Präzisionswaffe statt Schrotflinte gegen Helicobacter 

Strukturbasiertes Wirkstoffdesign ist im digitalen Zeitalter eine Möglichkeit, neue Arzneimittel zu entwickeln. Wenn ein potenzieller Wirkort bekannt ist und die molekulare Struktur dieses Wirkortes genau ermittelt ist, kann zunächst am Computer ein Molekül entworfen werden, das genau zum Beispiel in das aktive Zentrum eines Enzyms passt, dort fest bindet und das Enzym so hemmt. Anschließend muss „nur“ noch der Syntheseweg gefunden sowie eine Arzneiform entwickelt werden, und das neue Arzneimittel kann dann das übliche Prozedere der klinischen Prüfung bis zur Zulassung durchlaufen. Allerdings steht ganz am Anfang, die Struktur des Wirkortes sehr genau zu untersuchen. 

Ein internationales Forschungsteam um den Professor für Biochemie Donald Ronning von der Abteilung für Chemie und Biochemie der Universität Toledo in den USA hat für diesen Ansatz nun Hilfe deutscher Wissenschaftler an der Forschungsneutronenquelle „Hans Maier-Leibnitz“ in Garching bei München in Anspruch genommen. Helicobacter pylori, ein gramnegatives, mikroaerophiles Stäbchenbakterium hatten sich die Wissenschaftler dabei vorgenommen. Weltweit soll jeder zweite den Keim in seinem Verdauungstrakt beherbergen. Er spielt erwiesenermaßen bei der Entstehung von Gastritis, Ulcera und Magenkrebs eine Rolle. Zunehmende Resistenzen und eine Wirksamkeit von nur 70 Prozent bei der Kombination aus Antibiotika-Therapie und Protonenpumpenhemmern beflügelt die Suche nach neuen Therapieansätzen. 

Im Fall MTAN war bekannt, dass eine Vorstufe des Vitamin K₂ über Wasserstoffbrückenbindungen an das aktive Zentrum gebunden wird. Anschließend wird eine Seitengruppe abgespalten. Die Forscher waren dabei besonders daran interessiert, an welchen Positionen sich die Wasserstoffatome des Enzyms befinden und wie sie im Verlauf der Reaktion ihre Position verändern. „Positionen von Wasserstoffatomen lassen sich aber mit Röntgenstrukturanalyse nur in seltenen Fällen bestimmen“, erklärt der Forscher der zur Technischen Uni München gehörenden Neutronenquelle. „Röntgenstrahlen werden an der Elektronenhülle der Atome gestreut. Da Wasserstoff aber nur ein Elektron besitzt, beträgt die Streukraft hier nur einen Bruchteil der größeren Kohlenstoff-, Stickstoff- oder Sauerstoff-Atome. Nur bei höchster Auflösung, die man mit dafür kristallisierten Proteinen nur selten erreicht, kann man die Wasserstoff-Atome abbilden“, sagt der Experte.

An dieser Stelle kommt die Neutronenquelle ins Spiel. „Die Wechselwirkung der Neutronen findet mit dem Atomkern statt. Dabei zeigt Wasserstoff beziehungsweise das Wasserstoffisotop Deuterium die gleiche Streustärke wie Kohlenstoff, Stickstoff oder Sauerstoff“, sagt Ostermann. Daher ließe sich mit Neutronenstreuung bereits bei weit geringerer Auflösung die Position von Wasserstoffatomen darstellen.

In Garching stammen die Neutronen aus der Kernspaltung, die in Deutschlands größtem Kernreaktor, dem FRM-II, mit hochangereichertem Uran betrieben wird. Über Strahlrohre werden die im Reaktor entstehenden schnellen Neutronen in die benachbarten Experimentierhallen geleitet. An verschiedenen Forschungsinstrumenten, die von der TU München gemeinsam mit dem Forschungszentrum (FZ) Jülich betrieben werden, wird die Neutronenstrahlung dann für die unterschiedlichsten Forschungsansätze in der Physik, Chemie und im biologisch-medizinischen Bereich eingesetzt.