HIPS - Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung

FORSCHUNGSBERICHT 2010/2011
Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung
HIPS

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WISSENSCHAFTLICHER ERGEBNISBERICHT | Das Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS)
Das Helmholtz-Institut
für Pharmazeutische
Forschung Saarland (HIPS)
GESCHÄFTSFÜHRENDER DIREKTOR | Prof. Dr. Rolf Müller | Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung
Saarland (HIPS) im Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) | Campus Universität des Saarlandes,
Gebäude C2 3
, 66123 Saarbrücken | rom@helmholtz-hzi.de
MITARBEITER IN DER GESCHÄFTSFÜHRUNG | Dr. Markus Ehses | David Hofmann | Birgitta Lelarge |
Natja Mellendorf | Claudia Thiele
Das Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS) wurde im August 2009 gemeinsam vom Helmholtz-Zentrum
für Infektionsforschung (HZI) und der Universität des Saarlandes (UdS) gegründet. Das Ziel der Gründung ist die beschleunigte
Identifi zierung neuer Wirkstoffkandidaten für Antiinfektiva, deren Optimierung mit den Methoden der Molekularbiologie und der
Medizinalchemie und Verbesserung des Transports an den Wirkort. Gerade das verstärkte Auftreten neuer und oft multiresistenter
Pathogene erfordert eine effi zientere Vorgehensweise bei der Entwicklung von Antiinfektiva. Die Gründung des HIPS als Außenstelle
des HZI ist eine logische Konsequenz einer Initiative der Helmholtz-Gemeinschaft zur Intensivierung der Translationsforschung
im Bereich der Gesundheitsforschung. Die Bündelung der international anerkannten, hohen Qualität der Infektionsforschung am
HZI einerseits und der Pharmazie an der Universität des Saarlandes (UdS) andererseits generiert einen deutlichen Mehrwert.
Kombiniert mit den Forschungsaktivitäten regionaler Partnerinstitute ist es nun an den Standorten Braunschweig und Saarbrücken
gemeinsam möglich, in der Medikamentenentwicklung das gesamte Spektrum von der frühen Wirkstoffentwicklung bis zu klinischen
Studien institutsintern abzudecken. Die Implementierung der gesamten Entwicklungspipeline wird den Einsatz von Naturstoffen in
klinischen Studien erheblich beschleunigen.
Das Forschungsspektrum des HIPS umfasst gentechnische
und genomanalytische Verfahren zur Optimierung von Naturstoffproduzenten
und Leitstrukturen sowie zur medizinalchemischen
Weiterentwicklung von Wirkstoffkandidaten.
Zudem werden Methoden zum verbesserten Transport von
Arzneistoffen über biologische Barrieren an ihren Wirkort
erforscht und die Entwicklung optimaler Formulierungen
vorangetrieben. Die drei Abteilungen des HIPS, „Mikrobielle
Naturstoffe“ (MINS, Prof. R. Müller), „Wirkstoff-Design
und –Optimierung“ (DDOP, Prof. R. W. Hartmann) sowie
„Wirkstofftransport“ (DDEL, Prof. C.-M. Lehr), sind aus
jeweils einer pharmazeutischen Arbeitsgruppe der UdS
entstanden. In ihnen arbeiten insgesamt etwa 140 Personen,
von denen Ende 2010 30 Mitarbeiter HIPS-seitig finanziert
werden. Im Endausbau sollen etwa 100 Mitarbeiter in das
neue HIPS-Gebäude einziehen, das in drei bis vier Jahren
auf dem Campus der UdS fertig gestellt sein soll.
Die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses ist
eine weitere Aufgabe des HIPS. Im Aufbau befindet sich
ein Programm zur strukturierten Doktorandenausbildung,
das neben der Vermittlung von fachnahen Fertigkeiten und
Schlüsselkompetenzen als Besonderheit einen optionalen
einjährigen Auslandsaufenthalt beinhaltet. Weiterhin sollen
drei Nachwuchsforschergruppen eingerichtet werden. Die
Helmholtz-Nachwuchsgruppe „Metabolisches Engineering
von Actinomyceten“ (AMEG) unter der Leitung von Dr.
Andriy Luzhetskyy nimmt im Januar 2011 ihre Arbeit am
HIPS auf. Durch Nachberufungen auf die vakant werdenden
Die Gründungsabteilungsleiter des HIPS: Claus-Michael Lehr
(DDEL), Rolf Müller (MINS) und Rolf W. Hartmann (DDOP) Foto: HZI
Universitätsprofessuren und neu einzurichtenden Juniorprofessuren
an der UdS wird die Anzahl der Gruppen
mit pharmazeutischem Arbeitsschwerpunkt am Standort
Saarbrücken somit von derzeit fünf Vollprofessuren und
2 Nachwuchsforschergruppen auf mittelfristig 14 Gruppen
anwachsen. Die so entstehende pharmazeutische
Kompetenz soll unter dem Dach des geplanten „Zentrums
für Pharmazeutische Forschung Saarland“ zukünftig eng
zusammenarbeiten, um Synergien der unterschiedlichen
Forschungsansätze, Methoden und Gerätschaften zu nutzen.
Die enge Anbindung des HIPS an das HZI wird mit Hochdruck
vorangebracht und erfolgt durch Forschungskooperationen
und Verzahnung der administrativen und infrastrukturellen
Aktivitäten wie Controlling, Personalverwaltung,

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Rechenzentrum sowie Öffentlichkeitsarbeit. Dem Direktor
des Instituts stehen hierfür jeweils ein Verwaltungsleiter,
ein wissenschaftlicher Referent und eine administrative
Assistentin unterstützend zur Seite.
Die Abteilung „Mikrobielle Naturstoffe“ (MINS)
Abteilungsleiter | Prof. Dr. Rolf Müller | Helmholtz-Institut
für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS) im
Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) | Abteilung
für Mikrobielle Naturstoffe (MINS) | rom@helmholtz-hzi.de
Wissenschaftliche Mitarbeiter | Dr. Daniel Krug |
Dr. Silke Wenzel
Den Schwerpunkt der Forschung in der Abteilung „Mikrobielle
Naturstoffe“ bildet die Untersuchung der chemischen
Eigenschaften, der biologischen Aktivität, der Produktion
sowie der Regulation von Naturstoffen aus Myxobakterien.
Diese im Boden lebenden Bakterien gehören ebenso wie die
schon länger als Wirkstoffproduzenten bekannten Actinomyceten
zu den wichtigsten Quellen von Naturstoffen. Sie
können verschiedenste Aktivitäten aufweisen und zum Bei -
spiel als Antibiotika, Krebstherapeutika, Immunsuppressiva
oder Parasitenbekämpfungsmittel eingesetzt werden. Myxo -
bakterien bilden eine Vielzahl von Naturstoffen, sogenannte
Sekundärmetabolite, unter anderem um mikrobielle Konkurrenten
oder Feinde auszuschalten. Die Erforschung des
enormen Potenzials der Myxobakterien für die Herstellung
biologisch aktiver Substanzen erfordert den Einsatz eines
breiten Spektrums unterschiedlicher Methoden aus den
Bereichen Mikrobiologie, Molekularbiologie, Genetik, Biochemie,
Verfahrenstechnik und analytische Chemie.
Neu isolierte Myxobakterien aus diversen Lebensräumen
weltweit bilden zusammen mit der historisch gewachsenen
Myxobakterien-Stammsammlung des HZI in Braunschweig
(über 8000 Stämme sind dort eingelagert) die Grundlage für
die Suche nach bislang unbekannten Naturstoffen. Dabei ist
es bereits gelungen, neue Bakterienarten, -gattungen und
-familien sowie zahlreiche Kandidaten für neue Naturstoffe
Sonja Burkart aus der Abteilung MINS kontrolliert eine Kultur
im Schüttler. Foto: HZI, Bellhäuser
(A) Schwarm von Byssovorax cruenta verlässt ein Cellulosestück
auf einer Agar-Platte und (B) lichtmikroskopische
Aufnahme eines Fruchtkörpers von Chondromyces crocatus)
Fotos: R. Garcia
zu identifizieren. Bei der Isolierung eines neuen Myxobakteriums
ist es häufig unumgänglich, eine aufwendige
Optimierung von mikrobiologischen Arbeitsweisen und
Kultivierungsbedingungen zu betreiben, denn Myxobakterien
pflegen einen ausgesprochen komplexen „Lebensstil“:
Sie sind in der Lage sich in Schwärmen gleitend fortzubewegen
und sich von anderen Mikroorganismen zu ernähren,
indem sie diese regelrecht vertilgen. Unter Hungerbedingungen
dagegen bilden Myxobakterien multizelluläre
Strukturen, die sogenannten Furchtkörper, in deren Inneren
sie als Myxosporen auch Stress wie z.B. Hitze oder Trockenheit
überdauern können.
Sobald es gelingt, ein Myxobakterium unter Laborbedingungen
zu kultivieren, setzt die Abteilung MINS moderne
massenspektrometrische Methoden ein, um das Metabolitenprofil
auf die Anwesenheit bereits bekannter myxobakterieller
Sekundärmetaboliten zu untersuchen. Gleichzeitig
dient eine Reihe mikrobiologischer und zellbiologischer
Aktivitätstest dazu, möglicherweise vorhandene neue
Sekundärmetaboliten mit interessanter Wirkung zu entdecken.
Deren Produktion wird sodann optimiert und nach
Fermentation des Produzentenstamms im vergrößerten
Maßstab mit flüssigkeitschromatographischen Verfahren
aufgereinigt und der Strukturaufklärung zugeführt. Außerdem
folgen häufig weitere zellbiologische Untersuchungen,
um den Wirkmechanismus eines vielversprechenden neuen
Naturstoffs im Detail aufzuklären. Diese Arbeiten werden
in enger Kooperation mit der Arbeitsgruppe Mikrobielle
Wirkstoffe (MWIS) am HZI durchgeführt.

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Ebenso wichtig wie die Entdeckung neuer Myxobakterien
und Naturstoffe ist MINS die Erforschung der Naturstoffbiosynthese
einschließlich der Funktion der einzelnen daran
beteiligten Enzyme. Die resultierenden Grundlagenkenntnisse
werden dann genutzt, um über regulatorische Prozesse
die Ausbeute zu optimieren und gezielt in die Biosynthesen
einzugreifen, um neue und veränderte Strukturen herzustellen.
Zu diesem Zweck sequenzieren die Forscher der
Abteilung MINS die ungewöhnlich großen Genome einer
Reihe von Myxobakterien, nachdem sie vor einigen Jahren
das bislang größte entdeckte Bakteriengenom des Myxobakteriums
Sorangium cellulosum vorgestellt haben. Es zeigt
sich dabei regelmäßig, dass Myxobakterien eine außerordentlich
große „genetische Kapazität“ zur Herstellung von
Naturstoffen haben: jedes einzelne Myxobakterium ist in der
Lage, neben den bereits bekannten Substanzen eine weitaus
größere Anzahl bisher unbeschriebener Sekundärmetabolite
zu produzieren. Die bioinformatisch entschlüsselten Genome
der Mikroben bilden so die Grundlage dafür, mit hochempfindlichen
analytischen Methoden, etwa massenspektrometrischen
Metabolomics-basierten Ansätzen, nach bisher
unbekannten Naturstoffen zu suchen. Weiterhin nutzt MINS
die genetischen Daten, um die Produktion der myxobakteriellen
Metabolite in den Bakterien zu optimieren oder deren
Synthese in geeigneten Fremdorganismen mit erhöhter Ausbeute
zu veranlassen. Darüber hinaus ist es möglich, Wirk -
stoffe durch gezielte genetische Veränderungen zielgerichtet
strukturell umzugestalten. Die Erkenntnisse aus der Analyse
der myxobakteriellen Genome helfen nicht zuletzt auch dabei,
die Mikrobiologie dieser Organismen besser zu verstehen.
Die Abteilung „Wirkstoff-Design und Optimierung“ (DDOP)
Abteilungsleiter | Prof. Dr. Rolf W. Hartmann | Helmholtz-
Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS)
im Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) |
Abteilung für Wirkstoff-Design und Optimierung (DDOP) |
rwh09@helmholtz-hzi.de
Wissenschaftliche Mitarbeiter | Dr. Johannes De Jong |
Dr. Jörg Haupenthal | Dr. Matthias Negri | Dr. Anke Steinbach
| Dr. Christina Zimmer
Aufgrund der stetig steigenden Anzahl an multiresistenten
Pathogenen und deren weltweiter Ausbreitung – insbesondere
in Krankenhäusern – stellt die Behandlung von
Infektionskrankheiten mehr denn je ein zunehmendes
Problem für das Gesundheitswesen dar. Die Entwicklung
neuer, antibiotisch wirksamer Substanzen besitzt daher
eine wachsende Aktualität und höchste Priorität für die
Pharmazeutische Forschung. Herkömmliche Antibiotika
greifen gezielt in lebensnotwendige Vorgänge in Bakterien
ein, um so die Krankheitserreger abzutöten. Ein alternativer
Ansatz zielt darauf ab, durch Interferenz des Wirkstoffs
mit dem Kommunikationssystem der Bakterien die Zell-
Zell-Kommunikation der Bakterien zu unterbinden. Dieses
Kommunikationssystem basiert auf dem Austausch von
Signalmolekülen und reguliert unter Anderem die Produktion
von Virulenzfaktoren und die Biofilmbildung. Beide
könnten somit über diesen Weg abgeschwächt oder gar
unterbunden werden.
Die Fortschritte in der Erforschung von Mikroorganismen
haben zu einer erhöhten Anzahl an Naturstoffen mit anti -
biotischer Wirkung geführt. In der Antibiotikaforschung
werden allerdings oft Naturstoffe als besonders wirksam
identifiziert, die nachteilige pharmakokinetische Eigenschaften
aufweisen, wie beispielsweise eine geringe Lös -
lichkeit oder eine schwierige Synthese in großem Maßstab.
Die Abteilung DDOP beschäftigt sich mit der Entwicklung
von neuartigen, synthetischen Antiinfektiva. Diese werden
entweder von Naturstoffen abgeleitet und nachfolgend
optimiert, oder sie werden einem rationalen Wirkstoffdesign
folgend neu konzipiert. Verschiedene medizinisch-chemische
Strategien werden hierfür angewandt, von der Vereinfachung
der chemischen Komplexität der Substanzen bis hin zum
Computer-gestützten Wirkstoffdesign.
In der Abteilung DDOP werden zwei Hauptprojekte
bearbeitet, die entweder auf das Bakterienwachstum oder
ihr Zell-Zell-Kommunikationssystem abzielen.
Entwicklung von potenten Hemmstoffen der bakteriellen
RNA-Polymerase Dieses Projekt befasst sich mit der
Aufgabe, einen neuartigen, potenten Hemmstoff herzustellen,
der das Ablesen der genetischen Information in
Bakterien verhindert. Der Angriffspunkt dieses Hemmstoffes
ist die sogenannte RNA-Polymerase (RNAP), ein Enzym,
das für das Überleben von Bakterien essenziell ist.
Jeannine Jung und Cenbin Lu aus der Abteilung DDOP diskutieren
die Synthese eines neuen Inhibitors. Foto: HZI, Bellhäuser

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RNAP ist das Enzym, das für die Bildung von RNA in Zellen
verantwortlich ist. Es ist ein komplexes, sehr großes Enzym
mit einer Masse von ca. 400 kDa, das aus verschiedenen
Protein-Untereinheiten besteht. Dabei handelt es sich um
das katalytisch aktive Core-Enzym (α2ββ‘ω) und den
Sigma-Faktor. Diese beiden Proteine interagieren während
der Transkription miteinander. Da RNAP essenziell für das
Bakterienwachstum ist und dabei spezifisch zwischen
Bakterien wirkt, ist es ein attraktives Ziel für die Entwicklung
eines Breitbandantibiotikums beim Menschen. Die
Hemmung der RNAP hat zur Folge, dass für das Bakterium
lebenswichtige Funktionen blockiert werden, die letztendlich
dessen Tod bewirken. Als Zielbakterien sind solche
besonders interessant, die beim Menschen schwerwiegende
Erkrankungen hervorrufen. Hierzu zählt insbesondere
Mycobacterium tuberculosis (Mtb), der Erreger der Tuberkulose,
der weltweit zwei Millionen Tote pro Jahr verursacht.
Da viele Bakterien eine wirkungsvolle Resistenz gegen
derzeit auf dem Markt erhältliche Antiinfektiva entwickeln,
steigt der Bedarf an neuen Wirkstoffen kontinuierlich. Ziel
dieses Projektes ist es, neuartige Hemmstoffe der bakteriellen
RNAP zu entwickeln und deren Wirkmechanismus zu
verstehen. Der Wirkstoff soll nicht nur hinsichtlich seiner
Potenz optimiert werden, sondern dahingehend, dass er in
pathogene Bakterien eindringen kann, um dort letztlich
seine antibiotische Funktion zu entfalten.
Im Rahmen der Wirkstofffindung werden zweierlei Ansätze
verfolgt:
Der erste Ansatz hat zum Ziel, das Core-Enzym direkt zu
hemmen. Da die Struktur der RNAP und verschiedene
Hemmmechanismen weitgehend bekannt sind, nutzt die
Abteilung DDOP intelligente Computer-gestützte Methoden,
um potenzielle Hemmstoffe virtuell ausfindig zu machen.
Diese „virtuellen Hits“ werden in experimentellen Tests auf
ihre Wirksamkeit überprüft. Hits, die dabei als aktiv
hervorgehen, werden in einem chemischen Optimierungszyklus
weitergeführt, aus dem potente RNAP-Hemmstoffe
hervorgehen sollen. Auch dieser Zyklus wird von virtuellen
Designkonzepten und abgeleiteten Strukturwirkungsbeziehungen
unterstützt.
Der zweite Ansatz hat zum Ziel, die Interaktion zwischen
Core-Enzym und Sigma-Faktor, und somit die Bildung des
Holoenzyms zu unterbinden. Deren Interaktionsfläche (das
„Interface“) ist bereits eingehend untersucht und wurde
durch verschiedene Mutagenesestudien charakterisiert.
Diese Informationen werden in der Abteilung DDOP genutzt,
um eine geeignete Region für die Bindung und folglich für
eine Inhibition durch einen Hemmstoff ausfindig zu
machen. Erste RNAP-Hemmstoffe wurden bereits identifiziert.
Das Ziel besteht nun darin, diese Verbindungen, zum
Darstellung der Struktur der RNA Polymerase, die die fünf
Untereinheiten hervorhebt. Ligand- und Struktur-basierte Ansätze
werden im Design neuer RNAP Inhibitoren verfolgt.
Teil kurzkettige Peptide, hinsichtlich ihrer Hemmwirkung
und verschiedener pharmakologischer Eigenschaften zu
verbessern. Daraus soll letztlich ein Wirkstoff erhalten
werden, der seine antibiotische Wirkung gezielt im
Menschen entfalten kann.
RNAP aus E. coli und Mycobacterium tuberculosis soll
kloniert und für biologische Tests der synthetisierten
Verbindungen verwendet werden. Die vermuteten Bindungsstellen
der neuen potenten Inhibitoren sollen dann durch
Mutagenese charakterisiert werden.
Entwicklung von Verbindungen, die mit dem PQS quorum
sensing Kommunikationssystem in P. aeruginosa interferieren
In diesem Projekt beschäftigen sich die Wissenschaftler
der Abteilung DDOP mit der Entwicklung von
Verbindungen, die mit dem PQS quorum sensing Kommunikationssystem
in Pseudomonas aeruginosa interferieren.
Lungeninfektionen durch dieses opportunistisch pathogene
Bakterium werden als Haupttodesursache für Patienten mit
Zystischer Fibrose angesehen. Resistenzen gegen herkömmliche
Antibiotika sind oft assoziiert mit der Bildung von
Biofilmen, die das Eindringen von eingesetzten Antibiotika
durch diese physikalische Barriere verhindern und die
Immunantwort herabsetzen. Sowohl die Bildung eines
Biofilms als auch die Produktion von Virulenzfaktoren
werden durch ein kompliziertes quorum sensing Kommunikationssystem
gesteuert. Darüber nehmen Bakterien
beispielsweise ihre Populationsdichte wahr und steuern
eine Art Gruppenverhalten. Neben den zwei quorum sensing

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Systemen LasR und RhlR, die in vielen Bakterienarten
existieren, gibt es in P. aeruginosa ein drittes, einzigartiges
Kommunikationssystem, das durch PQS (Pseudomonas
Quinoline Signal, 2-Heptyl-3-Hydroxy-4-Chinolon) als
Signalmolekül reguliert wird. Das Ziel des Projektes ist die
Entwicklung von Verbindungen, die mit dem PQS quorum
sensing Kommunikationssystem interferieren, um die
Bildung eines Biofilms sowie die Produktion von verschiedenen
Virulenzfaktoren zu verhindern – dieses jedoch,
ohne das Wachstum der Bakterien zu beeinflussen. Zwei
Ansätze werden verfolgt: einerseits soll die Wirkung von
PQS am Rezeptor PqsR antagonisiert werden, andererseits
soll die Biosynthese von HHQ, dem direkten Vorläufer von
PQS, durch die Hemmung des Enzyms PqsD blockiert werden.
Entwicklung von Antagonisten des Transkriptionsregulators
PqsR Ein Fokus liegt in der Synthese von Analoga von
PQS, welche an PqsR binden und dieses blockieren sollen.
Der Transkriptionsregulator PqsR steuert nach Aktivierung
durch PQS die Expression von Virulenzfaktoren. Die PQS-
Analoga werden in einem gerade etablierten β-Galaktosidase-
Reportergen-Assay getestet. Dabei wird die transkriptionale
Aktivierung des PqsA-Promoters als Folge der PQS-Bindung
an PqsR gemessen. Des Weiteren sollen SPR-Methoden zur
kinetischen Charakterisierung von Hits mit dem verkürzten
PqsR ( C87 PqsR) entwickelt und für ein medium-throughput
screening einer Fragmentbibliothek eingesetzt werden.
Daraus resultierende Hits werden mittels ITC (Isothermische
Titrationskalorimetrie) thermodynamisch charakterisiert.
Hemmung des zweiten Enzyms der PQS-Biosynthese PqsD
Um potenzielle PqsD-Inhibitoren biochemisch zu evaluieren,
wurde ein PqsD LC-MS/MS basierter Hemmungsassay
etabliert. Neue PqsD-Hemmstoffe, strukturelle Analoga des
nativen Substrats Anthraniloyl-CoA, wurden bereits
synthetisiert. In einem SPR-basierten medium-throughput
screening werden aktuell eine hauseigene Substanzbibliothek
sowie kommerzielle Fragment-Datenbanken getestet.
Daraus resultierende Hits werden nachfolgend kinetisch
charakterisiert. Begleitend zum SPR-Ansatz wird auch ein
virtuelles Screening an PqsD durchgeführt. Erste bindende
Fragmente wurden bereits identifiziert und werden in
einem fragment-growing-Ansatz als neue Grundgerüste
benutzt. Die Identifizierung von Fragmenten und ihren
Bindungsmodi wird mit hoch-auflösender NMR-Spektroskopie
begleitet. Weiterhin sollen kinetische Studien, die
sowohl computergestützt, als auch biochemisch (biologische
Assays, SPR, ITC) durchgeführt werden, die Entwicklung von
PqsD-Hemmstoffen vorantreiben. Insbesondere die Überprüfung
der kinetischen Mechanismen mittels Moleküldynamiksimulationen
ermöglicht einen Einblick in die Flexibilität
des Proteins und kann dazu beitragen mögliche induced-fit
Mechanismen aufzudecken und zu erklären.
Die Abteilung „Wirkstofftransport“ (DDEL)
Abteilungsleiter | Prof. Dr. Claus-Michael Lehr | Helmholtz-
Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS) im
Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) | Abteilung
für Wirkstofftransport (DDEL) / cle09@helmholtz-hzi.de
Wissenschaftliche Mitarbeiter | Dr. Eva-Maria Collnot |
Dr. Nicole Daum | Dr. Steffi Hansen | Dr. Brigitta Loretz
Wirkstofftransport über biologische Barrieren hinweg
Fortschritte in der molekularen Biotechnologie und der
medizinischen Chemie haben dazu geführt, dass eine
Vielzahl neuer Substanzen entdeckt wurde, die eine
potenzielle Affinität zum Zielrezeptor aufweisen. Jedoch
müssen bei der Weiterentwicklung solcher Wirkstoffmoleküle
zum Medikament mehrere Aspekte beachtet werden.
Sie müssen auf die Durchlässigkeit, ihren Transport und
die Bioverfügbarkeit durch biologische Barrieren untersucht
werden. Des Weiteren ist die Entwicklung neuer Technologien
erforderlich, um ihren sicheren und effizienten Transport
zum Wirkort zu gewährleisten. Daher liegt der Forschungsschwerpunkt
der Abteilung „Wirkstofftransport“ zum einen
in der Erforschung der biologischen Barrieren selbst,
namentlich der Lunge, des Magen-Darm-Traktes und der
Haut. Zum anderen beschäftigt sich DDEL mit der Entwicklung
geeigneter Trägersysteme, die in der Lage sind, diese
epithelialen Barrieren zu überwinden, um das Wirkstoffmolekül
an den Zielort zu bringen.
Entwicklung eines neuen in vitro-Modells der Blut-Luft-
Schranke Die so genannte „Blut-Luft-Schranke“, die vom
Alveolarepithel der Lunge gebildet wird, ist nicht nur von
Bedeutung für den pulmonalen Transport von Wirkstoffen,
sondern auch im Rahmen von Krankheiten, die durch
Aerosole übertragen werden, wie z. B. Schweinegrippe und
Tuberkulose. Um die in vivo-Situation nachzuahmen, gibt es
bereits einige in vitro-Zellkulturmodelle (z. B. Tumorzellen,
primäre Zellen tierischen Ursprungs), denen allerdings auf
Nico Mehl bringt Kolben mit Proben zum Gefriertrocknen am
Lyophilisator an. Foto: HZI, Bellhäuser

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Grund ihrer geänderten Barriereeigenschaften größtenteils
die biologische Relevanz fehlt. Primäre humane Zellen
spiegeln die in vivo-Situation am besten wider, allerdings
sind sie nur sehr begrenzt verfügbar und ihre Isolation
gestaltet sich zeit- und kostenintensiv.
Daher wird eine neue Zelllinie entwickelt, mit deren Hilfe
ein in vitro-Modell etabliert wird, das nicht von Tumorzellen
abgeleitet ist und intakte Barriereeigenschaften aufweist.
Dieses System wird es ermöglichen, Infektionspfade über
den Respirationstrakt aufzuklären und die Entdeckung von
Wirkstoffen zu erleichtern, mit denen solche Infektionskrankheiten
behandelt werden können.
Nadelfreie Impfung über die Haut Die meisten Impfungen
werden heutzutage über eine intramuskuläre Injektion
verabreicht. Allerdings kann mit dieser Applikationsart
der Impfstoff die antigenpräsentierenden Zellen der Haut,
die die weitere Immunantwort auslösen, nicht optimal
erreichen. Neue Strategien zur nadelfreien Impfung über
die Haut schädigen die schützende Hornschichtbarriere
über einen signifikanten Zeitraum und sind daher für
flächendeckende Impfungen in Ländern mit kritischen
Hygienebedingungen ungeeignet.
Kürzlich wurde über eine alternative Impfstrategie berichtet,
wobei Nanopartikel über die Haarfollikel zum Hautimmunsystem
vordringen. Da bekannt ist, dass Pollenantigene die
talggefüllten Follikel schnell durchdringen und bei entsprechend
sensibilisierten Personen eine allergische Reaktion
auslösen können, soll dieser Mechanismus mit künstlichen,
partikulären Impfstoffträgersystemen nachgeahmt werden.
Diese Strategie für die Umsetzung der nadelfreien Impfung
über die intakte Hautbarriere ist sehr vielversprechend und
wird in der Abteilung Wirkstofftransport nun intensiv weiter
entwickelt.
Nano- und mikropartikuläre Arzneistoffformulierungen
zur Therapie chronisch entzündlicher Darmerkrankungen
Chronisch entzündliche Darmerkrankungen wie die Kolitis
ulzerosa sind Autoimmunerkrankungen des Magen-Darm-
Trakts. Die Patienten leiden schubweise unter starken
Schmerzen, Magen-Darm-Krämpfen und heftigem, oft
blutigem Durchfall. Zudem ist das Risiko, an Darmkrebs zu
erkranken, wesentlich erhöht.
In Tierversuchen konnte gezeigt werden, dass sich Teilchen
im Nano- bis Mikrometerbereich gezielt im entzündeten
Darmgewebe anreichern. Daher könnten nano- und
mikropartikuläre Arzneistoffformulierungen die Therapie
chronisch entzündlicher Darmerkrankungen in naher
Zukunft verbessern. In der Abteilung „Wirkstofftransport“
Caco-2 Zelle mit an die Zellmembran adhärierten Propylstärke-
Nanopartikeln Foto: HIPS / HZI
werden zur Zeit solche neuartigen Formulierungen für eine
ganze Reihe unterschiedlicher antiinfektiöser Wirkstoffe
entwickelt. Zusätzlich wurde ein neuartiges Zellkulturmodell
der entzündeten Darmmukosa etabliert, das Studien
zum Mechanismus der Anreicherung erlaubt.
Design neuer Transportsysteme für Nukleinsäuren
In der nicht-viralen Gentherapie verschiebt sich der Fokus
von der Behandlung mutationsbedingter Krankheiten hin
zur Anwendung als Schutzimpfung oder Allergiebehandlung.
Das erneut zunehmende Interesse ist auf die Entdeckung der
RNA-Interferenz zurückzuführen. Es handelt sich dabei um
einen Mechanismus zur sequenzspezifischen Inhibition
eines Zielgens, der als Therapie für viele unterschiedliche
Krankheiten genutzt werden kann. Die physikochemischen
Eigenschaften von Nukleotidketten sowie die epithelialen
Barrieren verhindern jedoch den effektiven Transport zum
Wirkort. Deshalb ist zur Nutzung dieser Therapien ein
geeignetes Transportsystem notwendig, welches effizient,
sicher und klinisch anwendbar ist. Hierzu entwickeln die
Wissenschaftler der Abteilung DDEL aus aktuellen Ansätzen
der Polymerchemie und Nanotechnologie eigene Formulierungen.
In diesen wird der Wirkstoff entweder komplex
gebunden (Polyrotaxane als kationische Partner zur
Komplexierung der anionischen Nukleinsäuren) oder in
Nanopartikeln eingekapselt (core-shell Trägerpartikel auf
Basis biodegradierbarer Polymere wie Chitosan-umhüllte
PLGA-Partikel). Ziel ist die Entwicklung von Trägersystemen,
die durch kontrollierbare physikalische und pharmakokinetische
Eigenschaften an unterschiedliche Applikationsrouten
anpassbar sind. Zunächst werden diese Transportsysteme für
die Aufnahme über die Lunge und in späteren Projekten
auch über den Verdauungstrakt optimiert werden.