Paradigmenwechsel durch die Systembiologie

Vernetzt denken, Hand in Hand arbeiten

Noe definierte zunächst die "Klassische Systembiologie" als die "Wissenschaft, welche die Herausforderung des "Gesamtheitlichen" annimmt, indem sie Systeme verschiedener Ordnung studiert, welche durch das Studium ihrer einzelnen Teile nicht verstehbar sind".

Eine "neue Systembiologie" wurde erforderlich, als der Genotypus hinzukam, was zu einem exponenziellen Anwachsen der Systemkomplexität geführt hat. Zur Bewältigung dieser Komplexität ergänzt nun die Bioinformatik die beiden anderen Hauptelemente der Systembiologie, die Genomics und Proteonomics. Biomathematik und die Biosimulation sind die Fundamente der "neuen" Systembiologie. Diese bedient sich im Übrigen einer eigenen Sprache, der Systems Biology Markup Language (SBML), die zur Abbildung und zum Austausch von biochemischen Netzwerkmodellen dient.

Eine Auflistung von Systemen in der Systembiologie macht deutlich, dass die pharmazeutische Wissenschaft für den systembiologischen Ansatz prädestiniert ist (s. Tab.). Dieser definiert die folgenden Ebenen: Genom, Transkriptom, Proteom, Metabolom, Physiom, die wie folgt korreliert werden können: Genom–Proteom, Transkriptom–Proteom, Proteom–Metabolom.

In der Pharmazie sollte sich die Systembiologie laut Noe als nützlich erweisen für/durch

IT und Wissensmanagement und "in silico" (computer) modeling.

Sie wird in die pharmazeutische Wissenschaft integriert über

• die spezielle pharmazeutische Systembiologie als Anwendung der Bioinformatik-gesteuerten Systembiologie auf pharmazeutische Fragestellungen sowie
• die allgemeine pharmazeutische Systembiologie als Integration systembiologischer Prinzipien in alle Ebenen der pharmazeutischen Forschung.

Ein Bespiel für diese Anwendung sind die Knock-out-Maus-Projekte, für die Smithies, Capecchi und Evans in diesem Jahr den Nobelpreis für Medizin erhalten.

Noch weiter geht die globale Systembiologie, in der die personalisierte Medizin und die molekulare Epidemiologie miteinander verknüpft werden.

Noe brachte die Grundprinzipien der Sytembiologie mit acht Botschaften auf den Punkt:

1. Bette deine Arbeit stets in ein biologisches System ein.

2. Integriere "In-silico-Methoden" in deine Arbeit, wo immer möglich.

3. Blockiere den Rezeptor oder verhindere seine Bildung.

4. Das "Patho"-Präfix ist ein perfekter Diskriminator im "differenziellen Ansatz" (z. B. Biochechemie–Pathobiochemie)

5. "Behandelt" gegenüber "nicht-behandelt" ist ein perfekter Diskriminator im "differenziellen Ansatz".

6. Überdenke Krankheitskategorien aus systembiologischer Sicht.

7. Die "Genotypsierung" verwandelt klassische Krankeitsbilder in Syndrome, welche für einen systembiologischen Ansatz ideal geeignet sind.

8. Gehe bei deiner Arbeit von Hypothesen aus. Stelle gute Fragen!

Der Festredner richtete abschließend den Appell an die Fachkollegen, Pharmaforschung stets in vernetzte Strategien einzubetten, Eitelkeiten der einzelnen Fachdisziplinen hintenan zu stellen und sich nicht gegeneinander abzugrenzen, sondern miteinander zu reden.

hb

Doppeltes Targeting durch Liposomen

Angewendet wird die PDT für die Zerstörung von Tumoren, aber auch zur Behandlung infektiöser Erkrankungen, entweder an der Haut, den Zähnen, im Respirations- sowie im Gastrointestinaltrakt oder auch an den Genitalien. Die Vorteile bestehen im Wesentlichen darin, dass

• das Zielobjekt keine "Gegenwehr" leistet, das heißt, es gibt keinerlei Gegenregulation des Organismus,
• die Lichtaktivierung gezielt auf die erkrankten Bereiche lokalisiert werden kann,
• das Gewebe nach der Tumoreradikation erheblich besser als nach einem operativen Eingriff nachwächst.

Auch die Bestrahlung von innen liegenden Organen ist möglich, entweder durch Gewebe-penetrierendes Laser-Licht oder durch extrem feine optische Lichtleitfasern, die zur Bestrahlung in das Körperinnere eingebracht werden.

Die Anwendung der photodynamischen Therapie ist jedoch wegen einiger Eigenschaften der Photosensitizer limitiert. Zum einen sind die Arzneistoffe recht teuer, zum anderen sehr lipophil, weshalb sie in Ethanol gelöst verabreicht werden. Dies hat allerdings zur Folge, dass sie nach intravenöser Applikation sofort ausfallen und sich nach sukzessiver Auflösung erst nach und nach im Körper verteilen. So muss nach der Injektion geraume Zeit gewartet werden, bis das Zielareal bestrahlt werden kann. Darüber hinaus verbleibt der Arzneistoff recht lange im Körper und löst eine nachhaltige dermale Phototoxizität aus.

Fahr untersuchte alternative Applikationsformen des Photosensitizers Tempoforin (Foscan^®) und entwickelte eine neue Formulierung, bei der Liposomen als Carrier-Systeme eingesetzt werden (Foslip^®).

Die Vorteile liposomaler Formulierungen im Vergleich zu konventionellen Formulierungen sind folgende:

• Es gelangen bei gleicher Dosis größere Mengen des Arzneistoffs an den Zielort.
• Der Arzneistoff flutet im Zielgewebe schneller an.
• Da die Liposomen zu einem beträchtlichen Anteil im Tumor akkumulieren, diffundiert der Wirkstoff genau dort aus den Liposomen in die Tumorzellen, womit neben der nachfolgenden Lichtaktivierung ein zweiter Targeting-Effekt erreicht wird.
• Es gelangt weniger Arzneistoff in die Haut, das heißt, es ist weniger Lichtschutz notwendig.
• Die Clearance der liposomalen Form ist besser, wodurch die Dauer des erforderlichen Lichtschutzes verkürzt werden kann.

Fahr stellte einige Beispiele für den Einsatz der Therapieform in der Behandlung von Prostatakrebs, bei Plattenepithelkarzinomen auf der Zunge, Basaliomen sowie in der Therapie der Arthritis vor, Hier konnten bereits beachtliche Erfolge beobachtet werden. Ein Nebeneffekt, das Verschwinden von Fettgewebe in den bestrahlten Bereichen, hat darüber hinaus großes Interesse im Hinblick auf die "kosmetische" Behandlung der Zellulitis geweckt.

hb

ROS-Prozesse in vivo beobachten

Utsumis Arbeitsgruppe konzentriert sich im Wesentlichen auf die Anwendung bildgebender Verfahren an Krankheitsmodellen kleiner Versuchstiere. Hier spielt das "molecular imaging" eine zunehmende Rolle; da die Produktion der Tiere mit Hilfe des "genetic engineering" mit hohen Kosten verbunden ist, hat die nicht-invasive Erforschung von Veränderungen gegenüber der Tötung der Tiere und der nachfolgenden histologischen Untersuchung erhebliche Vorteile.

Einer seiner Forschungsschwerpunkte ist der Einsatz der Elektronenspinresonanz (ESR) und deren Bildgebung zur nicht-invasiven Untersuchung von Reaktionen freier Radikale und des Redoxstatus. Im Jahr 1989 entwickelte Utsumi die In-vivo-Nitroxyl-Sonden-Technik für die ESR-Spektroskopie. Nitroxyl-Radikale haben ein ähnliches Redox-Potenzial wie Redox-Enzyme. Bei der Reaktion mit reaktiven Sauerstoff-Spezies (ROS) kommt es zu einem Signalverlust im ESR-Spektrum. Systematische Messungen mit Nitroxyl-Sonden erlauben daher die Lokalisierung der Bildung freier Radikale in den Blutgefäßen, in Zellmembranen und im Zytoplasma. In den Krankheitsmodellen zeigte sich im ESR-Spektrum an der Domäne, an der eine oxidative Schädigung ausgelöst wird, ein gesteigerter Signal-Abfall. Dieser korrelierte gut mit der Pathophysiologie und wurde durch Radikalfänger und/oder Antioxidanzien unterdrückt.

Die Overhauser-enhanced MRI (OMRI) ist eine Technik, bei der mit Hilfe paramagnetischer Agenzien über einen Prozess, der als dynamische Kernpolarisation (DNP) oder Overhauser-Effekt bezeichnet wird, eine verstärkte Signalintensität erreicht werden kann. Die Vorteile der OMRI liegen zum einen in der höheren Auflösung und zum anderen in der kurzen Reaktionszeit. So kann die reichhaltige, aus ESR-Spektren erhältliche Information durch die OMRI erheblich besser ausgenutzt werden.

Als Weiterentwicklung der Technik können die Nitroxyl-Radikale darüber hinaus derivatisiert werden, um sie in vivo spezifisch zellulär oder subzellulär zu lokalisieren (Targeting). Außerdem liefern Nitroxyl-Radikale mit einem ¹⁴ N- bzw. mit einem ¹⁵ N-Kern DNP-Spektren, die sich charakteristisch voneinander unterscheiden. So können durch die Markierung von Nitroxyl-Radikalen mit ¹⁴ N- und ¹⁵ N-Kernen mit Hilfe von OMRI simultan duale Bilder erzeugt werden, sofern diese an die entsprechenden Regionen targetiert werden. Außerdem können unabhängige chemische Prozesse, wie Oxidations- und Reduktionsprozesse simultan und dosisabhängig visualisiert werden.

Die Methoden liefern gute Ansätze zur Klärung von Krankheitsmechanismen, die mit oxidativem Stress in Zusammenhang stehen, und zur Kontrolle von Arzneimitteltherapien, da sie es erlauben, den Redoxstatus in vivo dynamisch sichtbar zu machen.

hb

Gezielter Blick in die Lunge

Die Lunge ist ein sehr attraktives Organ zur Applikation von Arzneistoffen, da sie eine große Oberfläche und eine hohe Perfusionsrate besitzt. Während man die Austauschfläche des Blutes auf 300 m² und die der Dünndarmschleimhaut auf 200 m² schätzt, können in der Lunge immerhin bis zu 100 m² erreicht werden. Mit der pulmonalen Applikation eines Arzneistoffs können prinzipiell zwei Ziele verfolgt werden: eine systemische Wirkung, wie beispielsweise bei den Inhalationsnarkotika und seit einiger Zeit auch Insulin, oder eine lokale Wirkung wie zum Beispiel bei den Bronchodilatatoren und Glucocorticoiden.

Nach pulmonaler Applikation eines Wirkstoffs stellen sich zahlreiche Fragen; beispielsweise, welcher Anteil des verabreichten Wirkstoffes vom Lungengewebe tatsächlich resorbiert wird und in welchen Ausmaß und Zeitraum die Umverteilung desselben vom Lungengewebe in die systemische Zirkulation stattfindet. Die Kenntnis dieser pharmakokinetischen Eckdaten ist nicht nur Grundlage für das Verständnis der erwünschten und unerwünschten Wirkungen des jeweiligen Arzneistoffs, sondern bildet auch die Basis für die Optimierung und Neuentwicklung inhalativer Darreichungsformen, erläuterte Högger.

In-vitro-Untersuchungen mit Lungenlappen

Eine Möglichkeit zur Klärung dieser Fragen ist die Verwendung eines humanen Lungenperfusionsmodells, wie es in Höggers Arbeitskreis entwickelt wurde. Eingesetzt werden dabei humane Lungenlappen, die bei notwendigen Resektionen aufgrund eines Bronchialkarzinoms gewonnen werden können. Als Modellsubstanz diente in den vorgestellten Versuchen Beclometasondipropionat, bekannt als Wirkstoff in Dosieraerosolen wie beispielsweise Sanasthmax^® und Ventolair^® • Im Verlaufe der bisherigen Arbeit hat sich gezeigt, dass mit diesem Modell eine hohe Annäherung an In-vivo-Verhältnisse möglich ist. Die Vorteile des Modells liegen vor allem

• in der Möglichkeit des Screenings und Vergleichs verschiedener Formulierungen inhalativer Glucocorticoide und
• im Vergleich der relativen pulmonalen Absorption verschiedener Wirkstoffe ohne hepatischen Metabolismus.

Es gibt jedoch auch Nachteile des Modells, zum Beispiel die begrenzte Verfügbarkeit von humanen Lungenlappen und ihre relativ kurze "Lebensdauer".

cb

Gefäßschutz durch Naturstoffe

Einen wesentlichen Beitrag zu kardiovaskulären Erkrankungen wie Arteriosklerose und Restenose liefern die Migration und Proliferation glatter Gefäßmuskelzellen. In ihren experimentellen Untersuchungen isoliert Dirsch solche Zellen aus Ratten-Aorten und erzeugt an ihnen mit Hilfe des proatherosklerotischen Stimulans Angiotensin II sowie des Wachstumsfaktors platelet-derived growth factor (PDGF) Modelle für die Erforschung potenzieller Inhibitoren der jeweiligen Prozesse. Im nächsten Schritt geht es darum, zu ermitteln, welche Signalkaskaden beeinflusst werden, und schließlich darum, an welchem Target die in Frage kommenden Wirkstoffe angreifen.

Ein Wirkstoff, der einen Einfluss auf die Hypertrophie ausübt, ist Resveratrol, ein Phytoalexin (antibiotisch wirksame Polyphenol-Verbindung), das u.a. in Polygonum cuspidatum , in Weintrauben, Rotwein, Erdnüssen und Maulbeeren vorkommt, ein Antioxidans und Phytoöstrogen mit chemopräventiven sowie kardio- und vasoprotektiven Eigenschaften. Der Mechanismus besteht in der selektiven Blockade der PI3-Kinase, eines Enzyms innerhalb des pathologischen Hypertrophie-Prozesses.

Ein weiterer Naturstoff, der in Dirschs Arbeitsgruppe erforscht wird, ist Indirubin, ein Strukturisomeres von Indigo, das in der chinesischen Medizin in der Kombinationszubereitung Danggui Longhui Wan gegen Leukämie eingesetzt wird. Nach in vitro assays ist Indirubin ein Hemmstoff von CDK 1, 2, 4 und 5 (Cyclin-abhängige Kinasen, wichtigste Kontrollproteine des Zellzyklus), besitzt eine antitumorale Aktivität (in Krebszelllinien) sowie entzündungshemmende Eigenschaften und hemmt die vom Tumornekrosefaktor (TNF) induzierte NFκB-Aktivität. NFκB reguliert die Aktivierung von verschiedenen Genen, die zum Beispiel in der Immunantwort, der Entzündungsreaktion, bei der Zelladhäsion, dem Zellwachstum und der Zellentwicklung eine wichtige Rolle spielen.

Als Effekt von Indirubin wurde zwar eine Hemmung der PDGF-induzierten Proliferation festgestellt, jedoch war keine typische Signalkaskade inhibiert. Demgegenüber wurde festgestellt, dass die Blockade der STAT3-Phosphorylierung zumindest ein Mechanismus für den antiproliferativen Effekt in dem Versuchsmodell sein könnte. Der Transkriptionsfaktor STAT3 ist in eine Vielzahl biologischer Funktionen involviert und von zentraler Bedeutung bei der Signaltransduktion von IL-6-Typ-Zytokinen (proinflammatorische Zytokine).

hb

Chemokin-Rezeptoren als Target

Das Chemokin-System ist sehr komplex und scheint bei vielen pathologischen Prozessen eine Rolle zu spielen. Bisher sind 45 Chemokine und 19 Chemokin-Rezeptoren bekannt; ihre Bedeutung für Erkrankungen beim Menschen ist jedoch erst in den Anfängen erforscht.

In einem Fall haben die zahlreichen Forschungsaktivitäten zum Chemokin-System bereits zum Erfolg geführt, erläuterte Murphy. Denn kürzlich wurde von der amerikanischen Zulassungsbehörde FDA der Wirkstoff Maraviroc zur Kombinationsbehandlung der HIV-Infektion zugelassen (s. DAZ 33, S. 24). Maraviroc gehört zur Gruppe der Entry-Inhibitoren, denn er blockiert den Chemokin-Rezeptor CCR5, der essenziell für das Eindringen des HI-Virus in die Wirtszelle ist. Durch Wechselwirkung mit dem CD4-Rezeptor allein könnte das Virus die entsprechende T-Zelle nicht befallen. Dies ist auch der Grund dafür, dass Menschen, bei denen beide Gene für den CCR5-Rezeptor mutiert sind (Mutation CCR5Δ32), vor einer HIV-Infektion geschützt sind.

Nicht nur Vorteile

Die Mutation des CCR5-Rezeptors hat jedoch nicht nur positive Seiten: Nach neuesten Erkenntnissen macht sie den betroffenen Menschen empfindlicher gegen das West-Nil-Fieber, eine durch Stechmücken übertragene und hauptsächlich in Afrika verbreitete Viruserkrankung. Erreger ist das West-Nil-Virus aus der Familie der Flaviviren. Hier ist allerdings noch viel Forschungsarbeit zu leisten, betonte Murphy. Denn in Studien konnte bei 96 Prozent der am West-Nil-Fieber Erkrankten keine CCR5-Mutation gefunden werden. Es muss also noch weitere Gene geben, die regulieren, ob die Erkrankung ausbricht oder nicht.

cb

Benefit der Heparin-Gabe bei Krebs

Tumorpatienten haben ein sechs- bis siebenfach höheres Risiko für das Auftreten venöser Thromboembolien. Lungenembolien sind die zweithäufigste Todesursache bei Krebspatienten. Anders herum betrachtet ist eine thromboembolische Störung auch ein Indikator für eine Tumorerkrankung. Dies lässt sich daran ablesen, dass bei jedem zehnten Patienten mit idiopathischer venöser Thromboembolie binnen eines Jahres ein Malignom diagnostiziert wird.

Die wechselseitigen pathomechanistischen Verknüpfungen bestehen darin, dass zum einen die Krebszellen die Homöostase fördern und sogar selbst Prokoagulanzien produzieren und zum anderen hämostatische Substanzen das Krebswachstum und die Metastasierung promovieren (s. Grafik).

Erste Hinweise für einen möglichen Benefit von Antikoagulanzien im Rahmen der onkologischen Therapie ergaben sich bereits in den 60er-Jahren. In den 90er-Jahren lieferten Metaanalysen der bis dahin publizierten Ergebnisse die Erkenntnis, dass niedermolekulare Heparine (NMH) unfraktioniertem Heparin (UFH) bezüglich der Reduktion der Mortalität überlegen sind. Dies wurde schließlich im Jahr 2005 durch eine Subanalyse der CLOT-Studie (siehe unten) bestätigt. Bei Nicht-Krebs-Patienten trat dieser Effekt nicht auf.

Auf der Suche nach den Mechanismen für die Anti-Tumor-Wirkung von Heparin zeigte sich, dass dieses weder zytotoxisch wirkt noch einen antiproliferativen Effekt auf Tumorzellen oder einen Hemmeffekt auf das Wachstum primärer Tumoren ausübt. Demgegenüber kommen folgende Effekte in Frage:

• gerinnungsabhängige Effekte wie die Antithrombin-Wirkung oder die Tissue Factor Pathway Inhibition und
• gerinnungsunabhängige Effekte wie die Senkung der Migration, der Adhäsion, der Angiogenese und der Metastasierung sowie die Steigerung der Apoptose.

Alle diese Effekte werden wiederum durch eine Vielzahl von Einzelfaktoren vermittelt. Last not least kommen hierbei auch Interaktionen mit dem Immunsystem zum Tragen.

Große Aufmerksamkeit verdienen laut Alban die Selectine (Adhäsionsmoleküle, die das Anheften von Leukozyten an der Gefäßwand vermitteln und die Zellmigration bei der Entzündungsreaktion einleiten) als Target von Heparin, und zwar sowohl im Hinblick auf die Hämostase und das Immunsystem als auch die Metastasierung.

Klinische Erkenntnisse zum Einfluss von niedermolekularen Heparinen auf das Überleben von Tumorpatienten lassen sich derzeit im Wesentlichen aus den folgenden vier randomisierten kontrollierten Studien gewinnen:

• FAMOUS-Studie und SCLC-Studie, beide 2004, mit Dalteparin,
• MALT-Studie, 2005, mit Nadroparin,
• Studie von Sideras et al., 2006, mit Dalteparin.

Alle eingeschlossenen Patienten hatten eine fortgeschrittene Tumorerkrankung, allerdings unterschiedliche Tumoren. Auch die Dosierung und die Dauer der Heparin-Verabreichung waren unterschiedlich (6 bis 52 Wochen). Obwohl die Einzelergebnisse daher nicht einheitlich betrachtet werden können und demzufolge vielerlei Interpretationen zugänglich sind, ergibt sich aus der Analyse der gewonnen Daten doch eine Steigerung der mittleren Überlebenszeit, wobei diese bei Patienten mit einer besseren Prognose und bislang nicht vorhandener Metastasierung besonders ausgeprägt war. Demnach ist gerade für diese Gruppe der größte Benefit einer Gabe von niedermolekularem Heparin zu erwarten.

Viele Fragen sind noch offen, so zum Beispiel bezüglich der Zugänglichkeit verschiedener Tumor-Arten, des Tumor-Stadiums, der Dosis und Anwendungsdauer und der Art des niedermolekularen Heparins. Wie groß das therapeutische Interesse an dieser Arzneimittelgruppe auf dem Gebiet der Tumortherapie ist, zeigt die Tatsache, dass derzeit noch mehr als zwölf weitere kontrollierte Studien hierzu laufen.

hb

Tumortherapeutika aus dem Meer

Ursprünglich hatten sich die Forschungsaktivitäten von Kubo und seinen Mitarbeitern auf die antibiotische Wirkung von heterozyklischen Substanzen mit Chinon-Grundstruktur wie beispielsweise Saframycin A konzentriert, die man aus Actinomyceten und verschiedenen Meeresschwämmen gewonnen hatte. Dabei entdeckte man bei einigen Vertretern vom Renieramycin- und Saframycin-Typ in verschiedenen Tumormodellen eine hohe zytotoxische Wirksamkeit. In den folgenden Jahren konzentrierte man sich daher auf die Suche nach Wirkstoffen, die als potenzielle Tumotherapeutika in Frage kommen könnten.

Es vergingen jedoch mehr als drei Jahrzehnte, bis diese Forschungen von Erfolg gekrönt wurden. Aus der Seescheide Ecteinascidia turbinata konnte schließlich der zytotoxische Wirkstoff Trabectedin isoliert werden. Dieser erwies sich in klinischen Prüfungen als wirksam gegen Weichteilsarkome, relativ seltene Tumorarten, die bisher noch nicht zufriedenstellend therapiert werden können.

Umso erfreulicher war, dass es der spanischen Firma PharmaMar, die sich auf die Entwicklung von Zytostatika aus Wirkstoffen mariner Herkunft spezialisiert hat, schließlich gelang, für ein Trabectedin-Präparat mit dem Handelsnamen Yondelis^TM von der EMEA die Anerkennung als Orphan Drug zu erhalten. Dieses Präparat steht inzwischen in Europa kurz vor der Markteinführung und bietet Patienten mit Weichteilsarkom, die mit bisherigen Zytostatika nur unzureichend behandelt werden konnten, eine neue Therapieoption.

Alkaloide aus blauen Meeresschwämmen

Kubo berichtete über weitere fruchtbare internationale Kooperationen, zum Beispiel mit thailändischen Wissenschaftlern. Der Hintergrund: In den letzten Jahren wurden interessante biologisch aktive Isochinolin-Alkaloide in Meeresorganismen, die in der Nähe thailändischer Inseln verbreitet sind, entdeckt. So beispielsweise in einem blauen Meeresschwamm namens Jorunna funebris , einer Xestospongia-Spezies, die man u. a. unweit der kleinen Insel Ko Si Chang im Einzugsbereich von Bangkok finden kann, oder in der Seescheiden-Art Ecteinascidia thurstoni , die nahe der touristisch bedeutsamen Insel Phuket beheimatet ist.

cb