verwijzing naar de essentiele rol van G proteinen, endogene fosforylatie, opening van ionkanalen).
In dit hoofdstuk worden de ligand gemedieerde kanalen behandeld. Aan de hand van twee voorbeelden wordt de werking van deze receptoren uitgelegd. Het betreft de nicotine acetylcholine receptoren die o.a. betrokken zijn bij de opening van natrium ionkanalen bij de contractie skeletspieren en de glutamaat en GABA gemedieerde ionkanalen die betrokken zijn bij de snelle signaaltransductie in neuronen.
In dit hoofdstuk komen G-eiwit gekoppelde receptoren aan bod. Ze vertegenwoordigen een uitgebreide familie van plasma membraan receptoren die betrokken is in een zeer brede waaier van fysiologische alsook pathofysiologische processen. Het mag daarom niet verbazen dat ongeveer de helft van alle commerciële geneesmiddelen hun werking uitoefenen via deze receptoren. In dit hoofdstuk wordt het algemeen mechanisme van signaal transductie van deze receptoren besproken alsook hun classificatie op basis van hun structuur/aminozuur sequentie. Ook worden de basis methodologieën voor deze receptoren besproken om de inwerking van boodschappermoleculen en van synthetische analogen (agonisten en antagonisten) op hun receptoren te onderzoeken.
Een volgende categorie van receptoren zijn de groeifactor receptoren / tyrosine kinase receptoren. De binding van hun liganden i.e. groei factoren activeert endogene fosforylatie. Zoals de naam aangeeft zijn de liganden van deze receptoren betrokken bij de regulatie van cel-groei en -deling.
De laatste categorie van receptoren bevinden zich intracellulair. Zij herkennen voornamelijk steroide hormonen. Dit zijn mediatoren die apolair zijn en doorheen het plasma-membraan kunnen diffunderen.
Dit deelt handelt over:
- Definitie van begrippen ivm receptor activatie
- Kwantitatieve aspecten van radioligand binding (drie basistypes van experimenten)
- Saturatie binding experimenten
- Competitie binding
- Kinetieken
Hierin wordt ook ingegaan op de interpretatie van heterogeniteit, waarmee bedoeld wordt: de aanwezigheid van verschillende receptor subtypes in de assay, ‘cooperativiteit’, receptor-G-eiwit koppeling.
Vervolgens zullen de typische functionele experimenten alsook de overeenkomstige quantitatieve aspecten van deze besproken (agonist concentratie-effect curven ..). In dit gedeelte worden ook begrippen besproken zoals partiële en inverse agonisten, intrinsieke activiteit, amplificatie, receptor reserve ... In dit hoofdstuk wordt de complexe relatie tussen ligand-receptor binding en de gemeten respons zoals de activatie van de G-eiwitten, vorming van ‘second messengers’, weefsel effecten (bvb contractie van een spier) …. Hierbij komen aan bod de belangrijkste modellen/theoriëen die deze relatie beschrijven en/of verklaren. Het zijn (i) het lineaire model, (ii) het ‘niet-lineaire’ of ‘transducer model’ (iii) het ‘one site-two state model (iv) het ‘allosteric ternary complex model’
In deze twee hoofdstukken wordt besproken op welke wijze synthetische antagonisten de ligand gemedieerde effecten kunnen inhiberen en/of moduleren. Hierbij komen aan bod : klassieke competitieve antagonisten, competitieve ‘insurmountable’ antagonisten, ‘allostere’ modulatoren, ‘allostere’ antagonisten, ‘inverse agonisten’ en functionele antagonisten. Vervolgens zullen de moleculaire mechanismen besproken worden die ervoor zorgen dat agonist responsen worden afgebroken. Het betreft hier de mechanismen van receptor-phosphorylatie, desensitizatie en internalizatie.
Daar waar oorspronkelijk gedacht werd dat alle natuurlijke en synthetische agonisten voor één welbepaalde receptor dezelfde cellulaire en biochemische responsen induceren, blijkt nu dat verschillende liganden voor één receptor een zekere selectiviteit kunnen vertonen voor welbepaalde signaaltransductie-wegen. In dit hoofdstuk wordt besproken hoe deze functionele selectiviteit kan geanalyseerd worden en dus of bepaalde liganden als ‘biased liganden’ omschreven kunnen worden.
In relatief recente onderzoeken is gebleken dat G-eiwit gekoppelde receptoren kunnen voorkomen als di- of oligomeren. In dit hoofdstuk wordt besproken hoe dit fenomeen door middel van recente moleculaire en biofysische technieken kan aangetoond worden. Ook wordt ingegaan op de mogelijks ingrijpende consequenties dit kan hebben voor de moleculaire farmacologie.
In dit hoofdstuk wordt ingegaan op het renine-angiotensine system waarin G-eiwit gekoppelde receptoren een sleutelrol vervullen. Alvorens in te gaan op dit specifieke hormonaal regelsysteem wordt een bondig overzicht gegeven van de fysiologische regulatie van de bloedcirculatie en bloeddruk onder invloed van het para- en orthosympatisch zenuwstelsel. De centrale boodschapper in het renine-angiotensine systeem is het peptide angiotensin II welke een prominente rol vervult in de regulatie van de bloeddruk. Door binding tot en activatie van GPCR veroorzaakt dit peptide een cascade van effecten die leiden tot verhoogde bloeddruk. Het is om die reden dat intensief onderzoek wordt uitgevoerd voor de ontwikkeling van selectieve antagonisten. Aan de hand van deze receptoren wordt een aantal farmacologische aspecten uit voorgaande delen van de cursus alsook meer moleculaire aspecten behandeld. Het betreft: (i) de verschillen receptoren van het renin-angiotensine systeem en hun signaaltransductie-wegen (ii) het mechanisme van angiotensine II type 1 receptor antagonisten en (iii) het moleculair activatie-mechanisme van deze receptor.
Terwijl G-proteine gekoppelde receptoren klassiek hormonen en neurotransmitters herkennen, blijken intermediaren van het carbohydraat- en lipide- metabolisme ook liganden te zijn van welbepaalde van deze receptoren. In dit hoofdstuk worden receptoren besproken waaraan vrije vetzuren binden. Omdat deze receptoren betrokken zijn in de homeostatische regulatie van glucose kunnen ze beschouwd worden als een potentiële target voor de ontwikkeling van anti-diabetes geneesmiddelen. Deze potentiële therapeutische benadering wordt vergeleken met het werkingsmechanisme van actuele behandelingswijzen.
De practica behelzen het beter begrijpen van essentiële concepten in de (moleculaire) farmacologie. Aandacht wordt besteed aan twee meettechnieken voor de studie van signaaltransmissie en de moleculen die hierin betrokken zijn. Het betreft radioligand binding tot een cellijn waarin recombinante G-eiwit gekoppelde receptoren tot uitdrukking gebracht werden. In dezelfde cellijn zal agonist- gemedieerde activatie van deze receptoren gemeten worden. In dit verband zal de vrijmaking van intracellulaire calcium gemeten worden.
Het cursusmateriaal omvat een aantal powerpoint-presentaties beschikbaar op het leerplatform.
Het doel van de cursus is het wegwijs maken van de student in het domein van de Moleculaire Farmacologie. De gedurende deze cursus opgedane kennis is niet alleen nuttig in een research-georiënteerde carrière, het biedt de bio-ingenieurs en biologen ook een stevige basiskennis die van nut is voor onderzoeksaktiviteiten in multi-disciplinaire teams in de farmaceutische industrie.
Specifieke leerresultaten zijn:
De betekenis en inhoud van farmacologische begrippen kennen.
Zelfstandig en kritisch omgaan met farmacologische kennis
De in de hoorcollege’s opgedane kennis gebruiken in het begrijpen en kritisch lezen van wetenschappelijke artikels in het domein van de moleculaire farmacologie
In het hoorcollege wordt een actieve studiehouding aangemoedigd, waardoor de kennis in concrete voorbeelden kan toegepast worden.
In een korte tijd de essentie (doelstellingen, methoden, resultaten, bespreking) van een wetenschappelijk artikel in het domein van de cursus mondeling kunnen presenteren.
Zelfstandig een standpunt kunnen innemen in verband met de bespreking, interpretatie en conclusies in eenwetenschappelijk artikel.
Het toepassen van de in de hoorcollege’s opgedane kennis in concrete experimenten tijdens het WPO. Bvb. het kunnen berekenen en bespreken van de bindingseigenschappen van een radioligand op basis van zelf geproduceerde data in het WPO.
Constructief samenwerken met medestudenten in het verwerken van experimentele gegevens alsook het rapporteren ervan.
De beoordeling bestaat uit volgende opdrachtcategorieën:
Examen Mondeling bepaalt 67% van het eindcijfer
WPO Verslag bepaalt 33% van het eindcijfer
Binnen de categorie Examen Mondeling dient men volgende opdrachten af te werken:
Binnen de categorie WPO Verslag dient men volgende opdrachten af te werken:
Organisatie examen:
Het mondeling examen Moleculaire farmacologie zal uit twee delen bestaan :
Deel 1: bespreking van een research artikel dat enkele weken voor het examen per mail naar elke student individueel verstuurd zal worden. Dit examen deel bestaat uit een korte (ong. 5 min) presentatie door de student van het artikel (hoeft géén powerpoint te zijn) wel mondeling, eventueel met het tonen van schema’s, tekeningen, grafieken e.d. Dit deel duurt tussen 20 en 25 min.
Deel 2 : Een half uur voor het examen tijdstip, bezorg ik de student een algemene vraag hetzij op papier of per mail. Deze vraag heeft betrekking tot de cursus-inhoud (elke student heeft een andere vraag). De student bespreekt dit/beantwoordt dit dan tijdens het tweede deel van het mondeling examen. Dit deel duurt tussen 20 en 25 min.
Dus ik voorzie voor elke student een tijdslot van in totaal en maximaal 45 min.
Het examen is openboek, d.w.z. je kan alle notities, teksten, slides e.d. gebruiken tijdens het examen.
Evaluatie
De evaluatie betreft het mondeling examen alsook het practicum.
Na het mondeling examen gebeurt de quotering (summatief) die 2/3 van de totale punten beslaat.
Het bijwonen van de practica is verplicht! Bij ongewettigde afwezigheid wordt “AFW” vermeld in het volledige eindcijfer. Het practicum kan niet in de tweede zittijd worden uitgevoerd en vindt enkel plaats op de data vermeld in het uurrooster. Deze data worden ook aangekondigd in Canvas. Na het practicum dienen de studenten een schriftelijk verslag in te dienen waarin volgende items behandeld dienen te worden: inleiding, vraagstelling, gebruikte technieken, analyse en bespreking van de resultaten en conclusie(s). Dit verslag tesamen met de inzet tijdens de practica worden summatief beoordeeld en beslaat 1/3 van de punten.
Deze aanbieding maakt deel uit van de volgende studieplannen:
Master in de bio-ingenieurswetenschappen: cel- en genbiotechnologie: medische biotechnologie