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Kleine Moleküle für die ATP-Bindungstasche

03.11.2003
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Krebstherapie

Kleine Moleküle für die ATP-Bindungstasche

von Conny Becker, Mainz

Ob gegen Entzündungskrankheiten, Diabetes oder Krebs: Die neuen Substanzen, an denen derzeit fast jede pharmazeutische Firma forscht, haben ein gemeinsames Ziel – die ATP-Bindungstaschen der Proteinkinasen, so der Tenor des elften Mainzer Forums.

In den letzten Jahrzehnten haben Molekularbiologen die zellulären Mechanismen der Tumorgenese immer weiter aufgeklärt, so dass die Entartung nachvollziehbar und dadurch auch besser therapierbar wird. So spielen bei der Tumorentstehung etwa 30 Proteinkinasen eine Rolle, indem sie zelluläre Signale weiterleiten sowie den Zellzyklus oder die Angiogenese kontrollieren. Wirkstoffe, die gezielt gegen diese Enzyme vorgehen und somit deren verstärkte Aktivität in malignen Zellen unterdrücken, sind die neue Hoffnung in der Krebsforschung.

Versorgungswege kappen

Seit einiger Zeit macht ein neues Target in der Krebsbekämpfung von sich reden: der Rezeptor für den vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor (VEGF). Denn VEGF wird nahezu von allen Tumorzellen verstärkt gebildet und freigesetzt, um Gefäße für das „neue Gewebe“ zu schaffen. Erst mit der Bildung neuer Blutkapillaren kann das maligne Gewebe ausreichend mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt werden. Damit unterstützt VEGF Tumorwachstum und auch Metastasenbildung.

Ziel ist es also, Vaskularisation und Angiogenese und somit die Versorgung des malignen Gewebes zu bremsen. Dazu entwickelten verschiedene Forschergruppen Antikörper gegen den Wachstumsfaktor oder seinen Rezeptor, aber auch niedrig molekulare, synthetische Moleküle, die den Rezeptor, ebenfalls eine Proteinkinase, hemmen, erläuterte Dr. Georg Martiny-Baron von Novartis, Basel. Einige der VEGF-Rezeptor-Hemmer, wie auch das mit Schering zusammen entwickelte PTK787/ZK 222584, befänden sich in klinischen Studien mit Krebspatienten.

Die Substanz inhibiert die Autophosphorylierung der Rezeptorsubtypen VEGFR 1 und 2, erst ab höheren Konzentrationen auch andere Kinasen der Klasse III, und konnte in vivo die Angiogenese nach oraler Gabe (einmal täglich 25 bis 100 mg/kg) verhindern. In derselben Dosierung stoppte sie das Wachstum humaner Tumoren in Mäusen, war dabei gut verträglich und störte auch die Wundheilung nicht, so der Referent. Indem PTK787 die Gefäßpermeabilität gering hält (VEGF macht Gefäße stärker durchlässig), konnte es in Mäusen auch die Bauchwassersucht (Ascites) signifikant verhindern, die häufig von Karzinomen ausgelöst wird.

Phase-I-Studien zeigten, dass PTK787 bei Patienten mit Darmkrebs dosisabhängig die Gefäßbildung signifikant unterdrückt und so die Tumorlast senkt. Derzeit laufen Phase-III-Studien, informierte Martiny-Baron. Kombinationen mit einem VEGF-Antikörper, wie etwa dem ebenfalls noch in Phase-III-Studien untersuchten Avastatin, oder Zytostatika seien denkbar.

 

Doch möglich Noch vor weniger als zehn Jahren hielten Wissenschaftler es für nahezu unmöglich, dass ATP-kompetitive Stoffe selektiv wirken könnten. Daher galten Kinasen, die neben oder wegen desselben Co-Substrats eine hohe Ähnlichkeit in der Aminosäuresequenz sowie ihrer räumlichen Struktur aufweisen, bis 1995 auch noch nicht als potenzielle Targets.

2001 kam jedoch mit Imatinib (Glivec®) der erste Tyrosinkinasehemmer auf den Markt, zugelassen für die Behandlung der chronisch myeloischen Leukämie sowie bei gastrointestinalen Stromatumoren. Er lagert sich reversibel in die ATP-Bindungstasche ein und hemmt somit die Phosphorylierung der Substrate sowie der Tyrosinkinase selbst. Des Weiteren ist der Inhibitor des Epidermal Growth Factor Rezeptors (EGFR) Iressa® von der FDA im Mai diesen Jahres zur Therapie des nicht kleinzelligen Bronchialkarzinoms zugelassen worden, in Europa prüfen die Behörden zurzeit noch den Zulassungsantrag. Darüber hinaus befinden sich momentan 48 Substanzen in klinischen Studien, sieben in der Phase III, von denen vier Krebserkrankungen bekämpfen sollen.

 

Die Zellteilung in Schach halten

Auch am Zellzyklus und dessen Kontrolle durch entsprechende Arzneistoffe forschen die Wissenschaftler derzeit. Informationen von Außen veranlassen die Zelle, zu wachsen, sich zu teilen oder im Ruhezustand zu verweilen. Gelangen zu viele Impulse an die Zelle oder ist die Umwandlung der Informationen gestört, wächst das Gewebe übermäßig, Wucherungen sowie Krebs entstehen. Häufig sind in Tumorzellen auch Gene defekt. So ist zum Beispiel das p16-Gen, das die Zellteilung bremst, bei drei Viertel der Tumoren mutiert. In diesem Fall kann p16 nicht mehr mit Cyclin D1, einem Aktivator der die Zellteilung induzierenden Kinase, konkurrieren – die Zellen vervielfältigen sich unkontrolliert.

Den Zellzyklus regulieren insbesondere die Cyclin-abhängigen Kinasen (CDK), die Phosphatgruppen übertragen und ihre Akzeptormoleküle damit aktivieren oder deaktivieren. Sie stellen einen „Checkpoint für die Zellteilung“ dar, so Professor Dr. Herbie Newell aus Newcastle, UK. Da CDKs bei verschiedenen humanen Tumorformen überaktiv oder mutiert sind, Cycline über- und p16 unterexprimiert werden, versuchen Forschergruppen, die Enzyme und so die übermäßige Zellteilung zu blockieren.

Newell stellte in Mainz die zweite Generation der CDK-Hemmer vor. Während deren Vorgänger wie Flavopiridol wenig selektiv waren, versuche man nun, mit selektiveren Substanzen spezifischer gegen Tumorgewebe vorzugehen. Einige der meist über strukturbasiertes Drugdesign gewonnene CDK-Hemmer sind schon in der klinischen Prüfung, so etwa R-roscovitine/CYC-202 oder BMS-387032. Diese könnten, laut Newell, allein oder in Kombination mit Zytostatika angewandt werden, um deren cytotoxische Wirkung zu verstärken.

Wird die normale Kontrolle über die Zellteilung durch die Substanzen wiederhergestellt, könne dies selektiv in Tumorzellen Apoptose bewirken, so der Referent. Denn diese Zellen sind durch große DNA-Schäden und genetische Instabilität geschwächt, woran sie unter apathogenen Bedingungen untergehen würden. Überdies könnten CDK-Hemmer eingesetzt werden, um gesundes proliferierendes Gewebe wie Haare oder Knochenmark von zytotoxischen Effekten einer Chemotherapie zu schützen – indem sie deren Zellzyklus nur vorübergehend stoppen.

Die entsprechenden Studien bezeichnete Newell als viel versprechend. Unklar sei jedoch, ob CDKs, die nicht den Zellzyklus, sondern die Transkription beeinflussen, mehr in den Fokus gerückt werden sollten. Denn Flavopiridol hemme besonders CDK 9, die für die Transkription eine Rolle spielt. Neue selektive CDK-2-Inhibitoren wirken zudem wenig auf die Tumorproliferation. Denkbar sei es, dass andere Kinasen ihre Funktion übernehmen können und somit die Hemmung kompensieren. Dies solle nun genauer untersucht werden.

 

Anders als man denkt Heute sind 534 menschliche Proteinkinasen identifiziert, die zu den Hauptakteuren in der intrazellularen Signaltransduktion zählen und somit als interessante Angriffspunkte für die Arzneimittelforschung gelten. Sie sind aus zwei Domänen aufgebaut, in deren Angelpunkt die ATP-Bindungsstelle sitzt, ein recht starrer Hohlraum im katalytischen Zentrum des Enzyms, an den die neuen Inhibitoren hauptsächlich angreifen. In Kristallstrukturen fanden Forscher jedoch offene sowie geschlossene Stadien und phosphorilierungsabhängige Drehungen des activation loop um 90 Grad. Das bedeutet, man muss einen Inhibitor finden, der in die ATP-Bindungstasche die des aktiven Stadiums passt.

Naheliegend war es, Substanzen zu suchen, die wie Adenin Wasserstoffbrücken zum aktiven Zentrum ausbilden können. Kristallstrukturen verrieten auch, dass neben einer ATP-, Ribose- und Phosphatbindungsstelle noch zwei hydrophobe Regionen bestehen, die das natürliche Substrat zwar nicht ausfüllt, den Inhibitoren jedoch zu einer stärkeren Bindung verhelfen können. Die Natur machte den Drugdesignern jedoch einen Strich durch ihre logischen Berechnungen, denn während sie noch versuchten, über den hydrophoben Teil die Affinität zu erhöhen, lagerte sich das neue Substrat mit einer ganz anderen Ausrichtung in die Bindungstasche ein – und wirkte trotzdem. Auf der anderen Seite mussten sie erkennen, dass mit Screeningmethoden gefundene, chemisch ähnliche Verbindungen nicht wirksam waren und dass chemische nicht gleich biologische Ähnlichkeit ist.

Auch das Problem der Spezifität ist nicht generell aus der Welt geschafft, denn auf Grund der Vielzahl und großen strukturellen Ähnlichkeit der Proteinkinasen, schränkt ein Inhibitor die Signaltransduktion nicht nur an seinem Zielenzym ein. Zudem werden in präklinischen Prüfungen nie alle, höchstens 100, andere Kinasen getestet, weshalb Nebenwirkungen im Auge behalten werden müssen. Dennoch halten nicht alle Wissenschaftler einen hoch spezifischen Angriff für notwendig, solange dabei Kinasen gehemmt werden, die in die Tumorgenese involviert sind. So könnten sich auch Synergieeffekte ergeben.

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