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Epigenetik

Lesezeichen im Buch des Lebens

22.06.2009
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Myelodysplastisches Syndrom

Das Myelodysplastische Syndrom (MDS) umfasst eine Gruppe von erworbenen Erkrankungen des Knochenmarks. Normalerweise entwickeln sich im Knochenmark aus Knochenmarkszellen (Blasten) verschiedene Typen von Blutzellen. Beim MDS sind die Blasten verändert und die Hämatopoese gestört. MDS kommt am häufigsten bei Menschen über 60 Jahren vor, Männer sind etwas häufiger betroffen als Frauen. Jährlich erkranken etwa 9000 Menschen neu an MDS. Bei etwa einem Drittel geht das MDS nach einer gewissen Zeit in eine akute Leukämie über. Die DNA-Methyltransferase-Inhibitoren sind hier bereits First-line-Medikamente geworden.

5-Azacytidin muss für den Einbau in die DNA zunächst zum Desoxyzucker reduziert werden, die nicht-reduzierte Form kann zudem in RNA eingebaut werden. Bei Anlagerung der Methyltransferasen an die modifizierten DNA-Bausteine bilden sich stabile Enzym-DNA-Addukte, sodass die Enzyme für weitere Methylierungen nicht mehr zur Verfügung stehen. Damit nimmt eine Hypermethylierung von Genen ab, die dann wieder exprimiert werden können.

 

Bis Anfang der 1990er-Jahre wurden die Substanzen in klinischen Studien als Hochdosistherapie verabreicht, wobei die Anwendung durch schwere Nebenwirkungen limitiert war. 1989 erzielte die Arbeitsgruppe um Pinto mit einer Niedrigdosistherapie von Decitabin bei älteren AML- und MDS-Patienten beachtliche Erfolge. Trotz einiger klinischer Belege, dass in bestimmten Genabschnitten unter der Therapie mit den DNA-Methyltransferase-Hemmstoffen die ursprünglichen Methylierungsmuster wiederhergestellt wurden, bleibt umstritten, ob die klinische Wirksamkeit wirklich auf diesen Effekten oder zumindest zum Teil auf allgemein zytotoxischen Eigenschaften der Substanzen beruht.

 

Auch einige Nicht-Nukleosid-Analoga befinden sich als potenzielle DNA-Methyltransferase-Hemmstoffe in der klinischen Entwicklung. Es handelt sich bislang um unspezifische Hemmstoffe, die wegen anderer Wirkungen bereits klinisch eingesetzt werden, darunter das Antihypertensivum Hydralazin (Zambrano).

 

Vorinostat (Zolinza®), ein Histon-Deacetylase-Inhibitor, wurde im Oktober 2006 von der US-amerikanischen Arzneimittelbehörde FDA zur Therapie kutaner Manifestationen bei bestimmten Patienten mit kutanem T-Zell-Lymphom (CTCL, siehe Kasten) zugelassen. Eine Zulassung von der europäischen Arzneimittelagentur EMEA besteht nicht, jedoch kann Vorinostat in Deutschland im Rahmen einer offenen, klinischen Studie für Patienten mit fortgeschrittenem CTCL, die auf mindestens zwei systemische Therapien nicht angesprochen haben, kostenfrei zur Verfügung gestellt werden. Ärzte mit entsprechenden Patienten können sich direkt an das Studienzentrum des Klinikums Minden (Studienleiter: Professor Dr. Rudolf Stadler, Telefon 0571/7904501, E-Mail: hautklinik(at)klinikum-minden.de) wenden.

 

Vorinostat-Patienten nehmen 400 mg (vier Kapseln) einmal täglich zusammen mit dem Essen ein. In klinischen Studien lag die Responderrate ungefähr bei 30 Prozent, weitere 20 Prozent der Patienten zeigten eine Stabilisierung der Erkrankung. Häufigste Nebenwirkungen waren Durchfall, Erbrechen und Fatigue. Als schwerwiegende Nebenwirkungen traten Lungenembolien und Thrombozytopenien auf. Bei der gemeinsamen Applikation mit Cumarinen wurde eine Verstärkung der gerinnungshemmenden Wirkung beobachtet, sodass hier ein entsprechendes Monitoring angezeigt ist. Weitere Substanzen dieser Stoffklasse befinden sich in klinischer Entwicklung. Am weitesten fortgeschritten ist die Entwicklung von Panobinostat und Belinostat, zwei mit Vorinostat strukturell verwandte Stoffe aus der Klasse der Hydroxamsäuren, sowie von Romidepsin, einem zyklischen Peptid. Alle drei HDAC-Hemmstoffe befinden sich derzeit in Phase III der klinischen Prüfung.

Kutanes T-Zell-Lymphom (CTCL)

Das kutane T-Zell-Lymphom ist ein Lymphom der Haut, das sich normalerweise langsam über mehrere Jahre entwickelt. In frühen Stadien kann die Haut jucken und trocken sein, es können sich auch dunklere Flecken bilden. In späteren Stadien können Verdickungen (Tumore) auf der Haut entstehen; dieser Zustand wird auch als Mycosis fungoides bezeichnet. Zusätzlich kann es zu Superinfektionen kommen. Das CTCL kann sich in Lymphknoten und andere Organe wie Milz, Lunge oder Leber ausbreiten. Wenn eine große Zahl bestimmter Tumorzellen im Blut gefunden wird, sprechen Ärzte auch vom Sézary-Syndrom.

 

Solange ein T-Zell-Lymphom nur kutan vorliegt, ist es gut behandelbar. In frühen Stadien stehen lokale Therapieverfahren im Vordergrund wie topische Steroide, PUVA (Psoralen plus UVA), lokal applizierte Zytostatika wie BCNU (Carmustin) oder eine Radiotherapie. In fortgeschrittenen Stadien sind meist systemische Therapien nötig, zum Beispiel eine Kombination aus PUVA mit Retinoiden oder rekombinantem Interferon-alpha. In Spätstadien wird auch eine palliative Chemotherapie versucht.

Auch Valproinsäure, die bislang als Antiepileptikum eingesetzt wird, hemmt die Histon-Desacetylase, allerdings erst in relativ hoher Dosierung. Valproat befindet sich aufgrund dieser Befunde für mehrere neue Indikationen in klinischen Studien der Phase II. Da seine enzymhemmenden Eigenschaften recht schwach ausgeprägt sind, wird die Zukunft des Wirkstoffs eher in einer Kombinationstherapie oder bei der topischen Anwendung gesehen. So gibt es Phase-II-Studien zur lokalen Anwendung beim Basalzellkarzinom sowie aufgrund einer antiinflammatorischen Wirkkomponente bei Akne. Bei erfolgreichem Abschneiden in der Aknestudie könnte die Anwendung auf Erkrankungen wie Psoriasis und atopische Dermatitis ausgeweitet werden. Ein anderes Indikationsgebiet ist die lokale Anwendung bei bestimmten familiär vererbbaren Darmpolypen (Familial adenomatosus polyposis, FAP). Valproinsäure wird bei dieser Präkanzerose peroral in einer Formulierung mit speziellem pharmakokinetischen Freisetzungsprofil gegeben.

 

Vielfältige Kombinationen

 

Generell sieht es bislang so aus, als ob hämatologische Krebserkrankungen besser auf Histon-Desacetylase-Hemmstoffe ansprechen als solide Tumore. Beim Einsatz der Enzyminhibitoren in einer Kombinationstherapie konnten aber auch bei Letzteren gute Effekte erzielt werden (Lee). Bei vielen Tumoren waren die klinischen Effekte bei einer Kombinationstherapie stärker ausgeprägt als bei einer Monotherapie, sodass die Zukunft dieser Substanzklasse wohl im Bereich der Kombinationen liegen wird. Eine Reihe von Kombinationen sowie unterschiedliche Dosierungsschemata befinden sich derzeit in verschiedenen Phasen der klinischen Prüfung. Zum einen gibt es eine epigenetische Kombinationstherapie, in der Histon-Desacetylase-Hemmstoffe (auch Valproinsäure) zusammen mit DNA-Methyltransferase-Inhibitoren eingesetzt werden, zum anderen gibt es den gemeinsamen Einsatz mit »klassischen« Zytostatika. Außerdem wird die Kombination mit Kinase-Inhibitoren oder all-trans-Retinolsäure (ATRA), aber auch mit Strahlentherapie geprüft.

 

Die meisten getesteten Substanzen sind sogenannte pan-HDAC-Hemmer. Das bedeutet, dass sie alle beim Menschen vorkommenden zinkabhängigen Histon-Desacetylasen hemmen. Es bleibt abzuwarten, ob Substanzen auf den Markt kommen werden, die nur einzelne Subtypen der HDAC hemmen und dadurch selektiver auf spezielle zelluläre Prozesse einwirken (Lee et al.). Eine selektive Substanz in klinischer Prüfung ist Entinostat.

 

Neben dem Krebs scheinen auch zahlreiche andere Krankheiten beim Menschen eine epigenetische Entstehungskomponente zu haben. Besonderes Augenmerk wird zurzeit auf die Rolle der Epigenetik bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Morbus Alzheimer, Parkinson oder die Huntington'sche Krankheit gelegt. Vor allem bei Letzterer wurden bei transgenen Mäusen bereits gute Effekte mit HDAC-Inhibitoren erzielt (Thomas et al.). Sirtuine, die Histon-Desacetylasen der Klasse 3, sollen starke Einflüsse bei der Entstehung von sogenannten Alterskrankheiten wie Diabetes Typ 2 haben (Lavu et al.).

 

Epigenetische Wirkstoffforschung

 

Wie bereits erläutert, ist die gezielte Methylierung von Arginin- und Lysinresten von Kernhistonen ein wichtiger Mechanismus der epigenetischen Regulation. Zurzeit sind 24 Methylierungsstellen in Kernhistonen beschrieben, die sowohl mono-, di- und in Lysinen auch trimethyliert werden können.

 

Da die enorme Bedeutung der Methylierung dieser Histone für die Regulation von Differenzierung, Proliferation und Tumorigenese sehr gut belegt ist, stellt sich die Frage, welche Bedeutung die pharmakologische Modulation der Histon-Methyltransferasen bei diesen biologischen Prozessen hat. Daher versuchen wir am Institut für Pharmazeutische Wissenschaften der Universität Freiburg in Kooperation mit der Universitätsklinik Freiburg und der Universität Halle, niedermolekulare Hemmstoffe der Argininmethylierung zu entwickeln. Es konnten bereits erste Inhibitoren der Arginin-Methyltransferasen (PRMT) identifiziert werden, die in einem Reportergen-Modell die ligandenabhängige Aktivierung hormonabhängiger Rezeptoren blockieren. Diese Substanzen stellen daher potenzielle neue Wirkstoffe für die Therapie hormonabhängiger Tumoren, zum Beispiel beim androgenabhängigen Prostatakarzinom, dar.

 

Die Verbindungen wurden über einen kombinierten Ansatz aus virtuellem Datenbank-Screening und biologischer Testung identifiziert. Dabei werden große Substanzbibliotheken bereits synthetisierter Verbindungen im Computer mit spezieller Software nach potenziellen Hemmstoffen durchsucht. Durch Selektion von aussichtsreichen Kandidaten, die anschließend in biologischen Assays getestet werden, lässt sich der experimentelle Aufwand verringern und die Chance vergrößern, rasch einen Hemmstoff zu finden. Für eine Reihe von Verbindungen konnten wir durch biochemische Studien und Molecular-Modelling-Analysen den Bindungsmodus am Targetprotein Arginin-Methyltransferase 1 bestimmen. Es zeigte sich, wie in den computerbasierten Rechnungen vorhergesagt, dass die Verbindungen in der Substratbindungstasche des Enzyms angreifen, was die Grundlage für eine Selektivität gegenüber anderen Methyltransferasen ist.

 

Weitere Studien sollen nun klären, ob einer der identifizierten PRMT-Inhibitoren in der Lage ist, das Wachstum von androgenabhängigen Prostatatumorzellen in vitro und im Tiermodell zu hemmen. Die weiteren Arbeiten werden durch die Deutsche Krebshilfe finanziert.

 

Fazit

 

Die Epigenetik ist ein faszinierendes Forschungsgebiet mit hoher Bedeutung für Entwicklungsbiologie und Pathogeneseforschung. Erste Inhibitoren epigenetischer Phänomene stehen bereits als Arzneimittel für die Krebstherapie am Menschen zur Verfügung. Intensiv arbeiten Wissenschaftler weltweit an der Entwicklung neuer Arzneistoffe, die in epigenetische Prozesse eingreifen. Solchen innovativen Substanzen kann man mit großer Spannung entgegensehen.

Literatur

... bei den Verfassern

Die Autoren

Julia M. Wagner studierte Pharmazie in Freiburg (Approbation 2008). Seit 2008 ist sie Doktorandin und wissenschaftliche Mitarbeiterin im Arbeitskreis von Professor Dr. M. Jung. In ihrer Forschung beschäftigt sie sich mit der zellulären Wirkung von Histon-Desacetylase-Inhibitoren.

 

Wolfgang Sippl studierte an der Freien-Universität Berlin Pharmazie (Approbation 1992) und wurde an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf promoviert. Nach einem Postdoktorat bei Professor Camille G. Wermuth an der Université Louis-Pasteur in Strasbourg begann er 1998 am Institut für Pharmazeutische Chemie der Universität Düsseldorf mit eigenständigen Forschungsarbeiten, die 2002 zur Habilitation im Fach Pharmazeutische Chemie führten. Seit 2003 ist er Professor für Medizinische Chemie an der Universität Halle-Wittenberg und leitet seit 2006 die Abteilung Pharmazeutische Chemie und Klinische Pharmazie. 2008 erfolgte ein Ruf auf die W3-Professur für Drug Design an die Universität Tübingen, den er ablehnte. Seine Forschung beschäftigt sich mit der Entwicklung und Anwendung von computerbasierten Methoden für das Wirkstoffdesign mit dem Fokus auf epigenetischen Targets.

 

Manfred Jung hat an der Universität Marburg Pharmazie studiert (Approbation 1990) und wurde dort promoviert. Nach einem Postdoktorat an der Universität Ottawa, Kanada, begann er 1994 am Institut für Pharmazeutische Chemie der Universität Münster mit eigenständigen Forschungsarbeiten. Die Habilitation im Fach Pharmazeutische Chemie erfolgte dort im Jahr 2000 (Mentor Professor Dr. B. Unterhalt). Seit 2003 ist Jung Professor für Pharmazeutische und Medizinische Chemie am Institut für Pharmazeutische Wissenschaften der Universität Freiburg. Seine Forschungsschwerpunkte sind Wirkstoffsynthese und Assay-Entwicklung im Bereich epigenetischer Wirkstoffe.

 

 

Julia M. Wagner, Professor Dr. Manfred Jung

Institut für Pharmazeutische Wissenschaften der Albert-Ludwigs-Universität

Albertstraße 25

79104 Freiburg

manfred.jung(at)pharmazie.uni-freiburg.de; http://jungm.de

 

Professor Dr. Wolfgang Sippl

Institut für Pharmazie der Martin-Luther-Universität

Wolfgang-Langenbeck-Straße 4

06120 Halle/Saale

sippl(at)pharmazie.uni-halle.de

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