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Wirkstoffe aus marinen Organismen

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Wirkstoffe aus marinen Organismen

Siebzig Prozent der Erdoberfläche sind vom Meer bedeckt. DieserLebensraum bietet eine faszinierende Fülle an einzigartigen Organismen.Die höchste Artenvielfalt findet sich an tropischen Riffen. Aber auch polareRegionen sowie Meerestiere und -pflanzen der gemäßigten Breiten,beispielsweise in Nord- und Ostsee, werden untersucht. Ziel ist die Nutzungmariner Ressourcen als Quelle für neue Wirkstoffe. Einige Substanzen sindbereits in klinischer Prüfung und zeigen, daß marine Naturstoffe eine großeBedeutung als potentielle Pharmaka haben.

Die marine Flora zeichnet sich durch stammesgeschichtlich primitive Artengruppenaus, vorwiegend Schizophyta (Bakterien, Blaualgen), Phycophyta (Algen) undMycophyta (Pilze). Erst neuere Untersuchungen mit Polymerasekettenreaktion undVergleich der 16S-ribosomalen DNA zeigten, daß im Meer bislang völligunbekannte Mikroben zu finden sind. Auch die marine Fauna ist in ihrer Artenvielfalterst zu etwa zwei Dritteln bekannt. Zudem kommen einige ungewöhnlicheOrganismen nur im Meer vor oder haben dort ihren Verbreitungsschwerpunkt. Sosind acht der 28 Stämme (Phyla) von Tieren nur im Wasser zu finden, unteranderem Cnidaria (Nesseltiere), Porifera (Schwämme), Bryozoa (Moostiere) undEchinodermata (Stachelhäuter), alle bekannt als interessanteSekundärstoffproduzenten. Man kann daher annehmen, daß die Ozeane der Weltdie derzeit größte Ressource an neuen Naturstoffen sind.

Das Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie(BMBF) stellte kürzlich die marine Naturstofforschung in den Mittelpunkt einesneuen Konzeptes zur Schwerpunktförderung.

Gewinnung mariner Lebewesen

Die meisten akademischen Arbeitsgruppen sammeln ihre Organismen auf speziellorganisierten Exkursionen durch Flaschentauchen (SCUBA diving: self containedunderwater breathing apparatus). Dabei wird bis in etwa vierzig Meter Tiefegetaucht, aus Sicherheits- und arbeitstechnischen Gründen immer mindestens zuzweit. Ein Taucher entnimmt die Proben, der andere verpackt sie in vorbereiteteBehälter. Die Auswahl erfolgt meist direkt unter Wasser und erfordert detaillierteKenntnisse der Taxonomie und Chemotaxonomie mariner Lebewesen. Am Standortwird auch ersichtlich, in welchem ökologischen Umfeld ein Organismus lebt.Ökologischer Druck, beispielsweise durch Freßfeinde oder Konkurrenten umLebensraum, kann oft mit der Produktion bioaktiver Sekundärstoffe korreliertwerden.

Große und teilweise kommerzielle Unternehmen wie PharmaMar in Spanien undHarbor Branch Oceanographic Institution (HBOI) in Florida verfügen überprofessionelle Taucher und Taxonomen, die diese Arbeit übernehmen. HarborBranch besitzt das berühmte Tauchboot Johnson Sea Link, mit dem Proben aus derTiefsee beschafft werden. Das 25 Jahre alte, unabhängige Forschungsinstitut spielteine führende Rolle auf dem Gebiet der pharmakologisch aktiven marinenNaturstoffe.

Die Proben werden taxonomisch identifiziert, extrahiert, einem chemischen undbiologischen Screening unterzogen und die aktiven Naturstoffe durchchromatographische Verfahren sowie mit Bioassays isoliert.

Strukturelle Vielfalt

Inzwischen sind über 6000 Verbindungen aus marinen Organismen beschrieben;Informationen findet man in der Datenbank MARINLIT (A Database of theLiterature on Marine Natural Products, J.W. Blunt, M. H. G. Munro, Departmentof Chemistry, University of Canterbury, Christchurch, New Zealand).

Vermutlich werden viele marine Naturstoffe auf ähnlichen Biosynthesewegen wieterrestrische Verbindungen aufgebaut, beispielsweise Terpene, die auch inMeerestieren und -pflanzen häufig vorkommen. Wissenschaftliche Untersuchungendazu gibt es jedoch nur wenige. Die Chance, auf neue strukturelle Varianten undStrukturtypen zu stoßen, ist sehr hoch. Einige Beispiele sollen zeigen, daß marineNaturstoffe strukturelle Überraschungen bieten und diese mit potenter biologischerAktivität einhergehen.

Cembrane sind makrozyklische Diterpene, die vor allem in Weich- undHornkorallen vorkommen. Ein Cembran der Weichkoralle Lobophytum cristagallihemmt die Ras-Farnesyltransferase. Die Ras-Proteine aus der großen FamilieGTP-bindender Proteine helfen mit, Signale von der Zelloberfläche zum Kernweiterzuleiten. Diese Signalkaskaden sind an der Steuerung des Zellwachstums undder Zelldifferenzierung beteiligt. Bei etwa dreißig Prozent der menschlichen Tumorenwurden Mutationen in den Ras-Genen nachgewiesen. Inhibitoren derRas-Farnesyl-Transferase hemmen die für die Verankerung in der Membranwichtige, posttranslationale Verknüpfung der Ras-Proteine mit einem Prenyl-Restund gelten als potentielle Tumortherapeutika.

Ein weiterer Naturstoff mit terpenoidem Charakter ist das von der Gruppe W.Fenical in Kooperation mit Bristol-Myers Squibb identifizierte Eleutherobin. Esstammt aus einer seltenen, an der Küste West-Australiens vorkommendenWeichkoralle der Gattung Eleutherobia. Eleutherobin besitzt einEunicellan-Grundgerüst, das durch weitere Ringschlüsse aus demCembrangrundkörper hervorgeht. Zunächst wurde die außerordentlich starke, imnanomolaren Bereich liegende Zytotoxizität gegenüber kultivierten Krebszellinienregistriert, dann der Wirkungsmechanismus aufgeklärt. Eleutherobin stabilisiert wiePaclitaxel (Taxol) Mikrotubuli und war bei seiner Entdeckung das zweite Molekülmit dieser einzigartigen biologische Aktivität.

Inzwischen wurde ein weiteres Molekül mit dieser Wirkweise gefunden: das ausdem Schwamm Discodermia dissoluta stammende Discodermolide. Harbor Branchverkaufte die Lizenz für Discodermolide an Novartis.

Marine Naturstoffe zeichnen sich durch ungewöhnliche funktionelle Gruppen aus,insbesondere die Substitution mit Halogenen, vorwiegend Chlor und Brom, seltenauch Iod. Cyclocymopol ist ein bromierter aromatischer Metabolit der marinenGrünalge Cymopolia barbata, der mit dem Progesteronrezeptor interagiert.

Auch komplexe Heterocyclen und Ringsysteme sind weit verbreitet. Palau'amine isteine hexacyclische Verbindung mit zwei Guanidingruppierungen, eine in marinenNaturstoffen auffallend häufige Einheit. Die Substanz wurde in dem SchwammStylotella agminata gefunden und hat potente immunsuppressive Wirkung, istallerdings auch generell zytotoxisch.

Viele marine Toxine gehören zur Gruppe der Polyetherverbindungen, die auf demPolyketidweg aufgebaut werden. Einige davon, beispielsweise Halichondrin B, sindals Antitumorsubstanzen therapeutisch vielversprechend. Halichondrin B befindetsich bereits in der präklinischen Phase der Entwicklung.

Eine Besonderheit sind Peptide und Depsipeptide mit teilweise ausgefallenenAminosäuren. Kahalalide F wurde erst kürzlich aus der Seeschnecke Elysiarufescens isoliert. Dieses Tier ernährt sich ausschließlich von einer Grünalge derGattung Bryopsis, nimmt das Peptid aus dieser Futterquelle auf und reichert es an.Werden kultivierte Zellen mit Kahalalide F inkubiert, so blähen sie sich innerhalb vonMinuten auf, schwellen an, und es bilden sich große Vakuolen. Vermutlich lagertsich die Verbindung in die Membran der Lysosomen ein.

Viele marine Substanzen befinden sich derzeit in der präklinischen und klinischenPhase ihrer Entwicklung. Durch das US National Cancer Institute (NCI) wurdeneinige als Zytostatika einsetzbare Stoffe sehr bekannt, beispielsweise Bryostatineund Didemnine. An zweiter Stelle stehen Antiphlogistika aus denForschungsgruppen von W. Fenical und J. Faulkner am SCRIPPS Institution ofOceanography (La Jolla, California) und R. Jacobs von der University of Californiasowie Immunsuppressiva, die vor allem aus den Laboratorien von Harbor BranchOceanographic Institution stammen.

Bryostatine aus Moostierchen

Eine der am besten untersuchten Antitumorsubstanzen ist das Bryostatin-1 aus demMoostierchen (Bryozoa) Bugula neritina, einem weit verbreiteten Fäulniserreger.Moostierchen sind etwa 0,5 mm große, einfach gebaute Tiere, von denen etwa4000 Arten bekannt sind. Die Einzeltiere befinden sich in Kammern, derenAußenskelett kalkartig sein kann und das Tier panzerartig verfestigt erscheinen läßt.Der Mund des Einzeltieres ist von einem Tentakelkranz umgeben. Durch dieBewegung der Tentakelwimpern entsteht ein Wasserstrom, der den Tieren Planktonals Nahrung zuführt; Moostiere gehören somit zu den Strudlern. Bryozoen bildenKolonien, die von wenigen Millimetern bis zu ein Meter groß sein können. DieStöcke haben unterschiedliche Formen. Sie können, ähnlich den Algen, wie kleineBäumchen aussehen, Krusten bilden oder zu äußerst feinen spitzenartigen Gebildenheranwachsen.

Die Gruppe von Professor George Pettit an der Arizona State University begannbereits 1968 im Golf von Mexiko Bryozoen zu sammeln, die später als Bugulaneritina identifiziert wurden. Es stellte sich heraus, daß deren Extrakt dieÜberlebenszeit von Versuchstieren mit P388-Leukämie signifikant verlängerte. Erst1981 konnte das erste Milligramm der aktiven Substanz Bryostatin-1 durchBioassay-guided fractionation erhalten werden. Heute kennt man mehr als zwanzigverschiedene Bryostatine.

Bryostatine sind makrocyclische Laktone, die wahrscheinlich auf dem Polyketidwegaufgebaut werden. Der zwanziggliedrige Ring enthält drei Pyranringe; diesesBryopyran-Ringsystem wurde bislang nur bei diesen Bugula-neritina-Naturstoffengefunden. Ein Problem ist die extrem geringe Konzentration im Ausgangsmaterial,die im Bereich 10-8 bis 10-3 Prozent liegt. Man braucht 500 bis 1000 kg Bryozoenfür einige Milligramm Substanz. Für die klinischen Untersuchungen wurdeBryostatin-1 1988 in großem Maßstab isoliert. Dazu wurden etwa 40000 Literdieses Tieres an der Küste des südlichen Kaliforniens gesammelt und daraus 18 gBryostatin-1 isoliert. Inzwischen ist die Biotechnologie-Firma CalBioMarineTechnologies (Carlsbad, California) mit finanzieller Unterstützung des NCI dabei,Kolonien von B. neritina in 5000-Liter-Tanks zu kultivieren. Langfristig sollenhochproduzierende Organismen selektioniert und der Nachschub an Bryostatin-1gesichert werden.

Vorkommen, Menge und Art der Derivate sind in natürlichen Populationen sehrvariabel. So enthält bei weitem nicht jede Population die gesuchten Naturstoffe. Esist nicht ausgeschlossen, daß das Moostierchen nicht selbst, sondern assoziierteMikroorganismen die eigentlichen Produzenten der Bryostatine sind.

Auf zellulärer Ebene wurden zahlreiche Effekte durch Bryostatin-1 ausgelöst, diejedoch den Wirkungsmechanismus nicht eindeutig klären. Sicher ist eine Bindung andie Proteinkinase C (PKC), die für die gezielte Isolierung der Bryostatine genutztwerden kann: In einem In-vitro-Bioassay wird die Verdrängung radioaktivmarkierter Phorbolester durch Bryostatin-1 vom PKC-Rezeptor gemessen. DiePKC gehört zu einer Familie von Serin/Threonin-Kinasen, die Teil einerSignalkaskade (intrazellulärer Phosphatidylinositol-Signalübertragungsweg) sind undunter anderem zur Expression von Genen führen, die am Zellwachstum beteiligt sind.Phorbobolester sind Aktivatoren der PKC und Tumorpromotoren. Bryostatin-1aktiviert zwar die Proteinkinase, ist aber kein Tumorpromoter. Im Tiermodell undanhand kultivierter Keratinozyten wurde sogar gezeigt, daß es den tumorförderndenEffekt von Phorbolestern antagonisiert. Möglich ist ein unterschiedlicher Einfluß aufverschiedene Isoenzyme.

Bemerkenswert ist die Wirkung auf das Immunsystem. Die Substanz steigert inKnochenmarkkulturen die Produktion von Granulozyten-Makrophagen-Kolonien,wirkt immunstimulierend und regt die Produktion von Zytokinen an.

Die Lizenz für Bryostatin-1 wurde vom NCI an Bristol-Myers Squibb verkauft. DieSubstanz wird seit 1990 klinisch erprobt, drei Phase-I-Studien sind publiziert. Derdosislimitierende Faktor sind Myalgien (Muskelschmerzen), eine Antitumorwirkungist evident. Phase-II der klinischen Versuche begann 1996 in der USA.

Halogenierte Terpene aus Rotalgen

Meeresalgen sind in der Pharmazie vor allem aufgrund ihrer hochmolekularen undviskosen Polysaccharide bekannt. Daß auch Verbindungen mit mittleremMolekulargewicht bedeutend sein können, zeigt die Antitumorsubstanz Halomon ausPortieria hornemanii. Der Extrakt dieser weit verbreiteten grazilen Rotalge fiel imAnti-HIV-Screening des NCI auf. Während bereits bekannte Toxine antiviralwirkten, wurden weitere Komponenten als selektiv zytotoxisch erkannt. 1992wurde die relativ einfache Struktur beschrieben. Halomon ist ein neuer Vertreter derfür Rotalgen gängigen Strukturklasse hochhalogenierter Monoterpene.

Derzeit versucht das NCI selektiv zytotoxische Substanzen zu identifizieren. Mansucht Verbindungen, die langsam wachsende Krebszellen schädigen. Die Wirkungvon Testsubstanzen wird an etwa sechzig verschiedenen Krebszellinien geprüft; dasProfil aus den verschiedenen Dosis-Wirkungskurven wird ausgewertet und mit demProfil bekannter Zytotoxine wie Taxol oder Colchicin verglichen. Daraus gewinntman Hinweise auf den Wirkungsmechanismus.

Halomon führte zu einem Fingerprint mit auffallend differentieller Zytotoxizität.Während die eher sensitiven Leukämie- und Melanomazellen nur wenig ansprachen,waren chemoresistente Zellen, zum Beispiel Kolonkrebszellen, um ein Vielfachesempfindlicher. Es handelt sich demnach nicht um ein generelles Zellgift. Das Profilvon Halomon ist einzigartig und weist auf einen neuen Wirkungsmechanismus hin. Inder präklinischen Phase werden derzeit Struktur-Aktivitätsbeziehungen untersuchtund die Isolierung ausreichender Substanzmengen sichergestellt. Die erste Studie zurPharmakokinetik in Mäusen ist bereits erschienen.

Ecteinascidine und Didemnine aus Manteltieren

Manteltiere (Tunicata) sind relativ nahe verwandt mit Wirbeltieren; eine Untergruppesind die im adulten Stadium sessilen Seescheiden (Ascidien), häufig mitknollenförmigem Körper und gut sichtbarer Mundöffnung. Das ManteltierEcteinascidia turbinata liefert die Ecteinascidine. Es handelt sich um einkolonienbildendes Tier aus einer Gruppe von dicht aneinanderstehenden Zooiden(Einzeltieren), die an der Basis miteinander verbunden sind.

Bereits Ende der sechziger Jahre wurde die antineoplastische Wirkung desExtraktes erkannt. Es gab massive Schwierigkeiten bei der Isolierung undStrukturbestimmung der aktiven Komponenten, die erst um 1990 von Rinehartbeschrieben wurden. 1992 begannen Versuche zur Aquakultur des Tieres.Inzwischen konnten die Bedingungen soweit optimiert werden, daß der volleEntwicklungszyklus des Tieres im Aquarium abläuft. Der Bedarf an Substanz scheintzumindest vorläufig gedeckt zu werden.

Ecteinascidine sind trimere Tetrahydroisochinolinalkaloide. Ecteinascidin-743(PharmaMar) befindet sich in Phase-I der klinischen Erprobung alsAntitumorsubstanz. Besonders bemerkenswert ist die chemisch aktiveCarbinolamingruppe. Wahrscheinlich wirken diese Stoffe ähnlich wie einigemikrobiell produzierte Chemotherapeutika (Anthracycline) durch kovalente Bindungan die DNA. Die Substanz inhibiert in vitro in pikomolaren Konzentrationen dasZellwachstum, wie von Kolon- und ZNS-Krebszellen. Im Unterschied zuSeescheiden wie Ecteinascidia turbinata bilden andere Tiere dieser taxonomischenGruppe krustenartige Stöcke, bei denen die Einzeltiere nicht mehr erkennbar sind.Dazu gehört Trididemnum solidum, die die Didemnine liefern. Diese Verbindungenzählen zu den Depsipeptiden und enthalten auch untypische Aminosäuren,beispielsweise Isostatin in Didemnin B.

Didemnine beeinträchtigen die Proteinsynthese; der Wirkungsmechanismus istjedoch nicht im Detail geklärt. Als Target wurde der Elongationsfaktor-1abeschrieben, ein Protein, das für den Transport von Aminoacyl-t-RNA zur A-Stelleder Ribosomen verantwortlich ist. Didemnin B soll die Aminoacyl-tRNA-Bindungan die ribosomale A-Stelle stabilisieren, womit die Translokation unterbunden wird.Eine geringfügig abweichende Verbindung mit höherer antiproliferativer Wirkung,das Dehydrodideminin B, fand die spanische Firma PharmaMar in der imMittelmeer vorkommenden Tunikate Aplidium albicans; diese wird derzeitweiterentwickelt.

Antiinflammatorische Naturstoffe aus
Schwämmen und Korallen

Schwämme und Weichkorallen sind weitere wichtige Sekundärstoffproduzenten.Schwämme sollen die strukturell vielfältigsten Naturstoffe enthalten. Schwämme sindebenfalls Strudler, die ihre Nahrung durch Filtration von Seewasser erhalten.

Aus Luffariella variabilis, einem unauffällig braun gefärbten Tier, wurde die wohlbekannteste antiinflammatorische Substanz erhalten. Manoalid ist ein Sesterterpen,also ein C25-Terpen; diese sind in Schwämmen häufig, in terrestrischen Organismenaber kaum zu finden. Es hemmt die Phospholipase A2 (PLA2) und vermindert damitdie Bereitstellung von Arachidonsäure zur Biosynthese proinflammatorischerEicosanoide. Manoalid wurde klinisch in topischer Anwendung geprüft, nähereDaten sind nicht publiziert. Nach Angaben von Professor Jacobs, University ofCalifornia, laufen keine klinischen Prüfungen mehr, da Bedenken wegen derchemischen Reaktivität dieses Stoffes bestehen. Manoalid besitzt verdeckte undreaktive Aldehydgruppen, die zu einer kovalenten Bindung an das TargetproteinPLA2 führen. Die Substanz wird jedoch in vielen zellbiologischen Tests alsStandardinhibitor der PLA2 eingesetzt.

Eine Hornkoralle auf den Bahamas, Pseudopterogorgia elisabethae bildetinteressante Stoffe. Hornkorallen oder Gorgonien gehören zu den Nesseltieren. Dieals Pseudopterosine bezeichneten Diterpene liegen zum Teil als Glykoside vor - einseltener Befund in marinen Organismen. Die antiinflammatorische Aktivität vonPseudopterosin E beruht ebenfalls auf der Hemmung der PLA2, und zwarzellspezifisch in polymorphkernigen Leukozyten, sowie der 5-Lipoxygenase.Möglicherweise ist das Glykosid ein Prodrug; erst nach Hydrolyse und Oxidationzum o-Chinon tritt Aktivität auf.

Pseudopterosin E zeigt in der Maus bis zu 300mg/kg keine toxischen Effekte; inklinischen Studien der Phase-I wird das Derivat Methopterosin geprüft. Die FirmaEstée Lauder inkorporiert Pseudopterosine in Kosmetika (Resilience Produkte), daneben der antiphlogistischen Aktivität auch eine Wirkung auf den Elastinhaushaltbestehen soll.

Marine Mikroorganismen, Ressource der Zukunft

Ein großes Problem in der marinen Naturstoffchemie und -pharmakologie ist dieBereitstellung ausreichender Mengen an Prüfsubstanz. Die Makroorganismenkönnen bestenfalls in Versuchsansätzen kultiviert werden, und das tonnenweiseAbernten aus dem natürlichen Habitat ist ökologisch nicht immer vertretbar. Hierliegt eine große Aufgabe für die Grundlagenforschung in den Bereichen marineBiotechnologie, Biosynthese und Ökologie mariner Naturstoffe. Unter anderem wirdversucht, das genetische Material schwer oder nicht kultivierbarer marinerOrganismen in kultivierbare und genetisch einfach zu manipulierendeMikroorganismen einzubauen.

Eine der interessantesten Gruppen stellen die Cyanobakterien oder Blaualgen dar.Bereits vor Jahren wurden aus der Alge Lyngbya majuscula hautreizende undtumorpromovierende Naturstoffe isoliert. Die Gruppe von Gerwick an der OregonState University konnte 1994 eine antimitotische Substanz aus einer Chemovariantedieser Blaualge, die in Curaçao (Karibik) gesammelt wurde, erhalten. Curacin Ahemmt das Wachstum kultivierter Krebszellen in nanomolaren Konzentrationen.Dabei wird die Tubulinpolymerisation durch Wechselwirkung von Curacin A mit derColchicin-Bindungsstelle inhibiert. Die antiproliferative Wirkung wurde auch amTiermodell nachgewiesen. Eine weitere interessante Substanz aus Lyngbyamajuscula ist das Microcolin A, ein Lipopeptid mit immunsuppressiver Wirkung.

PZ-Artikel von Gabriele M. König und Anthony D. Wright, Braunschweig

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Beitrag erschienen in Ausgabe 48/1998

 

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