PharmBlog

Ein Blog über die Wissenschaft hinter Arzneimitteln

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Von Regeln und Regelbrechern – Die Lipinski Rule of Five

In diesem Text geht es um ein klassisch pharmazeutisches Thema: Die Lipinski Rule of Five. Diese Regel beschreibt Eigenschaften, auf die man bei der Suche nach neuen Arzneistoffen achten sollte – und vereinfacht damit diese sehr komplexe Aufgabe. Aber ist die Rule of Five überhaupt eine Regel, der man blind folgen sollte? Oder schafft man damit neue Probleme, weil man andere lösen möchte?

Die Rule of Five

Die Lipinski Rule of Five wurde (wer hätte es gedacht) von Christopher Lipinski zusammen mit seinen Kolleg:innen Ende der 90er Jahre in diesem Paper beschrieben. Seither hatte diese Regel einen großen Einfluss darauf, wie wir denken, dass ein Arzneistoff zu sein hat. Genauer gesagt, ein Arzneistoff zur oralen Anwendung. Denn das ist das große Thema hinter der Rule of Five: Kann ein Arzneistoff über den Verdauungstrakt – und hier vor allem im Darm – aufgenommen werden? Und können wir das irgendwie abschätzen, ohne aufwändige Experimente machen zu müssen?

Lipinski et al. beschrieben, dass sie das mit nur vier einfachen Informationen abschätzen können: (1) Eine relative Molekülmasse von unter 500, (2) nicht mehr als 5 Wasserstoffbrücken-Donatoren, (3) nicht mehr als 10 Wasserstoffbrücken-Akzeptoren und (4) ein logarithmischer Oktanol-Wasser-Verteilungskoeffizient unter 5. Der Name Rule of Five kommt daher, dass alle diese Zahlen (500, 5, 10, nochmal 5) Mehrfache von 5 sind.

Das hört sich erstmal ganz schön chemisch an (und für manche damit überhaupt nicht einladend), und auch wenn es im Kern sehr chemisch ist, ist es dennoch relativ intuitiv, wenn wir verstehen, wie oral angewendete Arzneistoffe aufgenommen werden.

Was Arzneistoffe zur oralen Anwendung brauchen

Arzneimittel zur oralen Anwendung sind extrem wichtig. Sie sind einfach, zuverlässig und schnell anzuwenden, und das ist entscheidend, um Anwendungsfehler zu verhindern und die Therapietreue bei Patient:innen sicherzustellen. Aber damit ein Arzneimittel oral angewendet werden kann, muss der enthaltene Arzneistoff irgendwie im Verdauungstrakt aufgenommen werden können. Dafür muss er einige Barrieren überwinden, die – etwas vereinfacht – aus den Zellmembranen der Darm- und Magenschleimhaut bestehen. Wenn ihr mehr darüber wissen wollt, lest doch gerne meinen Beitrag zur Pharmakokinetik (mein allererster Blogbeitrag übrigens).

Das Problem ist jetzt, dass der Arzneistoff dafür einen ziemlichen Balanceakt hinlegen muss. Denn der Magen- und Darminhalt besteht vor allem aus Wasser, und damit ein Arzneistoff resorbiert werden kann, muss er sich erst darin lösen. Danach muss er die Zellmembranen durchdringen, die sehr lipophil sind, wofür der Arzneistoff also eher fettlöslich sein sollte. Ein Arzneistoff muss also wasserlöslich genug sein, aber auch nicht zu wasserlöslich. Tatsächlich ist es klassischerweise am besten, wenn der Arzneistoff relativ klein und eher lipophil ist.

Wie ermöglichen jetzt unsere vier eher simplen Informationen, diesen komplexen Vorgang abzuschätzen?

Das Molekulargewicht ist ein Maß für, naja, die Größe des Arzneistoffs. Denn je größer er ist, desto schwerer soll es für ihn sein, Zellmembranen zu überwinden.

Wasserstoffbrücken sind Interaktionen des Arzneistoffs mit polaren Molekülen – in diesem Kontext also vor allem Wasser. Je mehr davon, desto schwerer wird es für den Arzneistoff, lipophile Membranen zu durchdringen. (Kurz gesagt: Durch den Gewinn an Bindungsenthalpie durch die H-Brücken ist es energetisch am günstigsten, wenn alle H-Brücken-Donatoren und -Akzeptoren abgesättigt sind, was innerhalb der Membran natürlich nicht möglich ist.)

Der Oktanol-Wasser-Verteilungskoeffizient beschreibt, welcher Teil eines Stoffes in einer unpolaren Oktanol-Phase zu finden ist, und welcher Teil in einer polaren Wasser-Phase. Damit sagt er etwas über die generelle Lipophilie aus. Ein oraler Arzneistoff sollte zwar eher lipophil sein, aber auch nicht zu sehr, daher sollte der logarithmische Verteilungskoeffizient 5 nicht überschreiten.

Die Alternativen

In den etwas mehr als 20 Jahren seit Veröffentlichung der Rule of Five hat sie sich als sehr nützlich erwiesen. Aber es gab auch Kritik, und Verbesserungsvorschläge. Ich möchte auf die Erweiterungen der Rule of Five gar nicht genauer eingehen. Die Grenzwerte werden präzisiert und es geht außerdem um Faktoren wie die Anzahl drehbarer Bindungen oder die Größe der polaren Oberfläche.

Da die Rule of Five nicht als in Stein gemeißelte Regel, sondern eher als grobe Richtlinie zu verstehen ist, gibt es natürlich auch diverse Arzneistoffe, die gegen sie verstoßen, und trotzdem sehr gut funktionieren. Wie kann das sein?

Die offensichtliche Antwort auf diese Frage sind alternative Wege, die Schleimhäute des Verdauungstrakts zu überwinden. Denn schließlich ist der Verdauungstrakt dazu da, Nährstoffe aufzunehmen, und die halten sich auch nicht alle an die Rule of Five. Daher gibt es Transportproteine in den Zellmembranen, die die Aufnahme dieser Nährstoffe ermöglichen, und das können manche Arzneistoffe ausnutzen. Sie sind ebenfalls Substrate dieser Transporter und können daher resorbiert werden, ohne tatsächlich die Phospholipid-Doppelschicht der Zellmembran zu überwinden. Einige häufig benutzte Arzneistoffe sind gute Beispiele dafür: L-Dopa (bei Parkinson), Metformin (bei Diabetes) oder Simvastatin (zur Senkung des Cholesterinspiegels).

Außer der Aufnahme über Transportproteine gibt es auch noch die Möglichkeit, dass Arzneistoffe sich quasi zwischen zwei Zellen hindurch schleichen – das nennt man dann parazelluläre Resorption. So müssen sie die Membran auch nicht überwinden, allerdings ist das nur für kleine Moleküle möglich und auch nicht in allen Bereichen des Körpers.

Regelbrecher

In einem Paper von 2016 haben die Autor:innen die Resorption von Stoffen untersucht, die gegen die Rule of Five verstoßen. Dazu verwendeten sie ein Modellsystem aus Liposomen – im Prinzip kleine Kugeln aus einer oder mehreren Phospholipid-Membranen, ähnlich der Zellmembran – um die Permeation der Stoffe durch eine Membran zu betrachten. Und tatsächlich konnten die beiden Arzneistoffe Tetrazyklin und Rifampicin, die ziemlich heftig gegen die Rule of Five verstoßen, die Membranen überwinden (und zwar rein durch passive Diffusion und nicht durch andere Transportmechanismen).

Die Autor:innen haben einige Faktoren ausmachen können, wie solche „Regelbrecher“ trotzdem oral resorbiert werden können.

Struktur von Tetrazyklin

Tetrazyklin besitzt mehr Wasserstoffbrücken-Donatoren als „erlaubt“. Diese können aber intramolekulare Wasserstoffbrücken bilden, also mit Wasserstoffbrücken-Akzeptoren im gleichen Molekül. Damit sind diese abgesättigt und „zählen nicht mehr“ für die Membran-Permeation. Außerdem hat auch die Form eines Arzneistoffs einen Einfluss auf die Fähigkeit, Membranen überwinden zu können. Tetrazyklin ist lang und schmal und könnte daher mit weniger sterischer Hinderung durch eine Membran diffundieren können – das heißt, es braucht einfach weniger Platz und kann sich deshalb besser durch die dicht gepackte Membran bewegen.

Ein großes Thema ist auch die Ladung eines Arzneistoffes, über das ich bisher aber noch nicht geschrieben habe, daher werde ich es nur kurz anreißen. Ist ein Molekül geladen, ist es dadurch automatisch sehr viel weniger lipophil und kann Membranen deutlich schlechter überwinden. Wenn im selben Molekül aber eine positive und eine negative Ladung vorkommen – so wie bei Tetrazyklin bei physiologischem pH – gleichen diese sich aus. Dadurch ist das Molekül in Summe wieder ungeladen und kann durch die Membran gelangen.

Stoffe im drug-like space

Sind solche Moleküle also die Ausnahme, die die Regel bestätigen? Nicht ganz. Denn tatsächlich hätte die Rule of Five eine ordentliche Generalüberholung nötig. Auch wenn sie Pionierarbeit geleistet hat, physikochemische und klinische Eigenschaften von Arzneistoffen miteinander zu verknüpfen, könnte das strikte Beharren auf diese Regeln in Zukunft eher schaden als nutzen.

Michael D. Schultz hat in einem Artikel von 2018 einen genauen Blick auf das Vermächtnis der Rule of Five geworfen. Denn die Regeln wurden mit Blick auf die Arzneistoffe vor 1997 aufgestellt. Schultz schreibt:

 „A property that is truly related to the probability of achieving solubility and oral exposure must be static and not change faster than the evolution of the organism to which it is targeted. Any rule based on a time-dependent value cannot predict the future […].”

Und wenn man die Eigenschaften der Arzneistoffe betrachtet, die seit 1998 von der FDA – der US-amerikanischen Arzneimittelbehörde – zugelassen wurden, dann fallen tatsächlich einige Abweichungen von der Rule of Five auf.

Außer der Zahl an Wasserstoffbrücken-Donatoren haben sich alle anderen Eigenschaften im Vergleich zu der Zeit vor 1997 statistisch signifikant verändert. Besonders dramatisch ist diese Veränderung bei der Molekülmasse. Seit 1998 wurden deutlich mehr Arzneistoffe zugelassen als in dem gleichen Zeitraum zuvor, und dieser Anstieg ist zu einem großen Teil auf Arzneistoffe mit einer relativen Molekülmasse über 500 zurückzuführen. 2016 und 2017 war die durchschnittliche Molekülmasse der zugelassenen Arzneistoffe sogar größer als 500, der Grenze der Rule of Five.

Von der FDA zugelassene Arzneistoffe nach Zeitraum. Stoffe mit einer Molekülmasse unter 500 sind blau und über 500 sind rot (Bild: Schultz, 2018, 10.1021/acs.jmedchem.8b00686

Die Rule of Five, und besonders der Grenzwert für die Molekülmasse, konnte also die zukünftige Entwicklung von Arzneistoffen nicht vorhersagen.

Welche Konsequenzen könnte das haben? Nun, dafür müssen wir kurz über den drug-like space sprechen. Stellt euch einen Raum vor, der angefüllt ist mit allen möglichen Molekülen, die existieren können. Um neue (oral anwendbare) Arzneistoffe zu finden, muss dieser Raum, der chemical space abgesucht werden. Der chemical space ist aber viel zu groß, deshalb muss die Auswahl irgendwie eingeengt werden, auf Moleküle, die mit einer einigermaßen hohen Wahrscheinlichkeit oral bioverfügbar sein könnten. Das kann man dann als drug-like space bezeichnen (tatsächlich steht aber Schultz beispielsweise dem Begriff drug-like eher skeptisch gegenüber).

Wenn jetzt die Rule of Five maßgeblich ist um festzustellen, welche Stoffe in diesem drug-like space liegen, und die Rule of Five diese Eigenschaft aber zumindest nicht zuverlässig vorhersagen kann, dann bleiben möglicherweise viele potentielle Arzneistoffe unbeachtet. Gerade in einer Zeit, in der auch viele neue Arten von Arzneistoffen in den Vordergrund rücken, könnte es daher eher schädlich sein, zu sehr auf die Rule of Five zu beharren.

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Biomolekül des Monats: Häm

Diesen Monat wird es blutig, denn mein Biomolekül ist eines der wichtigsten Moleküle unseres Blutes. Mir ist bewusst, dass es für diesen Titel unglaublich viele Kandidaten gibt. Aber die wohl bekannteste Funktion des Bluts ist es, Sauerstoff zu transportieren; und dafür wird ein Molekül ganz besonders benötigt: Häm.

Und auch wenn Häm allein deshalb schon wortwörtlich lebenswichtig ist, möchte ich euch hier nicht nur zeigen, wie Häm überhaupt Sauerstoff transportieren kann. Ich möchte euch stattdessen auch die anderen wichtigen Funktionen von Häm vorstellen, sowie die Krankheiten, die entstehen, wenn die Biochemie des Häm gestört ist.

Die Basics

Über Häm und die Stoffklasse zu der es gehört – die Porphyrine – gibt es eine Menge zu sagen, und unglücklicherweise ist hier nicht der Ort, um das alles auszuführen. Aber um ein paar der Basics werden wir uns auf jeden Fall kümmern:

Häm ist ein organisches Molekül, das mit vier Stickstoffatomen ein Eisenion in seiner Mitte koordiniert. Mit diesem Eisenion kann es ein Sauerstoff-Molekül binden, und das ist es, was Häm für uns so wichtig macht. Sauerstoff, wenn er von unserem Blut zu allen möglichen Geweben im Körper transportiert wird, liegt an Häm gebunden vor. Das ist die bekannteste und eine wirkliche wichtige Funktion von Häm, aber lange nicht die einzige. Dazu jedoch später mehr.

Struktur von Häm b, der häufigsten Form von Häm beim Menschen

Das Eisen kann in zwei unterschiedlichen Oxidationsstufen vorliegen: Eisen(II) und Eisen(III). Eisen(II) hat nur ein Elektron mehr als Eisen(III), trotzdem ist nur diese Form in der Lage, Sauerstoff zu binden. Ab und zu wird das Eisen(II) im Häm natürlicherweise zu Eisen(III) oxidiert, aber das ist kein Problem. Denn es gibt ein spezielles Enzym (die Methämoglobin-Reduktase), dessen Aufgabe es ist, das Eisen(III) in Hämoglobin (siehe unten) wieder zum Eisen(II) zu umzusetzen. Es gibt aber auch einige Gifte – wie beispielsweise Nitrite – die das Häm-Eisen oxidieren können, wogegen die Methämoglobin-Reduktase dann nicht mehr ankommt.

Häm in Hämoglobin und darüber hinaus

Eine sehr wichtige Sache habe ich aber bis jetzt verschwiegen. Denn das Häm kann seine Aufgaben nicht allein erfüllen. Es ist eine sogenannte prosthetische Gruppe – ein Molekül, das mit einem Protein verbunden ist, aber nicht selbst aus Aminosäuren besteht. Daher braucht das Häm ein Protein, um zu funktionieren, um im Gegenzug braucht das entsprechende Protein das Häm.

Und noch etwas habe ich bisher verschwiegen: Es gibt auch verschiedene Arten von Häm. Wenn wir also wissen wollen, welche Aufgaben Häm im menschlichen Körper hat, müssen wir uns anschauen, welche Arten von Häm in welchen Proteinen vorkommen.

Fangen wir wieder mit dem Klassiker an: Häm b (auch Fe-Protoporphyrin IX genannt) und Hämoglobin. Hämoglobin ist das Protein, das in Erythrozyten – den roten Blutzellen – vorkommt und für den Sauerstofftransport verantwortlich ist (und zusätzlich dem Blut die rote Farbe verleiht). Es besitzt vier Häm-Gruppen und eine ganz interessante Eigenheit, den kooperativen Effekt. Die vier Häm-Gruppen binden Sauerstoff nicht unabhängig voneinander. Stattdessen wird, wenn eine der Häm-Gruppen ein Sauerstoff-Molekül gebunden hat, die Bindung von Sauerstoff an die anderen Häm-Gruppen stark begünstigt. Und umgekehrt werden, wenn das mit Sauerstoff beladene Hämoglobin ein Sauerstoff-Molekül abgibt, auch die anderen drei Sauerstoff-Moleküle leichter abgegeben. Das ist nötig, damit das Hämoglobin in der Lunge zwar vollständig mit Sauerstoff beladen werden, es diesen Sauerstoff in den anderen Geweben dann aber auch effektiv wieder abgeben kann.

Die Bewegung von Hämoglobin, wenn Sauerstoff (hellblau) an die Hämgruppe (rot) des Hämoglobins bindet, ermöglicht des kooperativen Effekt (Bild: Shuchismita Dutta, David Goodsell, DOI 10.2210/rcsb_pdb/mom_2003_5)

Häm b kommt außerdem noch in Myoglobin vor. Myoglobin besitzt eine Häm-Gruppe und ist ebenfalls für den Sauerstofftransport zuständig. Allerdings nicht im Blut, sondern innerhalb von Muskeln.

Auch eine ganze Menge von Enzymen brauchen Häm b, um ihre Aufgaben zu erfüllen. Dazu gehören beispielsweise Enzyme aus dem Energiestoffwechsel, mit denen wir aus Nährstoffen Energie gewinnen können. Außerdem ist eine extrem große Enzym-Familie – die CYP-Enzyme – Häm-abhängig. Sie verstoffwechseln sowohl körpereigene als auch Fremdstoffe und sind außerdem an der Herstellung wichtiger Botenstoffe wie der Steroidhormone beteiligt. An dieser Stelle muss ich eine weitere Vereinfachung gestehen, die ich weiter oben getroffen habe. Denn im Zuge des (sehr spannenden) Mechanismus von CYP-Enzymen liegt das Eisen nicht nur in den Oxidationsstufen II und III vor, sondern auch in den Stufen IV und V.

Kristallstruktur von CYP3A4 mit Häm-Gruppe (PDB: 4I3Q, 2013)

Außer Häm b gibt es außerdem noch Häm a und Häm c (und einige weitere). Häm a und Häm c sind beides Teil von Enzymen der Atmungskette, also ebenfalls wichtig für die Energiegewinnung.

fMRI dank Häm

Das Häm-Eisen besitzt außerdem eine chemische Eigenschaft, die uns die effektive Untersuchen von Hirnfunktionen ermöglicht. Um das zu verstehen, müssen wir uns erst die Chemie der Sauerstoffbindung durch Häm etwas genauer anschauen. Wenn ein Sauerstoff-Molekül an das Häm-Eisen im Hämoglobin bindet, ordnen sich die Elektronen im Eisen-Ion neu an, und das Eisen geht aus dem sogenannten high spin Zustand in den low spin Zustand über. Das hat zwei Konsequenzen: einerseits wird das Eisenion kleiner, und andererseits verändern sich seine magnetischen Eigenschaften.

Bei der funktionalen Kernspintomographie (fMRI) – einer Untersuchungsmethode für Vorgänge im Gehirn – macht man sich diese Veränderung der magnetischen Eigenschaften zunutze. Damit lässt sich dann (mithilfe vieler weiterer Zwischenschritte, die ich and dieser Stelle mal weglasse) bildlich darstellen, welche Regionen des Gehirns gerade aktiv sind.

Porphyrien – wenn die Häm-Synthese gestört ist

Da Häm so wichtig ist, verwundert es auch nicht, dass Störungen in der Biosynthese von Häm Krankheiten verursachen. Diese Krankheiten nennt man Porphyrien und werden durch Defekte in den Enzymen verursacht, die Häm aufbauen.

Je nachdem, welches der Enzyme nicht funktioniert reichert sich ein unterschiedliches Zwischenprodukt der Häm-Biosynthese an und es treten unterschiedliche Symptome auf. Oft äußern sich Porphyrien mit sehr starken, plötzlich auftretenden Bauchschmerzen, es können aber auch neurologische Probleme oder Psychosen auftreten. Ein berühmter Fall ist der ehemalige britische König Georg III, der an einer psychischen Erkrankung litt, die vermutlich durch eine akute intermittierende Porphyrie verursacht wurde.

Das war meine Biomolekül des Monats. Falls es euch gefallen hat, dann schaut doch gerne auch in das Biomolekül des letzten Monats rein oder abonniert meinen Email-Newsletter, um keinen neuen Beitrag mehr zu verpassen.

Halloween-Special: Süßes oder Saures

Buh! Heute ist Halloween, und damit der Höhepunkt der Gruselsaison. Aber in diesem Halloween-Special wird es trotzdem nicht gruselig. Stattdessen geht es um den zweiten wichtigen Teil von Halloween: Süßes oder Saures.

Um zu unterscheiden, ob etwas süß oder sauer ist, brauchen wir unseren Geschmackssinn. Und um all die anderen Aromen von Süßigkeiten (und Anderem) wahrzunehmen, brauchen wir auch den Geruchssinn. Aber wie genau funktioniert das mit dem Schmecken?

Der Geschmackssinn

Mit unserer Zunge können wir im Prinzip nur fünf verschiedene Geschmacksrichtungen wahrnehmen: Süß, Sauer, Salzig, Bitter und Umami. Dass nur bestimmte Bereiche der Zunge bestimmte Geschmacksrichtungen wahrnehmen können, ist dabei ein Mythos. Überall auf der Zunge , wo Geschmacksknospen zu finden sind, kann auch jede Geschmacksrichtung wahrgenommen werden (die Verteilung ist allerdings tatsächlich ein bisschen unterschiedlich).

Als Geschmacksknospen werden kleine Ansammlungen aus Sinneszellen bezeichnet. Die Sinneszellen besitzen Ausstülpungen – die Mikrovilli – in denen die Geschmacksrezeptoren sitzen und die dazu dienen, die Oberfläche der Sinneszellen zum Mundraum hin zu erweitern. Die Geschmacksrezeptoren sind die Strukturen, die die einzelnen Geschmacksrichtungen identifizieren.

Eine Geschmacksknospe (Bild: Jonas Töle, gemeinfrei)

Es gibt Rezeptoren, die bestimmte Stoffe im Speichel erkennen können. Dazu gehören die Rezeptoren für Süß, Umami und Bitter. An den Rezeptor für Süßes (eigentlich ein Rezeptor-Heterodimer) binden alle Stoffe, die für uns süß schmecken, natürlicherweise vor allem verschiedene Zucker. Der Umami-Rezeptor (ebenfalls Dimer) erkennt vor allem die beiden Aminosäuren Glutamat und Aspartat, und Purinnukleotide (Bestandteile der DNA) können den Geschmack noch verstärken. Die Bitterrezeptoren sind etwas anders, da es davon sehr viele gibt und einzelne Rezeptoren nur einige wenige Stoffe erkennen. Im Inneren der Sinneszellen vermittelt dann das Signalprotein Gustducin, das dem Signalprotein beim Sehen – dem Transducin – sehr ähnlich ist, den Geschmacksreiz.

Die beiden anderen Geschmacksrichtungen, sauer und salzig, erkennen eher Eigenschaften des Speichels. Sauer entsteht durch den pH-Wert (wobei vielleicht auch eher der pH-Wert innerhalb der Sinneszellen entscheidet). Salzig ist hingegen abhängig von der Salinität, also der Salzkonzentration des Speichels. Welche Rezeptoren für die Wahrnehmung von Sauer und Salzig verantwortlich sind, ist noch nicht ganz geklärt – allerdings gibt es für Sauer zumindest einen heißen Kandidaten, den TRP-Kanal PKD2L1.

Eine Geschmackssinneszelle exprimiert immer nur Rezeptoren für eine Geschmacksrichtung (was lange diskutiert wurde). Aber in einer Geschmacksknospe kommen trotzdem Sinneszellen für jede einzelne Geschmacksrichtung vor. An der Unterseite der Geschmacksrezeptoren schließen sich Nervenzellen an, die den Geschmacksreiz dann zum Gehirn leiten.

Leider ist die Sache – wie so oft in der Biologie – nicht ganz so einfach. Denn offensichtlich können wir mehr schmecken als nur Süß, Sauer, Salzig, Bitter und Umami. Wie nehmen wir also komplexe Geschmäcker wahr, obwohl wir nur Sinneszellen für diese fünf Geschmacksrichtungen haben?

Einerseits wird diskutiert, ob vielleicht nicht doch noch mehr Geschmacksrezeptoren und -richtungen existieren. Zum Beispiel gibt es Rezeptoren für Fettsäuren, die zu einem Geschmack beitragen können. Außerdem könnte die Wahrnehmung von Ca2+– und Mg2+-Ionen auch einen Einfluss haben. Und dann gibt es noch Wahrnehmungsqualitäten, die eigentlich nicht so viel mit Geschmack zu tun haben. So ist Schärfe nämlich eigentlich ein Schmerzsignal – das bekannteste „Schärfe-Molekül“ Capsaicin bindet zum Beispiel an den Schmerzrezeptor TRPV1.

Das reicht aber noch nicht für einen komplexen Geschmack. Denn etwas wichtiges fehlt noch…

Der Geruchssinn

Wenn ihr euer Essen mit dem Mund zu euch nehmt (so wie man das im Normalfall eben macht) können flüchtige Moleküle – die Geruchsstoffe – über den Rachen in eure Nasenhöhle aufsteigen, wo sie auf Geruchsrezeptoren treffen. Geruchsrezeptoren gibt es im Gegensatz zu den Geschmacksrezeptoren extrem viele: grob 400 verschiedene. Trotzdem kann ein Geruchsrezeptor auch durch mehrere verschiedene Geruchsstoffe aktiviert werden.

Wie auch der Geschmackssinn, der noch lange nicht komplett verstanden ist, wirft auch der Geruchssinn noch einige Fragen auf. Es gibt einfach so enorm viele Geruchsrezeptoren. Um das mal etwas in Relation zu setzen: Die Geruchsrezeptoren gehören (wie die Süß-, Bitter- und Umamirezeptoren) zu den G-Protein gekoppelten Rezeptoren. Diese Rezeptoren bilden die größte Protein-Superfamilie beim Menschen überhaupt. Und nur die Geruchsrezeptoren machen in etwa die Hälfte davon aus! Außerdem gibt es Geruchsrezeptoren nicht nur in der Nase. Sie kommen beispielsweise auch auf der Zunge vor, oder interessanterweise auch in Geweben innerhalb des Körpers, die gar nicht von Geruchsstoffen erreicht werden können.

Ihr seht also, dass über den Geruchssinn deutlich mehr verschiedene Gerüche unterschieden werden können als Geschmacksrichtungen über den Geschmackssinn. Aber Geruch- und Geschmackssinn sind keine Rivalen, sondern arbeiten Hand in Hand. Denn auch der Geruchsreize werden über Nervenzellen in das Gehirn weitergeleitet, wo alle gesammelten Reize zu dem komplexen Eindruck Geschmack zusammengesetzt werden.

Alltäglich und doch komplex

Während ihr also nichtsahnend eure Halloween-Süßigkeiten esst, sind in eurem Mund und eurer Nase Millionen von Rezeptoren damit beschäftigt, alle möglichen Bestandteile der Süßigkeiten zu erkennen. Ihre Signale gelangen in das Gehirn, wo aus den vielen einzelnen Informationen zu Geschmacksrichtung, Geruch und allem anderen dann der schlussendliche Geschmack zusammengesetzt wird. Und obwohl Schmecken etwas so triviales und alltägliches ist, ist es eine enorm komplexe und herausfordernde Aufgabe für die Wissenschaft, die Details des Schmeckens zu verstehen.

Ich hoffe, diese kleine Halloween-Special hat euch gefallen (und euch nicht zu viel Heißhunger auf Süßes gemacht). Abonniert meinen Email-Newsletter, wenn ihr keine Beitrag mehr verpassen wollt, oder lest euch meinen letzten Text über CAR-T-Zelltherapie, wenn ihr noch mehr wollt.

Zelltherapie gegen Krebs: Was CAR-T-Zellen können und was sie nicht können

In den letzten Jahrzehnten hat die Medizin wirklich enorme Fortschritte gemacht, und in kaum einem anderen Bereich ist das so spürbar wie in der Krebstherapie. Tumorerkrankungen, die früher ein quasi sicheres Todesurteil darstellten, haben heute Heilungswahrscheinlichkeiten von 90% oder mehr! Möglich gemacht wurde das von einigen revolutionären Tumortherapien, die unsere Behandlungsmöglichkeiten nach und nach erweiterten. Angefangen hat in den 1940er Jahren alles mit N-Lost als erstes richtiges Zytostatikum. Richtig große Sprünge hat die Tumortherapie aber auch in den letzten Jahrzehnten gemacht, als zum Beispiel die ersten monoklonalen Antikörper aufkamen, oder mit Imatinib als der erste Tyrosinkinase-Inhibitor, der eine ganze Klasse von Wirkstoffen begründet hat. Aber hier soll es um eine der neuesten Revolutionen der Krebstherapie gehen, die CAR-T-Zellen. Und vor allem soll es darum gehen, wie die CAR-T-Zelltherapie in Zukunft noch effektiver und vielseitiger werden könnte.

Zelltherapie mit chimären Rezeptoren

Bei CAR-T-Zellen handelt es sich um den Wirkstoff (ja, auch ganze Zellen können ein Wirkstoff sein!) einer Zelltherapie zur Behandlung verschiedener Krebserkrankungen. Und das Prinzip dahinter ist so simpel wie genial: denn die CAR-T-Zelltherapie ermöglicht es unserem Immunsystem, Tumorzellen zu erkennen und zu töten. Dazu werden Patient:innen eine Art von Immunzellen – die T-Lymphozyten – entnommen, die dann gentechnisch modifiziert werden. Mithilfe eines viralen Vektors wird ein Gen in die Zellen eingeschleust, das für einen chimären Antigenrezeptor codiert (= CAR). Dafür werden z.B. Lentiviren verwendet, die häufig zur Transduktion (= Gentransfer durch Viren) von Säugerzellen eingesetzt werden. Das Gen wird in das Erbmaterial der T-Zellen eingebaut, die den chimären Antigenrezeptor daraufhin stabil exprimieren. Es ist dieser chimäre Rezeptor, der es den CAR-T-Zellen ermöglicht, Tumorzellen zu erkennen. Aber wieso? Wie schafft er es, den Zellen diese Fähigkeit zu verleihen?

Übersicht über den Ablauf der CAR-T-Zelltherapie (Bild: Michels, A. et al. 2020, DOI 10.1007/s00103-020-03222-8, CC BY 4.0)

Zusammengepuzzelte CARs

Manche Krebsarten exprimieren vermehrt bestimmte Antigene. Das bedeutet, dass von einer oder mehreren Arten von Proteinen mehr gebildet wird und diese dann auch auf der Oberfläche der Krebszellen sichtbar sind. CARs werden so entworfen, dass sie genau diese Antigene erkennen können. Häufig ist der Bereich der CARs, der dafür zuständig ist, an der Antigen-bindenden Struktur von Antikörpern orientiert. An dieser Antigen-bindenden Domäne hängt ein Linker, der sie mit einer Transmembrandomäne verbindet. Diese liegt (wie der Name vermuten lässt) innerhalb der Membran der CAR-T-Zellen. Sie leitet das Signal, dass der Rezeptor ein Tumor-Antigen gebunden hat, in das Innere der Zelle weiter. Die Transmembrandomäne stammt normalerweise aus einem von mehreren natürlich vorkommenden Proteinen aus Immunzellen (u.a. CD28 oder CD3).

Modell eines CARs (pink und orange) in der Memran (grau) zusammen mit dem Signalprotein ZAP70 (blau) (Bild: PDB-101, D. Goodsell, http://doi.org/10.2210/rcsb_pdb/mom_2017_10)

Im Inneren der Zelle angekommen folgt dann „nur“ noch die Signaldomäne. Sie ist der am ausführlichsten untersuchte Teil der CARs. Sie besteht ebenfalls aus einem Teil des CD3-Antigens, das aus „normalen“ T-Zellen stammt. Die Aktivierung des CARs führt dazu, dass einige Tyrosin-Aminosäuren der Signaldomäne phosphoryliert, also chemisch mit einer Phosphatgruppe verknüpft werden. Phosphorylierungen fungieren in der Biologie häufig als Signalweiterleitung. So auch hier, denn die Phosphorylierung der Signaldomäne aktiviert die T-Zelle, die daraufhin die von ihr erkannte Tumorzelle abtötet. Das allein reicht aber oft nicht aus. Deshalb wurden in der „zweiten Generation“ von CARs co-stimulierende Domänen hinzugefügt. Diese stammen ebenfalls aus Immunzellen und haben dort im Prinzip die gleiche Aufgabe. Sie verstärken das Signal zur Aktivierung von T-Zellen, aber mit dem kleinen Unterschied, dass in natürlichen T-Zellen der T-Zell-Rezeptor und der Co-Stimulator zwei getrennte Proteine sind.

Antigene erkennen ohne Brimborium

Ein chimärer Antigenrezeptor besteht also aus vielen unterschiedlichen Immunzell-Proteinen, die „einfach“ zu einem Rezeptor kombiniert wurden. Aber wieso das Ganze, wenn auch natürlich vorkommende Immunzellen die einzelnen Proteine besitzen? Um das zu verstehen, müssen wir uns erstmal anschauen, wie T-Zellen normalerweise aktiviert werden:

Zuerst ein kleiner Disclaimer: Es gibt diverse unterschiedliche Arten von T-Zellen, und nur eine davon, die zytotoxischen T-Zellen (die auch so schön poetisch T-Killerzellen genannt werden) tötet wirklich von ihr erkannte infizierte oder maligne Zellen ab. Die anderen sind dafür zuständig, Signalmoleküle auszuschütten, die Immunantwort zu regulieren oder ein immunologisches Gedächtnis zu bilden. Behaltet also einfach im Hinterkopf, dass „Die T-Zelle tötet die erkannte Zelle ab“ eine starke Vereinfachung ist.

Aber wie funktioniert dieses Erkennen und Abtöten jetzt? Zu diesem Zweck haben die T-Zellen den T-Zell-Rezeptor (der – wie das meiste in der Immunologie – ganz schön kompliziert aufgebaut ist). Mit diesem Rezeptor können die T-Zellen Antigene erkennen. In diesem Fall sind das Bestandteile von infizierten oder entarteten Zellen. Der T-Zell-Rezeptor kann diese Antigene aber nicht einfach so erkennen, nein, sie müssen ihm stattdessen von der anderen Zelle präsentiert werden. Dafür gibt es spezielle Proteine, die MHC-I heißen. Mit deren Hilfe präsentieren Zellen Schnipsel von quasi allen Proteinen, die sich in ihrem Inneren befinden. Bindet jetzt der T-Zell-Rezeptor ein Antigen auf einem MHC-I-Komplex, dann kommen die oben schon erwähnten Co-Stimulatoren ins Spiel. Diese müssen auch noch ihre entsprechenden Gegenstücke auf der Antigen-präsentierenden Zelle binden. Und wenn das der Fall ist, dann weiß die T-Zelle, dass es sich bei der Antigen-präsentierenden Zelle z.B. um eine Tumorzelle handelt und tötet sie ab. (Oder entfaltet eine der anderen möglichen Effekte von T-Zellen).

Das Schöne an CAR-T-Zellen ist, dass sie dieses ganze Brimborium mit MHC-I und Co-Stimulatoren nicht brauchen. Sie können Antigene dank der CARs auch einfach so erkennen. Das ist auch gut so, denn manche Krebszellen verzichten einfach darauf, ihre Antigene mit MHC-I zu präsentieren und können deshalb nicht vom Immunsystem erkannt werden (das ganze nennt sich Immunevasion). Die CAR-T-Zellen ermöglichen es dem Immunsystem aber wieder, diese Tumorzellen trotzdem zu erkennen und zu bekämpfen.

Künstlerische Darstellung einer CAR-T-Zelle (blau), die mit ihren CARs (rot) eine Leukämiezelle (grün) erkennt und attackiert (Bild: PDB-101, D. Goodsell, http://doi.org/10.2210/rcsb_pdb/mom_2017_10)

Was CAR-T-Zellen können und was sie nicht können

Aktuell sind sechs CAR-T-Zelltherapien in der EU zugelassen. Sie erkennen eines der beiden Proteine CD19 und BCMA, die in B-Lymphozyten vorkommen. Daher werden diese CAR-T-Zelltherapien auch bei Tumorerkrankungen von B-Lymphozyten wie beispielsweise der akuten lymphatischen Leukämie eingesetzt. Diese Behandlungen sind zwar extrem teuer – mehrere hunderttausend Euro – aber auch oft die letzte Hoffnung für Patient:innen. Und tatsächlich erreichen die CAR-T-Zelltherapien zum Teil sehr beeindruckende Heilungsraten.

Aber wieso werden CAR-T-Zellen dann nicht für viel mehr Arten von Krebserkrankungen verwendet? Die CAR-T-Zelltherapie bringt auch einige Schwierigkeiten mit sich. Einerseits können die CAR-T-Zellen sehr drastische Nebenwirkungen und toxische Effekte haben. Eine der Nebenwirkungen, das manchmal sogar lebensbedrohliche Zytokin-Freisetzungssyndrom, entsteht vermutlich, weil die CAR-T-Zellen “zu gut” sind. Denn weil auf einmal massenhaft Tumorzellen absterben, werden sehr viele Botenstoffe freigesetzt, die beispielsweise Fieber und Atembeschwerden auslösen können.

Außerdem ist die Verwendung von CAR-T-Zellen bei soliden Tumoren eine besondere Herausforderung. Denn einerseits müssen die CAR-T-Zellen erstmal einen Weg finden, in diese Tumore eindringen zu können. Andererseits schaffen Tumore sich oft eine Umgebung, in der Immunreaktionen unterdrückt werden. Zudem sind die Antigene aus soliden Tumoren viel häufiger auch in gesunden Zellen vorhanden, so dass es zu on-target off-tumor Effekten kommen kann, bei denen die CAR-T-Zellen gesundes Gewebe angreifen.

Allogene und ausschaltbare CAR-T-Zellen

Welche Möglichkeiten gibt es, diese Probleme zu lösen? Eine mögliche Lösung für die hohen Kosten könnten sogenannte allogene CAR-T-Zellen sein. Denn bisherige CAR-T-Zelltherapeutika werden aus den eigenen Zellen von Patient:innen hergestellt. Daher ist das jedes Mal ein individueller Prozess. Die Zellen von externen Spender:innen zu verwendet würde es ermöglichen, CAR-T-Zellen schon im Voraus in größeren Mengen herzustellen. Außerdem wären sie dadurch sofort einsatzbereit, anstatt erst nach der individuellen Herstellung, während der die Erkrankung weiter fortschreiten kann. Allerdings müssen dafür neue Probleme gelöst werden. Denn die fremden T-Zellen könnten zu einer Graft-versus-Host-Reaktion führen, also einer zytotoxischen Reaktion auf die allogenen Zellen. Außerdem werden die allogenen CAR-T-Zellen schneller durch das Immunsystem von Patient:innen beseitigt.

Um das Problem der Toxizität zu lösen, können Veränderungen am CAR selbst vorgenommen werden. Die co-stimulierende Domäne hat zum Beispiel einen großen Einfluss auf die Entstehung des Zytokin-Freisetzungssyndrom. Und tatsächlich könnte es auch helfen, die Affinität des Rezeptors für das Antigen zu verringern. Das vermindert zwar etwas die Wirksamkeit, aber vor allem attackieren die CAR-T-Zellen dadurch kaum noch gesundes Gewebe, sondern nur noch Tumorzellen.

Eine sehr spannende Möglichkeit sind ausschaltbare CAR-T-Zellen. Sie können durch die Gabe eines anderen Stoffs ausgeschaltet werden, sobald zu starke Nebenwirkungen auftreten. Das hat allerdings den Nachteil, dass dann keine CAR-T-Zellen mehr vorhanden sind, um die ursprüngliche Erkrankung zu bekämpfen. Daher wären CAR-T-Zellen am besten, die reversibel ausgeschaltet werden können. Eine Möglichkeit dafür, die schon untersucht wurde, ist der Tyrosinkinasehemmer Dasatinib. Es verhindert, dass die CAR-T-Zellen aktiviert werden können. Sobald es allerdings nicht mehr gegeben wird, sind die Zellen wieder aktivierbar und einsatzbereit.

Fazit

Das war jetzt ein ziemlich langer Text, aber über CAR-T-Zelltherapie gibt es auch einfach viel zu sagen. Das Konzept ist super spannend, und die Möglichkeit, Immunzellen so zu verändern, dass sie gegen Tumorzellen vorgehen, ist ein enormer Erfolg in der Krebstherapie.

Trotzdem müssen wir Wege finden, um das Konzept breiter anwenden zu können, gerade für solide Tumore. Auch dafür existieren tatsächlich schon Ideen (z.B. probiotic-guided CAR-T-Zellen), wie auch für viele andere Möglichkeiten, die Hürden zu einer breiteren Anwendung zu überwinden. Die Forschung an CAR-T-Zellen geht auf jeden Fall weiter, und wir werden abwarten müssen, ob und welche weiteren CAR-T-Zelltherapeutika ihren Weg in die Klinik finden.

Falls euch dieser Text gefallen hat, dann abonniert doch gerne meinen Email-Newsletter. Damit verpasst ihr in Zukunft keine neuen Beiträge auf PharmBlog mehr. Und falls ihr noch mehr zu dem Thema lesen möchtet, empfehle ich euch diese Review, das allerdings auch schon von 2019 ist und daher die allerneuesten Themen möglichweise nicht abbildet.

Nobelpreis Spezial: Chemie 2023

Die Preisträger des Nobelpreises für Chemie 2023 wurden bekannt gegeben – durch einen Leak tatsächlich einige Stunden zu früh – und der Preis geht dieses Jahr an Alexei Ekimov, Louis Brus und Moungi Bawendi. Ausgezeichnet werden die für „die Entdeckung und Synthese von Quantum Dots“.

Die Preisträger und ihre Teams haben zum ersten mal (bewusst) ein Material hergestellt, dessen Eigenschaften durch Quanteneffekte bestimmt werden. Mir ist bewusst, das sich das ganz schön kompliziert anhört und auch ich dachte erstmal, dass dieser Beitrag eine ganz schöne Herausforderung wird. Aber zumindest wenn wir uns einfach anschauen, was die Preisträger gemacht haben und was das für die Wissenschaft und unseren Alltag bedeutet, sind die Quantum Dots tatsächlich sehr spannend und gar nicht so schwer zu verstehen.

Wenn ihr allerdings tiefer in das Thema einsteigen wollt, möchte ich euch direkt die Advanced Information auf der Webseite des Nobelpreises empfehlen. Dort könnt ihr ausführlichere und sehr schön aufbereitete Hintergrundinfos finden.

Nanokristalle in farbigem Glas

Die Geschichte dieses Nobelpreises beginnt mit farbigem Glas. Farbiges Glas wird schon lange durch die Zugabe verschiedenster Stoffe hergestellt, zum Beispiel Gold oder Cadmium. Die zugesetzten Stoffe formen Kolloide im Glas. Das heißt hier, dass sie sehr kleine, fein verteilte Partikel bilden, mit dem Glas als sogenanntes Dispersionsmedium.

Alexei Ekimov wollte herausfinden, wie diese kolloidalen Zusatzstoffe die optischen Eigenschaften des Glases verändern. Dazu stellt er Glas her, in dem sich winzig kleine Kupfer(I)-chlorid- (CuCl-)Kristalle bildeten. Interessanterweise änderte sich die Absorption dieses Glases je nachdem, wie groß die CuCl-Partikel waren. (Absorption ist die Aufnahme von Lichtenergie. Der absorbierte Teil des Lichts ist also der Teil, der nicht durchgelassen oder reflektiert wird.)

Ekimov konnte nachweisen, dass sich die Größe der Partikel im Nanometer-Bereich (1 nm ist ein Milliardstel eines Meters) befand, und dass sie damit so klein waren, dass die Änderung der Absorption von Licht durch Quanteneffekte verursacht wurde.

Wieso ist das so wichtig? Nun, typischerweise werden sowohl die optischen als auch die chemischen Eigenschaften eines Materials durch dessen Elektronenstruktur bestimmt, also wie viele Elektronen es hat und welche Energiezustände ihnen zur Verfügung stehen. Schon länger existieren theoretische Überlegungen, dass sich das ändert, sobald die Teilchen eines Materials nur klein genug sind. Dann verfügen sie nicht mehr über die Eigenschaften des Bulk-Materials, die durch die Elektronenstruktur bestimmt sind, sondern besitzen durch Quanteneffekte neue Eigenschaften. Ekimov ist es also gelungen, ein solches Material erstmals experimentell nachzuweisen.

Quantum Dots auch ohne Glas

Allerdings sind Nanopartikel in Glas nicht sonderlich praktisch, wenn man weiter mit ihnen arbeiten möchte. Hier kommt jetzt Louis Brus ins Spiel (ohne dass er von den Erkenntnissen Ekimovs wusste).

Brus und seine Kolleg:innen konnten kolloidale Cadmiumsulphid- (CdS-)Nanopartikel in einem flüssigen Dispersionsmittel herstellen. Die frischen Nanopartikel waren nur wenige Nanometer groß, mit der Zeit entstanden durch Ostwald-Reifung jedoch immer größere Partikel. Als Ostwald-Reifung wird das Phänomen bezeichnet, dass im Laufe der Zeit größere Nano- und Mikropartikel auf Kosten von kleineren Partikeln wachsen, und die kleineren dadurch nach und nach verschwinden (tatsächlich ist Ostwald-Reifung auch in der Pharmazeutischen Technologie ziemlich relevant).

Auch Brus konnte dann beobachten, dass die frischen, kleinen Nanopartikel andere optische Eigenschaften hatten als die „gereiften“ größeren. Das liegt daran, dass in einem Halbleiter wie CdS die Bandlücke der Nanopartikel – wenn sie klein genug sind – von der Größe der Nanopartikel abhängt.

Die Bandlücke ist abhängig von der Größe der Quantum Dots (Bild: The Royal Swedish Academy of Sciences / Dong et al. 2015)

Die Bandlücke steht für die Energie zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband, den beiden Energiebereichen, in denen sich Elektronen aufhalten können. Wenn ein Halbleiter angeregt wird, z.B. durch Licht, gehen Elektronen aus dem energieärmeren Valenzband in das energiereichere Leitungsband über. Von der Größe dieser Bandlücke hängt dann ab, welche Wellenlängen des Lichts bei der Anregung absorbiert werden. Je kleiner ein entsprechendes Nanopartikel, ein Quantum Dot, wird, desto größer wird die Bandlücke und desto kurzwelligeres Licht wird benötigt, um Elektronen anzuregen. Das absorbierte (und auch wieder emittierte) Licht wird also immer blauer.

(Bild: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences)

Zuverlässige Herstellung

Leider waren die Herstellungsmethoden für Quantum Dots noch sehr kompliziert und vor allem unzuverlässig. Moungi Bawendi entwickelte mit seinem Team eine Methode, mit der die benötigten Nanopartikel relativ einfach, zuverlässig und mit einer hohen Qualität hergestellt werden konnten. Dazu werden die Ausgangsstoffe für die Nanopartikel in ein heißes Lösungsmittel gegeben, wo sofort kleine Kristalle entstehen. Da dieses Kristallwachstum aber Wärme benötigt, und die Zugabe der Ausgangsstoffe das Lösungsmittel abkühlt, hören die Kristalle auch sehr schnell wieder auf zu wachsen. Wird das System dann wieder erhitzt, beginnen die Kristalle wieder zu wachsen, und über das kontrollierte Erhitzen kann die Größe der entstehenden Partikel bestimmt werden. Dieses Verfahren hat die breite Verwendung von Quantum Dots erst ermöglicht.

Herstellung von Quantum Dots (Bild: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences)

Aber wofür werden sie überhaupt verwendet? Beispielsweise in Bildschirmen, wo die Eigenschaft der Quantum Dots ausgenutzt wird, dass sie nach Anregung und Absorption von blauem Licht wieder Licht mit einer längeren Wellenlänge (d.h. röteres Licht) aussenden. Aber auch in Photovoltaik-Technologien kommen die Quantum Dots zum Einsatz. Außerdem lassen sich mit ihrer Hilfe sowohl Moleküle innerhalb von Zellen und Organen verfolgen als auch Tumorgewebe innerhalb eines Körpers, was biologische und medizinische Anwendungen ermöglicht.

Das war es jetzt von mir zum Chemie-Nobelpreis 2023. Wie gesagt kann ich euch für mehr Informationen auf jeden Fall die Advanced Information der Nobelpreis-Website ans Herz legen. Und wenn ihr meinen Text über den ebenfalls sehr spannenden Medizin-Nobelpreis 2023 lesen wollt, findet ihr ihn hier.

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Gratulation an Alexei Ekimov, Louis Brus und Moungi Bawendi!

Nobelpreis-Spezial: Physiologie oder Medizin 2023

Es ist wieder die Zeit des Jahres, zu der die Nobelpreise verkündet werden. Den Anfang gemacht hat heute – am 02.10.23 – der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin, und ich denke, dass das Ergebnis für viele nicht sehr überraschend war. Denn gewonnen haben Katalin Karikó und Drew Weissman „für ihre Entdeckungen zu Modifikationen von Nukleobasen, die die Entwicklung von effektiven mRNA-Impfstoffen gegen COVID-19 ermöglichten“.

Die schnelle Entwicklung von Impfstoffen gegen COVID-19 während der Pandemie war ohne Frage ein unglaublicher Erfolg und hat Millionen von Menschenleben gerettet. Daher war es eigentlich auch nur eine Frage der Zeit, bis dafür auch ein Nobelpreis verliehen wird. Tatsächlich ist es aber doch recht ungewöhnlich, dass es diesen Preis so „früh“ nach der Entwicklung der Impfstoffe gibt, denn häufig vergehen nach der Leistung, die ausgezeichnet wird und der Preisverleihung deutlich mehr Jahre. Allerdings sind die Beweise, dass mRNA-Impfstoffe ein großer Erfolg und dieses Preises absolut würdig sind auch so überwältigend, dass diese Ausnahme wohl verständlich ist.

Ich persönlich hätte – nach der Argumentation von Lars Fischer in diesem Artikel – diesen Preis eher in der Kategorie Chemie gesehen, zusammen mit einer Auszeichnung für die chemische DNA-Synthese. Tatsächlich war das eine sehr häufige Prognose und jetzt bleibt es wohl spannend, wer stattdessen mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet wird.

Das war jetzt aber genug des Vorgeplänkels. Schauen wir uns endlich die Wissenschaft an, für die Karikó und Weissman diesen Preis bekommen haben.

Nukleobasen und mRNA-Modifikationen

Grundsätzlich ist es keine neue Idee, RNA oder DNA für Impfstoffe einzusetzen, da das einige Vorteile gegenüber typischen Impfstoffen aus attenuierten oder inaktivierten Viren oder auch vektor-basierten Impfstoffen bietet (von denen eine billigere Produktion nicht der Unwichtigste ist). Lange Zeit war aber die Immunogenität dieser Impfstoffe ein großes Problem, neben einigen anderen Problemen mit ihrer Effektivität. Immunogenität bedeutet, dass sie eine starke Entzündungsreaktion auslösten und damit einfach unbrauchbar für den Einsatz als Impfstoff waren.

Das liegt daran, dass unsere Zellen eine eingebaute Abwehr gegen fremde RNA besitzen. Viele Viren haben nämlich ein Erbgut aus RNA, und diese virale (aber auch bakterielle) RNA erkennen und neutralisieren zu können ist extrem wichtig für unseren Schutz vor Infektionen. Daher gibt es in unseren Zellen Rezeptoren – die toll-like Rezeptoren, kurz TLRs – die diese Aufgabe übernehmen.

Karikó und Weissman haben mit ihren Teams erkannt, dass dieser Schutzmechanismus auch von in vitro-transkribierter mRNA ausgelöst wird. Das ist mRNA, die nicht aus Zellen stammt und eben jene, die für Impfstoffe eingesetzt wird. Denn die in vitro-transkribierte mRNA ist genauso wie virale und bakterielle mRNA wenig modifiziert. Eukaryoten wie wir Menschen hingegen verändern unsere mRNA ziemlich stark. Und an diesen Veränderungen unterscheidet unser Immunsystem unsere eigene von fremder mRNA.

RNA besteht im Prinzip aus einer Abfolge von vier Nukleobasen, die an einem Rückgrat aufgereiht sind. Das sind einmal Adenin, Guanin und Cytosin, genau wie bei der DNA. Wo bei der DNA aber die Base Thymin ist, hat die mRNA stattdessen die Base Uracil. Wie gesagt werden diese Basen von unseren Zellen noch zusätzlich verändert. Die entscheidende Idee für die mRNA-Impfstoffe war es also, auch die Basen der Impfstoff-mRNA zu verändern.

Karikó und Weissman entdeckten, dass die Modifikation von Uridin die Immunreaktion auf die in vitro-transkribierte mRNA fast vollständig verhinderte, und dass der Austausch von Uridin zu der Base Pseudouridin zusätzlich noch die Proteinexpression deutlich erhöhte. Dadurch entstehen nicht nur weniger Entzündungsreaktionen, sondern die Effektivität der Impfstoffe wurde auch erhöht, weil mehr des Antigens, für das die Impfstoff-mRNA codiert, hergestellt wird.

Strukturen von Uridin, Pseudouridin und N1-Methylpseudouridin (Kim et al. 2022, DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111300)

Außerdem fanden die beiden Preisträger:innen heraus, dass bei der Herstellung der Impfstoff-mRNA auch kleine Mengen an doppelsträngiger RNA entstehen, die ebenfalls von toll-like Rezeptoren erkannt wird. Karikó und ihr Team entwickelten daraufhein eine Technik, um diese Verunreinigungen mittels HPLC zu entfernen.

Damit hatte der Siegeszug der mRNA-Modifikation für Impfstoffe begonnen, und auch die beiden mRNA-Impfstoffe gegen COVID-19 von BioNTech und Moderna enthalten diese Modifikationen. Bei ihnen kommt vor allem die modifizierte Base N1-Methylpseudouridin zum Einsatz, die sich als noch effektiver als Pseudouridin herausstellte.

Ich hoffe, das hat euch einen kleinen Überblick über die Wissenschaft hinter diesem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin gegeben. Wenn ihr noch mehr erfahren wollt, kann ich euch wie immer die sehr ausführlichen Advanced Information auf der Webseite der Nobelpreise empfehlen, oder auch dieses Review zu mRNA-Impfstoffen von 2021.

Natürlich wird es auch zu dem Chemie-Nobelpreis 2023 einen Text von mir geben, und bis dahin könnt ihr gerne meinen Newsletter abonnieren, damit ihr keinen Blogbeitrag mehr verpasst.

Gratulation an Katalin Karikó und Drew Weissman!

Biomolekül des Monats: Steroide und Isoprenoide

Quizfrage: Was haben Cholesterin, Vitamin E, die ätherische Ölkomponente Limonen und Testosteron gemeinsam? Ihre Biosynthese beginnt mit ein und dem selben Stoff. Zumindest formal gesehen ist dieser Stoff Isopren, weshalb sie auch alle zu der Stoffklasse der Isoprenoide gehören.

Die Isoprenoide

Isopren und die Isoprenoide sind meine Biomoleküle des Monats. Wir werden uns anschauen, weshalb der Vorläufer der Isporenoide eben nur formal gesehen das Isopren ist, wie die Biosynthese funktioniert und warum vor allem die Untergruppe der Steroide extrem wichtig für unsere Gesundheit und die Pharmazie ist.

Isopren ist ein relativ kleiner Kohlenwasserstoff mit zwei Doppelbindungen, der – wenn man ihn im richtigen Winkel betrachtet – ein bisschen aussieht wie ein Pferd. Er kommt in der Natur ziemlich häufig vor, aber eben nicht (anders als der Name vermuten lässt) als Ausgangsstoff für die Biosynthese der Isoprenoide.

Struktur von Isopren

Dafür werden nämlich zwei Stoffe verwendet, die man als aktiviertes – also als für eine chemische Reaktion zugänglich gemachtes – Isopren bezeichnen könnte: IPP und DMAPP. Das steht für Isopentylpyrophosphat und Dimethylallylpyrophosphat. Aber weil ich mich dabei immer mindestens einmal verschreibe, bleibe ich bei den Abkürzungen.

Es gibt wirklich sehr viele Isoprenoide, und sie kommen in jeder Domäne des Lebens vor. Gerade Pflanzen bilden viele Terpene, eine Untergruppe der Isoprenoide, zu der z.B. ätherische Öle und einige Vitamine (und Vitamin-Vorläufer) gehören.

Aber ich möchte mich hier eher auf eine sehr wichtige Art der tierischen (und damit auch die menschlichen) Isoprenoide konzentrieren: die Steroide.

Die Steroide

Steroide entstehen im Prinzip dadurch, dass erst ein Molekül IPP und ein Molekül DMAPP miteinander verknüpft werden. Danach werden einfach nur immer mehr IPP-Einheiten angehängt, bis eine ziemlich lange Kette entstanden ist, das Squalen. Dann wird aus dieser langen Kette ein Ringsystem mit fünf Ringen gebildet, das Grundgerüst aller Steroide.

Und an dieses Grundgerüst können dann diverse „Dekorationen“, also unterschiedliche chemische Gruppen, angehängt werden. Erstmal entsteht daraus Cholesterin. Die meisten Menschen kennen Cholesterin wahrscheinlich als Risikofaktor für Herzinfarkte oder Schlaganfälle. Und das ist es auch, wenn die Konzentration an „schlechtem Cholesterin“ – dem Lipoprotein LDL – im Blut zu hoch ist. Aber Cholesterin ist auch ein extrem wichtiger Bestandteil unserer Zellmembranen, denn es verleiht ihnen unter anderem ihre Fluidität.

Und außerdem entstehen aus Cholesterin auch alle Steroidhormone. Dazu gehört das Stresshormon Cortisol, von dem wahrscheinlich auch alle schon einmal gehört haben. Die Ausschüttung von Cortisol hat sehr viele verschiedene Wirkungen auf den Körper, beispielsweise fördert es den katabolen (also den abbauenden) Stoffwechsel oder beeinflusst den Blutdruck. Und natürlich sind Cortisol und seine synthetischen Derivate aus der Arzneitherapie nicht mehr wegzudenken, wo sie extrem erfolgreich zur Entzündungshemmung verwendet werden.

Übersicht über die Biosynthese der Steroidhormone, die alle aus Cholesterol gebildet werden (Bild: Mikael Häggström derivative work (german translation): Benff, CC BY-SA 3.0)

Sehr (wirklich sehr) ähnlich zum Cortisol ist das Aldosteron, das in der Niere wirkt. Dort hemmt es die Ausscheidung von Na+-Ionen, und durch den resultierenden osmotischen Druck auch die Ausscheidung von Wasser. Dadurch wird sowohl der Elektrolythaushalt als auch der Blutdruck reguliert. Und auch hier kann natürlich mit Arzneistoffen eingegriffen werden, mit dem Aldosteron-Agonisten Fludrocortison oder verschiedenen Antagonisten, die als Diuretika eingesetzt werden.

Letztendlich sind da dann noch die Sexualhormone, die auch zu den Steroiden zählen und aus Cholesterin entstehen. Die Sexualhormone und alle in diesem Bereich wirkenden Arzneistoffe sind selbst ein so großes Thema, dass sie wohl einen eigenen Text verdienen (weshalb sie bald auch einen eigenen Beitrag von mir bekommen).

Das war ein (sehr kleiner) Überblick über die Isoprenoide und Steroide. Natürlich gäbe es noch weit mehr zu sagen, aber für den Moment möchte ich nur noch eine Sache erwähnen. Denn was wäre ein Text über Isoprenoide, ohne die Statine zu erwähnen. Das ist eine Klasse von Arzneistoffen, die sehr früh in der Biosynthese der Isoprenoide eingreifen, bei dem Enzym HMG-CoA-Reduktase. Das ist zuständig für die Herstellung von Mevalonat, aus dem dann wiederum die beiden Bausteine IPP und DMAPP gebildet werden. Durch die Hemmung der Herstellung dieser Bausteine wird die körpereigene Cholesterin-Synthese heruntergefahren und der LDL- Spiegel, also das „schlechte Cholesterin“ nimmt ab. Das macht die Statine sehr wichtig in der Behandlung und Prophylaxe von Herz-Kreislauf-Erkrankungen.

Das war es jetzt aber wirklich mit diesem Biomolekül (oder eher diesen Biomolekülen) des Monats. Wenn es euch gefallen hat, schaut euch doch gerne die Texte der letzten Monate an, oder abonniert meinen Newsletter, um nichts mehr zu verpassen.

Wirkstoffe mit neuem Wirkprinzip: PROTACs

Viele Arzneistoffe funktionieren nach dem gleichen Prinzip. Der Wirkstoff bindet an ein Enzym und hemmt es. Zum Beispiel Ibuprofen, das an das Enzym COX bindet und seine Funktion hemmt. Denn COX produziert normalerweise entzündungsfördernde Stoffe, was durch Ibuprofen dann verhindert wird. Das ist ein lang erprobtes und sehr erfolgreiches Prinzip. Aber es hat auch Schwächen und Limitation, und um die zu überwinden, braucht es Arzneistoffe, die nach einem neuen Prinzip funktionieren. 2001 wurde eine solche Gruppe von Arzneistoffen entdeckt, die seither in der Arzneistoffentwicklung immer beliebter wird: die PROTACs.

In diesem Text geht es um diese neue Gruppe von Arzneistoffen. Darum, was PROTACs so anders macht, was sie besser können als andere Stoffe, und welche Probleme vielleicht noch überwunden werden müssen.

Was sind PROTACs?

PROTAC steht für PROteolysis Targeting Chimera, und in diesem Namen steckt schon sehr viel von dem was PROTACs tun: Proteolyse bezeichnet den Abbau von Proteinen. Es gibt viele unterschiedliche Gründe, weshalb Proteine in einer Zelle abgebaut werden sollten. Daher ist es auch nicht überraschend, dass es dafür eine eigene Maschinerie in der Zelle gibt, das Proteasom. Aber woher weiß das Proteasom, welche Proteine nicht mehr gebraucht werden? Die Proteine, die im Proteasom abgebaut werden sollen, sind dafür mit Ubiquitin markiert, dem Signal zum Abbau.

Struktur des menschlichen 20S Proteasoms (Toste Rego et.al., Mol Cell, 2019)

Durch die Ubiquitinierung (die Verknüpfung eines Protein mit Ubiquitin) weiß das Proteasom also, dass eben dieses ubiquitinierte Protein abgebaut werden soll. Aber wie kommt das Ubiquitin an dieses Protein? Das geschieht nicht einfach so, sondern durch Enzyme: E1, E2 und E3 (und ja, wie die meisten Enzyme haben die eigentlich längere und kompliziertere Namen, aber das soll uns jetzt egal sein).

Genau an dieser Stelle setzen die PROTACs an: Denn sie sorgen dafür, dass ein bestimmtes Protein durch diese Enzyme ubiquitiniert und damit für den Abbau markiert wird. Wenn wir das mit „normalen“ Arzneistoffen vergleichen, wird der unterschied sehr deutlich: Ein „normaler“ Arzneistoff hemmt ein Enzym oder einen Rezeptor, das oder der dann nicht mehr richtig arbeiten kann. Ein PROTAC sorgt nicht dafür, dass sein Zielprotein (sein Target) nicht mehr richtig funktioniert, sondern stattdessen direkt komplett abgebaut wird und deshalb seine Funktion nicht mehr erfüllen kann.

Bevor wir uns anschauen, was das für Vorteile hat und wieso PROTACs gerade so beliebt sind, müssen wir aber erst einmal verstehen, wie sie funktionieren. Und dafür müssen wir uns genauer mit ihrer Chemie beschäftigen.

Die Chemie der PROTACs

PROTACs bestehen aus drei Teilen: Einem Teil, der an das Zielprotein bindet, einem Teil, der an das E3-Enzym bindet, und einem Linker, der die beiden anderen Teile miteinander verbindet. Sie sind also bifunktional, weil sie an zwei Proteine gleichzeitig binden können.

Für die Interaktion mit E3 gibt es natürlich verschiedene Möglichkeiten. Zum Beispiel kann der E3 Ligand entweder ein Peptid sein (also aus Aminosäuren aufgebaut) oder auch ein small molecule. Und auch die Wahl des richtigen Linkers ist nicht so einfach. Wie lang muss der Linker sein? Wie flexibel muss er sein? Wo muss er an den anderen Teilen befestigt sein? Und wie stört er die Bindung an das Target und an E3 nicht? Letztendlich gilt es dann noch, den richtigen Liganden für das Zielprotein auszuwählen. Wir schauen uns das mal am Beispiel des Stoffes SK-575 an:

SK-575 sorgt für den Abbau des Enzyms PARP1, das DNA-Brüche repariert und dessen Hemmung in der Krebstherapie ausgenutzt wird. Der PARP1-bindende Teil ist Olaparib, ein Stoff, der auch allein PARP1 hemmen kann und deshalb vorher schon als Arzneistoff verwendet wurde. Der Linker ist dann eine ziemliche unpolare Alkylkette (fast nur Kohlenstoff und Wasserstoff), an dem die beiden anderen Teile über zwei Amide befestigt sind. Der E3-bindende Teil von SK-575 ist Thalidomid, das bereits als Wirkstoff z.B. bei Lepra verwendet wird. Aber der eine oder die andere wird jetzt wohl aufhorchen. Denn Thalidomid ist der Wirkstoff in Contergan, das in den 50er und 60er Jahren den Contergan-Skandal ausgelöst hat.

Struktur von SK-575 (Cao et al., Chem. Soc. Rev. 2022)

Thalidomid wurde bis in die 60er Jahre in dem Schlafmittel Contergan verwendet, das hauptsächlich an Schwangere vermarktet wurde. Leider löste es bei den ungeborenen Kinder schwere Fehlbildungen aus. Es bindet nämlich an eine Untereinheit von E3, wodurch der Abbau von bestimmten Proteinen verhindert und die Entwicklung der Gliedmaßen gestört wird.

Aber eben genau diese Eigenschaft, an E3 binden zu können, macht Thalidomid für die PROTACs so interessant. Es macht es möglich, PROTACs herzustellen, die sehr effizient an E3 binden und gleichzeitig viele andere Eigenschaften aufweisen, die ein Arzneistoff haben muss (z.B. dass die PROTACs überhaupt in die Zellen gelangen können). Selbstverständlich erfolgt der arzneiliche Einsatz von Thalidomid (und der anderen IMiDs Lenalidomid und Pomalidomid) heutzutage unter strenger ärztlicher Überwachung und niemals bei Schwangeren.

Die Wirkungsweise der PROTACs

Wir wissen jetzt, dass PROTACs bifunktional sind und gleichzeitig das Zielprotein und E3 binden können. Das Gebilde aus Target, E3 und PROTAC wird als ternärer Komplex bezeichnet. In dem ternären Komplex sind sich das E3-Enzym und das Target nahe genug, damit E3 (zusammen mit E2) seine Arbeit machen kann: es ubiquitiniert das Zielprotein und markiert es dadurch für den Abbau durch das Proteasom.

Das Schicksal des Zielproteins ist also besiegelt. Die Peptidbindungen zwischen seinen Aminosäuren werden gespalten und das Protein wird zerstört. Die dabei freiwerdenden Aminosäuren und Peptidfragmente können dann zum Beispiel verwendet werden, um neue Proteine aufzubauen.

Der PROTAC und E3 werden allerdings nicht mit abgebaut. Sie dissoziieren wieder ab, werden also freigesetzt, und können sich dem nächsten Zielprotein widmen. Dort kann der PROTAC wieder binden, E3 rekrutieren und der ganze Prozess geht wieder von vorne los.

Mit der Zeit wird dadurch ein ziemlich großer Teil aller Zielproteine in der Zelle abgebaut. Das hat auf den ersten Blick betrachtet den gleichen Effekt wie ein klassischer Hemmstoff: Das Zielprotein kann sine Arbeit nicht mehr machen. Wenn wir beim Beispiel SK-575 und Olaparib bleiben, dann kann das Target PARP1 keine DNA-Brüche mehr reparieren, und die Krebszelle stirbt.

Aber auf den zweiten Blick gibt es einige wichtige Unterschiede zwischen den PROTACs und klassischen Hemmstoffen, die wir uns jetzt anschauen.

Was haben PROTACs, was die anderen nicht haben?

Einen entscheidenden Vorteil habe ich zumindest schon angerissen. Denn da PROTACs nach dem Abbau des Targets wieder freigesetzt werden, ist ihr Wirkmechanismus katalytisch. Das bedeutet, dass nicht ein Molekül Arzneistoff für jedes einzelne Zielprotein gebraucht wird, sondern dass ein PROTAC-Molekül potentiell unendlich (potentiell heißt hier, in der Realität natürlich nicht unendlich, aber zumindest viele) Zielproteine in den Abbau führen kann. Dadurch braucht man eine sehr geringe Konzentration an Arzneistoff, um einen Effekt zu erzielen. Das ist besonders praktisch, wenn dadurch die Dosis eines Arzneistoffs mit starken Nebenwirkungen verringert werden kann, oder bei Stoffen, die ansonsten zu giftig wären, um sie einsetzen zu können.

Ein weiterer, sehr großer Vorteil ist, dass es bei PROTACs egal ist, wo sie an ihr Target binden. Denn klassische Hemmstoffe haben da keine Wahl, es gibt an ihren Zielproteinen nur eine oder wenige Stellen, die sie binden können, um die Aktivität des Zielproteins zu verändern – entweder das aktive Zentrum oder eine allosterische Bindestelle. Weil PROTACs die Funktion ihres Zielproteins nicht direkt beeinflussen müssen, können sie auch buchstäblich überall daran binden. Das führt auch dazu, dass sogenannte undruggable targets adressiert werden können, die zum Beispiel gar kein aktives Zentrum haben.

Und dann gibt es noch ein paar weitere Beispiele. So können klassische Hemmstoffe auch oft wieder aus der Bindung mit dem Zielprotein verdrängt werden, wenn der endogene Ligand bindet (Stichwort kompetitive Hemmung). Bei PROTACs kann das natürlich nicht passieren, denn wenn das das Zielprotein einmal abgebaut ist, ist es halt weg. Und auch die Entwicklung von Resistenzen gegen einen Arzneistoff könnte bei PROTACs unter Umständen langsamer ablaufen.

Und wo ist der Haken?

Ich muss zugeben, dass „wo ist der Haken?“ eine ziemlich provokante Frage ist. Denn PROTACs sind ein sehr vielversprechender Ansatz in der Arzneistoffentwicklung, und es gibt (noch, zumindest) keinen wirklichen Haken dabei. Aber es gibt eben auch einige Nachteile und offene Fragen, die ich euch nicht verschweigen möchte.

Ein Problem könnte sein, dass das Zielprotein zwar abgebaut wird, sich der gewünschte Effekt aber trotzdem nicht einstellt. Es kommt nämlich vor, dass die Funktion des Zielproteins dann einfach von einem anderen Protein übernommen wird, und der PROTAC damit praktisch unwirksam wird (zumindest teilweise). Dazu kommt noch, dass extrem viele verschiedene Formen des E3-Enzyms existieren, aber die meisten PROTACs nur auf ein paar wenige beschränkt sind. Eine Herausforderung für die Entwicklung neuer Stoffe ist also, auch diese E3-Formen als Ansatzpunkt für PROTACs zu gewinnen. Außerdem sind PROTACs oft sehr groß (also in molekularem Maßstab) und häufig relativ instabil oder reaktiv. Das macht es zu einer Herausforderung, dass sie nach peroraler Einnahme auch im Blutkreislauf und dann am Wirkort ankommen.

Oder, wie dieser Preprint zeigt, kann der Abbau bestimmter Proteine auch unerwartete Effekte haben (Derek Lowe hat auch einen sehr guten Text darüber geschrieben). Denn beim Abbau entstehen Peptide, die wiederum die Apoptose, also den programmierten Zelltod, auslösen. Das kann von Vorteil sein, z.B. bei der Krebsbehandlung, wenn sowieso das Ziel ist, dass Tumorzellen absterben. Wenn die Zellen aber nicht sterben sollen, kann das ein ziemliches Problem darstellen.

Die Zukunft von PROTACs in der Arzneistoffentwicklung

So, wir haben jetzt eine ganze Menge über PROTACs gelernt. Da stellt sich die Frage, wie relevant sie weiterhin in der Arzneistoffentwicklung, und letztendlich auch im klinischen Alltag sein werden.

Ich bin nicht in der Arzneistoffentwicklung tätig und habe daher auch eher einen beschränkten Überblick über das Feld. Aber in den letzten Jahren ist die Zahl der Veröffentlichungen über PROTACs deutlich angestiegen, und ich denke, dass sich das Interesse an ihnen auch noch lange anhalten wird.

Natürlich werden auch die traditionellen Hemmstoffe weiter ihren Platz in der Arzneistoff-Landschaft haben, aber das PROTAC-Prinzip scheint gut geeignet, um einige ihrer Limitationen zu überwinden. Ich denke daher, dass wir bald schon PROTACs auch in der klinischen Anwendung sehen werden.

Wenn ihr euch mehr einlesen wollt, kann ich dieses Review von 2022 empfehlen, und außerdem dieses wirklich sehr ausführliche Review, auf die ich auch diesen Text hauptsächlich gestützt habe.

Wenn euch dieser Beitrag gefallen hat, dann abonniert doch gerne auch meinen Newsletter, damit ihr nichts mehr verpasst (am Desktop direkt auf der rechten Seite und am Handy ganz unten in der Fußzeile). Oder schaut doch auch mal in meinen letzten Text über Ribosomen rein.

Biomolekül des Monats: Das Ribosom

Ich denke, es ist schon in mehreren meiner Texte deutlich geworden, dass Proteine extrem wichtig, facettenreich und spannend sind. Laut der Deutschen Gesellschaft für Ernährung besteht jede:r von uns aus etwa 7 bis 13 kg davon. Und diese Menge an Proteinen muss erst einmal hergestellt werden. Deshalb besitzt jeder Mensch in etwa 100 Trillionen (also 100.000.000.000.000.000.000) Stück des Organells, das für die Biosynthese von Proteinen zuständig ist: Das Ribosom. In diesem Text möchte ich euch zeigen, wie Ribosomen funktionieren und kann euch hoffentlich einen Eindruck davon vermitteln, wieso ich sie so faszinierend finde.

Was sind Ribosomen, und wie funktionieren sie?

Obwohl das Ribosom bisher das bisher größte Biomolekül des Monats ist und wohl auch für einige Zeit bleiben wird, ist es für ein Organell ziemlich klein. Ribosomen haben gerade einmal einen Durchmesser von ca. 20 nm und ein Gewicht von 4,2 MDa (= Megadalton). Da steht für Dalton und ist eine Einheit, die oft für (Bio-)Moleküle verwendet wird. Ein Dalton entspricht ungefähr dem Gewicht eines Protons oder Neutrons. Ein Ribosom wiegt damit in etwa ein trillionstel Gramm.

Ribosomen stellen zwar Proteine her, bestehen aber zum Teil auch selbst aus Proteinen. Außerdem bestehen sie aus RNA, die deshalb rRNA (ribosomale RNA) genannt wird. Aufgebaut sind Ribosomen aus zwei Untereinheiten, einer großen und einer kleinen.

Cryo-EM Struktur eines menschlichen Ribosoms (Khatter et al. 2015, https://doi.org/10.1038/nature14427 )

Zwischen diesen Untereinheit können Ribosomen einen mRNA-Strang binden (wie bei einem Burger: die Untereinheiten sind die Brötchenhälften und die mRNA ist der Belag). Die mRNA transportiert die Information, die auf DNA gespeichert ist, aus dem Zellkern zu den Ribosomen in das Cytosol. Ribosomen können dann die Protein-Baupläne, die auf der mRNA als Basenabfolge codiert sind, in eine Aminosäuresequenz übersetzen – und das Protein dann auch gleichzeitig herstellen.

Dazu benutzten Ribosomen nochmal eine andere Art von RNA: die tRNA. Wenn das Ribosom der Übersetzer zwischen mRNA und Protein ist, dann ist die tRNA das Wörterbuch. Sie kann – innerhalb des Ribosoms – an die mRNA binden. Jeweils drei Basen in der mRNA codieren für eine Aminosäure in einem Protein. Diese drei Basen (das Codon) erkennt die tRNA, und an ihrem anderen Ende trägt sie die passende Aminosäure. Wenn die tRNA an die mRNA bindet, wird diese Aminosäure dann zu der wachsenden Kette aus Aminosäure hinzugefügt. Für eine ausführlichere Erklärung dieses Prozesses (der Translation) schaut doch gerne hier.

Animation der Funktionsweise eines Ribosoms: Die große UE ist grün, die kleine UE ist gelb. Die blauen tRNA-Moleküle binden an den mRNA-Strang und die Aminosäurekette wächst. (Quelle: Bensaccount at en.wikipedia, CC BY 3.0)

Ich möchte jetzt nämlich noch eines der (für mich) faszinierendsten Dinge in der Biologie ansprechen: Den Fakt, dass es nur 20 verschiedene Aminosäuren gibt, aus denen Proteine bestehen können. (Der eine oder die andere wird jetzt Fragen: was ist mit Pyrrolysin und Selenocystein, sollten es dann nicht 22 Aminosäuren sein? Und ja, das stimmt, aber die beiden sind Spezialfälle und wir ignorieren sie jetzt einfach.) Obwohl es nur diese 20 verschiedenen Aminosäuren gibt, besitzen allein Menschen um die 100.000 verschiedene Proteine. Die haben außerdem extrem unterschiedliche Aufgaben, z.B. als Enzyme, als Transporter, als Antikörper oder als Strukturproteine wie Keratin, aus dem Haare bestehen. Und trotzdem, obwohl es eine solche unglaubliche strukturelle und funktionelle Vielfalt gibt, bestehen diese 100.000 unterschiedlichen Proteine nur aus 20 verschiedenen Aminosäuren.

Ribosomen und Antibiotika

Weil das hier ein Blog über die Wissenschaft hinter Arzneimitteln ist, gibt es noch eine Sache, die ich unbedingt ansprechen muss: Das sind die Antibiotika, die an der Proteinbiosynthese angreifen. Davon gibt es tatsächlich auch eine ganze Menge, zum Beispiel Erythromycin, Tetracyclin oder Gentamicin.

Das ist möglich, weil sich die Ribosomen von Eukaryoten (Lebewesen, die Zellkerne besitzen) wie Menschen relativ stark von den Ribosomen von Bakterien unterscheiden. Die eukaryotischen Ribosomen werden als 80S Ribosomen bezeichnet. S steht für Svedberg und ist eine etwas umständliche Einheit, die (in diesem Fall) vor allem die Größe der Ribosomen beschreibt. (Genau genommen ist es die Einheit für den Sedimentationskoeffizienten. Der hängt neben der Masse eines Teilchen von dessen Form und den Wechselwirkungen mit dem Lösungsmittel ab. Da Form und Wechselwirkungen bei Ribosomen aber ähnlich sind, beschreibt es hier v.a. den Massenunterschied.)

Die eukaryotischen 80S Ribosomen bestehen aus einer 60S Untereinheit und einer 40S Untereinheit. Die bakteriellen Ribosomen dagegen sind kleiner, es sind 70S Ribosomen mit einer 50S und einer 30S Untereinheit. Dieser Unterschied im Aufbau der Ribosomen ermöglicht es, dass Antibiotika selektiv nur an bakteriellen Ribosomen wirken können. Dadurch wird die Proteinbiosynthese der Bakterien gestört und sie sterben ab, während menschliche Zellen unbeschadet bleiben.

Natürlich gäbe es zu Ribosomen noch sehr viel mehr zu sagen. Trotzdem soll es das mit diesem Biomolekül des Monats jetzt gewesen sein. Wenn es euch gefallen hat, dann lest gerne auch den Beitrag von letztem Monat oder abonniert meinen Newsletter, um nichts mehr zu verpassen (am Desktop auf der rechten Seite oder am Handy ganz unten)!

Happy Birthday PharmBlog

Am 02.08.2022 habe ich hier auf PharmBlog den allerersten Beitrag veröffentlicht. Es ging damals um die Bedeutung der Pharmakokinetik, und ich habe versucht, in dem Beitrag einen kleinen Überblick über dieses weite Feld zu geben.

Jetzt, ein Jahr später, sind schon 12 weitere Texte dazugekommen. Es ging dabei unter anderem um Fliegenpilzgift, die Nobelpreise, Opioide und DNA-Sequenzierung. Und was soll ich sagen: was einfach nur als kleiner Versuch gestartet ist, ist mir inzwischen ein liebes Hobby geworden.

Was müsst ihr also von diesem Geburtstagstext erwarten? Es wird auf jeden Fall kein normaler Beitrag. Stattdessen werde ich ein wenig über die Entwicklung von PharmBlog im letzten Jahr schreiben. Außerdem habe ich euch auf Twitter (oder X, danke Elon) und Mastodon gebeten, mir Fragen zu stellen, die ihr gerne von mir beantwortet hättet.

Fangen wir mit den Fragen doch direkt an:

Frage 1: Abgelaufene Arzneimittel

Auf Twitter hat @WKW_AK gefragt, ob abgelaufene Arzneimittel wirklich immer entsorgt werden müssen, oder ob, am Beispiel von Ibuprofen, einfach nur der Wirkstoffgehalt abnimmt und aus einer Ibu mit 400 mg irgendwann eine mit 200 mg wird.

Und die kurze aber unbefriedigende Antwort ist: Ja, prinzipiell sollten abgelaufene Arzneimittel nicht mehr verwendet werden. Für die lange Antwort müssen wir uns mit drei Dingen beschäftigen: Dosierungsgenauigkeit, Toxizität und mikrobielle Kontamination.

1.) Dosierungsgenauigkeit: Über die Zeit wird der Wirkstoff in einem Arzneimittel durch chemische Prozesse abgebaut. Die gesetzliche Vorgabe ist, dass innerhalb der Laufzeit eines Arzneimittels (also der Zeit bis es abgelaufen ist), immer mindestens 95 % des deklarierten Wirkstoffgehalts enthalten sein müssen. Und auch, wenn der Wirkstoff in Realität oft eher langsamer degradiert, kann nach dem Ablaufdatum niemand mehr sagen, wie viel Arzneistoff in dem Arzneimittel wirklich noch drin ist. Das macht die Einhaltung der richtigen Dosierung natürlich ein bisschen schwerer. Und klar, für 400er Ibus ist das vielleicht kein so großes Problem. Aber bei lebenswichtigen Arzneimitteln kann das schon ziemlich entscheidend sein.

2.) Toxizität: Ein Wirkstoff (und Hilfsstoffe übrigens auch) bauen sich über die Zeit also ab. Aber was entsteht aus ihnen? Und ist der entstehende Stoff vielleicht gefährlich? Das ist der zweite Aspekt, den wir bedenken müssen. Das sind Fragen, die für jedes Arzneimittel einzeln beantwortet werden müssten. Da das aber viel zu viel Arbeit wäre ist die generelle Empfehlung, keine abgelaufenen Arzneimittel zu benutzen, die bessere und einfachere Alternative.

Trotzdem möchte ich das am Beispiel von Ibuprofen einmal durchspielen: Ein Paper von 2002 hat insgesamt 13 Abbauprodukte von Ibuprofen identifiziert. Eines davon (1-(4-isobutylphenyl)-1-ethanol) ist ein bekannter Vorläufer des toxischen Stoffes 4-Isobutylacetophenon. Ein anderes Paper hat die Toxizität von einigen bekannten Abbauprodukten von Ibuprofen untersucht. Dabei kam heraus, dass zwei der Stoffe in vitro toxisch auf Nieren- und Leberzellen wirken. Natürlich ist eine einzelne in vitro-Studie nicht sehr aussagekräftig. Aber da sich die Abbauprodukte in eben diesen Organen ansammeln könnten, lohnt es sich auf jeden Fall vorsichtig zu sein.

3.) Mikrobielle Kontamination: Für feste Arzneimittel wie Tabletten ist dieser Punkt nicht so entscheidend. Aber für halbfeste und flüssige Arzneimittel – vor allem wenn die wasserbasiert sind – ist dieser Punkt sehr entscheidend. Denn in ihnen können Mikroorganismen wachsen, die potentiell krank machen können. Bis zum Ende der Laufzeit (bzw. der Aufbrauchfrist!) ist garantiert, dass das nicht passiert. Danach gibt es diese Garantie nicht mehr, und gerade bei sterilen Arzneimitteln (z.B. Augentropfen oder Injektionslösungen) ist das kein Risiko, das man eingehen sollte.

(Dann gibt es auch noch Dinge wie physikalische Instabilitäten, aber die Antwort ist sowieso schon lang genug.)

Frage 2: Thyroxin-Unverträglichkeit

Eine andere Frage erreichte mich per DM: Die Person, die die Frage gestellt hat, leidet an Hashimoto-Thyreoiditis. Das ist eine Erkrankung der Schilddrüse, die oft mit dem Schilddrüsenhormon L-Thyroxin behandelt wird. Die fragende Person hat allerdings eine Unverträglichkeit gegen L-Thyroxin und möchte gerne wissen, woran das liegen könnte.

Hier muss ich leider sagen, dass ich darauf keine abschließende Antwort geben kann. L-Thyroxin ist ein natürlich vorkommendes Hormon (in dem Kontext meistens T4 genannt). Daher sind Unverträglichkeiten hier eigentlich sehr selten. Ich konnte einige Fallberichte von L-Thyroxin-Unverträglichkeiten finden, aber wenige weiteren Informationen. Die meisten Fälle von L-Thyroxin-Unverträglichkeiten scheinen auf jeden Fall mit einer bestehenden Anämie oder einem Eisen-Mangel zusammenzuhängen. Was allerdings auch sein kann, ist dass die Unverträglichkeit gegen einen Hilfsstoff in dem Arzneimittel gerichtet ist (wie zum Beispiel in diesem Fall). Und woran auch immer es liegt, konkrete Handlungen in so einem Fall sollten immer mit einer/einem Ärzt:in abgesprochen werden.

Frage 3: Natron-Vulkan und Brausetabletten

Eine letzte Frage ist noch übrig, die mir persönlich gestellt wurde. Die Frage ist (und ich paraphrasiere hier nur wenig): wie funktioniert das mit dem Natron? Also wieso entsteht Schaum, wenn ich Natron mit etwas saurem wie Essig oder Zitronensäure mische, z.B. in Natronvulkanen oder auch in Brausetabletten?

Der Grund dafür ist eine Säure-Base-Reaktion. Natron ist der Trivialname für Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3). Es kann ein Proton (H+-Ion) aufnehmen, das von einer Säure bereitgestellt wird, z.B. von der Zitronensäure. Das ganze funktioniert aber nur, wenn beides in Wasser gelöst ist. Wenn ihr einfach trockenes Natron und Zitronensäure mischt, passiert nichts. Deshalb sprudeln Brausetabletten auch erst in einem Glas Wasser und nicht schon in der Packung. Wenn das Natron das Proton aufnimmt, entsteht Kohlensäure (H2CO3, das gleiche wie im Sprudelwasser). Und Kohlensäure wiederum ist nichts anderes als gelöstes CO2. Da Wasser nur eine begrenzte Menge an CO2 aufnehmen kann (so wie ihr auch z.B. nicht unendlich viel Salz in Wasser lösen könnt), bildet sich hauptsächlich das Gas, das dann Gasblasen und Schaum formt. Und ja, genauso simpel funktioniert das tatsächlich in Brausetabletten auch, für die meistens NaHCO3 und Zitronensäure benutzt werden.

Ein paar persönliche Worte

Bis zu dem Tag, an dem ich das hier schreibe (der 01.08.), hatte PharmBlog insgesamt 693 Aufrufe und 499 Besucher. Der – mit Abstand – meist gelesene Artikel ist Gute Studien – Schlechte Studien: Aussagelose Wasserlinsen und Homöopathie, danach folgt Das kleine Vitamin-ABC: Die Biologie der Vitamine. Der am wenigsten gelesene Artikel war hingegen mein Text über den Medizin-Nobelpreis 2022.

Außerdem habe ich lange darüber nachgedacht, ob ich einen Lieblingstext aus dem letzten Jahr habe. Und das ist natürlich nicht ganz einfach. Aber wenn ich eine Entscheidung treffen müsste, dann wäre es vermutlich Opioide ohne Nebenwirkungen? – Biased Ligands. Ein Grund dafür ist, dass dieses Thema die Verbindung zwischen der Pharmazie und den molekularen Biowissenschaften, die ich so faszinierend finde, sehr schön verdeutlicht.

Wie wird es nach diesem ersten Jahr jetzt weitergehen mit PharmBlog? Es wird auf jeden Fall weiterhin zwei Beiträge pro Monat geben (so ich das zeitlich schaffe). Und ich habe einige sehr coole Texte geplant. Ich will zum Beispiel über CAR-T Zellen schreiben, also gentechnisch veränderte Immunzellen zur Krebstherapie. Außerdem ist ein Text über die genetic code expansion geplant, eine molekularbiologische Technik, mit der eine der grundlegendsten Eigenschaften des Lebens ausgehebelt werden kann. Außerdem wird es natürlich mit dem Biomolekül des Monats weitergehen (aber ich werde euch noch nicht spoilern, was es diesen Monat sein wird).

Wenn ihr nichts davon verpassen wollt, dann abonniert auf jeden Fall meinen Newsletter und folgt PharmBlog auf Twitter (X…) oder Mastodon!

Zum Schluss bleibt mir dann nur noch, mich bei euch, den Leser:innen dieses Blogs, zu bedanken. Mir hat es großen Spaß gemacht, diesen Blog das vergangene Jahr über zu betreiben und ich hoffe, dass ich euch hier auch weiterhin spannende Beiträge über die Wissenschaft hinter Arzneimitteln bieten kann.

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