10 60 MÖGLICHE SUBSTANZEN

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1 10 60 MÖGLICHE SUBSTANZEN

2 In der PLATTFORM CHEMISCHE BIOLOGIE am Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP) stehen derzeit ca Moleküle für Experimente bereit. Weltweit gibt es eine unvorstellbare Zahl von Molekülen, die auf natürliche Weise vorkommen oder künstlich erstellt wurden. Einzigartig in Deutschland und offenstehend für die gesamte Wissenschaft 2

3 MEDIZINISCHE CHEMIE D R U G DESIGN SCREENING UNIT PLATTFORM CHEMISCHE BIOLOGIE am Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP) 1

4 LIEBE LESERINNEN UND LESER, Prof. Dr. Dorothea Fiedler Direktorin am Leibniz- Institut für Molekulare Pharma kologie (FMP) Es liegt noch nicht lange Zeit zurück, da haben Wissenschaftler Wirkstoffe im Selbstversuch oft mit fatalen Folgen getestet. Heute ist sowohl die Suche nach neuen Wirkstoffen, wie auch deren Optimierung ein Prozess, der in spezialisierten Laboren mit Hochdurchsatzverfahren beginnt, wie in der Plattform Chemische Biologie am FMP. Forschende aus ganz Deutschland tragen ihre Fragestellungen heran, viele von ihnen suchen nach neuen Behandlungsmöglichkeiten für Krankheiten wie Krebs, Herzleiden oder Infektionen. Die Bucher Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler übernehmen die Wirkstoffsuche, helfen aber auch, neue Einsichten in biochemische Prozesse des Lebens zu gewinnen und dadurch Krankheitsmechanismen auf die Spur zu kommen. Wie am Fließband wird in der Screening-Unit nach neuen pharmakologischen Werkzeugen gefahndet. Durch die Unterstützung der Arbeitsgruppen Medizinische Chemie und Computerchemie können potenzielle Wirkstoffkandidaten nicht nur identifiziert, sondern auch so optimiert werden, dass aus den winzigen Molekülen tatsächlich mal Medikamente werden könnten. Medikamente selbst entwickelt die Plattform nicht. Als öffentlich finanzierte Einrichtung hat die im Jahr 2003 gegründete Plattform einen entscheidenden Vorteil gegenüber der Pharmaindustrie: Sie ist nicht auf Gewinne angewiesen und kann auch auf weniger lukrativen Gebieten forschen, etwa im Bereich seltener Erkrankungen oder Antibiotikaresistenzen. Das macht sie für Forschende extrem attraktiv. 2

5 Neben dem FMP sind das benachbarte Max-Delbrück-Zentrum für Molekulare Medizin und das Berlin Institute of Health beteiligt und vernetzt ist die Plattform weit über Deutschland hinaus in den europäischen Projekten EU-OPENSCREEN und ANTIFLU. Die internationale Zusammenarbeit soll die Wirkstoffsuche künftig noch effizienter machen. Auf den folgenden Seiten nehmen wir Sie mit in die Welt der Moleküle und der Wirkstoffe von morgen. Wenn Sie sich für weitere Forschungsthemen am FMP interessieren, dann besuchen Sie doch auch unsere Website. Viel Freude beim Lesen, 3

6 SCREENING UNIT MEDIZINIS CHEMIE 6 12 Dr. Jens von Kries, Biologe, leitet die Screening Unit 4

7 CHE D R U G DESIGN 18 Dr. Marc Nazaré, Chemiker, leitet die Forschungsgruppe Medizinische Chemie Dr. Ronald Kühne, Biochemiker, leitet die Forschungsgruppe Wirkstoff-Design 5

8 links: Pipettier-Roboter ermöglichen Experimente im Hochdurchsatz bei denen gleichzeitig auf einer Testplatte bis zu 384 Substanzen auf biologische Wirkungen geprüft werden. rechts: Automatisiertes Substanzlager für mehr als Substanzen. 6

9 SCREENING-UNIT EXPERIMENTE WIE AM FLIESSBAND Der große Schatz der Wirkstoff-Forscher um Dr. Jens von Kries mag es frostig. Bei minus 20 Grad Celsius lagern verschiedene Substanzen in einer Art begehbarem Kühlschrank. Es sind Substanzen, aus denen eines Tages wichtige Medikamente hervorgehen könnten. Das Lager ist voll automatisiert. Am Computer geben die Wissenschaftler ein, welche Substanzen sie für ihre Tests brauchen und wie von Geisterhand kommen die Stoffe, verpackt in Mini-Röhrchen, herausgefahren und werden auf Testplatten verteilt. 7

10 In dem Labor der Screening-Unit geht es maßgeblich darum, neue Wirkstoffe aufzuspüren. Wenn Forscher einen interessanten Angriffspunkt im Körper gefunden haben, etwa ein Enzym, das an einem krankhaften Prozess beteiligt ist, oder einen Rezeptor an Krebszellen, der mit der Entstehung von Tochtergeschwulsten in Verbindung gebracht wird, beginnt die Suche nach einer Substanz, die an diesem Punkt wirkt. Dafür sind massenhaft Experimente nötig und von Hand wäre das eine extreme Fleißarbeit. In der Screening-Unit übernehmen fünf Pipettierroboter die Sache. Der Vorteil der Roboter ist, dass sie sehr präzise mit kleinen Mengen umgehen können. So spart man Kosten für die Testsubstanzen, die einen Preis von einigen tausend Euro pro Liter haben können. Für den Pipettierroboter ist alles miniaturisiert. Die Reaktionen mit den Testsubstanzen laufen nicht in einzelnen Reagenzgläsern oder Petrischalen ab, sondern in winzigen Näpfen auf Mikrotiterplatten. 384 Näpfe finden sich auf einer handtellergroßen Platte. Der Pipettierroboter bringt die Substanzen und die zu testenden Zellen zusammen. Die Reaktionen fotografieren automatisierte Mikroskope und Computerprogramme werten in Hochgeschwindigkeit die Ergebnisse aus. Für Tests an Krebszellen wird zum Beispiel über einen Zeitraum von 16 Stunden alle zehn Minuten eine Aufnahme gemacht. So entsteht eine Art Film, in dem Jens von Kries und sein Team das Geschehen wie im Zeitraffer begutachten können. Denn Tumorzellen beginnen normalerweise nach ein paar Stunden aus Kolonien auszuwandern ein Zeichen für ihre Neigung zur Metastasierung. Wenn nun einige Substanzen diesen Prozess unterbinden, könnte darunter durchaus ein Kandidat für ein neues Krebsmedikament sein. Allerdings ist es nicht effizient mit dem Auge viele Tausend Mikroskopbilder zu durchforsten. Deshalb wurde auch diese Stufe des Wirkstoff-Screenings automatisiert. Die Mikroskope mit automatisierter Objekterkennung erkennen zum Beispiel den Weg jeder einzelnen Krebszelle beim Auswandern aus Zellverbänden. Das bietet neue Ansätze bei der Suche nach verheißungsvollen Substanzen zur Hemmung dieses Vorgangs. Als eine von wenigen akademischen Einrichtungen in Deutschland verfügt das FMP zudem über ein Lab-on-a-Chip, also ein Labor auf einem Mikrochip. Dort laufen die Experimente in noch kleinerem Maßstab ab. Je nach Komplexität der Fragestellung braucht die erste Antwort wenige Tage, manchmal auch ein ganzes Jahr, ehe die sogenannten»primär-hits«, also die vielversprechendsten Wirkstoffkandidaten, weiter optimiert werden können, virtuell von Dr. Ronald Kühnes Team oder von Chemikern im Labor um Dr. Marc Nazaré. Über 200 Projekte mit Gastwissenschaftlern aus den USA und Europa unterstützte die Screening Unit bereits. 8

11 Jeder Einzelschritt in der Programmierung der Pipettier- Roboter wird kritisch und zeitaufwendig geprüft, bevor die Methoden im Hochdurchsatz eingesetzt werden können. 9

12 Abb. 1: Den Ursprung vieler menschlicher Tumore bildet eine Mutation, die zum Transfer eines Proteins an den Zellgrenzen ( rote Fluoreszenz) in den Zellkern (gelbe Fluoreszenz) führt. Wir haben Wirkstoffe identifiziert, die diesen Transfer und die Entwicklung von Tumoren verhindern. Diese Substanzen wurden in der Klinik geprüft. Kooperation mit Prof. Dr. Walter Birchmeier, MDC Abb. 2: Zellen steuern ihr Volumen, etwa beim Kontakt mit Flüssigkeiten verschiedener Salzkonzentration, bei der Zellteilung und beim Zellwachstum. Forscher um Thomas Jentsch (FMP / MDC) konnten in Zusammenarbeit mit der Screening Unit das Druckventil der Zelle, den Ionenkanal VRAC, identifizieren. In einem großen Versuchsansatzunterdrückten sie in Zellkultur unter anderem durch RNA-Interferenz in ca Testansätzen, jeweils einzeln die Produkte aller zirka Gene des Menschen und untersuchten in einem automatisierten Verfahren, welche der Gene für den schwellungs-aktivierten Chloridstrom über die Zellmembran verantwortlich sind. Bild: Bestandteile des VRAC. 10

13 Abb. 3: Eine seltene Krankheit beim Menschen führt durch eine Mutation zu Schäden bei der Bildung von Blutgefäßen und zu Schlaganfällen im Kindesalter. Im Zebrafisch bildet sich hierdurch ein übergroßes Ballonherz. Wir identifizierten zugelassene Arzneimittelstoffe, die die Gefäßfehlbildungen blockieren und zur normalen Herzentwicklung führen. Kooperation mit Prof. Dr. Salim Seyfried, MDC 11

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15 MEDIZINISCHE CHEMIE DEN NEUEN WIRK- STOFFKANDIDATEN VERBESSERN Hat das Team in der Screening-Unit einen potenziellen Wirkstofftreffer gefunden, ist das erst der Beginn einer langen Phase der Optimierung. Darauf spezialisiert ist die Arbeitsgruppe Medizinische Chemie um Dr. Marc Nazaré. Von den Chemikern wird der Ausgangsstoff so verändert, dass er am Ende die hohen Anforderungen an ein Medikament möglichst optimal erfüllen kann, sprich zum Beispiel später im Menschen wirken und heilen kann und das möglichst ohne Nebenwirkungen. 13

16 Parallelsynthesen zur gleichzeitigen Herstellung vieler strukturähnlicher Derivate einer Hitstruktur Ein Molekül, welches in Zellversuchen der Screening Unit einen Effekt zeigt, ist nicht unbedingt in dem viel anspruchsvolleren System Mensch wirksam. Damit der Organismus die Substanzen aufnehmen kann, müssen sie löslich und stabil sein. Im Körper darf das Molekül keine anderen wichtigen Proteine in deren Funktion beeinträchtigen; das heißt, es muss sehr spezifisch an das eine Zielprotein binden (Selektivität). Schließlich ist entscheidend, ob das Molekül auch das tut, was man von ihm verlangt (Wirksamkeit) und ob es genau in dem Organ ankommt, wo es wirken soll. Das sind die wichtigsten Voraussetzungen, damit es einmal in einer Tablette verwendet werden kann. Für die Optimierung ist viel Denkarbeit erforderlich, aber auch viel Kreativität und Erfahrung. Das Team der Chemiker muss sich überlegen an welchen Ecken und Kanten es das Molekül am besten ändern sollte. Im Körper giftig wirkende Strukturelemente (dazu zählen z.b. Nitrogruppen), überführen die Forscher mittels ein paar chemischen Tricks in ungefährliche Gruppen. Die Chemiker arbeiten mit Heizplatten zum Kochen, Reaktionskolben, Syntheseblöcke für Parallelsynthesen und mit Anlagen für die Reinigung von Substanzen. Für eine Endverbindung sind mehrere Reaktionsschritte hintereinander notwendig, manchmal mehr als 15 Schritte. Ob schließlich die richtige Substanz hergestellt wurde, ermitteln komplexe und präzise physikalische Analysemethoden, z. B. die Massenspektrometrie oder Kernresonanzspektroskopie. Ob die Idee der Forscher zielführend war, zeigt die biologische Testung: Gute Änderungen werden beibehalten, schlechte verworfen. So entstehen Schritt für Schritt viele Moleküle, die es noch nie zuvor gegeben hat. Die Forscher nennen das auch»leitstruktur-optimierung«. Mit jeder neuen 14

17 Ein kreativer Prozess: Gedankenaustausch im Labor zur Entwicklung neuer chemischer Synthesewege Auf dem Weg zur reinen Testverbindung: Flüssigflüssig Extraktion zur Isolierung einer neuen Verbindung aus einem Reaktionsgemisch Leitstruktur wird zugleich die Welt der realen Moleküle erweitert, die auf die unvorstellbare große Zahl von möglichen Wirkstoffstrukturen geschätzt wird, weit mehr als Sterne von der Erde aus sichtbar sind. An der chemischen Optimierung, also dem langen Kreislauf aus Molekülkonzeption, chemischer Umwandlung (Synthese) und biologischer Testung, sind übrigens nicht nur die Chemiker in ihrem klassischen Chemielabor beteiligt, sondern auch andere Kollegen der Plattform. Schließlich ist das Tüfteln an einem neuen Wirkstoff ein interdisziplinärer Prozess, für den viele Köpfe gebraucht werden. Am Ende geht aus den vielen»entwürfen«ein maßgeschneidertes kleines Molekül hervor, das die harten Kriterien an einen Wirkstoff am besten erfüllt. Die Substanz kann jetzt dem Forschungspartner übergeben werden. Meist sind das Wissenschaftler aus anderen Forschungsinstituten oder Uni- versitäten, die entweder biologische Prozesse aufklären wollen oder eben nach neuen Therapien suchen. Doch bis aus dem potenziellen neuen Wirkstoff ein Medikament entsteht, ist es noch ein langer Weg. Wenn der Wirkstoff die FMP-Plattform verlassen hat, muss er sein Potenzial erst einmal in pharmakologischen Experimenten der Forschungseinrichtungen beweisen. Interessiert sich dann die Pharmaindustrie dafür, sind noch etliche Hürden zu überwinden: In der Regel synthetisieren und testen Pharmafirmen rund weitere Substanzen rund um die neue Leitstruktur. Dabei geht es vorwiegend um die Sicherheit für den Patienten. Am Ende wird es bestenfalls eine Substanz in eine erste klinische Studie schaffen. Und auch dann vergeht noch sehr viel Zeit, bis ein Medikament zugelassen werden kann. Ob es das Molekül der FMP- Plattform zum Medikament von morgen schafft, weiß man also erst viele Jahre später. 15

18 VORHER LÖSLICHKEIT STABILITÄT AKTIVITÄT Beispiel für eine Molekülstruktur vor und nach der Optimierung durch die Chemiker. Nach der Veränderungen an den markierten Stellen mit unterschiedlichen Syntheseverfahren ist das Molekül um ein 100 faches wirksamer. 16

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20 Das sogenannte»docking«-verfahren stellt dar, wie Moleküle an Enzyme binden. Auf diese Weise kann man sie virtuell verbessern und Experimente vorbereiten. COMPUTERCHEMIE DIE VIRTUELLE SUCHE NACH EINEM TREND Unterstützung bekommt die Screening-Unit von der Computerchemie. Viele nennen sie auch Drug Design. Denn das, was Jens von Kries mit echten Stoffen macht, lässt sich in gewisser Weise auch am Computer simulieren. 18

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22 20 Im Labor: Moleküle virtuell verfeinern, die Kontrolle im Labor ist der erste Praxistest, denn der Computer kann nur statische 3-D-Oberflächen berechnen.

23 Moleküle liefern unendlich viele Daten. Eine innovative, speziell für den Bedarf der Forscher entwickelte Datenbank, speichert alle Informationen, für alle Forscher weltweit: open-dacs.de In der Datenbank von Dr. Ronald Kühne befinden sich 300 Millionen Moleküle. Mehr als zwei Drittel existieren bislang nur virtuell, aber immerhin 80 Millionen sind bereits synthetisiert und käuflich zu erwerben. Selbst die größten Pharmafirmen können derart riesige Mengen nicht vorrätig halten, geschweige denn die Bibliothek der Screening Unit am FMP. Also treffen Biochemiker Kühne und sein Team die Auswahl am Computer. Welche Substanzen in der Bibliothek gelagert werden sollen und welche nicht, wird maßgeblich durch zwei Kriterien bestimmt: Einmal geht es darum, möglichst viele unterschiedliche Substanzen zu finden. Zum anderen wird nach bereits bekannten biologisch aktiven Verbindungen gesucht. Naturstoffe etwa, die bereits in der biomedizinischen Forschung einen Nutzen gezeigt haben. Ein Mensch könnte diese Arbeit niemals leisten. Der Computer hingegen berechnet die molekularen Eigenschaften von Millionen Molekülen in kürzester Zeit. Dabei wird die Wahrscheinlichkeit berechnet, ob es zwischen einer Substanz und einem Angriffspunkt wie einem Rezeptor eine Wechselwirkung geben könnte. Die Spezialisten nennen das»docking«. Ergebnisse spuckt der Computer in zwei bis drei Tagen aus. Damit ist er deutlich schneller als die Pipettierroboter von der Screening-Unit nebenan. Das Wissen wird zum Beispiel gebraucht, um weitere Verwandte der»primär-hits«aufzuspüren. Dafür schauen die Wissenschaftler, ob es unter den 80 Millionen synthetisierten Molekülen möglichst ähnliche Verbindungen gibt. Manchmal finden sie 10 oder 15 solcher Moleküle. Die können dann von den Forschern eingekauft und in der Screening-Unit getestet werden. Dadurch erhöhen sich die Chancen weiter, den optimalen Wirkstoff zu finden. Auch wenn es um die anschließende Verfeinerung der»primär-hits«geht, wird der Rat der Computerchemie gebraucht. In dieser wichtigen letzten Projektphase werden die Moleküle so lange chemisch modifiziert, bis eine optimale chemische Verbindung entsteht. Das virtuelle Drug Design hilft beim letzten Schliff, indem es zum Beispiel vorausberechnet, an welcher Stelle des Proteins eine Wechselwirkung besonders vorteilhaft wäre. Allerdings sind die Möglichkeiten der Computerchemie begrenzt. Der Computer kann nämlich nur statische 3-D- Oberflächen berechnen. Biologische Prozesse sind aber viel komplexer und bleiben letztlich für Mensch und Computer unberechenbar. An dem realen Check mit echten Proteinen und Zellen kommt man in der Plattform Chemische Biologie daher nicht vorbei. 21

24 Eine völlig neue Klasse von Wirkstoffen sind die»proms«. Sie ahmen bestimmte Strukturmotive großer Eiweißmoleküle nach und können zugleich Zellwände durchdringen. Damit sind die FMP Forscher als erste in der Lage, einen in allen Organismen weit verbreiteten Typus von Protein-Protein-Wechselwirkungen zu adressieren, der bislang für Wirkstoffe unzugänglich war. In ersten Demonstration im Labor konnten sie mit einem der neuen Wirkstoffe die Ausbreitung aggressiver Brustkrebszellen stoppen. Bis zur Marktreife eines Wirkstoffs vergehen noch viele Jahre mit unterschiedlichen Testungen und Optimierungen. 22

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26 SCREENING UNIT MEDIZINISCHE CHEMIE D R U G DESIGN Dr. Jens von Kries Dr. Marc Nazaré Dr. Ronald Kühne Jamina Eckhard Sabrina Kleissle Dr. Katina Lazarow Romy Leu Dr. Martin Neuenschwander Andreas Oder Dr. Silke Radetzki Carola Seyffarth Marc Wippich Dr. Hassane Belabed Benjamin Brennecke Thais Gazzi Dr. Peter Lindemann Dr. María Pascual López-Alberca Keven Mallow Dr. Vera Martos Sandra Miksche Dr. Liudmila Perepelitchenko Jens Schöne Dr. Edgar Specker Raed Al-Yamori Matthias Barone Dr. Michael Lisurek Kathrin Motzny Dr. Matthias Müller Dr. Bernd Rupp 24

27 IMPRESSUM Unser Dank gilt allen Kolleginnen und Kollegen, die zum Gelingen dieser Broschüre beigetragen und uns unterstützt haben! HERAUSGEBER Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP) im Forschungsverbund Berlin e.v., Campus Berlin-Buch, Robert-Rössle-Str. 10, Berlin, WISSENSCHAFTLICHE ABBILDUNGEN Jens von Kries, Ronald Kühne, Marc Nazaré, S. 23 / 23: Matthias Barone, S. 10 / 11: Prof. Dr. Walter Birchmeier, Dr. Tobias Stauber, Prof. Dr. Salim Seyfried GRAFIK Kraut & Konfetti GbR, Berlin REDAKTION Silke Oßwald DRUCK Trigger.Medien.GmbH, Berlin AUTOREN Beatrice Hamberger, Text Screening Unit S. 6: BEZ / Anne Brüning FOTOGRAFIE Silke Oßwald S. 9, 12: Monique Wüstenhagen In den Texten wird meistens die grammatikalisch männliche Form verwendet, um einen besseren Lesefluss zu gewähr leisten. Selbstverständlich sind alle weib lichen Personen immer eingeschlossen. FMP, Berlin,

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