Außenstelle Molekulare Wirkstoffbiochemie und Therapieentwicklung

Zum Schutz der Bevölkerung vor zukünftigen Pandemien ist die Entwicklung neuer Technologien zur Prävention und Behandlung von viralen und bakteriellen Infektionen unerlässlich.

Die Außenstelle Molekulare Wirkstoffbiochemie und Therapieentwicklung (MWT) des Fraunhofer IZI entwickelt neue molekulare Strategien zur Therapie und Prävention von Infektionserkrankungen. Darüber hinaus unterstützt das Institut regionale KMU und internationale Großunternehmen aus den Bereichen Biotechnologie und Pharmazie in allen präklinischen und klinischen Entwicklungsphasen der Entwicklung von Impfstoffen, Antibiotika und antiviralen Wirkstoffen.

Durch die enge Vernetzung von Wirkstoff- und Strukturbiologie, Analytik, Antikörper-Technologien und Pharmakologie werden am Fraunhofer IZI neue Behandlungskonzepte sowohl mit »Small Molecules«, als auch mit biologischen Wirkstoffen (»Biologicals«) entwickelt und im lebenden Organismus (in vivo) auf Wirksamkeit und Verträglichkeit untersucht. Die Identifizierung, Charakterisierung und Formulierung aussichtsreicher Wirkstoffkandidaten im Rahmen von präklinischen und klinischen Entwicklungen setzt allerdings eine umfangreiche Untersuchung dieser Moleküle hinsichtlich chemischer und biophysikalischer Eigenschaften voraus. Dadurch lassen sich pharmakologische Eigenschaften besser verstehen, um Ansatzpunkte für weitere Verbesserungen aufzuzeigen.

Ein wesentliches Kernelement der Infrastrukturmaßnahme ist die Erweiterung des Geräteparks um hochmoderne analytische Instrumente aus den Bereichen Kalorimetrie, Spektroskopie, Flüssigkeitschromatographie und Massenspektrometrie. Entsprechende Verfahren werden bereits seit Jahrzehnten für die Identifizierung, Charakterisierung und Quantifizierung von Wirkstoffen und Wirkstoffkandidaten eingesetzt. Sie sind für die Entwicklung und (klinische) Testung neuer Wirkstoffe unersetzlich, da sie die Möglichkeit bieten, molekulare Eigenschaften des Wirkstoffs mit dessen Wirkung im Organismus zu korrelieren. Der Einsatz von KI zur Datenauswertung erleichtert dabei nicht nur deren Interpretation, sondern ermöglicht vor allem eine tiefergehende Analyse und liefert damit neue Erkenntnisse über für die Wirkstoffentwicklung entscheidende molekulare Zusammenhänge.

Darüber hinaus werden die analytischen Geräte in die GLP-Prüfeinrichtung des Fraunhofer IZI integriert, wodurch eine nahtlose Verwendung der generierten Forschungsdaten für die klinische Entwicklung gewährleistet wird.

Die Infrastrukturmaßnahme ermöglicht es, die Entwicklung neuer antibakterieller und antiviraler Wirkstoffe für und in Kooperation mit biotechnologischen und pharmazeutischen Unternehmen deutlich zu beschleunigen.

Die Sonnenexposition ist für die menschliche Gesundheit unerlässlich, doch sind die phototoxischen Wirkungen übermäßiger UVB- und UVA-Strahlung, die zu Sonnenbrand, Hautalterung und sogar Tumorbildung führen können, bekannt und intensiv erforscht. Sonnenschutzmittel sind eines der wichtigsten Mittel, um die Haut vor UV-bedingten phototoxischen Schäden zu schützen. Neben synthetischen Wirkstoffen zum Hautschutz rücken, mit Blick auf Umwelt- und Bioverträglichkeit, zunehmend auch Naturstoffe in den Fokus der Entwicklung.

Ziel des Projekts ist die Untersuchung und Entwicklung neuer Strategien zur Prävention UV-Licht-induzierter Hautschädigungen basierend auf den pflanzlichen Inhaltsstoffen verschiedener Frauenmantel-Arten.

Das Fraunhofer IZI bringt hierbei seine Expertise in der Molekularen Wirkstoffforschung und Therapieentwicklung ein. Mittels biologischer Assays, In-vitro-Modellen sowie einer umfassenden pharmakologischen Charakterisierung ausgewählter Pflanzenextrakte werden insbesondere deren photoprotektive Aktivität, ihr antiinflammatorisches Potenzial sowie die Wirkung auf Kollagen-Metabolismus, Proliferation und Differenzierung in Hautzellen untersucht.

Im Ergebnis werden vielversprechende Extrakte und Wirkstoffe identifiziert und präklinisch evaluiert, um geeignete Kandidaten für eine klinische Entwicklung vorzubereiten.

Projektpartner
Medicos Science Center GmbH in Bernburg

Neurodegenerative Erkrankungen, allen voran die Alzheimer-Krankheit, stellen Indikationen dar, die mit einem chronisch fortschreitenden Verlust von Nervenzellen verbunden sind. Obgleich bereits zahlreiche Risikofaktoren und auch Strategien zu einer Verhinderung der Neurodegeneration geprüft werden, ist eine medikamentöse Intervention in den meisten Fällen nicht möglich. Neueste Untersuchungen zeigen auch, dass es einen Zusammenhang zwischen Infektionen und neurologischen Funktionsstörungen gibt. Ein Zusammenhang mit der Entstehung von Neurodegeneration kann nicht ausgeschlossen werden.

Ein besonderer Schwerpunkt der Abteilung Molekulare Wirkstoffbiochemie und Therapieentwicklung des Fraunhofer IZI besteht in der Erforschung dieser Erkrankungen sowie der Untersuchung möglicher therapeutischer Moleküle. Darauf aufbauend werden neue Behandlungskonzepte sowohl mit small molecules, als auch mit biologischen Wirkstoffen (biologicals) entwickelt und im lebenden Organismus auf Wirksamkeit und Verträglichkeit hin untersucht. Die Abteilung verfügt über umfangreiche und langjährige Erfahrungen bei der präklinischen Entwicklung von Wirkstoffen und deckt mit den vorhandenen Kompetenzen das Aufgabenspektrum der gesamten präklinischen Pharmaentwicklung weitgehend ab.

Die Untersuchung, die Entwicklung und die Optimierung aussichtsreicher Wirkstoffkandidaten setzt allerdings eine eingehende Untersuchung dieser Moleküle an ihren Wirkorten im Protein (Targets) voraus, um Wirkungsweisen zu verstehen und Ansatzpunkte für eine Verbesserung aufzuzeigen. Die Strukturaufklärung mittels Röntgenkristallografie bietet dabei genau diese Möglichkeit ein dreidimensionales Bild der Wirkstoffmoleküle gebunden an ihrem Wirkungsort zu erhalten. Darüber hinaus erfordert die Prüfung der Wirkstoffkandidaten in vitro und in vivo eine eingehende Analyse von deren Reinheit, sowie des kinetischen Bindungsverhaltens am Wirkort mittels massenspektrometrischer und anderer biophysikalischer Verfahren, zum Beispiel SPR oder ITC.

Durch die Infrastrukturmaßnahme wird es in Halle (Saale) zukünftig möglich sein, neue und bekannte Wirkstoffe detailliert in Hinsicht auf ihre Wirkungsweise zu charakterisieren und dem entsprechend zu optimieren.

Projektleitung: Prof. Dr. Stephan Schilling