Modifizierte Bakterien

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L-Dopa-Produktion im eigenen Darm

Bei einer Parkinson-Therapie mit Levodopa kommt es unter einer längeren Einnahme zu einem unvorhersehbaren Wiederauftreten der motorischen Symptome, sodass täglich steigende Wirkstoffdosen erforderlich werden. Mit der Zeit kann dies zu Dyskinesien führen, die durch unwillkürliche Bewegungen des Halses, des Rumpfes, der Gliedmaßen und des Gesichts gekennzeichnet sind. Dyskinesien werden dabei oft fälschlicherweise für ein Symptom der Parkinson-Krankheit gehalten. Verursacht werden sie jedoch durch wellenförmige Konzentrationsschwankungen von L-Dopa im Blutkreislauf, wodurch es zwischen den Dosen zu Schwankungen des Dopaminspiegels im Gehirn kommt.

Diesem Problem versuchen Forschende um Dr. Piyush Padhi vom Sakson Center for Neurological Disease Research an der University of Georgia in Athens, USA, mit einem innovativen Therapieansatz zu begegnen. Sie beschreiben im Wissenschaftsmagazin »Cell Host & Microbe« wie im Tierversuch gentechnisch modifizierte Escherichia coli Nissle 1917-Zellen (EcN) L-Dopa produzieren und dass dieses anschließend konstant ins System und Gehirn abgegeben wird. 

Dazu integrierten die Forschenden in das Genom von EcN-Zellen das Operon hpaBC. Dieses kodiert für einen Enzymkomplex, der die Hydroxylierung von Tyrosin beziehungsweise Tyrosin-Derivaten zu L-Dopa katalysiert. Dabei wird die Expression des Operons über einen Promotor reguliert, wodurch sich die L-Dopa-Synthese justieren lässt. Die resultierenden EcN_L-DOPA2-Zellen synthetisieren und sezernieren zuverlässig L-Dopa mit reproduzierbaren Produktionsraten und stellen so im Gastrointestinaltrakt (GI) kontinuierlich L-Dopa als potenzielle Alternative zur klassischen, oral verabreichten Pharmakotherapie bereit.

In vivo testeten die Forschenden ihr System in mehreren Mausmodellen, darunter C57BL/6-Wildtyp-Mäuse und MitoPark-Mäuse, die als ein Modell für progressive dopaminerge Neurodegeneration etabliert sind. In allen Modellen zeigte EcN_L-DOPA2 nach oraler Gabe robuste Kolonisationsprofile, eine nachweisbare L-Dopa-Bildung im GI-Trakt und in Kombination mit dem Dopa-Decarboxylasehemmer Benserazid signifikante Verbesserungen motorischer Symptome. 

Parallel zu den Untersuchungen im Mausmodell testeten die Forschenden den entwickelten probiotischen Keim in Hunden. Dazu erhielten Hunde über 20 Tage zweimal täglich aktivierte EcN_L-DOPA2-Zellen in Kombination mit Benserazid. Die L-Dopa-Plasmaspiegel zeigten ein nicht-pulsatiles, stabilisiertes Profil, das gut mit Modellvorhersagen korrelierte.  Zudem belegten toxikologische Untersuchungen, dass der Ansatz in den Tieren keine systemischen oder kardialen Nebenwirkungen verursacht und die Kolonisation im Darm kontrolliert bleibt.

Die Forschenden kommen zu dem Schluss, dass sie mit ihrer Arbeit ein überzeugendes präklinisches Machbarkeitskonzept für einen lebenden, kontrollierbaren L-Dopa-Produzenten im Darm präsentieren, mit dessen Hilfe pharmakokinetische Nachteile klassischer L-Dopa-Therapien vermieden werden können.

Die Autoren betonen, dass die Ergebnisse ihrer Arbeit eine klinische Erprobung rechtfertigen und den Weg zu nicht-pulsatilen, mikrobiombasierten Therapeutika für neurodegenerative Erkrankungen ebnen.

»Darmmikroben fungieren als natürliche chemische Fabriken, die als Reaktion auf Umwelteinflüsse ständig Metaboliten produzieren«, sagte Padhi in einer Pressemitteilung. Ausgehend von diesem Prinzip habe man sich gefragt, warum diese Strategie nicht anwendet werden könnte, um die Schwankungen des Medikamentenspiegels bei Parkinson-Patienten zu überwinden.

Seniorautor Professor Dr. Anumantha Kanthasamy ergänzt, dass mit dieser Arbeit erstmals eine therapeutische Anwendung eines gentechnisch hergestellten lebenden Biotherapeutikums für die nicht-invasive, nachhaltige Verabreichung des Medikaments L-Dopa an das Gehirn bei Parkinson gezeigt wird. Letztendlich lege diese Plattform die Basis für eine nicht-invasive Strategie zur Verabreichung von Medikamenten bei Parkinson und anderen chronischen neurologischen Erkrankungen, einschließlich der Alzheimer-bedingten Demenz.