Antimikrobielle Wirkstoffe

Das Ziel der Arbeitsgruppe liegt in der Entwicklung einer präventiven und zumindest teilweise kurativen Gentherapie für die Atherosklerose. Anhand von Gefäßmodellen werden Gene und Promotoren identifiziert, die durch biomechanische Kräfte wie Strömung und Dehnung aktivierbar sind. Da Herz-Kreislauferkrankungen oft durch Zahnerkrankungen (Karies, Parodontitis) induziert werden, liegt ein weiterer Schwer­punkt in der Etablierung einer Therapie gegen orale Streptokokken.

Einsatz antimikrobieller Peptide zur Verbesserung der Haltbarkeit von Lebensmitteln

Petrischale mit antimikro­biellen Peptide, die das Wachstum von Candida albicans beeinflussen
© Foto Fraunhofer IZI

Die Wirkung antimikro­bieller Peptide auf das Wachstum von Candida albicans.

Antimikrobielle Peptide (AMP) sind integraler Bestandteil des Abwehrsystems der Tier- und Pflanzenwelt. Ihr Wirkungsspektrum umfasst Bakterien, Pilze und Viren. Das angestrebte Projekt hat die Entwicklung geeigneter Peptide zum Ziel, welche in der Lebensmittelindustrie während des Produktionsprozesses insbesondere fäulnisassoziierte Keime wirkungsvoll abtöten. Dadurch soll z.B. die Haltbarkeit von Frischsalaten um mindestens zwei Tage verlängert werden. Basierend auf Voruntersuchungen wurden von AMP mit einer bekannten antimykotischen / antibakteriellen Wirkung Sequenzmotive hergestellt und in einem In-vitro-Assay auf ihre Wirksamkeit gegenüber Hefen, Schimmelpilzen und Enterokokken überprüft. Dabei soll insbesondere auf kurzkettige antimikrobielle Peptide (<20 Aminsäuren) fokussiert werden, da hier keine immunologischen Komplikationen bei einer späteren Anwendung an / in Nahrungsmitteln zu erwarten sind. Es konnten fünf AMP identifiziert werden, die eine starke Wachstumshemmung auf Pilze und Bakterien besitzen. Gegenüber eukaryotischen Zellen zeigte sich keine messbare Toxizität.

Entwicklung therapeutisch wirksamer Peptide zur Behandlung von Infektions- und Tumorerkrankungen

Der Bedarf an neuen wirksamen Medikamenten auf der Basis bioaktiver Substanzen ist in den letzten Jahren stark gestiegen. Die Prognosen für die Zukunft weisen ebenfalls ein starkes Wachstum für dieses Segment aus. In der Arbeitsgruppe Vaskuläre Biologie wurde dieser Trend aufgegriffen und eine Technologieplattform entwickelt, mit der Peptide sowohl gegen multiresistente Krankenhauskeime als auch gegen Tumorzellen entwickelt und evaluiert werden können. Diese DNA-basierte Technologie ermöglicht es, in einem Hochdurchsatzverfahren gegen jeden relevanten Krankenhauskeim ein geeignetes, antibiotisch wirkendes Peptid zu entwickeln. Einige dieser antimikrobiellen Peptide besitzen eine Breitbandwirkung und könnten somit gegen mehrere verschiedene Bakterienarten oder auch pathogene Pilze (z.B. Candida albicans) eingesetzt werden.

Im Verlaufe des Jahres 2012 sind mehrere Sequenzbiblio­theken mit z.T. unterschiedlichen Wirkungsspektren etabliert worden, z.B. gegen humanpathogene Oralkeime (kariogene Keime wie Streptococcus mutans, Streptococcus sobrinus bzw. Parodontitis-assoziierte Erreger wie Actinobacillus actinomycetemcomitans, Porphyromonas gingivalis), Keime des Gastro-Intestinal-Traktes (Heliobacter pylorii) sowie gegen Keime des respiratorischen Traktes (Haemophilus influenzae).

Seit vielen Jahren ist die Verwendung von bioaktiven Substanzen aus Pflanzen, Insekten und Amphibien zur Therapie von Entzündungen und auch Tumorerkrankungen (z.B. die sog. »Froschimpfung«), insbesondere bei den indi­genen Völkern Mittel- und Südamerikas, gängige Praxis. Daher wurden zusammen mit der Arbeitsgruppe Immuntherapie – Onkologie in einem weiteren experimentellen Ansatz Peptide aus dem Hautsekret tropischer Froscharten (z.B. Phyllomedusa bicolor) kloniert und einige Aminosäuren dieser Peptide an definierten Positionen mutiert. Im Vergleich zu den Originalpeptiden konnte in vitro gezeigt werden, dass durch die Veränderung der Aminosäuresequenz die Zytotoxizität dieser Peptide gegenüber Tumorzellen gesteigert werden konnte, während Kontrollzellen eine vergleichsweise hohe Resistenz zeigten. Obwohl der Wirkmechanismus dieser Peptide noch nicht geklärt werden konnte, liegt die Vermutung nahe, dass die unterschiedliche Zusammensetzung und Nettoladung der Zellmembran von Tumorzellen und Nichttumorzellen hier eine entscheidende Rolle spielen. Darüber hinaus könnten einige dieser Peptide eine zusätz­liche immunmodulatorische Wirkung besitzen.

Entwicklung von Tumortherapeutika und Antibiotika aus Pflanzenextrakten

Rinde einer afrikanischen Pflanze
© Foto Fraunhofer IZI

Rinde einer afrikanischen Pflanze, aus der Inhaltsstoffe isoliert wurden.

Etwa 80 Prozent der heute verwendeten Tumortherapeutika haben ihren Ursprung in Substanzen des pflanzlichen Sekundärstoffwechsels. Viele Tumorerkrankungen (z.B. Hirntumore, Pankreaskarzinom) sind trotz aller Fortschritte bei der Entwicklung neuer Chemotherapeutika nach wie vor schwer therapierbar oder gar unheilbar. In enger Kooperation mit afrikanischen Naturheilkundlern sind aus ca. 20 Pflanzenarten Substanzen / Extrakte isoliert worden, die z.T. das Potenzial zu neuen Tumormedikamenten besitzen und möglicherweise in der Palliativmedizin eingesetzt werden können. Erste Untersuchungen an diversen Krebszelllinien belegen die selektive Wirkung der Pflanzeninhaltsstoffe auf Tumorzellen. In Tierexperimenten am Mausmodell konnten diese Daten bestätigt werden. Dadurch eröffnen sich neue Optionen in der Tumortherapie vor allem von Hirntumoren. Darüber hinaus besitzen einige Pflanzen insbesondere in ihren Rinden und Wurzeln hochwirksame, antibiotisch wirkende Inhaltsstoffe, die ebenfalls das Potenzial für eine Anwendung in der Humanmedizin aufweisen.

Entwicklung von Silikonoberflächen zur gerichteten Differenzierung muriner Stammzellen

Kultivierung von murinen Stammzellen auf mikrostrukturierten Silikonoberflächen
© Foto Fraunhofer IZI

Kultivierung von murinen Stammzellen auf mikrostrukturierten Silikonoberflächen mit dem Ziel, eine gerichtete Differenzierung zu induzieren.

Stammzellen sind meistens in Gewebsnischen lokalisiert und zeigen eine geringe Stoffwechselaktivität. Erst durch veränderte Bedingungen (Stimuli) im Mikromilieu wird ihre Differenzierung induziert, wobei die genauen Prozessabläufe weitestgehend unbekannt sind. Die Differenzierung von Stammzellen wird maßgeblich durch intrinsische zelluläre Signale und extrinsische Stimulatoren (Zell-Zell-Kontakt, Kontakt zwischen Zelle und extrazellulärer Matrix) bestimmt. Die extrinsischen Signale können chemischer (z.B. Wachstumsfaktoren und Zytokine) oder aber mechanischer Natur sein (Dehnungskräfte an Zellen bedingt durch Wechselwirkungen mit Mikro- bzw. Nanostrukturoberflächen). In diesem Projekt soll ein Prototyp einer Zellkulturmatrix mit nanostrukturierter Oberfläche (z.B. kovalente Bindung von Peptiden auf Zellkulturunterlage, mechanische Strukturierungsmuster) entwickelt werden, mit dem das Differenzierungsverhalten von Stammzellen zielgerichtet induziert werden kann.

  • CREAVAC-Creative Vakuumbeschichtung GmbH
  • DMG Chemisch-Pharmazeutische Fabrik GmbH
  • Geräte- und Vorrichtungsbau Spitzner OHG
  • Herzzentrum Leipzig GmbH
  • Höft, Wessel & Dr. Dreßler GmbH
  • KET Kunststoff- und Elasttechnik GmbH
  • Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e. V.
  • Medichema GmbH
  • ÖHMI Analytik GmbH
  • Pilot Pflanzöltechnologie Magdeburg e.V.
  • Universität des Saarlandes, Medizinische Fakultät
  • Universitätsklinikum des Saarlandes, Klinik für Zahnerhaltung, Parodontologie und präventive Zahnheilkunde

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