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Wirkstoffe aus marinen Organismen

23.11.1998
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Govi-Verlag

RESSOURCEN DER ZUKUNFT

Wirkstoffe aus marinen Organismen

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

Die marine Flora zeichnet sich durch stammesgeschichtlich primitive Artengruppen aus, vorwiegend Schizophyta (Bakterien, Blaualgen), Phycophyta (Algen) und Mycophyta (Pilze). Erst neuere Untersuchungen mit Polymerasekettenreaktion und Vergleich der 16S-ribosomalen DNA zeigten, daß im Meer bislang völlig unbekannte Mikroben zu finden sind. Auch die marine Fauna ist in ihrer Artenvielfalt erst zu etwa zwei Dritteln bekannt. Zudem kommen einige ungewöhnliche Organismen nur im Meer vor oder haben dort ihren Verbreitungsschwerpunkt. So sind acht der 28 Stämme (Phyla) von Tieren nur im Wasser zu finden, unter anderem Cnidaria (Nesseltiere), Porifera (Schwämme), Bryozoa (Moostiere) und Echinodermata (Stachelhäuter), alle bekannt als interessante Sekundärstoffproduzenten. Man kann daher annehmen, daß die Ozeane der Welt die derzeit größte Ressource an neuen Naturstoffen sind.

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

Gewinnung mariner Lebewesen

Die meisten akademischen Arbeitsgruppen sammeln ihre Organismen auf speziell organisierten Exkursionen durch Flaschentauchen (SCUBA diving: self contained underwater breathing apparatus). Dabei wird bis in etwa vierzig Meter Tiefe getaucht, aus Sicherheits- und arbeitstechnischen Gründen immer mindestens zu zweit. Ein Taucher entnimmt die Proben, der andere verpackt sie in vorbereitete Behälter. Die Auswahl erfolgt meist direkt unter Wasser und erfordert detaillierte Kenntnisse der Taxonomie und Chemotaxonomie mariner Lebewesen. Am Standort wird auch ersichtlich, in welchem ökologischen Umfeld ein Organismus lebt. Ökologischer Druck, beispielsweise durch Freßfeinde oder Konkurrenten um Lebensraum, kann oft mit der Produktion bioaktiver Sekundärstoffe korreliert werden.

Große und teilweise kommerzielle Unternehmen wie PharmaMar in Spanien und Harbor Branch Oceanographic Institution (HBOI) in Florida verfügen über professionelle Taucher und Taxonomen, die diese Arbeit übernehmen. Harbor Branch besitzt das berühmte Tauchboot Johnson Sea Link, mit dem Proben aus der Tiefsee beschafft werden. Das 25 Jahre alte, unabhängige Forschungsinstitut spielt eine führende Rolle auf dem Gebiet der pharmakologisch aktiven marinen Naturstoffe.

Die Proben werden taxonomisch identifiziert, extrahiert, einem chemischen und biologischen Screening unterzogen und die aktiven Naturstoffe durch chromatographische 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 the Literature on Marine Natural Products, J.W. Blunt, M. H. G. Munro, Department of Chemistry, University of Canterbury, Christchurch, New Zealand).

Vermutlich werden viele marine Naturstoffe auf ähnlichen Biosynthesewegen wie terrestrische Verbindungen aufgebaut, beispielsweise Terpene, die auch in Meerestieren und -pflanzen häufig vorkommen. Wissenschaftliche Untersuchungen dazu gibt es jedoch nur wenige. Die Chance, auf neue strukturelle Varianten und Strukturtypen zu stoßen, ist sehr hoch. Einige Beispiele sollen zeigen, daß marine Naturstoffe strukturelle Überraschungen bieten und diese mit potenter biologischer Aktivität einhergehen.

Cembrane sind makrozyklische Diterpene, die vor allem in Weich- und Hornkorallen vorkommen. Ein Cembran der Weichkoralle Lobophytum cristagalli hemmt die Ras-Farnesyltransferase. Die Ras-Proteine aus der großen Familie GTP-bindender Proteine helfen mit, Signale von der Zelloberfläche zum Kern weiterzuleiten. Diese Signalkaskaden sind an der Steuerung des Zellwachstums und der Zelldifferenzierung beteiligt. Bei etwa dreißig Prozent der menschlichen Tumoren wurden Mutationen in den Ras-Genen nachgewiesen. Inhibitoren der Ras-Farnesyl-Transferase hemmen die für die Verankerung in der Membran wichtige, posttranslationale Verknüpfung der Ras-Proteine mit einem Prenyl-Rest und 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. Es stammt aus einer seltenen, an der Küste West-Australiens vorkommenden Weichkoralle der Gattung Eleutherobia. Eleutherobin besitzt ein Eunicellan-Grundgerüst, das durch weitere Ringschlüsse aus dem Cembrangrundkörper hervorgeht. Zunächst wurde die außerordentlich starke, im nanomolaren Bereich liegende Zytotoxizität gegenüber kultivierten Krebszellinien registriert, dann der Wirkungsmechanismus aufgeklärt. Eleutherobin stabilisiert wie Paclitaxel (Taxol) Mikrotubuli und war bei seiner Entdeckung das zweite Molekül mit dieser einzigartigen biologische Aktivität.

Inzwischen wurde ein weiteres Molekül mit dieser Wirkweise gefunden: das aus dem Schwamm Discodermia dissoluta stammende Discodermolide. Harbor Branch verkaufte die Lizenz für Discodermolide an Novartis.

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

Auch komplexe Heterocyclen und Ringsysteme sind weit verbreitet. Palau'amine ist eine hexacyclische Verbindung mit zwei Guanidingruppierungen, eine in marinen Naturstoffen auffallend häufige Einheit. Die Substanz wurde in dem Schwamm Stylotella agminata gefunden und hat potente immunsuppressive Wirkung, ist allerdings auch generell zytotoxisch.

Viele marine Toxine gehören zur Gruppe der Polyetherverbindungen, die auf dem Polyketidweg aufgebaut werden. Einige davon, beispielsweise Halichondrin B, sind als Antitumorsubstanzen therapeutisch vielversprechend. Halichondrin B befindet sich bereits in der präklinischen Phase der Entwicklung.

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

Viele marine Substanzen befinden sich derzeit in der präklinischen und klinischen Phase ihrer Entwicklung. Durch das US National Cancer Institute (NCI) wurden einige als Zytostatika einsetzbare Stoffe sehr bekannt, beispielsweise Bryostatine und Didemnine. An zweiter Stelle stehen Antiphlogistika aus den Forschungsgruppen von W. Fenical und J. Faulkner am SCRIPPS Institution of Oceanography (La Jolla, California) und R. Jacobs von der University of California sowie Immunsuppressiva, die vor allem aus den Laboratorien von Harbor Branch Oceanographic Institution stammen.

Bryostatine aus Moostierchen

Eine der am besten untersuchten Antitumorsubstanzen ist das Bryostatin-1 aus dem Moostierchen (Bryozoa) Bugula neritina, einem weit verbreiteten Fäulniserreger. Moostierchen sind etwa 0,5 mm große, einfach gebaute Tiere, von denen etwa 4000 Arten bekannt sind. Die Einzeltiere befinden sich in Kammern, deren Außenskelett kalkartig sein kann und das Tier panzerartig verfestigt erscheinen läßt. Der Mund des Einzeltieres ist von einem Tentakelkranz umgeben. Durch die Bewegung der Tentakelwimpern entsteht ein Wasserstrom, der den Tieren Plankton als Nahrung zuführt; Moostiere gehören somit zu den Strudlern. Bryozoen bilden Kolonien, die von wenigen Millimetern bis zu ein Meter groß sein können. Die Stöcke haben unterschiedliche Formen. Sie können, ähnlich den Algen, wie kleine Bäumchen aussehen, Krusten bilden oder zu äußerst feinen spitzenartigen Gebilden heranwachsen.

Die Gruppe von Professor George Pettit an der Arizona State University begann bereits 1968 im Golf von Mexiko Bryozoen zu sammeln, die später als Bugula neritina identifiziert wurden. Es stellte sich heraus, daß deren Extrakt die Überlebenszeit von Versuchstieren mit P388-Leukämie signifikant verlängerte. Erst 1981 konnte das erste Milligramm der aktiven Substanz Bryostatin-1 durch Bioassay-guided fractionation erhalten werden. Heute kennt man mehr als zwanzig verschiedene Bryostatine.

Bryostatine sind makrocyclische Laktone, die wahrscheinlich auf dem Polyketidweg aufgebaut werden. Der zwanziggliedrige Ring enthält drei Pyranringe; dieses Bryopyran-Ringsystem wurde bislang nur bei diesen Bugula-neritina-Naturstoffen gefunden. 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 Bryozoen für einige Milligramm Substanz. Für die klinischen Untersuchungen wurde Bryostatin-1 1988 in großem Maßstab isoliert. Dazu wurden etwa 40000 Liter dieses Tieres an der Küste des südlichen Kaliforniens gesammelt und daraus 18 g Bryostatin-1 isoliert. Inzwischen ist die Biotechnologie-Firma CalBioMarine Technologies (Carlsbad, California) mit finanzieller Unterstützung des NCI dabei, Kolonien von B. neritina in 5000-Liter-Tanks zu kultivieren. Langfristig sollen hochproduzierende Organismen selektioniert und der Nachschub an Bryostatin-1 gesichert werden.

Vorkommen, Menge und Art der Derivate sind in natürlichen Populationen sehr variabel. So enthält bei weitem nicht jede Population die gesuchten Naturstoffe. Es ist nicht ausgeschlossen, daß das Moostierchen nicht selbst, sondern assoziierte Mikroorganismen die eigentlichen Produzenten der Bryostatine sind.

Auf zellulärer Ebene wurden zahlreiche Effekte durch Bryostatin-1 ausgelöst, die jedoch den Wirkungsmechanismus nicht eindeutig klären. Sicher ist eine Bindung an die Proteinkinase C (PKC), die für die gezielte Isolierung der Bryostatine genutzt werden kann: In einem In-vitro-Bioassay wird die Verdrängung radioaktiv markierter Phorbolester durch Bryostatin-1 vom PKC-Rezeptor gemessen. Die PKC gehört zu einer Familie von Serin/Threonin-Kinasen, die Teil einer Signalkaskade (intrazellulärer Phosphatidylinositol-Signalübertragungsweg) sind und unter anderem zur Expression von Genen führen, die am Zellwachstum beteiligt sind. Phorbobolester sind Aktivatoren der PKC und Tumorpromotoren. Bryostatin-1 aktiviert zwar die Proteinkinase, ist aber kein Tumorpromoter. Im Tiermodell und anhand kultivierter Keratinozyten wurde sogar gezeigt, daß es den tumorfördernden Effekt von Phorbolestern antagonisiert. Möglich ist ein unterschiedlicher Einfluß auf verschiedene Isoenzyme.

Bemerkenswert ist die Wirkung auf das Immunsystem. Die Substanz steigert in Knochenmarkkulturen 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. Die Substanz wird seit 1990 klinisch erprobt, drei Phase-I-Studien sind publiziert. Der dosislimitierende Faktor sind Myalgien (Muskelschmerzen), eine Antitumorwirkung ist 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 und viskosen Polysaccharide bekannt. Daß auch Verbindungen mit mittlerem Molekulargewicht bedeutend sein können, zeigt die Antitumorsubstanz Halomon aus Portieria hornemanii. Der Extrakt dieser weit verbreiteten grazilen Rotalge fiel im Anti-HIV-Screening des NCI auf. Während bereits bekannte Toxine antiviral wirkten, wurden weitere Komponenten als selektiv zytotoxisch erkannt. 1992 wurde die relativ einfache Struktur beschrieben. Halomon ist ein neuer Vertreter der für Rotalgen gängigen Strukturklasse hochhalogenierter Monoterpene.

Derzeit versucht das NCI selektiv zytotoxische Substanzen zu identifizieren. Man sucht Verbindungen, die langsam wachsende Krebszellen schädigen. Die Wirkung von Testsubstanzen wird an etwa sechzig verschiedenen Krebszellinien geprüft; das Profil aus den verschiedenen Dosis-Wirkungskurven wird ausgewertet und mit dem Profil bekannter Zytotoxine wie Taxol oder Colchicin verglichen. Daraus gewinnt man 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 Vielfaches empfindlicher. Es handelt sich demnach nicht um ein generelles Zellgift. Das Profil von Halomon ist einzigartig und weist auf einen neuen Wirkungsmechanismus hin. In der präklinischen Phase werden derzeit Struktur-Aktivitätsbeziehungen untersucht und die Isolierung ausreichender Substanzmengen sichergestellt. Die erste Studie zur Pharmakokinetik in Mäusen ist bereits erschienen.

Ecteinascidine und Didemnine aus Manteltieren

Manteltiere (Tunicata) sind relativ nahe verwandt mit Wirbeltieren; eine Untergruppe sind die im adulten Stadium sessilen Seescheiden (Ascidien), häufig mit knollenförmigem Körper und gut sichtbarer Mundöffnung. Das Manteltier Ecteinascidia turbinata liefert die Ecteinascidine. Es handelt sich um ein kolonienbildendes 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 des Extraktes erkannt. Es gab massive Schwierigkeiten bei der Isolierung und Strukturbestimmung der aktiven Komponenten, die erst um 1990 von Rinehart beschrieben wurden. 1992 begannen Versuche zur Aquakultur des Tieres. Inzwischen konnten die Bedingungen soweit optimiert werden, daß der volle Entwicklungszyklus des Tieres im Aquarium abläuft. Der Bedarf an Substanz scheint zumindest vorläufig gedeckt zu werden.

Ecteinascidine sind trimere Tetrahydroisochinolinalkaloide. Ecteinascidin-743 (PharmaMar) befindet sich in Phase-I der klinischen Erprobung als Antitumorsubstanz. Besonders bemerkenswert ist die chemisch aktive Carbinolamingruppe. Wahrscheinlich wirken diese Stoffe ähnlich wie einige mikrobiell produzierte Chemotherapeutika (Anthracycline) durch kovalente Bindung an die DNA. Die Substanz inhibiert in vitro in pikomolaren Konzentrationen das Zellwachstum, wie von Kolon- und ZNS-Krebszellen. Im Unterschied zu Seescheiden wie Ecteinascidia turbinata bilden andere Tiere dieser taxonomischen Gruppe krustenartige Stöcke, bei denen die Einzeltiere nicht mehr erkennbar sind. Dazu gehört Trididemnum solidum, die die Didemnine liefern. Diese Verbindungen zählen zu den Depsipeptiden und enthalten auch untypische Aminosäuren, beispielsweise Isostatin in Didemnin B.

Didemnine beeinträchtigen die Proteinsynthese; der Wirkungsmechanismus ist jedoch nicht im Detail geklärt. Als Target wurde der Elongationsfaktor-1a beschrieben, ein Protein, das für den Transport von Aminoacyl-t-RNA zur A-Stelle der Ribosomen verantwortlich ist. Didemnin B soll die Aminoacyl-tRNA-Bindung an 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 im Mittelmeer vorkommenden Tunikate Aplidium albicans; diese wird derzeit weiterentwickelt.

Antiinflammatorische Naturstoffe aus
Schwämmen und Korallen

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

Aus Luffariella variabilis, einem unauffällig braun gefärbten Tier, wurde die wohl bekannteste antiinflammatorische Substanz erhalten. Manoalid ist ein Sesterterpen, also ein C25-Terpen; diese sind in Schwämmen häufig, in terrestrischen Organismen aber kaum zu finden. Es hemmt die Phospholipase A2 (PLA2) und vermindert damit die Bereitstellung von Arachidonsäure zur Biosynthese proinflammatorischer Eicosanoide. Manoalid wurde klinisch in topischer Anwendung geprüft, nähere Daten sind nicht publiziert. Nach Angaben von Professor Jacobs, University of California, laufen keine klinischen Prüfungen mehr, da Bedenken wegen der chemischen Reaktivität dieses Stoffes bestehen. Manoalid besitzt verdeckte und reaktive Aldehydgruppen, die zu einer kovalenten Bindung an das Targetprotein PLA2 führen. Die Substanz wird jedoch in vielen zellbiologischen Tests als Standardinhibitor der PLA2 eingesetzt.

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

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

Marine Mikroorganismen, Ressource der Zukunft

Ein großes Problem in der marinen Naturstoffchemie und -pharmakologie ist die Bereitstellung ausreichender Mengen an Prüfsubstanz. Die Makroorganismen können bestenfalls in Versuchsansätzen kultiviert werden, und das tonnenweise Abernten aus dem natürlichen Habitat ist ökologisch nicht immer vertretbar. Hier liegt eine große Aufgabe für die Grundlagenforschung in den Bereichen marine Biotechnologie, Biosynthese und Ökologie mariner Naturstoffe. Unter anderem wird versucht, das genetische Material schwer oder nicht kultivierbarer mariner Organismen in kultivierbare und genetisch einfach zu manipulierende Mikroorganismen einzubauen.

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

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

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