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14.07.09 Zellen stellen DNA-codierte Wirkstoffe selbst her und zeigen mit ihrem Überleben Wirksamkeit an

Neue Methode ermöglicht Beschleunigung der Wirkstoffsuche

Hefe-Zellen stellen cyclopeptidische Wirkstoffkandidaten selbst her, zeigen deren Toxizität an und nachfolgend die Wirkung in einem Hefe-Parkinson-Modell

Forscher am Whitehead Institute for Biomedical Research, Cambridge Massachusetts, USA haben eine schnelle und billige Wirkstoff-Screening-Methode entwickelt. Die neue Technik nutzt Bäcker-Hefe, um Wirkstoffkandidaten herzustellen und diese Moleküle gleich zu testen. Die Wirkstoffsuche und erste Tests der Wirksamkeit der Verbindungen verkürzt sich auf Zeiträume von wenigen Wochen.

Abb. 1: Ein Modell der möglichen, dreidimensionalen Struktur von CP1, ein gegen Parkinson aktives, cyclisches Peptid, das in Nat. Chem. Biol. beschrieben wird. Teile des Moleküls, welche für die Wirksamkeit verantwortlich sind, erscheinen in Rot.
Quelle: Joshua Kritzer

Der gegenwärtige Prozess zur Entdeckung von Wirkstoffen dauert ewig. Man muss interessante, zelluläre Zielmoleküle finden, die mit Wirkstoffen wechselwirken können, man muss grosse Bibliotheken an Verbindungen herstellen, die dann mit teuren Assays und teurer Robotik getestet werden. Somit wird die Identifikation eines Wirkstoffes zu einem Prozess von mehrheitlich "Versuch und Irrtum", an dessen Ende - vielleicht Monate oder Jahre später - die Menge an Wirkstoffkandidaten, die dann im Zellassay getestet werden, auf einen Anteil im Promillebereich beschränkt wird.

Die neue Methode nutzt nun Hefezellen, um dieselbe Arbeit in wenigen Wochen zu erledigen, wobei als Hauptvorteil alle Verbindungen in lebenden Zellen getestet werden. Als chemische Strukturen von Interesse wurden in dieser Studie cyclische Peptide gewählt, die im Prinzip eine Vielzahl von Wechselwirkungen zwischen Proteinen in nahezu allen zellulären Prozessen eingehen können. Die meisten Wirkstoffe aus aktuell erhältlichen Medikamenten wechselwirken in engen Taschen an der Oberfläche von Zielproteinen. Diese traditionellen Wirkstoffe können praktisch nicht an flache Proteinoberflächen binden, weshalb sie als Hemmer für Wechselwirkungen zwischen Proteinen, wie sie bei Krankheiten mit Proteinaggregation vorkommen, nicht in Frage kommen. Im Prinzip decken die Forscher mit cyclischen Peptiden einen strukturellen, chemischen Raum ab, der bislang eher unerforscht ist, was die Chance natürlich erhöht, dort einen geeigneten Wirkstoff zu finden.

Abb. 1: Chemische Struktur von CP1. Die Synthese dieses Moleküls alleine würde einige Wochen dauern, aber die Arbeitsgruppe um Kritzer brachte Hefezellen dazu, Millionen derartiger Verbindungen in lediglich einem Tag herzustellen, um sie im Wirkstoff-Screening nutzen zu können.
Quelle: Joshua Kritzer

Die cyclischen Peptide wurden als DNA codiert, die spezifische Sequenzen enthielt, die eine posttranslationale Cyclisierung ermöglichten. Phagen-Display, also das Ausnützen von Viren, welche spezielle Vorrichtungen zum Angriff von Hefen haben, erlaubt eine schnelle Applikation der DNA in die Hefezellen, wo das DNA-Stück zum cyclischen Wirkstoff exprimiert wird. Wenn der Wirkstoff in der Zelle vorhanden ist, werden im Prinzip erste toxikologische Tests durchlaufen.

Eine Wirkstoff-Bibliothek lässt sich nun herstellen, indem man während der DNA-Klonierung Fehler in die Sequenz einbaut. Aus dem Prozess resultierte zufällig erzeugte DNA, die partiell sogar Stopp-Codons inmitten der Sequenz enthielt. Der Anteil an nützlichen Sequenzen wurde von den Forschern aber mit ca. 30 Mio angegeben, also 30 Mio cyclischer Peptide, die in den Hefezellen hergestellt werden können. Da bereits ein Hefe-Modell für Parkinson existiert, eine neurodegenerative Erkrankung, in der Protein-Aggregate entstehen, konnte man Exprimierung der cyclischen Wirkstoffe gleich mit einem Screening gegenüber Parkinson verbinden.

Zellen, die den Wirkstoff exprimierten und überlebten, zeigen an, dass der eigentliche Wirkstoff nicht toxisch ist. Zellen die dann in das "Parkinson-Modell" umprogrammiert wurden und weiterhin am Leben blieben, bewiesen zudem die Wirksamkeit des exprimierten, cyclischen Proteins. Man beschränkte sich dann auf 5 Mio Hefezellen. Aus den überlebenden Zellen konnten schliesslich zwei cyclische Wirkstoffe extrahiert und analysiert werden, die eine Wirkung gegenüber Parkinson zeigten. Nun muss nachgewiesen werden, wie die cyclischen Peptide überhaupt die Entstehung von Parkinson hemmen. Zudem könnten weitere, noch potentere Strukturen resultieren.

Laut Susan Lindquist unter deren Leitung die Forschung durchgeführt wurde, ist die Technik weder auf Hefe noch auf Parkinson limitiert: "Es gibt keinen Grund, weshalb der selbe Prozess nicht auch mit Säugetierzellen durchgeführt werden kann - mit einer Vielzahl an möglichen Krankheiten. Zugegebenermassen, wir entwickeln bereits Techniken hierfür".

Quelle:

Rapid selection of cyclic peptides that reduce alpha-synuclein toxicity in yeast and animal models
J. A. Kritzer, et. al., Nat. Chem. Biol. 2009, DOI: 10.1038/nchembio.193

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Zellen stellen DNA-codierte Wirkstoffe selbst her und zeigen mit ihrem Überleben Wirksamkeit an
(URL: http://www.organische-chemie.ch/chemie/2009jul/hiv.shtm)

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