Wirkstoffdesign und Analytische Chemie

Projekte

Profilierung von Inhibitoren bakterieller Glutaminyl Cyclasen als Wirkstoffprototypen neuartiger Parodontitistherapeutika (PInParo)

Studien belegen, dass klare Zusammenhänge zwischen der Entwicklung einer Parodontitis und zahlreichen schweren systemischen Erkrankungen, z. B. Diabetes mellitus, Arteriosklerose und sogar Morbus Alzheimer bestehen. Ziel des Projektes ist die präklinische Entwicklung und Charakterisierung von Wirkstoffprototypen zur Behandlung von Parodontitis, die nur diejenigen Bakterienstämme adressieren, die an der Ausbildung der Parodontitis beteiligt sind. Dazu gehört, diese hinsichtlich pharmakokinetischer Parameter, wie Löslichkeit, Zytotoxizität, metabolische Stabilität und Membranpermeabilität, sowie ihrer potenziellen Toxizität zu charakterisieren. Im Rahmen des Projektes werden Methoden zur Bestimmung der metabolischen Stabilität gegenüber Lebermikrosomen und auch der Inhibierung von metabolischen Enzymen (Cytochrom P450-Monooxidasen – CYPs) am Fraunhofer IZI etabliert.

Die Erhebung dieser Daten ist für die Entwicklungen von besonderer Wichtigkeit. Bei systemischer Wirkstoffapplikation muss eine gewisse Stabilität gegeben sein, um eine für die Wirkung erforderliche Plasmakonzentration aufrecht zu erhalten. Bei einer lokalen Applikation ist es dagegen eher sinnvoll, eine geringere Stabilität des Wirkstoffs zu präferieren, damit ein resorbierter Wirkstoff schnell abgebaut wird, um systemische Nebenwirkungen zu vermeiden. Bei der Inhibierung von CYP-Isoenzymen ist es erwünscht, dass keine Hemmung durch den Wirkstoffkandidaten in vivo zu verzeichnen ist, da auch hier durch die unbeabsichtigte Resorption des Wirkstoffs ggf. Nebenwirkungen auftreten können. Mit den im Rahmen des Projekts etablierten Analysemethoden sollen Daten gewonnen werden, die wertvolle Hinweise für die Wirkstoffoptimierung liefern und helfen, geeignete Entwicklungskandidaten auszuwählen.

Das Projekt »Profilierung von Inhibitoren bakterieller Glutaminyl Cyclasen als Wirkstoffprototypen neuartiger Parodontitistherapeutika (PInParo)« wird vom Land Sachsen-Anhalt mit Mitteln aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.

Screening zur Identifizierung von Aureolysin-Inhibitoren als neuartige Pathoblocker zur Staphylococcus aureus-Therapie (AureoScreen)

Zunehmende Resistenzen von pathogenen Mikroorganismen stellen eine große Herausforderung für die Behandlung von Infektionskrankheiten dar. Es existieren Prognosen, dass in den nächsten Jahren die Wirksamkeit von vorhandenen Antibiotika stark zurückgeht und somit die Mortalität bakterieller Infektionen deutlich zunehmen wird.

Eine neue Strategie zur Behandlung von Infektionskrankheiten stellen sogenannte Pathoblocker bzw. Antivirulenz-Wirkstoffe dar. Dabei sollen Wirkstoffe entwickelt werden, die Bakterien nicht abtöten, sondern auf Eigenschaften abzielen, die ihre krankmachende Wirkung bestimmen, die sogenannten Virulenzfaktoren. Kommunikation, Ernährung und andere relevante Stoffwechselprozesse von Pathogenen, die eine Infektion ermöglichen, sollen somit beeinträchtigt werden. Eine wichtige Gruppe dieser Virulenzfaktoren stellen Proteasen dar, die von den Bakterien abgegeben werden und verschiedenste Aufgaben erfüllen. Eine solche Protease als potenzielles antivirulentes Wirkstofftarget ist Aureolysin von Staphylococcus aureus, eine Metalloprotease die unter anderen Enzymen als wichtiger Virulenzfaktor resistenter S. aureus-Stämme angesehen wird. Bisher sind jedoch kaum Hemmstoffe von Aureolysin bekannt. Im Rahmen des Projektes sollen daher erste Inhibitoren durch ein fokussiertes Screening identifiziert werden. Längerfristig sollen diese ersten Hemmstoffe als Leitstrukturen dienen, um therapeutisch einsetzbare Wirkstoffe zu entwickeln.

Das Projekt »Screening zur Identifizierung von Aureolysin-Inhibitoren als neuartige Pathoblocker zur Staphylococcus aureus-Therapie (AureoScreen)« wird vom Land Sachsen-Anhalt mit Mitteln aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.

Selektive Wirkstoffe und Applikationssysteme zur Behandlung bakterieller Infektionserkrankungen des Zahnhalteapparats

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.

Ziel des Projekts ParoStop ist die Entwicklung einer pathogenspezifischen Therapieform. Basis der Entwicklung ist ein Wirkstoff, der selektiv die Parodontitis verursachenden Bakterien abtötet, indem er ein essentielles Enzym, die bakterielle Glutaminylzyklase, hemmt.

Neben der Wirkstoffentwicklung adressiert das Projekt zudem die Entwicklung einer geeigneten Applikationsform, die eine möglichst einfache und schmerzfreie Verabreichung ermöglicht. 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.

Alternative Metallbindungsgruppen in Wirkstoffen für die Behandlung von Paradontitis

Im Rahmen der Wirkstoffentwicklung ist man trotz enormer Fortschritte in der computergestützten Vorhersage verschiedener Parameter der Wirkstoffkandidaten immer noch darauf angewiesen, eine möglichst breite Vielfalt chemisch diverser Moleküle zu untersuchen. In der Regel wird dazu eine konstante Grundstruktur mit unterschiedlichen Substituenten versehen, um deren Einfluss auf die Aktivität der Verbindungen, aber auch deren Toxizität oder Pharmakokinetik zu untersuchen. Dabei ist eine relativ hohe Anzahl von unterschiedlichen Derivaten notwendig, da selbst kleine chemische Unterschiede einen großen Einfluss auf die genannten Eigenschaften haben können. Solche Substanzbibliotheken beinhalten typischerweise mehrere Dutzend Verbindungen, können aber im industriellen Maßstab auch auf mehrere hundert Derivate anwachsen. Um eine breite chemische Variabilität zu ermöglichen soll im Rahmen des Projekts die sogenannte flow-chemistry etabliert werden. Dadurch wird es ermöglicht, in Mikroreaktoren im Durchflussverfahren auf einfache und schnelle Weise eine Vielzahl von Verbindungen darzustellen. Die Etablierung dieser State-of-the-art-Technologie soll anhand eines gemeinsamen Projekts mit der PerioTrap Pharmaceuticals GmbH erfolgen. Dort entwickelte Grundstrukturen sollen am Fraunhofer IZI, Außenstelle Molekulare Wirkstoffbiochemie und Therapieentwicklung weiter derivatisiert werden, um die Entwicklung der Wirkstoffkandidaten voranzutreiben.

Das zum 7. Dezember 2020 gestartete Projekt läuft bis zum 31. Juli 2022. Gefördert wird es vom Land Sachsen-Anhalt mit Mitteln aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE).

Projektleitung: Kathrin Tan.

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 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.

Entwicklung von Inhibitoren gegen alternative Beta-Sekretasen als potenzielle Alzheimertherapeutika

© 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 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.

Erweiterung des chemischen Raums für Metallbindegruppen

© 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

© 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 Patient*innen.

Abgeschlossene Projekte

  • Mikro- und nanopartikuläre Applikationssysteme für Wirkstoffe bei dental-kosmetischen und therapeutischen Anwendungen
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