Preclinical investigations addressing contributions of phospholipases to α1-adrenergic contractions, and antagonism of α1-adrenoceptors and growth inhibition by antihypertensive carvedilol in the human prostate

Hu, Sheng (2025): Preclinical investigations addressing contributions of phospholipases to α1-adrenergic contractions, and antagonism of α1-adrenoceptors and growth inhibition by antihypertensive carvedilol in the human prostate. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

The contraction induced by non-adrenergic agonists can counteract and impair the inhibitory effect on prostatic contraction and thus, the clinical benefits exerted by α-blockers. TXA2, as one of these non-adrenergic agonists, can induce approximately one-third of the maximal prostate contraction, thus partially compensating for the contraction inhibited by α-blockers. The source of TXA2 in the human prostate is not clear. The inhibitor of TXA2 synthesis and TXA2 receptor blocker, picotamide, can simultaneously inhibit TXA2 and α1-AR-induced contraction of prostate and vascular smooth muscle, suggesting that PLA2, a key enzyme in TXA2 synthesis, may be activated by α1-ARs in the prostate. Therefore, the first study explored the effects of PLA2 inhibitors on neurogenic and adrenergic contractions of human prostate by applying cytosolic PLA2 inhibitors (1 μM ASB14780 and 10 μM AACOCF3), secretory PLA2 inhibitor (3 μM YM26734), and leukotriene receptor antagonists (0.3 and 1 μM Montelukast). The mechanisms of contraction and relaxation initiated by α1A- and β2-ARs are considered the primary regulatory components of the human prostate tone. Carvedilol, as a clinically used non-selective β-blocker, may exert blocking effects on α1A-ARs distributed in the prostate with current standard dose. Additionally, carvedilol can also act as a “biased agonist” by binding to β-ARs, thereby activating the β-arrestin pathway, potentially participating in the regulation of prostate growth. BPH and hypertension are frequently co-morbid in the elderly male population requiring multiple medications to manage both conditions. However, the use of a single drug to manage both diseases simultaneously has rarely been studied. Therefore, the second study systematically explored the effects of different concentrations of carvedilol on prostate contraction and growth. The results of the first study in this thesis indicate that PLA2 primarily acts on presynaptic transmission in human prostate smooth muscle, thereby modulating contraction. Both cytosolic PLA2 inhibitors, ASB14780 and AACOCF3, demonstrated inhibitory effects on neurogenic human prostate contraction, while showing no significant impact on contractions induced by different adrenergic agonists. The lack of effects observed with the leukotriene receptor antagonist montelukast suggests the absence of PLA2-derived leukotrienes involved in the pre-synaptic neural regulation of prostate smooth muscle contraction. In summary, cytosolic PLA2 may affect prostate contraction through involvement in the transport of presynaptic vesicles and fusion with the cell membrane or synthesis of neurotransmitters, while a mechanism involving the activation of α1-ARs on the postsynaptic membrane leading to TXA2 synthesis and contraction seems less likely. The results of the second study in this thesis demonstrate that carvedilol inhibits prostate smooth muscle contraction from plasma concentrations (115 to 315 nM) onwards, with its maximum inhibitory effect reaching that of current α-blockers used for BPH. Additionally, carvedilol exhibits time-dependent and bidirectional regulatory effects on growth-related functions in the prostate. In this study, carvedilol shifted the concentration-response curve to the right from 100 nM onwards, accompanied by increased EC50 values (for agonist) and unchanged Emax values (for agonist), and inhibited neurogenic contraction starting from 10 nM. The inhibitory effects on adrenergic and neurogenic contractions at 10 μM were similar to those achieved with tamsulosin and silodosin under the same conditions, with no inhibitory effect on non-adrenergic contractions. At nanomolar concentrations, carvedilol increased the proliferation of stromal cells, while higher concentrations showed the opposite effect. Prolonged exposure at the same concentration reduced the viability of prostate stromal cells. Although decreased viability of prostate cells may be beneficial in BPH, cytotoxic effects are generally critical. In BPH, and if restricted to prostate cells, both could essentially lead to a beneficial reduction in prostate size. However, concentrations of 10 μM and systemic toxic effects can be excluded in vivo, as maximum plasma concentrations mount to 315 nM. With approved standard dose, carvedilol is safe and clinically applied for treatment of cardiac failure and hypertension, the latter being a common comorbidity of BPH. Overall, carvedilol antagonizes human prostate α1A-ARs within the plasma concentration, with a maximum effect size comparable to that of clinically used α1-blockers for treating voiding symptoms. The concentration-dependent bidirectional effects of carvedilol on stromal cell growth may be exerted by antagonism or by "biased agonism", which may provisionally, but not necessarily affect prostate size in patients with BPH. Together, α-AR-mediated prostatic smooth muscle contraction does not depend on PLA2 or PLA2-derived leukotrienes as PLA2 regulates prostatic smooth muscle contraction by acting at the presynaptic level. Carvedilol, as a clinical antihypertensive medication, can antagonize α1 adrenergic prostatic contraction at plasma concentrations, although achieving the effect size of α1-blockers requires concentrations beyond those in plasma. When considered in conjunction with the concentration-dependent bidirectional growth-regulatory effects of carvedilol, these findings suggest that striking a balance between the therapeutic benefits and adverse effects of carvedilol on both cardiovascular and urological systems may provide a means to address the challenge of polypharmacy. Whether this balance can be implemented by dose titration by prescribers and in real world settings or not needs clinical trials.

Abstract

Die Kontraktion, die durch nicht-adrenerge Agonisten hervorgerufen wird, kann den hemmenden Effekt auf die Kontraktion der Prostata, und damit die klinischen Effekte von α-Blockern ausgleichen und beeinträchtigen. TXA2, als einer dieser nicht-adrenergen Agonisten, kann etwa ein Drittel der maximalen Kontraktion der Prostata induzieren und kompensiert somit Kontraktions-Hemmungen durch α-Blocker. Die Quelle von TXA2 in der menschlichen Prostata ist unklar. Der gleichzeitige TXA2-Synthase-Hemmer und TXA2-Rezeptorblocker Picotamid hemmt gleichzeitig die TXA2-induzierte und die α1-adrenerge Kontraktion der Prostata- und der glatten Gefäßmuskulatur, was darauf hindeutet, dass PLA2, ein Schlüsselenzym in der TXA2-Synthese, durch α1-ARs in der Prostata aktiviert werden könnte. Daher untersuchte die erste hier vorgestellte Studie die Beteiligung von PLA2 an neurogenen und adrenergen Kontraktionen der menschlichen Prostata unter Verwendung von cytosolischen PLA2-Inhibitoren (1 μM ASB14780 und 10 μM AACOCF3), eines sekretorischen PLA2-Inhibitors (3 μM YM26734) und eines Leukotrienrezeptorantagonisten (0,3 und 1 μM Montelukast). Die Mechanismen der Kontraktion und Relaxation, die durch α1A- und β2-ARs initiiert werden, gelten als die primären regulatorischen Komponenten des Tonus der menschlichen Prostata. Carvedilol, ein klinisch verwendeter nicht-selektiver β-Blocker, kann möglicherweise blockierende Effekte auf α1A-ARs ausüben, die in der Prostata mit der aktuellen Standarddosis auftreten könnten. Zudem kann Carvedilol auch als "biased agonist" wirken, indem es an β-ARs bindet und damit den β-Arrestin-Signalweg aktiviert, der potenziell an der Regulation des Prostatawachstums beteiligt ist. BPH und Hypertonie treten häufig gemeinsam bei älteren Menschen auf, was die gleichzeitige Einnahme mehrerer Medikamente zur Behandlung beider Erkrankungen erfordert. Allerdings wurde der Einsatz eines einzigen Medikaments zur gleichzeitigen Behandlung beider Krankheiten selten in Betracht gezogen. Daher untersuchte die zweite hier vorgestellte Studie systematisch die Auswirkungen unterschiedlicher Konzentrationen von Carvedilol auf die Kontraktion humaner Prostatagewebe und das Wachstum von Stromazellen der Prostata. Die Ergebnisse der ersten Studie in dieser Dissertation zeigen, dass PLA2 primär auf die präsynaptische Transmission in der glatten Muskulatur der menschlichen Prostata wirkt und dadurch die Kontraktion moduliert. Beide cytosolischen PLA2-Inhibitoren, ASB14780 und AACOCF3, zeigten hemmende Effekte auf die neurogene Kontraktion der menschlichen Prostata, während sie keinen signifikanten Einfluss auf Kontraktionen hatten, die durch verschiedene adrenerge Agonisten induziert wurden. Das Fehlen von antikontraktilen Effekten in Experimenten mit dem Leukotrien-Rezeptorantagonisten Montelukast legt nahe, dass PLA2-abgeleitete Leukotriene nicht an der präsynaptischen neuralen Regulation der Kontraktion der Prostata glatten Muskulatur beteiligt sind. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die cytosolische PLA2 die Kontraktion der Prostata durch Beteiligung am Transport präsynaptischer Vesikel und Fusion mit der Zellmembran oder durch Synthese von Neurotransmittern beeinflussen kann, während ein Mechanismus, der die Aktivierung von α1-ARs an der postsynaptischen Membran und die nachfolgende TXA2-Synthese und Kontraktion involviert, weniger wahrscheinlich erscheint. Die Ergebnisse der zweiten Studie in dieser Dissertation zeigen, dass Carvedilol die Kontraktion der glatten Muskulatur der Prostata von den bekannten Plasmakonzentrationen (115 bis 315 nM) und aufwärts hemmt, wobei seine maximale hemmende Wirkung der von den aktuell verwendeten α-Blocker für BPH entspricht. Darüber hinaus zeigt Carvedilol zeitabhängige und bidirektionale regulatorische Effekte auf wachstumsbezogene Funktionen in der Prostata. In dieser Studie verlagerte Carvedilol die Konzentrations-Wirkungskurve ab 100 nM nach rechts, begleitet von erhöhten EC50-Werten (für α1-adrenerge Agonisten) und unveränderten Emax-Werten (für α1-adrenerge Agonist), und hemmte neurogene Kontraktionen ab 10 nM. Die hemmenden Effekte auf adrenerge und neurogene Kontraktionen bei 10 μM waren ähnlich denen, die unter denselben Bedingungen mit Tamsulosin und Silodosin erreicht wurden, ohne jedoch einen hemmenden Effekt auf nicht-adrenerge Kontraktionen zu zeigen. Bei nanomolaren Konzentrationen steigerte Carvedilol die Proliferation stromaler Zellen, während höhere Konzentrationen den gegenteiligen Effekt zeigten. Langzeitexposition bei gleichen Konzentrationen reduzierte die Lebensfähigkeit der stromalen Zellen der Prostata. Obwohl die verringerte Viabilität von Prostatazellen bei BPH vorteilhaft sein kann, sind zytotoxische Effekte generell kritisch zu betrachten. Bei BPH und sofern diese Effekte auf Prostatazellen beschränkt bleiben, könnten beide im Wesentlichen zu einer wünschenswerten Verringerung der Prostatagröße führen. Konzentrationen von 10 μM und systemische toxische Effekte können jedoch in vivo ausgeschlossen werden, da die maximalen Plasmakonzentrationen 315 nM nicht übersteigen. Mit der zugelassenen Standarddosierung ist Carvedilol sicher und wird klinisch zur Behandlung von Herzinsuffizienz und Hypertonie angewendet, wobei letztere eine häufige Komorbidität von BPH darstellt. Insgesamt antagonisiert Carvedilol humane Prostata-α1A-ARs innerhalb der Plasmakonzentrationen, mit einer maximalen Wirkungsstärke die vergleichbar mit der der klinisch verwendeten α1-Blocker zur Behandlung von Miktionsbeschwerden ist. Die konzentrationsabhängigen bidirektionalen Effekte von Carvedilol auf das Wachstum der Stromazellen können entweder durch Antagonismus oder durch "biased agonism" versursacht sein, was möglicherweise, aber nicht zwingend die Prostatagröße bei Patienten mit BPH beeinflussen könnte. Zusammenfassend hängt die durch α-AR vermittelte Kontraktion der glatten Muskulatur der Prostata nicht von PLA2 oder von PLA2-abgeleiteten Leukotrienen ab, da PLA2 die Kontraktion der glatten Muskulatur der Prostata auf präsynaptischer Ebene reguliert. Carvedilol, als klinisch verwendetes Antihypertensivum, kann die α1-adrenerge Kontraktion der Prostata bereits bei nomalen Plasmakonzentrationen antagonisieren, wobei ein maximaler Antagonismus Konzentrationen erfordert, die über denen im Plasma liegen. Zusammen mit den konzentrationsabhängigen bidirektionalen wachstumsregulierenden Effekten von Carvedilol legen diese Befunde nahe, dass ein titriertes Verhältnis zwischen therapeutischem Nutzen und den Nebenwirkungen von Carvedilol auf das kardiovaskuläre und urologische System durch Dosisanpassung eine Möglichkeit bietet, den Herausforderungen der Polypharmazie zu begegnen. Ob dieses Gleichgewicht durch Dosistitration durch verschreibende Ärzte und in realen Settings umgesetzt werden kann, muss durch klinische Studien untersucht werden.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 23. Mai 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Hennenberg, Martin