Unerwartete Wirkung von bekanntem Wirkstoff

Die Suche nach einem Wirk­stoff, der gezielt Schlüs­sel­spiel­er krankheit­saus­lösender Prozesse angreift, ste­ht immer am Anfang der Entwick­lung eines jeden Medika­ments. Doch das per­fek­te Medika­ment, das nur ein Ziel im Kör­p­er auss­chal­tet, gibt es nicht: keine Wirkung ohne Neben­wirkung, wie auch den meis­ten Beipackzetteln zu ent­nehmen ist. Forschende um Prof. Her­bert Wald­mann und Dr. Sla­va Ziegler am Max-Planck-Insti­tut für moleku­lare Phys­i­olo­gie in Dort­mund haben nun für eine Gruppe von bere­its charak­ter­isierten Wirk­stof­fen eine uner­wartete Wirkung iden­ti­fiziert: Sie fehlreg­ulieren alle­samt den Cho­les­terin­stof­fwech­sel, ein haus­gemacht­es Prob­lem, wie es scheint.
Als Alexan­der Flem­ming 1928 einen Schim­melpilz auf ein­er mit Bak­te­rien bewach­se­nen Kul­tur­plat­te ent­deck­te, hat­te er nicht damit gerech­net, einen der meist ver­wen­de­ten Wirk­stoffe zu find­en: das Peni­cillin. Zufäl­lige Ent­deck­un­gen wie diese, und die Iden­ti­fizierung von Wirk­stof­fen aus tra­di­tionellen Heilmit­teln, wie das Mor­phi­um des Schlaf­mohns, haben lange Zeit die Ent­deck­ung neuer Medika­mente geprägt.

Moderne Wirkstoffsuche mit System

In der Zwis­chen­zeit gab es ras­ante Entwick­lun­gen in der Chemie und der Moleku­lar­biolo­gie, die mit­tler­weile eine sys­tem­a­tis­che und ziel­gerichtete Suche nach poten­tiellen Wirk­stof­fen ermöglichen. So kon­nten zunächst durch Fortschritte auf den Gebi­eten der organ­is­chen und beson­ders der kom­bi­na­torischen Chemie riesige Molekül­bib­lio­theken hergestellt und in Hochdurch­satz-Tests auf ihre phar­makol­o­gis­che Wirkung geprüft werden.
Mit der voll­ständi­gen Sequen­zierung des men­schlichen Genoms und der Entwick­lung neuer moleku­lar­biol­o­gis­ch­er Meth­o­d­en kon­nten krankheit­srel­e­vante zel­luläre Prozesse sowie ihre moleku­laren Schlüs­sel­spiel­er aus­find­ig gemacht wer­den. So ist man mit­tler­weile dazu überge­gan­gen, große Sub­stanzbib­lio­theken im Hochdurch­satzver­fahren auf ihre Wirkung auf rel­e­vante Ziel­moleküle, meist Pro­teine, zu scree­nen. Die pos­i­tiv iden­ti­fizierten Sub­stanzen, soge­nan­nte Hits, wer­den anschließend in ihrer chemis­chen Struk­tur zu Leit­struk­turen opti­miert, die bere­its in gerin­gen Dosen wirk­sam sind und gut im Kör­p­er aufgenom­men und verteilt werden.

Keine Wirkung ohne Nebenwirkung

Diese ziel­gerichtete Wirk­stof­fen­twick­lung ist sehr erfol­gre­ich bei der Iden­ti­fizierung neuer Wirk­stof­fkan­di­dat­en, die meist die Funk­tion der Ziel­pro­teine oder ihre Inter­ak­tion mit anderen Pro­teinen ver­hin­dern. Jedoch greifen die gefun­de­nen chemis­chen Sub­stanzen sehr häu­fig auch andere, ver­wandte Pro­teine an, die eine ähn­liche Funk­tion oder Struk­tur haben.

„Es kommt nicht sel­ten vor, dass ein zunächst Erfolg ver­sprechen­der Wirk­stof­fkan­di­dat erst spät in der langjähri­gen Entwick­lung schw­er­wiegende Neben­wirkun­gen zeigt und somit der klin­is­che Ein­satz eingeschränkt oder gar ver­hin­dert wird.“
—  Sla­va Ziegler

Auf der Suche nach unbekannten Bioaktivitäten

Um möglichen Neben­wirkun­gen von poten­tiellen Wirk­stof­fkan­di­dat­en auf die Spur zu kom­men, wird bei der Wirk­stof­fen­twick­lung in ein­er Rei­he von Testver­fahren ihre Wirkung auf bekan­nte Pro­tein­klassen, biol­o­gis­che Prozesse und bes­timmte Zelleigen­schaften unter­sucht. Da jedoch die Anzahl der bekan­nten Ziel­moleküle in der Zelle begren­zt ist, kön­nen auch diese Testver­fahren nur die erwartete Bioak­tiv­ität wiedergeben. Soge­nan­nte Pro­fil­ierungs-Ansätze bieten mit­tler­weile die Möglichkeit, ein größeres Wirk­spek­trum ein­er Sub­stanz zu erfassen. Bei diesen unvor­ein­genomme­nen Testver­fahren wer­den simul­tan hun­derte zel­luläre oder genetis­che Para­me­ter in einem Pro­fil erfasst, das mit Pro­filen von Ref­erenz-Wirk­stof­fen mit bere­its bekan­nten Wirkun­gen ver­glichen wird.

Wenn die Wirkstoff-Profile übereinstimmen

In ihrer neusten Forschungsar­beit hat die Gruppe um Her­bert Wald­mann und Sla­va Ziegler zwei Pro­fil­ierungs-Ansätze kom­biniert, um bioak­tive Sub­stanzen aus ein­er Sub­stanzbib­lio­thek mit ca. 15000 Naturstoff-inspiri­erten Molekülen zu iden­ti­fizieren und sie mit den Pro­filen von bekan­nten Wirk­stof­fen zu ver­gle­ichen. Mit dem „Cell Paint­ing“ Ansatz, in dem mehrere funk­tionelle Bere­iche der Zelle gefärbt und anschließend mikroskopisch auf Verän­derun­gen unter­sucht wer­den, kon­nte ein großer Clus­ter von Sub­stanzen mit ähn­lichen Pro­filen aus­gemacht werden.
Eine Vorher­sage über die Wirk­weise des Clus­ters war jedoch nicht möglich, da diese Ref­eren­z­sub­stanzen sehr unter­schiedliche Aktiv­itäten, also Ziel­moleküle, aufwiesen. Mit ein­er anschließen­den Suche mit­tels Pro­teom-Pro­fil­ierung, bei der die Men­gen tausender Pro­teine und ihre Reg­u­la­tion quan­tifiziert wird, kon­nten die Forschen­den den Clus­ter auf eine für die meis­ten Ref­eren­z­sub­stanzen ungeah­nte biol­o­gis­che Aktiv­ität ein­gren­zen: die Fehlreg­u­la­tion der Cholesterinhomöostase.

Zwei Fliegen mit einer Klappe: neue Bioaktivitäten und Nebenwirkungen identifizieren

Doch wie kön­nen so viele Sub­stanzen, die unter­schiedlich­ste Ziel­moleküle im Kör­p­er angreifen, die gle­iche Wirkung aus­lösen? Die Forschen­den kon­nten zeigen, dass die meis­ten Sub­stanzen des Clus­ters im Lyso­som akku­mulieren, einem Organell, in dem das Cho­les­terin für seine weit­ere Funk­tion in der Zelle zwis­chen­ge­lagert wird. Das Lyso­som weist einen niedrigeren pH-Wert als der Rest der Zelle auf, und dieser ist von entschei­den­der Bedeu­tung für das Funk­tion­ieren der lyso­so­ma­len Ver­dau­ungsen­zyme, die fremde und eigene Bio­moleküle verarbeiten.
Im Lyso­som erhöhen die Sub­stanzen aus dem beschriebe­nen Clus­ter den pH-Wert und stören somit die Funk­tion dieses Organells und ins­beson­dere den Cho­les­ter­in­haushalt der Zelle. Dass sich die Sub­stanzen im Lyso­som anlagern, ist nicht auf ein konkretes Ziel­molekül im Lyso­som son­dern auf ihre chemis­chen und physikalis­chen Eigen­schaften zurück­zuführen, die sie durch ihre struk­turelle Opti­mierung für eine verbesserte Lös­lichkeit erhal­ten haben.
„Inter­es­san­ter­weise wurde ein gestörter Cho­les­ter­in­haushalt bere­its mit eini­gen auf dem Markt erhältlichen Medika­menten in Verbindung gebracht, wie z. B. Psy­chophar­ma­ka,“ stellt Tabea Schnei­dewind, Erstau­torin der Studie, fest. „Mit der Kom­bi­na­tion der bei­den Such­strate­gien kön­nen wir zwei Fliegen mit ein­er Klappe schla­gen: dem Grund für Neben­wirkun­gen auf die Spur kom­men und neue Wirk­stoffe und Wirk­mech­a­nis­men iden­ti­fizieren“, fasst Sla­va Ziegler zusammen.

Cholesterinhaushalt könnte womöglich auch SARS-CoV2-Infektionen beeinflussen

Eine Bee­in­flus­sung des Cho­les­ter­in­haushalts scheint eine häu­fige Wirkung von vie­len chemis­chen Sub­stanzen zu sein und sollte bei der Bew­er­tung von Neben­ef­fek­ten von Wirk­stof­fen berück­sichtigt wer­den. Die beobachtete Aktiv­ität ist jedoch nicht per se uner­wün­scht. Derzeit wer­den bekan­nte Wirk­stoffe auf die Hem­mung der SARS-CoV-2-Infek­tion von Wirt­szellen untersucht.
„Viele Wirk­stoffe aus unserem Clus­ter sind in ver­schiede­nen Stu­di­en als Sars-CoV-2-Hem­mer iden­ti­fiziert wor­den. Inter­es­san­ter­weise zeigen andere Forschungsergeb­nisse, dass Mem­bran­c­ho­les­terin und somit eine unbeein­trächtigte Cho­les­ter­in­homöostase wichtig für die Coro­na-Virus-Infek­tion sind. Unsere Dat­en erk­lären wom­öglich den Grund für die Wirkung dieser Sub­stanzen gegen Sars-CoV­‑2: Sie verän­dern die Biosyn­these und Verteilung von Cho­les­terin in der Zelle, was die Virus­in­fek­tion stört.“ betont Sla­va Ziegler.