Wirkstoffdesign und Analytische Chemie

Das Leistungsprofil der Arbeitsgruppe Wirkstoffdesign und Analytische Chemie umfasst das komplette Spektrum der Medizinalchemie und Analytik, das zur Identifizierung potenzieller neuer Wirkstoffkandidaten aus dem Bereich der »small molecules« und deren Entwicklung hin zu klinischen Kandidaten benötigt wird.

Mittels teilweise neuartiger Ansätze im Bereich der computergestützten Verfahren werden potenzielle neue Zielmoleküle zunächst in silico erzeugt und auf ihre Effektivität am Targetprotein hin bewertet. Erst danach erfolgen die Synthese und die reale Testung am isolierten Targetprotein.

Die Arbeitsgruppe verfügt über die Voraus­setzungen, die Wirkstoffentwicklung in präklinischen und klinischen Versuchen analytisch zu begleiten. Mittels flüssigkeits­chromato­graphischer und massenspektrometrischer Methoden können entsprechende Parameter verfolgt werden. Gemeinsam mit anderen Arbeitsgruppen werden biologische Assays entwickelt und validiert, die es ermög­lichen, den Behandlungserfolg neuer Therapien an Hand von Biomarkern zu verfolgen.

Parodontale Erreger als Ursache für kardiovaskuläre Erkrankungen, chronisch-obstruktive Lungenerkrankung und rheumatoide Arthritis sowie deren Einfluss auf Behandlungsstrategien

Wie umfangreiche klinische und epidemiologische Daten deutlich zeigen, existiert ein enger Zusammenhang zwischen der chronischen Parodontitis, einer der am häufigsten auftretenden Infektionskrankheiten beim Menschen, und systemischen Entzündungskrankheiten, wie kardiovaskulären Erkrankungen (CVD), der rheumatoiden Arthritis (RA) und der chronisch-abstruktiven Lungenerkrankung (COPD). Vor dem Hintergrund, dass bis zu 30 Prozent der erwachsenen Bevölkerung weltweit an einer ausgeprägten Parodontitis leiden, ist der Einfluss dieser Erkrankung auf die menschliche Gesundheit immens – eine Auffassung, die auch die Weltgesundheitsorganisation teilt. Nichtsdestotrotz ist die Parodontitis in vielen europäischen Ländern sowohl seitens der allgemeinen Bevölkerung als auch seitens des medizinischen Personals eine vernachlässigte Krankheit. Diese Ignoranz reicht teilweise soweit, dass Haarausfall und Zahnverlust aufgrund von Parodontitis als normales, unvermeidbares, weil altersbedingtes Ereignis gesehen wird. Um diese Fehlwahrnehmung zu korrigieren und / oder neue Strategien der Behandlung von CVD, RA und COPD zu erforschen, untersuchen wir den neuartigen Ansatz, dass diese nichtinfektiösen Erkrankungen durch Infektionen des Zahnfleisches verschlimmert, wenn nicht sogar ausgelöst werden.

Das Projekt hat zum Ziel, die Beziehung zwischen dem Auftreten spezifischer parodontaler Pathogene und dem Ausmaß systemischer Krankheiten klarer zu definieren. Darüber hinaus soll gezeigt werden, dass eine umfassende Sanierung im Bereich des Zahnfleisches die klinischen Parameter der untersuchten systemischen Erkrankungen verbessert. Dazu sollen selektive Wirkstoffe gegen parodontale Erreger, basierend auf spezifischen bakteriellen Enzymen, entwickelt werden.

Auf diese Weise soll nicht nur die Sterblichkeit reduziert, sondern auch die Lebensqualität von Patienten mit CVD, RA und COPD verbessert werden.

Entwicklung von Inhibitoren gegen alternative Beta-Sekretasen als potenzielle Alzheimertherapeutika

© Foto Fraunhofer IZI

Die Zahl der Alzheimererkrankungen nimmt besonders in den Industrienationen stetig zu und ein weiterer Anstieg ist in den nächsten Jahren zu erwarten. Der Hauptgrund dafür ist die steigende Lebenserwartung, da ein hohes Alter als einer der Hauptrisikofaktoren für diese Demenzerkrankung gilt. So wird mittlerweile ab dem 80. Lebensjahr bei jedem dritten Menschen das Krankheitsbild Alzheimer diagnostiziert.

In den letzten Jahren hat die Pharmaforschung eine ganze Reihe von Rückschlägen bei der Entwicklung innovativer Alzheimermedikamente hinnehmen müssen, die alle auf der Hemmung eines Enzyms – der beta-Sekretase BACE-1 – beruhen. Dadurch soll die Freisetzung eines bestimmten Peptids (Amyloid Abeta) verhindert werden, das maßgeblich an der Entstehung der Erkrankung beteiligt ist. Diese Wirkstoffe zeigen eine sehr gute Aktivität in vitro, werden sehr gut vom Organismus aufgenommen und vertragen, scheiterten aber meist in der klinischen Testung. Ein Grund hierfür ist die Tatsache, dass sie bei Patienten mit spontanem Alzheimer keine Wirkung zeigten. Lediglich bei etwa 5 % der Patienten, die eine genetische Prädisposition besitzen, konnten diese Arzneistoffe eine vielversprechende Wirkung in vivo zeigen.

Es muss also noch andere Enzyme neben BACE-1 geben, die für eine Freisetzung des schädlichen Amyloidpeptids im Hirn von Alzheimerpatienten verantwortlich sind. In diesem Projekt untersuchen wir eine dieser alternativen beta-Sekretasen. Ziel des Projekts ist das computergestützte Design und die Entwicklung neuer spezifischer Inhibitoren der Isoenzyme Meprin alpha und beta. Dabei ist es bereits gelungen, die bisher bekannten, nicht selektiven Inhibitoren durch neue, sehr aktive und selektive Verbindungen zu ersetzen. Diese wurden patentrechtlich geschützt und werden als Werkzeuge für die weitere Charakterisierung der pathophysiologischen Rollen von Meprin alpha und beta genutzt.

Ziel ist es hier, in enger Zusammenarbeit mit den anderen Arbeitsgruppen der Außenstelle, eine neue und wirksame Therapieoption für die Behandlung von Morbus Alzheimer zu entwickeln.

Erweiterung des chemischen Raums für Metallbindegruppen

© Foto Fraunhofer IZI

Eine ganze Reihe von medizinisch interessanten Zielenzymen enthalten in ihrem aktiven Zentrum ein Metallion das an der Katalyse der entsprechenden Reaktion beteiligt ist. Diese Metallionen stellen meist einen Ankerpunkt für die Entwicklung neuer Medikamente dar, da durch eine Bindung an diesen Metallen oftmals die Hauptaffinität des jeweiligen Hemmstoffs erzeugt wird. Da bislang jedoch nur sehr wenige aktive metallbindende Gruppen beschrieben sind, die zudem in vielen Fällen nicht selektiv das eigentliche Zielenzym, sondern auch andere Enzyme blockieren, schlug die Entwicklung sehr erfolgversprechender Ansätze häufig fehl. So sind zum Beispiel Matrixmetalloproteaseinhibitoren aufgrund von Kreuzreaktivitäten innerhalb der Enzymklasse nicht weiterverfolgt worden.

Mit einem neuen, computerchemischen Ansatz, der neben semi-empirischen und quantenchemischen Methoden, ebenfalls Liganden- und strukturbasierte Methoden kombiniert, gelingt es nun, den chemischen Raum für Metallbindegruppen derart zu erweitern, dass vollkommen neue chemische Klassen von Molekülen für die weitere medizinalchemische Entwicklung zur Verfügung stehen. So konnten bei einer metallabhängigen Acyltransferase neben den bereits vier bekannten Metallbindern weitere sechs neue und ebenso aktive Verbindungsklassen gefunden und weiterverfolgt werden, die bisher noch nirgendwo beschrieben waren.

MALDI-TOF massenspektrometriebasierte Assays für die Quantifizierung von Biomarkern

© Foto Fraunhofer IZI

MALDI-TOF Massenspektrometrie ist sehr gut dafür geeignet, Untersuchungen an größeren Biomolekülen, vor allem Proteinen, durchzuführen. So können zum Beispiel Sequenzierungen von Antikörpern vorgenommen, aber auch Unterschiede zwischen verschiedenen Spezies eines Proteins / Peptids untersucht werden. Alle diese Untersuchungen sind jedoch meist rein qualitativer Natur, da die Quantifizierung eines Biomarkers meist mit anderen Methoden durchgeführt werden, die jedoch längere Analysezeiten erfordern und damit einen deutlich geringeren Durchsatz haben. Für bestimmte Biomarker, bei denen eine vollständige Ionisierung und damit Quantifizierung auf Grund von intermolekularen Wechselwirkungen sehr schwierig ist, kann MALDI-TOF dennoch sehr hilfreich sein.

Beispielhaft wurde hier ein Quantifizierungsassay entwickelt der ein relativ großes Protein (4,8 kDa) sicher mit Hilfe von MALDI-TOF-Massenspektrometrie quantifizieren kann. Dafür musste zunächst ein einfach zu handhabendes Verfahren für die Probenaufbereitung aus humanem Blut etabliert werden. Mit Hilfe eines selbst synthetisierten und gereinigten internen Standards (deuteriertes Peptid) konnten dann die notwendigen Parameter wie LOD, LOQ und der Quantifizierungsbereiche (ca. 20 ng/µL bis etwa 100 ng/µL) ermittelt werden. Der abgedeckte Konzentrationsbereich überspannt dabei die für diesen Biomarker bekannten Werte zwischen erkrankten und gesunden Patienten.

  • Kleinschmidt M, Schoenfeld R, Göttlich C, Bittner D, Metzner JE, Leplow B, Demuth HU. Characterizing Aging, Mild Cognitive Impairment, and Dementia with Blood-Based Biomarkers and Neuropsychology. J Alzheimers Dis. 2015;50(1):111-26. DOI dx.doi.org/10.3233/JAD-143189
  • Ramsbeck, D.; Buchholz, M.; Koch, B.; Böhme, L.; Hoffmann, T.; Demuth, H.-U.; Heiser, U. Structure-activity relationships of benzimidazole-based glutaminyl cyclase inhibitors featuring a heteroaryl scaffold. J Med Chem (2013), 56, 6613–6625. DOI dx.doi.org/10.1021/jm4001709
  • Frost JL, Liu B, Kleinschmidt M, Schilling S, Demuth HU, Lemere CA. Passive immunization against pyroglutamate-3 amyloid-β reduces plaque burden in Alzheimer-like transgenic mice: a pilot study. Neurodegener Dis. (2012);10, 265-70, DOI dx.doi.org/10.1159/000335913
  • Koch, B.; Buchholz, M.; Wermann, M.; Heiser, U.; Schilling, S.; Demuth, H.-U. Probing secondary glutaminyl cyclase (QC) inhibitor interactions applying an in silico-modeling/site-directed mutagenesis approach: implications for drug development. Chemical biology & drug design (2012), 80, 937–946. DOI dx.doi.org/10.1111/cbdd.12046
  • Sun N, Hartmann R, Lecher J, Stoldt M, Funke SA, Gremer L, Ludwig HH, Demuth HU, Kleinschmidt M, Willbold D. Structural analysis of the pyroglutamate-modified isoform of the Alzheimer's disease-related amyloid-β using NMR spectroscopy. J Pept Sci. (2012), 18, 691-5. DOI dx.doi.org/10.1002/psc.2456
  • Buchholz, M.; Hamann, A.; Aust, S.; Brandt, W.; Böhme, L.; Hoffmann, T.; Schilling, S.; Demuth, H.-U.; Heiser, U. Inhibitors for Human Glutaminyl Cyclase by Structure Based Design and Bioisosteric Replacement. J Med Chem (2009), 52, 7069–7080. DOI dx.doi.org/10.1021/jm900969p
  • Buchholz, M.; Heiser, U.; Schilling, S.; Niestroj, A. J.; Zunkel, K.; Demuth, H.-U. The first potent inhibitors for human glutaminyl cyclase: synthesis and structure-activity relationship. J Med Chem (2006), 49, 664–677. DOI dx.doi.org/10.1021/jm050756e