Molekulare Medizin. Prof. Dr. Albert Duschl

Transkript

1 Molekulare Medizin Prof. Dr. Albert Duschl

2 Allgemeine Informationen Die Vorlesung findet als Doppelstunde (90 min) an 12 Terminen statt Diese Präsentation ist als pdf-file über die Homepage meiner Arbeitsgruppe erhältlich: Die Vorlesung wird von einer Multiple Choice Prüfung abgeschlossen. Dabei müssen nur die Lösungsblätter abgegeben werden, so dass alte Klausuren frei erhältlich sind. Es gibt insgesamt vier Prüfungstermine Es gibt keine Anwesenheitskontrolle, aber wenn Sie nicht kommen und nachher in der Prüfung durchfallen, liegt das nicht an mir Die pdf-files reichen zur Prüfungsvorbereitung alleine nicht aus, ohne biochemisches Lehrbuch werden Sie also nicht auskommen Weitere Fragen? Zum Inhalt der Vorlesung: oder lieber gleich nach der Vorlesung Zum Organisatorischen: oder über PLUSonline

3 Multiple choice Sie bekommen entweder Einfachfragen, z.b. Welche Todesursache ist auf Mozarts Totenschein angegeben? A Affektion der Nieren B Hitziges Frieselfieber C Marode Konstitution D Involution des Bauchfells E Kalte Entzündung Oder Mehrfachfragen, z.b. Wo in Salzburg hat Mozart gewohnt? 1 Makartplatz 2 Nonntaler Hauptstrasse 3 Getreidegasse 4 Hellbrunner Strasse 5 Ignaz-Rieder-Kai A: 3,4,5 B: 1,2,3 C: 1,3 D: 2,5 E: alle

4 Biochemie und medizinische Entwicklung Biochemische Forschung und biochemische Methoden sind wichtig für - Medizinische Diagnostik - Identifizierung molekularer Targets - Entdeckung oder Synthese von Leitsubstanzen - Herstellung von biologischen Pharmaka, e.g. therapeutisch wirksamen Proteinen - Evaluierung in molekularen Versuchen in vitro - Evaluierung in Zell- und Gewebekultur - Evaluierung im Tierversuch - Begleitende Analytik in klinischen Versuchen - Analytik und Qualitätskontrolle von Wirkstoffen Das sind alles potentielle Arbeitsfelder für Biologen!

5 Normaler Ablauf von Pharmaentwicklung Identifizierung eines Targets für therapeutische Intervention Entdeckung einer Leitsubstanz mit erwünschter biologischer Wirkung Verbesserung der Substanz, Charakterisierung in vitro Charakterisierung in Krankheitsmodellen bei Versuchstieren Komplette Pharmakokinetik und Toxikologie in Tieren Phase 1 klinische Studie (Verträglichkeit, Pharmakokinetik) Phase 2 klinische Studie (Wirksamkeit) Phase 3 klinische Studie (Überlegene Wirksamkeit) Zulassungsantrag Zulassung durch EMA (European Medicines Agency), FDA (Food and Drug Administration (FDA) oder andere Genehmigungsbehörde Phase 4: Beobachtung auf dem Markt Dauer bis zur Zulassung: Ca. 10 Jahre ab Entdeckung des Wirkstoffs Kosten: $ 1.3 Mrd. (Tufts Center for the Study of Drug Development, News release Jan. 5, 2011)

6 Probleme 1 Das Gebiet der Pharmakaentwicklung hat derzeit zwei Hauptprobleme: 1) Die Kosten steigen immer noch weiter, was bedeutet dass es weniger neue Medikamente gibt als früher - trotz besserer Forschungsmöglichkeiten und höheren Ausgaben. Rechts: Neue Medikamente pro Milliarde US $. Repositioning ist eine der diskutierten Strategien, also die Verwendung von Medikamenten für ursprünglich nicht vorgesehene Wirkungen, inklusive Kandidaten die ursprünglich in den klinischen Studien durchgefallen sind. Nature, 16. Juni 2016

7 Probleme 2 Das Gebiet der Pharmakaentwicklung hat derzeit zwei Hauptprobleme: 2) Bestimmte Krankheiten sind unter den Bedingungen des Marktes für Forschung und Entwicklung wenig attraktiv, Bsp. "orphan diseases", Tropenkrankheiten und bakterielle Infektionen (!). Neue Konzepte für antibakterielle Wirkstoffe sind gefragt. Nanomedizin, zum Beispiel. Science, 18. Mai 2016

8 Lücke Fangen Sie ruhig an sich Sorgen zu machen: Die Pipeline für neue Antibiotika sieht in der Tat nicht gut aus. Silver LL, Clin Microbiol Rev. 24: (2011) doi: /CMR

9 Emerging diseases Be ahead of the curve. For example, who knows Hendra virus? both figures Nature 8. Juni 2004

10 Biopharmazeutika In Europa oder USA sind mehr als 100 Proteine als Pharmaka zugelassen. Den grössten Anteil haben im Anwendungsgebiet Immunologie TNF-a Inhibitoren für rheumatoide Arthritis und andere Autoimmunkrankheiten. Biopharmazeutika ersetzen menschliche oder tierische Quellen (Insulin, Wachstumshormon, Faktor VIII) oder sind ausschliesslich rekombinant erhältlich (Erytropoietin, Granulocyte-Colony Stimulating Factor, Interferon a und b) Einen grossen Anteil an diesem Markt haben auch monoklonale Antikörper, die nur gentechnisch hergestellt werden können. Vorteile: Hochspezifische Wirkungen, naturidentische Proteine gut verträglich, höhere Erfolgsraten Transkript 5/2009

11 Gentechnik und Medizin 1972: Erste rekombinante DNA (SV40 Virus DNA, Paul Berg) 1973: Erste gentechnisch veränderte Bakterien (E. coli, Stanley Cohen & Herbert Boyer) 1982: Erstes rekombinantes Protein wird von der FDA zugelassen (Insulin, Genentech/Eli Lilly) 1986: Erster therapeutischer Antikörper (Muromonab anti-cd3, Ortho Biotech) 1989: Erster rekombinanter Impfstoff (Hepatitis B, SmithKline Beecham) 1993: Erstes Produkt nicht zur Injektion (DNAse I, Genentech) 1996: Erstes in Deutschland entwickeltes Produkt (tpa, Boehringer Mannheim) 1998: Erstes DNA Produkt (CMV antisense DNA, Isis Pharmaceuticals) 2003: Erstes innovatives Produkt aus Österreich (Anti-IgE Antikörper, Novartis) 2006: Erstes Pharming Produkt von der EMEA zugelassen: Antithromin aus Ziegenmilch (GTC Biotherapeutics) Insulin Brookhaven Protein Data Base

12 Biogenerika Biogenerika sind Generika für Proteinmedikamente. Da Proteinexpression ungleich schwieriger zu reproduzieren ist als chemische Synthese, spricht man heute lieber von Biosimiliars. Der anti-tnf-a Antikörper Humira war das weltweit umsatzstärkste Medikament ( 7 Mrd. p.a.). Das Patent lief 2016 aus. Nature, 20. Sept. 2007

13 High throughput screening In der Pharmaforschung werden heute Stoffbanken mit Tausenden bis Millionen von Substanzen von Industrierobotern über Testsysteme pipettiert, um Kandidaten für Wirksubstanzen zu finden. Man nennt das High-Throughput-Screening (HTS), ein aufstrebendes Arbeitsfeld für Biologen, übrigens. Ein ständiges Problem ist, dass neue Tests entwickelt werden müssen die a) das richtige messen b) sich für Hemmstoffanwendung eignen c) für HTS adaptierbar sind BAYER AG Man nimmt gerne Tests für Molekül-Molekül Wechselwirkungen, oder in Zellkultur messbare biologische Reaktionen.

14 Drug Design Drug design ist die rationale Modifikation von Proteinen oder anderen Biomolekülen, um gewünschte Eigenschaften zu erhalten. In silico design bedeutet, dass nicht mehr real existierende Stoffbanken durchsucht werden, sondern nur noch berechnete Strukturmodelle für u.u. noch gar nicht existierende Verbindungen im Computer durchsucht werden. Beispiel für Design: IL-2/Diphtherietoxin bei Non-Hodgkin-Lymphom Warum? Drug targeting! Spezifische Zielerkennung durch Liganden oder Antikörper Diphtherie-Toxin Kenneth Todar, University of Wisconsin

15 Second generation products Beispiele: Insulin mit veränderter Wirkungsdauer IL-2/Diphtherietoxin Humanisierte Antikörper Löslicher TNF-Rezeptor Verkleinertes tpa Warum? Rationale Veränderung um bestimmte Eigenschaften des Proteins zu verändern. Auch hier liegt eine Art von Drug design vor. BIOforum 2001 Bömmel/Duschl: Biopharmaka der zweiten Generation

16 Automatisierung Da viele Versuche große Datensätze generieren, ist der Bedarf für Automatisierung unausweichlich. Beispiele: Stacker/Reader/Washer für ELISA Pipettierrobotik in HTS Automatische Proteinkristallisation Spot analysis für 2D-Gele Data mining in Genbanken, Strukturbanken, ncrna-banken etc. An Automatisierung führt in vielen Bereichen kein Weg vorbei (möchten Sie die Spots rechts manuell vergleichen?) aber denken Sie immer daran dass ein schneller Automat auch dazu führen kann, dass man fehlerhafte Ergebnisse schneller in der Hand hat. Westermeier/Navan: Proteomics in Practice

17 Legoland Das operative Modell des Menschen ist für den Biochemiker Lego: Komplexe Strukturen entstehen aus einer begrenzten Anzahl einfacher Bausteine. Hinzufügen oder Wegnehmen von Bausteinen verändert die Funktion. Krankheiten bei denen dieses Modell nicht zutrifft sind biochemisch nicht gut fassbar. Allerdings können auch ganz makroskopische Prozesse auf Molekülebene beeinflusst werden! Knochenbrüche heilen schneller, wenn Knochenwachstumsfaktoren in Form rekombinanter Proteine zugegeben werden. Lego

18 Biochemie Biochemische und molekularbiologische Techniken ermöglichen verbesserte Diagnostik und Therapie zahlreicher Krankheiten. Die klinische Anwendung dieser Techniken ist das Arbeitsgebiet der Molekularen Medizin. Eingriffe können auf DNA-Ebene und auf Protein-Ebene erfolgen. Auch Kohlenhydrate, Lipide und andere Strukturen sind geeignete Targets für Pharmaka, wenn sie spezifische Funktionen haben. Ubiquitär verwendete Komponenten eignen sich dagegen weniger. Let s now end with the Amen corner. "Biochemie" Gemäldesammlung des Fachbereichs Molekulare Biologie, Universität Salzburg

19 The Amen Corner Natürlich und gesund haben nichts, nichts, nichts miteinander zu tun. Im Zweifel entscheiden Sie sich lieber für gesund. Biomedizinische Forschung hat Gesundheit zum Ziel. Auf diesem Gebiet ist noch viel zu tun. Halten Sie sich also ran! Tollkirschen Weißer Hai Asbest Left to right: wildlife-media.at, tierdoku.com, achermannag.ch