Per Polymer-Taxi zum Tumor |
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23.10.2000 00:00 Uhr |
"Wissenschaft kennt keine Grenzen, Wissenschaftler bauen Brücken." Mit diesen Worten begrüßte Professor Dr. Szabols Nyiredi aus Ungarn die mehr als 600 Teilnehmer aus 44 Ländern zum 6. Europäischen Kongress der pharmazeutischen Wissenschaften (EUFEPS 2000). Budapest diente dabei nicht nur als prächtige Kulisse, sondern auch als Symbol. Die Brücken der Stadt über die Donau stehen seit Jahrhunderten für die Verbindung zwischen West- und Osteuropa.
Entsprechend vielfältig war das wissenschaftliche Programm: von Polymertherapeutika über die Effizienz des High Throughput Screenings und der kombinatorischen Chemie zu neuen Wirkstoffen aus Pflanzen bis zur genombasierten Wirkstoffsuche. In zahlreiche Vorträgen und etwa 250 Postern zeigten Pharmazeuten aus Industrie und von Universitäten die Ergebnisse ihrer Arbeit.
Polymertherapeutika
Die Namen der Moleküle sind fast so lang wie die Strukturformeln. Dass man ausgerechnet riesige Polymere als Trägersubstanzen in der Krebstherapie einsetzen kann, haben viele Experten lange bezweifelt, berichtete Professor Dr. Ruth Duncan vom Centre for Polymer Therapeutics der Welsh School of Pharmacy in Cardiff. Die Ergebnisse der ersten Studien dürften diese Zweifel weitgehend ausgeräumt haben. HPMA-Copolymere (HPMA = N-(2-hydroxypropyl)methacylamid), die Doxorubicin, Paclitaxel und ein Camptothecin-Analogon enthalten, sind inzwischen in klinischen Studien der Phase I und II.
Nachdem sich herausgestellt hatte, dass die Polymere selbst weder toxisch noch immunogen sind, und die ersten klinischen Studien mit positiven Ergebnissen aufwarten konnten, entwickelten die Wissenschaftler auch Moleküle mit weiteren antitumoral wirksamen Substanzen, wie zum Beispiel Platin und Konjugate mit natürlichen Produkten.
Die Idee stamme von Helmut Ringsdorf, berichtete Duncan. Er kam bereits 1975 auf die Idee, in ein wasserlösliches nicht toxisches Polymer über so genannte Linker therapeutisch wirksame Substanzen einzubauen. Die Linker kann man so gestalten, dass sie gezielt in bestimmten Kompartimenten der Zelle, wie zum Beispiel den Lysosomen, angegriffen werden und dort den Wirkstoff freisetzen. Dafür eignen sich zum Beispiel Peptidlinker. Über deren Struktur kann man dann auch die Freisetzungsrate beeinflussen. In ersten Versuchen fanden die Wissenschaftler, dass die Polymere, an die Doxorubicin gekoppelt wurde, länger im Plasma zirkulierten als Doxorubicin alleine.
Um die Moleküle gezielt an Ort und Stelle zu bringen, hängten die Forscher zusätzliche Moleküle an. Einfachstes Beispiel für ein solches Targeting ist die Galaktose. Hängt sie an einem Polymer, wird dieses gezielt in die Leber transportiert.
Ganz so viele Gedanken hätten sich die Wissenschaftler zum Targeting über zusätzliche Moleküle gar nicht machen müssen. Bei weiteren Versuchen stellte sich heraus, dass sich die Polymere ganz automatisch im Tumor anreichern, über den so genannten ERP-Effekt. ERP steht für "enhanced permeability and retention". Denn die neugebildeten Blutgefäße, die den Tumor versorgen, entsprechen nicht den gesunden Blutgefäßen. Sie sind stärker durchlässig, dadurch können sich Substanzen im Tumor anreichern. Diesen Effekt beobachteten die Wissenschaftler allerdings auch für Doxorubicin allein. Jedoch war das Polymerkonjugat im Vergleich dazu 17fach spezifischer für Tumoren, berichtete Duncan.
Die neueste Kreation der Polymer-Wissenschaftler sind Polyamidoamin-Polymere (PAA). Sie sind nicht toxisch, bioabbaubar und reichern sich ebenfalls durch den ERP-Effekt im Tumor an. Im Unterschied zu den HPMA nimmt die Zelle die PAA durch Endocytose auf. Die Moleküle sind in der Lage, die Membran der Endosomen zu durchbrechen und gelangen so in die Zelle: ideale Fähren für Toxine oder aber für Gene.
Mit einem Plädoyer für höhere Pflanzen als Quelle für neue Moleküle begann Professor Dr. Kurt Hostettmann vom Institut de Pharmacognosie et Phytochimie, von der Universität Lausanne in der Schweiz, seinen Vortrag. Nur etwa 10 Prozent der 250.000 bis 500.000 Pflanzenarten seien bisher auf ihre Inhaltsstoffe hin untersucht. Allerdings investiere auch die Pharmaindustrie inzwischen mehr Geld in diesen Forschungszweig. Hostettmann stellte eine Kombination aus HPLC-Methoden und relativ einfachen Bioassays vor, um wirksame Moleküle aus Pflanzenenxtrakten zu identifizieren.
Mit diesen Methoden hat die Schweizer Arbeitsgruppe zum Beispiel Extrakte aus Bobgunnia madagascariensis, einer afrikanischen Leguminosenart analysiert. Die Wissenschaftler fanden in der Wurzelrinde des in ganz Afrika verbreiteten Baumes Substanzen, die antimykotisch wirkten. Der stärkste Inhibitor des Pilzwachstums, Phenanthren-3,9-dion, war in seiner Wirkung vergleichbar mit Antimykotika, die bereits auf dem Markt sind. Bei Candida-Arten war der Naturstoff Amphotericin B und Fluconazol sogar überlegen. In den USA starteten derzeit klinische Studien mit der Substanz, berichtete Hostettmann. Die Crux: Die Pflanze wächst sehr langsam und ist geschützt. Wahrscheinlich muss das Antimykotikum daher doch synthetisiert werden, sagte Hostettmann.
Mit ähnlichen Problemen beschäftigen sich auch andere Wissenschaftler. "Mein Traum: einen neuen Wirkstoff aus Pflanzen zu finden; mein Alptraum: einen neuen Wirkstoff aus Pflanzen zu finden, den man nicht in ausreichender Menge aus der Pflanze isolieren kann", so Professor Dr. Robert Verpoorte vom Amsterdam Center for Drug Research in Leiden, Niederlande. Pflanzenzellkulturen seien zwar nicht so aufwendig wie das Kultivieren tierischer Zellen und technisch in großem Maßstab möglich. In vitro produzieren Pflanzenzellen allerdings viele Substanzen nicht oder in zu geringer Menge, bedauerte Verpoorte. Seine Arbeitsgruppe versucht, die Pflanzenzellen genetisch so zu manipulieren, dass sie die gewünschte Verbindung in ausreichenden Mengen synthetisieren.
Dazu müssen die Forscher erst die Schlüsselenzyme finden, um dann die Zelle so zu verändern, dass sie große Mengen des Enzyms produziert. Das hört sich einfacher an, als es in den meisten Fällen ist. "Nachdem man einen die Menge begrenzenden Syntheseschritt beeinflusst hat, taucht der nächste auf", erklärte Verpoorte. Oft müsse man etwa 20 Enzyme überexprimieren, um eine einzige Substanz in größeren Mengen zu erhalten. Eine andere Möglichkeit wäre, den Abbau der Verbindung oder um Zwischenprodukte konkurrierende Synthesewege zu blockieren. Allerdings weiß man über den Sekundärmetabolismus in Pflanzen noch sehr wenig. Ein Ausweg aus dem Dilemma wäre zum Beispiel, die Gene für die entsprechenden Enzyme in etablierte Pflanzenzellkulturen oder in Hefen zu bringen.
Nachdem viele Parasiten gegen die klassischen Medikamente Resistenzen entwickelt haben, eröffnete die Entdeckung von Artemisinin, einem Produkt aus einer chinesischen Arzneipflanze, neue Möglichkeiten für die Malariatherapie. Die Arbeitsgruppe um Professor Dr. Charles W. Jefford von der Abteilung Organische Chemie der Universität Genf synthetisierte daraufhin etwa 700 Moleküle, um herauszufinden, welche Teile des kompliziert gebauten Artemisinins für die antiparasitäre Wirkung verantwortlich sind.
Ihre Ergebnisse: Ein großer Teil des Moleküls ist nicht nötig und auch auf die Chiralität kommt es nicht an. Die Schweizer Wissenschaftler fanden die wirksame Struktur, die pharmakophore Gruppe. Dadurch wurde auch klar, warum ein bizyklisches Trioxan sogar wirksamer war als Artemisinin, obwohl die Strukturformel im Vergleich zu dem Naturstoff sehr viel simpler ist.
Die Wirkung beruht auf Wechselwirkungen mit Häm. Die Parasiten, die sich vorwiegend in den roten Blutkörperchen aufhalten, bilden Nahrungsvakuolen. Sie gewinnen ihre Energie, indem sie Hämoglobin verdauen. Das für die Plasmodien toxische Häm entsorgen sie als so genanntes Hämozoin. Darin liegt es polymerisiert und in oxidierter Form vor. Sowohl Artemisinin als auch die Trioxane bilden mit Häm einen Komplex. Dadurch entstehen innerhalb der Nahrungsvakuole Radikale, die dafür sorgen, dass Parasitenproteine alkyliert werden, berichtete Jefford. Die Folge: Der Parasit stirbt. Essenziell für die Interaktion zwischen Häm und Artemisinin sowie Trioxanen ist die O-O-Bindung innerhalb der Moleküle.
Jefford verspricht sich von seiner Entdeckung, dass viele einfache, billig zu produzierende organische Peroxide ebenfalls solche Alkylierungen auslösen können. Damit wäre der Weg geebnet für preisgünstige Malaria-Medikamente, die viele Zweit- und Drittweltländer dringend benötigen.
Dass immer mehr Menschen pflanzliche Produkte als Medikamente nutzen werden, daran ließ auch Professor Dr. Theo Dingermann vom Institut für Pharmazeutische Biologie der Universität Frankfurt keinen Zweifel. Allerdings befürchtet er, dass in Zeiten der Harmonisierung alle Pflanzenprodukte schließlich als Nahrungsergänzungsmittel enden werden. "Weniger ist mehr", sagte er und forderte eine stärkere Selbstkontrolle auf dem Phytopharmaka-Markt. Denn oft profitierten viele kaum charakterisierte Pflanzenextrakte von den wenigen sehr gut definierten und klinisch ausreichend getesteten Extrakten anderer Firmen. Den wissenschaftlichen Aufwand, der dafür betrieben werde, müsse man schützen, forderte Dingermann.
Wie verändert man genetische Information beziehungsweise deren Umsetzung, ohne Menschen mit großen Mengen fremder DNA zu bombardieren? Die Antwort lieferte Professor Dr. Peter Eigil Nielsen von der Universität von Kopenhagen. Er stellte Peptid-Nukleinsäuren (Peptide Nucleic Acids = PNAs) vor. Dabei handelt es sich um Moleküle, die statt einem Zucker-Phosphat-Rückgrat wie die klassischen Nukleinsäuren, ein Peptidrückgrat besitzen. An die Peptidkette sind die Basen angehängt wie in der DNA an das Zuckerphosphat-Gerüst. Vorteil: Diese Moleküle sind im Gegensatz zu DNA-Molekülen nicht in der Lage, die genetische Information der Zelle zu verändern.
PNAs ähneln in ihren Eigenschaften eher Polyamiden als Nukleinsäuren. Sie werden spiegelbildlich zu RNA-Molekülen gestaltet, deren Translation in Proteine gehemmt werden soll. Nach ersten Versuchen zeigte, sich, dass die PNAs stabile Komplexe mit der komplementären RNA bilden und bei ihrer Suche nach dem Zielmolekül in der Zelle sehr spezifisch sind. Sie sind stabiler als Peptide, weisen eine geringe Toxizität auf, sind nicht immunogen und relativ einfach zu synthetisieren. Einziger Nachteil: PNAs können per se keine Zellmembranen überwinden. Das Problem könne man umgehen, wenn man entsprechende Signalpeptide anhängt.
Zukunftmusik? Nicht ganz. Es gibt bereits Ansätze aus PNAs Antibiotika zu entwickeln. Denn es ist relativ einfach, Sequenzen zu finden, die ausschließlich in Bakterien vorkommen. Gehören diese Sequenzen zu überlebenswichtigen Genen und blockiert man sie mit einem PNA mit komplementärer Sequenz, sollten die Bakterien daran zugrunde gehen. Nielsen berichtete von ersten Experimenten mit Penicillin-resistenten Bakterien. Diese Keime verfügen über die ß-Lactamase, die das Antibiotikum abbaut, bevor es seine tödliche Wirkung entfalten kann. Blockierten Nielsen und seine Mitarbeiter nun die ß-Lactamase mit einem zu deren RNA-Sequenz komplementären PNA, so waren die Bakterien anschließend wieder sensitiv gegenüber Penicillin.
Trotz High-Throughput-Screening und kombinatorischer Chemie bleiben die Ziele der Pharmaindustrie dieselben: Wie findet man die besten Zielstrukturen, wie prüft man die Interaktion von Substanzen mit diesen Targets am besten, wie wandelt man die Substanzen in Leitstrukturen um und optimiert diese dann zu wertvollen Kandidaten für die klinische Forschung? Professor Dr. Bernd Wetzel von Boehringer Ingelheim betonte, dass die neuen Technologien keine Erfolgsgarantie liefern. Allerdings berichtete er auch, dass alle firmeneigenen High-Throughput-Projekte immerhin mindestens eine Struktur hervorgebracht hätten, die nun als Leitstruktur optimiert wird.
"Die kombinatorische Chemie wird nie die konventionellen Synthesen ersetzen", lautete Wetzels Prognose. In Zusammenarbeit mit Ontogen in San Diego habe Boehringer seit 1996 etwa 600.000 Moleküle entwickelt, die Hälfte davon über kombinatorische Chemie. Die Trefferquote innerhalb der beiden Pools sei vergleichbar. "Wir haben keine umwerfenden Ergebnisse der kombinatorischen Chemie in schwierigen Tests beobachtet", sagte Wetzel.
Zudem hätten auch Computeranalysen gezeigt, dass die Molekülbibliotheken aus der
kombinatorischen Chemie den klassischen nicht überlegen seien. Die kombinatorische Chemie
habe das Potenzial, die Trefferquoten zu verbessern, aber nur, wenn die Bibliotheken
sorgfältig geplant und die Moleküle gut selektiert werden. Die Optimierung von
Leitstrukturen sei der neue Flaschenhals bei der Medikamentenentwicklung und hier habe die
Pharmakokinetik eine besondere Bedeutung.
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