Keep dementia in mind, but forget memory formation : plasticity of the N-methyl-D-aspartate receptor in erythroid cells and its potential for the treatment of sickle cell anemia

Zusammenfassung Das Projekt basiert auf einer Pilotstudie die zeigte, dass N-methyl-D-aspartat Rezeptoren in erythropoietischen Zellen von Ratten und Menschen zu finden sind. Zudem wurde festgestellt, dass Patienten mit einer erhohten intrazellularen Kalzium Konzentration in den Erythrozyten eine gesteigerte Aktivitat der Rezeptoren aufweisen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Zusammensetzung und die Eigenschaften der Rezeptoren wahrend der Erythropoiese von gesunden Probanden und Sichelzellenanamie-Patienten zu untersuchen. Die Ergebnisse wurden anschliessend mit den Daten uber die Struktur und die Funktion des Rezeptors aus den roten Blutkorperchen verknupft. Die Ergebnisse zeigten, dass sich die Zusammensetzung der Rezeptoruntereinheiten wahrend der Differenzierung der Erythrozyten verandert. Es konnte gezeigt werden, dass die N-methyl-D-aspartat Rezeptoren vor allem fur das Uberleben der Proerythroblasten und der basophilen Erythroblasten entscheidend sind. Ebenfalls wurde gezeigt, dass sich die Rezeptorexpression wahrend der Erythropoiese in gesunden Probanden nicht massgeblich von Sichelzellenanamie-Patienten unterscheidet. Nichtsdestotrotz wurde klar beobachtet, dass in roten Blutkorperchen von Patienten die Anzahl von aktiven Rezeptoren funf bis zehn mal grosser ist als im Vergleich zu gesunden Probanden. Die Inhibition dieser aktiven Rezeptoren mit dem Antagonisten Memantin bewirkte eine Reduktion der Dehydration und die damit assoziierte typischen Verformung der Erythrozyten. Gleichzeitig wurde gezeigt, dass die erythropoietischen Vorlauferzellen von Patienten, im Gegensatz zu den Zellen von gesunden Probanden, weniger sensitiv auf Rezeptorantagonisten reagieren. Diese Ergebnisse legen nahe, dass sich die Inhibition dieser N-methyl-D-aspartat Rezeptoren in Erythrozyten positiv auf den Kalziumspiegel der roten Blutkorperchen auswirkt und damit nicht nur die Lebensdauer der Zellen, sondern auch die gesundheitliche Situation der Patient erheblich verbessert werden kann. Basierend auf diesen Resultaten ist eine klinische Studie mit den Rezeptorantagonisten Memantin als neue Therapie fur Sichelzellenanamie in Planung. Summary This project was based on a pilot study indicating that N-methyl-D-aspartate receptors (NMDARs) are expressed in rat erythroid precursor cells (EPCs) and present in both, circulating rat and human red blood cells (RBCs). Furthermore, assessment of this receptor’s activity in RBCs of sickle cell disease (SCD) patients revealed that calcium (Ca2+) overload is likely to be due to the pathological up-regulation of receptor abundance and activity in them. The present study was focused on the characterization of NMDARs on the molecular and functional level during erythropoietic maturation. EPCs of healthy humans and SCD patients were studied ex vivo. These findings were then bridged with the data obtained from the NMDARs in mature RBCs. The data revealed the changes in the NMDAR subunit composition mirrored by the change of the functional properties during differentiation. Functional NMDARs were shown to be required for survival of the erythroid precursor cells. They prevented cells from undergo apoptosis. In particular, this protecting effect was present at the proerythroblastic stage. Furthermore, no significant difference was observed in the expression of NMDAR subunits during differentiation of the precursor cells of healthy humans and SCD patients. However, in the circulating RBCs of asymptomatic patients, the number of active receptors exceeded that in cells of healthy donors by 5 to 10-fold. Inhibition of the receptors with pore-targeting antagonist Memantine substantially reduced the dehydration of RBCs and decreased the risk of sickle cell transformation. At the same time, EPCs of SCD patients were less sensitive to Memantine than proerythroblasts of healthy humans. These results suggested that inhibition of the NMDARs in RBCs of SCD patients may be beneficial. The reduction of Ca2+ uptake could decrease dehydration, increase RBC life span, and reduce the risk of thrombosis. Based on these findings, a clinical trial in which Memantine is to be used for treatment of a small cohort of patients is in preparation.