Wirkstoffdesign und Analytische Chemie

Parodontitis, häufig umgangssprachlich auch Parodontose genannt, ist eine entzündliche Erkrankung des Zahnhalte­apparats und betrifft fast jeden zweiten Erwachsenen in Deutschland. Ursache ist die lokale Infektion mit spezifischen oralen Mikroorganismen und die darauffolgende lokale Immun­antwort. Parodontitis führt unbehandelt zu Zahnverlust und zum Schwund des Kieferknochens, wobei Studien zeigen, dass eine chronische Parodontitis das Risiko für Diabetes, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und rheumatoider Arthritis drastisch erhöht.

Alle bisher verwendeten Präparate haben den gravierenden Nachteil, dass der enthaltende Wirkstoff ein Breitband­antibiotikum bzw. Antiseptikum ist. Dadurch werden alle Bakterien des Biofilms, also auch kommensal erwünschte des oralen Mikrobioms abgetötet. Dies führt sehr häufig zu einer Rekolonisierung der behandelten Stellen durch die die Krankheit verursachenden Keime.

Gemeinsam mit der Periotrap Pharmaceuticals GmbH, dem Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS und der Martin-Luther-Universität Halle-­Wittenberg entwickelten Forschende am Fraunhofer IZI eine pathogenspezifische Therapieform. Diese basiert auf einem Wirkstoff, der selektiv die Pathogenität der Parodontitis verursachenden Bakterien stark verringert, indem er ein essentielles Enzym, die bakterielle Glutaminylzyklase, hemmt. Die Fraunhofer IZI-Mitarbeitenden testeten vor allem pharmako­kinetische Eigenschaften, wie zum Beispiel eine mögliche Aufnahme des Wirkstoffs in den Organismus. Da­neben wurde auch die Stabilität und Freisetzung von Wirkstoffkandidaten aus Controlled Release Drug Delivery Systemen untersucht. Dabei kommt vor allem die hochpräzise und empfindliche Massenspektrometrie zum Einsatz, die es erlaubt, selbst geringste Konzentrationen eines Wirkstoffs in einem Organismus zu messen. Auch an einer geeigneten Applikationsform, die eine möglichst einfache und schmerzfreie Verabreichung erlaubt, wurde geforscht und erste Modellsysteme getestet. Eine besondere Herausforderung stellt dabei die Aufrechterhaltung des Wirkstoffspiegels am Zielort dar, da im Mundraum und speziell an den Zahntaschen durch mechanische Einwirkung und stetigen Flüssigkeitsstrom Wirkstoffe normaler­weise schnell ausgewaschen werden. Nach Beendigung des Forschungsvorhabens arbeitet die Periotrap Pharmaceuticals GmbH weiterhin daran den Therapieansatz zur Marktreife zu bringen.

Das Projekt »Controlled Release Drug Delivery Systeme für innovative und selektive Wirkstoffe zur Behandlung bakterieller Infektionserkrankungen des Zahnhalteapparates (ParoStop)« wurde vom Land Sachsen-Anhalt mit Mitteln aus dem Europä­ischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.

Partner
Periotrap Pharmaceuticals GmbH; Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS; Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

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 Zahnfleischs 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 Zahnfleischs 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 Patient*innen mit CVD, RA und COPD verbessert werden.

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 Patient*innen mit spontanem Alzheimer keine Wirkung zeigten. Lediglich bei etwa fünf Prozent der Patient*innen, 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 Alzheimerpatient*innen 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.

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 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 Patient*innen.