Molekulare Biotechnologie

Projekte

Biomarker zur Vorhersage des Wiederverschlusses operierter Gefäßsegmente

Arteriosklerotische Veränderungen in den Gefäßen sind die Hauptursache für eine schlechte Durchblutung des Gewebes. Abhängig vom betroffenen Versorgungsgebiet können daraus Herzinfarkte und Schlaganfälle resultieren. Durch die Unterversorgung der Muskulatur mit Sauerstoff erfahren jedoch viele Patienten ebenfalls eine Beeinträchtigung ihrer Mobilität, u.a. durch Schmerzen in den Beinen. In der Regel wird in fortgeschrittenen Stadien die Engstelle entweder durch einen Bypass umgangen oder das Gefäß im Katheterlabor mittels Ballon aufgeweitet. Bei einer Vielzahl von Patienten führt die Intervention jedoch direkt zu einem Wiederverschluss des operierten Gefäßes, was zum erneuten Auftreten der Symptome führt. Ein einfach zugänglicher Biomarker, welcher frühzeitig entsprechende negative Prozesse anzeigen kann, ist daher von großem Interesse für die Medizin. Ziel wäre es, entsprechende Risikopatienten engmaschiger zu untersuchen und früher intervenieren zu können, um so deren Therapieergebnisse zu verbessern.

Forscher des Fraunhofer IZI haben in früheren Studien bereits einen vielversprechenden Biomarker identifiziert, ein Enzym (Glutaminyl Cyclase) aus dessen Aktivität sich eine Prognose zum Heilungsprozess der operierten Blutgefäße ableiten lässt. Die Studien wurden allerdings zunächst nur in einem kleinen Patientenkollektiv durchgeführt. Dieser Biomarker soll nun in einer größeren Gruppe von Patienten validiert werden, gestaffelt nach parallel auftretenden Begleiterkrankungen, wie Diabetes mellitus Typ II oder Hyperlipidämie.

Wichtiger Partner ist dabei die Klinik für Gefäßchirurgie des Krankenhauses St. Elisabeth und St. Barbara in Halle (Saale). Vor der Operation und bis zu einem Jahr danach werden den Patienten in regelmäßigen Abständen Blutproben entnommen und zur Untersuchung an das Fraunhofer-Institut geschickt. Die biochemische Analyse der Enzymaktivität erfolgt dabei zunächst in einem noch relativ aufwändigen Laborprozess. Daher wird parallel einen vereinfachter immunologischer Test, der auf der Enzymmenge basiert, entwickelt. Ein einfach zu handhabender und kosteneffizienter Test würde somit zu Steigerung der Patientensicherheit beitragen und eine gezieltere Therapie von Risikopatienten erlauben.

EFRE

Industrielle Viromere Trägersysteme für genbasierte Behandlung von Entzündungserkrankungen 

Gentherapien umfassen im weiteren Sinne den Ersatz defekter Gene durch das Einbringen intakter Genkopien oder die Inaktivierung defekter Genprodukte. Dazu werden entsprechende Gensequenzen in die Zielzelle eingebracht, welche die Produktion der entsprechenden Proteine dann auf translationaler Ebene regulieren. Die Schwierigkeit dabei ist der Transport der regulierenden Nukleinsäuren zur Zielzelle. Freie Nukleinsäuren werden üblicherweise nicht von Zellen aufgenommen und sind in biologischen Flüssigkeiten Enzymen (Nukleasen) ausgesetzt, die diese schnell abbauen. Daher bedarf es molekularer Trägersysteme, welche die Nukleinsäuren an ihren Wirkungsort geleiten, sie in die Zielzellen einschleusen und anschließend freisetzen.

Sogenannte Viromere stellen diesbezüglich eine sehr aussichtsreiche Lösung dar. Wie andere Transporter auch, bilden Viromere Nanopartikel im Größenbereich von 100–500 nm und verpacken Nukleinsäuren in deren Inneren. Untersuchungen der Lipocalyx GmbH (www.viromer-transfection.com) haben gezeigt, dass Immunzellen, insbesondere Monozyten / Makrophagen und dendritische Zellen, mit der Viromer-Technologie sehr gut transfiziert werden können.

Im Rahmen des Projekts soll das therapeutische Potenzial der Viromere als Trägersystem untersucht werden. Dabei wird insbesondere untersucht, ob sich krankheitsrelevante Entzündungsmediatoren durch das Einschleusen von regulatorischen DNA bzw. RNA-Molekülen beeinflussen lassen. In einem Modellsystem für entzündliche Gelenkerkrankungen, wie der rheumatoiden Arthritis, sollen Viromere identifiziert werden, die gemeinsam mit entzündungsregulierenden Nukleinsäuren zu einer Gentherapie weiterentwickelt werden können.

Allgemein wird erwartet, dass die Entwicklung neuer Trägersyteme für genbasierte Behandlungskonzepte die Lücke zwischen erfolgreicher Testung im Reagenzglas und Wirksamkeit im Krankheitsmodell schließen wird.

EFRE

Bestimmung pharmakokinetischer Parameter kleiner Wirkstoffmoleküle

Die präklinische Entwicklung kleiner Wirkstoffmoleküle setzt deren umfassende Charakterisierung bezüglich physikochemischer, zellbiologischer und pharmakokinetischer Eigenschaften voraus. So soll sichergestellt werden, dass am Ende wirksame, sichere und gut verträgliche Wirkstoffe im Menschen verabreicht werden, die den Anforderungen des jeweiligen Krankheitsbildes gerecht werden. Ein wesentlicher Baustein dieser Entwicklung ist die Charakterisierung neuartiger Wirkstoffmoleküle hinsichtlich ihrer Freisetzung (Liberation), Aufnahme (Absorption), Verteilung (Distribution), Metabolisierung und Ausscheidung (Exkretion) (L-ADME-Parameter) im Tiermodell. Dies soll insbesondere Informationen über die Gesamtbelastung des Organismus, die Bioverfügbarkeit nach oraler bzw. parenteraler Applikation und die Halbwertzeit des Wirkstoffes in der Zirkulation liefern. Aus den erhaltenen Informationen lassen sich anschließend entweder geeignete Kandidaten für eine weitere präklinische Prüfung selektieren oder die Bioverfügbarkeit eines bereits selektierten Kandidaten, z. B. über Entwicklung geeigneter Formulierungen, weiter optimieren. Die Projektgruppe Wirkstoffbiochemie und Therapieentwicklung des Fraunhofer IZI erforscht neue molekulare Strategien zur Behandlung humaner entzündlicher und neurodegenerativer Erkrankungen. Dies schließt die Identifizierung neuer Wirkstofftargets und die Ableitung neuer Behandlungskonzepte ein. Im Rahmen eines Eigenforschungsprojektes wurde in der AG Molekulare Biotechnologie ein katheterbasiertes Testverfahren zur Bestimmung pharmakokinetischer Eigenschaften von kleinen Molekülen in Ratten etabliert. Das Modell umfasst die Applikation von je einem Katheter in der V. jugularis und in der A. carotis communis im Rahmen eines operativen Eingriffs. Über dieses Verfahren ist es möglich vollständige Wirkstoffprofile aus einem einzelnen Tier zu gewinnen, was inter-individuelle Schwankungen, welche u.a. durch Verwendung von Mäusen zu erwarten sind, ausschließt. Voraussetzung zur Durchführung der Studien ist eine sehr enge Verzahnung der tierexperimentellen Einheit mit der AG Wirkstoffdesign und Analytik, welche durch LC-MS-basierte Verfahren die jeweiligen Wirkstoffkonzentrationen im Blut bestimmen. Das beschriebene Verfahren wurde am Institut bereits erfolgreich für die Entwicklung alternativer beta-Sekretaseinhibitoren und zur Entwicklung neuartiger Wirkstoffe zur Behandlung der Parodontitis, verwendet. Außerdem wird es von Partnern aus dem akademischen und industriellen Bereich nachgefragt und steht diesen ebenfalls zur Verfügung.  

Pathogenität von Superantigenen codiert von humanen endogenen Retroviren

Kooperationspartner: Klinik für Neurologie, Universitätsklinikum der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

Das Projekt basiert auf der Hypothese, das humane endogene Retroviren (HERVs) einen bedeutenden Beitrag für die langsam progrediente Neurodegeneration in Patienten mit Multipler Sklerose (MS) leisten. Die Erkrankung ist im Allgemeinen durch eine Demyelinierung in der weißen Substanz, inflammatorische Infiltrate, Astrogliose und frühe axonale Schädigungen aber auch durch Neuronenverlust und Läsionen in der grauen Substanz charakterisiert.

Die Ursachen von MS sind bisher wenig verstanden. Es wird u.a. eine anti-Myelin autoantigen-getriebene Autoimmunpathogenese vorgeschlagen. Diese Annahme wird aber durch eine Reihe klinischer Beobachtungen in Frage gestellt. So sind Veränderungen in der weißen Substanz bereits 3 Monate vor der Infiltration von Immunzellen zu beobachten. Des Weiteren haben Krankheitsschübe keinen Einfluss auf eine spätere Behinderung der Individuen. Die Standardtherapie durch Immunmodulation /-suppression hat weiterhin keinen Einfluss auf den Krankheitsverlauf von primär und sekundär progredienter MS. Die Erkrankung besteht also aus 2 separaten Armen, 1. einem inflammatorischen Anteil (Schübe) und 2. einer langsam progredienten Neurodegeneration. Für den wenig verstandenen 2. Arm könnte die Expression von endogenen Retroviren verantwortlich sein. Diese codieren für virale Hüllproteine, welche superantigene Eigenschaften aufweisen und somit zu einer starken Stimulation des Immunsystems beitragen.

Im Rahmen dieses Projektes werden die superantigenen Eigenschaften verschiedener HERVs untersucht und humanisierte monoklonale Antikörper gegen entsprechende Hüllproteine entwickelt.

Neue humanisierte Tiermodelle der Pathologie des Morbus Alzheimer

Die Alzheimersche Erkrankung ist durch einen fortschreitenden Neuronenverlust und damit verbunden einer Beeinträchtigung der kognitiven Leitungsfähigkeit charakterisiert. Trotz großer wissenschaftlicher Anstrengungen ist es noch nicht gelungen, die Pathogenese des Menschen in einem Tiermodell vollständig abzubilden. Verschiedene etablierte Tiermodelle, vor allem in der Maus, zeigen immer nur Teilaspekte der Alzheimer-Pathologie. Diese Pathologie basiert immer auf der Überexpression von Alzheimer-verwandten Genen, häufig inklusive seltener Mutationen, welche im sporadischen Alzheimer, der ca. 99% aller Erkrankungen ausmacht, nicht vorkommen. Wir haben 4 wesentliche Proteine, die für die Entstehung von Morbus Alzheimer verantwortlich sind, ausgewählt und ersetzen die entsprechenden Mausgene mit humanen unveränderten orthologen Sequenzen. Die vollständige Humanisierung der Tiere an den ausgewählten Loci durch Kreuzungen bildet dann die Grundlage für die Testung neuartiger Wirkstoffe gegen die Alzheimersche Krankheit.

Kaninchen-Modell der in-Stent Restenose für die Wirkstoffforschung

© Fraunhofer IZI

Atherosklerose ist die häufigste Ursache für arterielle Gefäßverschlüsse, was u.a. zur akuten Unterversorgung des Herzmuskels mit Sauerstoff führen kann (Myokardinfarkt). Zur Wiedereröffnung wird als Standardtherapie die perkutane transluminale Angioplastie (PTA) mit und ohne Stentapplikation durchgeführt. Allerdings kommt es in bis zu 30 Prozent der klinischen Fälle, durch eine überschießende Proliferation glatter Muskelzellen in Kombination mit Monozyteninvasion, zur Neointimabildung, die zu einem Wiederverschluss des Gefäßes führt. Wurde zuvor ein Stent appliziert, spricht man von In-Stent Restenose (ISR).

Die Arbeitsgruppe Molekulare Biotechnologie verfügt über ein etabliertes In-vivo-Modellsystem der ISR. Die Stentimplantation im atherosklerotischen Kaninchenmodell ist ein effektives Instrument zur Erforschung neuer Wirkstoffe sowie neuer Biomaterialien und Medizinprodukte.