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108 WISSENSCHAFTLICHER ERGEBNISBERICHT | Infektion und Immunität | Pharmazeutische Forschung 05 Pharmazeutische Forschung THEMENSPRECHER | Prof. Dr. Rolf Müller | Arbeitsgruppe Mikrobielle Wirkstoffe | rom@helmholtz-hzi.de | Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS) | Abteilung für Mikrobielle Naturstoffe Infektionskrankheiten sind eine der häufi gsten Todesursachen weltweit und oft Ursache für Krankenhausaufenthalte. Die vielfältigen Faktoren, die bei einer Infektion eine Rolle spielen, verlangen eine enge interdisziplinäre Zusammenarbeit in der Antiinfektiva Forschung. Nur so können Hits aus der Wirkstoffentwicklung zu Arzneistoffen in der klinischen Anwendung weiterentwickelt und der steigenden antibiotischen Resistenz der Erreger etwas entgegengesetzt werden. Entscheidend für das Aufklären von Infektionsprozessen ist das Isolieren, Identifi zieren und Optimieren von molekularen Verbindungen, die mit Infektionsprozessen wechselwirken sowie die Modellierung dieser Wechselwirkungen. Die Kenntnis des Transport- und des Wirkstoff-Target-Wechselwirkungsmechanismus ist Voraussetzung für die Optimierung des Wirkstoffs bei gleichzeitiger Verringerung der Nebenwirkungen. Die meisten kommerziellen Antiinfektiva sind von Naturstoffen oder deren Derivaten abgeleitet, die deren Pharmakophore nachahmen. Der Schwerpunkt „Pharmazeutische Forschung“ widmet sich diesen Substanzklassen mit modernen chemisch-biologischen Ansätzen, um neuartige Klassen nachhaltiger Antiinfektiva für die Wirkstoff-Entwicklungspipeline bereit zu stellen. Der Forschungsschwerpunkt wurde nach der Gründung des „Helmholtz-Instituts für Pharmazeutische Forschung Saarland“ (HIPS) im Spätsommer 2009 neu konstituiert. Ein Ziel des HIPS ist es, durch Vertiefung der bestehenden Kooperation des HZI mit der Fachrichtung Pharmazie der Universität des Saarlandes (UdS) neue Wirkstoffe gegen Infektionskrankheiten schneller zu entwickeln. Das HIPS ergänzt dabei das Gesundheitsprogramm der Helmholtz-Gemeinschaft um die pharmazeutischen Wissenschaften und schließt die Lücke der Naturstoff-basierten Antiinfektiva Forschung in der Translationsforschung. Der Forschungsschwerpunkt setzt sich aus sieben Gruppen zusammen, die sowohl am Braunschweiger (HZI) als auch am Saarbrücker (HIPS) Standort angesiedelt sind. Die drei Abteilungen am HIPS „Mikrobielle Naturstoffe“ (MINS), „Wirkstoff-Entwicklung und -Optimierung“ (DDOP) sowie „Wirkstoff-Transport“ (DDEL) bringen nun ihre jeweilige pharmazeutische Expertise in die Infektionsforschung ein. Während MINS traditionell eine enge Kooperation mit der Forschergruppe „Mikrobielle Wirkstoffe“ (MWIS) am HZI unterhält, haben DDOP und DDEL in 2010 mit Gruppen am HZI Kooperationen aufgebaut, die bereits zur Einwerbung von Drittmitteln und zum Austausch von Wissenschaftlern geführt haben. Die HIPS-Abteilungen werden an anderer Stelle dieses Berichtes präsentiert. Die Forschergruppen „Chemische Biologie“ (CBIO), „Medizinische Chemie“ (MCH) und „Biologische Systemanalyse“ (BISA) wurden in den Schwerpunkt „Pharmazeutische Forschung“ integriert, da sie in stark überlappenden Bereichen arbeiten: CBIO entwickelt verschiedene chemisch-biologische Ansätze, um die Aktivität und den Wirkmechanismus von Naturstoffen aufzuklären. MCH nutzt medizinisch-chemische und synthetische Zugänge, um Naturstoffe als Leitstrukturen zu optimieren und diese in signifi kanten Mengen zur Verfügung zu stellen. BISA arbeitet an der Identifi zierung antifungaler Stoffe, um deren Wirkmechanismen zu entziffern. Die Abteilung „Chemische Biologie“ (CBIO) konzentriert sich auf die Aufklärung molekularer Mechanismen von Infektionskrankheiten durch niedermolekulare Wirkstoffe. Die Gruppe entwickelt neue, miniaturisierte und betreibt existierende Aktivitätsassays, um den Wirkmechanismus von Hits aus Wirkstoffbibliotheken zu bestimmen. Etwa 90.000 Substanzen befi nden sich in den Bibliotheken. Sie enthalten einzigartige Sammlungen an Naturstoffen aus Myxobakterien, Verbindungen, die von Kooperationspartnern zur Verfügung gestellt wurden, kommerziell erhältlichen Bibliotheken und im Hause synthetisierten Substanzen. CBIO hat einen halbautomatischen mikroskopischen Assay entwickelt, der basierend auf Änderungen des Phänotyps Hinweise auf den Wirkmechanismus gibt. Durch eine Software-gesteuerte fotografi sche Auswertung der Zellen wird ein biologisches Profi l der Verbindungen erzeugt, welche sich in einer hierarchischen Clusteranalyse zu bekannten Verbindungen mit ähnlichem Profi l gruppieren. Das Verfahren konnte erfolgreich validiert werden und gab bereits wertvolle Hinweise auf neue Wirkmechanismen und potenziell neue Wirkstoffe. Diese sollen nun weiter untersucht werden.
WISSENSCHAFTLICHER ERGEBNISBERICHT | Infektion und Immunität | Pharmazeutische Forschung In einem anderen Projekt wurde ein mikroskopischer Hochdurchsatz-Assay etabliert, um Wechselwirkungen des pathogenen Bakteriums mit menschlichen Epithelzellen zu untersuchen. Nach dem Screening von 4000 Reinsubstanzen und Mischungen konnten neue vielversprechende Verbindungen identifi ziert werden. In weiteren Studien sollen diese mit humanen nasalen Primärzellen auf ihre Effi zienz und in Zell-basierten Assays auf ihre Toxizität hin untersucht werden. Die Forschergruppe „Biologische Systemanalyse“ (BISA) arbeitet mit kommensalen und persistenten Mikroorganismen. Diese Mikroorganismen wie z.B. Candida albicans und Mycobacterium bovis haben sich an das Überleben in menschlichem Gewebe angepasst und erzeugen Infektionen nur dann, wenn die Immunabwehr des Wirtes geschwächt wird. Um neue Angriffsorte für Antiinfektiva zu identifi zieren, simuliert die Gruppe die beim Menschen vorgefundenen Bedingungen, um mögliche Quellen für neue Wirkstoffe wie chemischen Bibliotheken, Extrakte aus Myxobakterien und kommerziell erhältliche Inhibitoren zu erschließen. In einem Projekt untersucht BISA, ob sich das Entfernen von C. albicans mittels Phagozyten durch Behandlung mit Kinase-Inhibitoren beeinfl ussen lässt. Es konnte gezeigt werden, dass alle für den Verlauf der Infektion relevanten Stufen durch chemische Substanzen kontrolliert werden, die teilweise sogar vom Organismus selbst produziert werden. In einem anderen Projekt zeigte sich, dass die Histidin-Kinase CaNik1 von C. albicans der Angriffsort für bestimmte Fungizide ist. Überraschenderweise erzeugt CaNik1 eine Änderung im Metabolismus, nicht aber in der Wachstumshemmung. Das Entfernen verschiedener der 9 HAMP- Domänen in CaNik1 beeinfl usst in Abhängigkeit von der jeweiligen Substanz die Empfi ndlichkeit des Fungizids. Die Forschergruppe „Medizinische Chemie“ (MCH) arbeitet an der Synthese von Naturstoff-basierten Antiinfektiva sowie mit davon abgeleiteten Derivaten und Analoga, um deren biologisches Profi l zu optimieren und Einblicke in die Struktur-Aktivitätsbeziehungen zu erlangen. So konnte kürzlich die absolute Konfi guration des Naturstoffes Chondramid C bestätigt werden. Auf dem Syntheseweg zu Corallopyronin konnte der verwandte Naturstoff Myxopyronin durch eine stereoselektive und konvergente Synthesestrategie hergestellt werden. Die erfolgreich durchgeführte Synthese von Chivosazol bestätigt den Vorschlag zur Zuordnung von 10 Stereozentren. Der Schlüsselschritt war eine ungewöhnliche Stille-Kupplung, um den Ringschluss zum Makrozyklus durchzuführen. Der Forschungsschwerpunkt „Pharmazeutische Forschung“ vertieft die enge Zusammenarbeit der Gruppe „Mikrobielle Wirkstoffe“ (MWIS) am HZI mit der Abteilung „Mikrobielle Naturstoffe“ (MINS) am HIPS, um das Potenzial von gleitenden Bakterien für die Produktion von Naturstoffen zu steigern. Die Gruppen entwickeln Methoden der klassischen Mikrobiologie, funktionellen Genomik, Sekundärmetabolomik, des fortgeschrittenen Screenings und der Strukturaufklärung und wenden diese zur Steigerung der Naturstoffproduktion an. Zudem werden neue Assays zur Aufklärung der Zell-Zell-Kommunikation entwickelt. MWIS arbeitet eng mit den Gruppen CBIO, MCH und BISA zusammen, um die chemischen und biologischen Profi le von Stämmen aus der reichhaltigen Sammlung an Myxobakterien zu erweitern. Eine DAPI-Färbung der Epithelzellkerne und eine antikörperbasierte Markierung der Bakterien macht das Adhäsionsgeschehen für das automatische Mikroskop sichtbar. Nach Aufnahme einzelner Bilder (A+B) werden mit Hilfe eines Softwaremoduls für jedes einzelne Bild die Zellkerne sowie die adhärierenden Bakterien quantifi ziert. Inhibiert eine zugegebene Substanz die bakterielle Adhäsion, kann dieser Effekt anhand der Bilder quantitativ ermittelt werden. Bild B zeigt das Ergebnis nach Inkubation mit Substanz HZI-MW195 (5 μM) im Vergleich zur Kontrolle A. Die Adhäsionsstärke in Abhängigkeit der Konzentration dieser Substanz kann mit dieser Methodik zuverlässig bestimmt werden (C). (siehe Beitrag S. 112). 109
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