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Medikamente vom Reißbrett

Bei einer neuartigen Methode zur Entwicklung von Arzneimitteln nutzt man Informationen über die Struktur des Zielmoleküls im Körper. Unter den ersten derart maßgeschneiderten Wirkstoffen sind solche gegen AIDS, Krebs und andere Erkrankungen; sie werden derzeit am Menschen getestet.

Die meisten heute erhältlichen Medikamente wurden entweder durch Zufall entdeckt oder durch blindes Probieren – indem man eine Vielzahl natürlicher oder synthetischer Substanzen einfach systematisch durchmusterte. Anschließend ließ sich durch geringfügiges Abwandeln der chemischen Zusammensetzung nach dem Prinzip von Versuch und Irrtum vielfach noch die Wirksamkeit steigern oder die Toxizität verringern. Inzwischen gibt es für die Suche nach Medikamenten aber auch ein direkteres Verfahren, das wesentlich auf einem besseren Verständnis der molekularen Wechselwirkungen beruht, die Erkrankungen zugrunde liegen.

Mit dieser Wirkstoffentwicklung auf Strukturbasis haben immer mehr Wissenschaftler – darunter auch wir – schon erste Erfolge erzielen können. Ausgangspunkt ist dabei nicht das potentielle Arzneimittel, sondern sein molekulares Ziel im Körper. Wir entschlüsseln die dreidimensionale Struktur einer Substanz, von der wir wissen, daß sie an einer Krankheit beteiligt ist. Dann konstruieren wir einen chemischen Stoff, der strukturell genau zu diesem Zielmolekül paßt und dessen Aktivität beeinflußt. Zum Beispiel kann man so eine Verbindung maßschneidern, die das katalytische Zentrum eines für die virale Replikation unentbehrlichen Enzyms blockiert; dadurch würde das Virus daran gehindert, sich zu vermehren, und die Ausbreitung der Infektion gestoppt.

Vereinfacht gesagt, entspricht die übliche Suche nach Medikamenten dem wahllosen Anfertigen und Ausprobieren vieler Schlüssel – in der Hoffnung, daß einer davon zufällig in ein unbekanntes Schloß paßt. Vermag man dagegen zunächst einmal Form und Anordnung der Zuhaltungen im Schloß zu untersuchen, dürfte sich schnell und gezielt ein passender Schlüssel entwerfen lassen.

Trotz ihrer Ineffizienz hat die traditionelle Methode immerhin Arzneimittel für alle möglichen Leiden geliefert – von Unpäßlichkeiten bis zur lebensbedrohlichen Krankheit. Inzwischen profitiert sie außerdem von der hochentwickelten Automatisierung, durch die sich Durchmusterungen im großen Maßstab erheblich beschleunigt haben. Dennoch können Methoden auf Strukturbasis schneller und billiger vielversprechende Heilmittel liefern. Diese sind, da auf ihr Zielobjekt zugeschnitten, in der Regel wirksamer, spezifischer und weniger toxisch als auf herkömmliche Art entdeckte Arzneien.

Unsere Erfahrung bei der Entwicklung potentieller Medikamente – von denen eines gegen Schuppenflechte und gegen eine Form des T-Zell-Lymphoms inzwischen klinisch getestet wird – bietet dafür einen klaren Beleg. Dabei ist un-ser Produkt keineswegs das einzige, das ein fortgeschrittenes Entwicklungsstadium erreicht hat. Ein anderes (Captopril) wird bereits allgemein zur Behandlung von Bluthochdruck eingesetzt, und etliche Substanzen aus verschiedenen Laboratorien prüft man zur Zeit an Patienten auf ihre Wirksamkeit gegen eine Vielzahl von Erkrankungen wie Krebs, AIDS, Glaukom (grünen Star) oder auch nur eine einfache Erkältung. Weitere Verbindungen befinden sich in früheren Entwicklungsstadien.

Zwar erweist sich nicht jeder Wirkstoff, der eine fortgeschrittene Testpha-se erreicht, als therapeutisch wertvoll. Trotzdem ist die Palette der Produkte, die sich zur Zeit in der klinischen Erprobung oder auf dem Weg dahin befinden, recht beeindruckend.


Die Anfänge

Die wissenschaftlichen Grundlagen dieser Arbeiten kannte man bereits vor 50 Jahren; doch damals fehlten die technischen Voraussetzungen für ihre praktische Umsetzung. Der deutsche Bakteriologe Paul Ehrlich (1854 bis 1915) hatte schon um die Jahrhundertwende gezeigt, daß Medikamente häufig physiologische Effekte auslösen, indem sie sich an Zielstrukturen (Rezeptoren) binden, die an normalen Zellvorgängen beteiligt sind. Ferner weiß man seit langem, daß ein Medikament in Form und chemischer Zusammensetzung zur Bindungsstelle auf dem Rezeptor – normalerweise einem Protein – passen muß. Trotzdem behielt die Medikamentenentwicklung bis in die siebziger Jahre ihren empirischen Charakter und machte entsprechend langsame Fortschritte.

Doch dann ermöglichten neue Methoden, viele Rezeptorproteine in reiner Form zu gewinnen. Gleichzeitig wurde die Röntgenstrukturanalyse verbessert – das einzige Verfahren, mit dem sich damals Proteinstrukturen aufklären ließen. Bei dieser Methode richtet man einen Röntgenstrahl auf einen Proteinkristall; von diesem wird er dann so gebeugt, daß auf einem photographischen Film punktförmige Flecken entstehen oder Detektoren eine entsprechende Intensitätsverteilung messen. Weil das Beugungsmuster von der Anordnung der Atome im Kristall abhängt, kann man es mit Hilfe komplizierter Computerprogramme in Karten übersetzen, welche die dreidimensionale Struktur der Proteinmoleküle erkennen lassen.

Miguel A. Ondetti und David W. Cushman haben mit ihren Kollegen am Squibb-Institut für Medizinische Forschung (jetzt Bristol-Myers Squibb) in Princeton (New Jersey) die Strukturanalyse als erste erfolgreich bei der Medikamentenentwicklung eingesetzt. Ihr Zielmolekül war ein Protein, das an der Entstehung von Bluthochdruck beteiligt ist: das Angiotensin umwandelnde Enzym (ACE nach englisch angiotensin-converting enzyme) des Menschen. Dessen genauen Aufbau kannten sie zwar nicht, wohl aber die Konformation eines na-he verwandten Enzyms; anhand dieser Information konstruierten sie im Jahre 1975 Captopril.

Zwei von uns (Montgomery und Bugg) begannen in den späten siebziger Jahren in der gezielten Medikamentenentwicklung zusammenzuarbeiten. Ein Jahrzehnt später verlagerten wir unser Forschungsprogramm in die Firma BioCryst Pharmaceuticals, an deren Gründung wir beteiligt waren. Sie ist eines von mehreren jungen Unternehmen, die sich dem Maßschneidern von Wirkstoffen verschrieben haben. Die erste solche Firma war Agouron Pharmaceuticals und wurde 1984 in La Jolla (Kalifornien) gegründet.


Ein konkretes Vorhaben

Seit den siebziger Jahren sind Enzyme die bevorzugten Zielobjekte – kontrollieren sie doch wichtige biochemische Vorgänge bei Krankheiten. Außerdem kann man ihre Aktivität verhältnismäßig leicht beeinflussen, indem man kleine Moleküle in ihre aktiven (katalytischen) Zentren einpaßt.

Erforscht werden aber auch Substanzen, die sich gegen andere Ziele richten – gegen Nucleinsäuren (DNA und RNA) und Proteinrezeptoren für bestimmte Hormone etwa. Vielfach ist dies freilich eine wesentlich anspruchsvollere Aufgabe. So müßten Substanzen, die zum Beispiel die Aktivität vieler Hormonrezeptoren beeinflussen sollen, komplizierter aufgebaut sein als Enzyminhibitoren und mehr Bindungen zu den Rezeptoren ausbilden.

Eines unserer wichtigsten Vorhaben war es, ein Molekül zu entwerfen, welches das Enzym Purinnucleosid-Phosphorylase (PNP) hemmen würde. PNP ist normalerweise an der Rückgewinnung von Purinen (einer Gruppe stickstoffhaltiger Basen, zu der insbesondere Guanin und Adenin gehören) innerhalb der Zelle beteiligt. Dazu nimmt es jeweils ein einzelnes Purinnucleosid auf, das aus dem Purin selbst und einem Zucker besteht, und spaltet mit Hilfe eines Phosphat-Ions das Purin vom Zucker ab. Dabei entstehen eine freie Purin-Base und ein phosphorylierter Zucker (Bild 2 links). Die Zelle kann das freigesetzte Purin dann abbauen oder es wiederverwenden und verschiedene Moleküle daraus herstellen – beispielsweise Nucleotide, die Bausteine der DNA.

Leider vermag PNP auch einige synthetische Wirkstoffe gegen Krebs oder Viren zu spalten, die natürlichen Purinnucleosiden nachgebildet sind (sogenannte Nucleosid-Analoga), und dadurch die Behandlung zu beeinträchtigen. Ein solches Medikament ist 2',3'-Didesoxyinosin (ddI), das in den USA seit 1991 und in Deutschland seit 1992 für die Behandlung der Immunschwächekrankheit AIDS zugelassen ist. Wir wollten ein Molekül konstruieren, welches bei gemeinsamer Verabreichung mit Nucleosid-Analoga die PNP lange genug inaktivieren würde, daß die Medikamente gegen Krebs oder AIDS ihre Aufgabe erfüllen könnten. Außerdem mußte die Substanz imstande sein, durch die Membran ins Zellinnere zu gelangen, wo PNP aktiv ist.

Andere Forscher hatten bereits eini-ge PNP-Hemmer gefunden. Keiner war jedoch sowohl wirksam genug für eine Therapie als auch fähig, die Zellmembran unbeschadet zu überwinden.

Kurz nachdem wir mit diesem Projekt begonnen hatten, ließen neue Erkenntnisse die Entwicklung eines wirksamen PNP-Inhibitors noch lohnender erscheinen. Damals mehrten sich nämlich die Hinweise darauf, daß T-Zellen die einzigen Bestandteile des Immunsystems sind, die PNP benötigen, um ihre Aufgabe fehlerfrei zu erfüllen. Genau wie andere Forschungsgruppen erkannten wir schnell, daß PNP-Hemmer selektiv die übermäßige T-Zell-Aktivität unterdrücken könnten, die bei einer Reihe von Autoimmunerkrankungen wie rheumatoider Arthritis, Schuppenflechte, systemischem Lupus erythematodes, Multipler Sklerose und insulinpflichtigem (juvenilem) Diabetes auftritt.

Nachdem wir uns auf PNP als Zielprotein festgelegt hatten, machten wir uns systematisch an die Konstruktion hemmender Substanzen. Kurz gesagt, bestimmten wir zuerst die dreidimensionale Anordnung der Atome der Zielstruktur, insbesondere des aktiven Zentrums. Dann setzten wir uns an unsere Computer. Um einen Kandidaten für einen Hemmstoff zu begutachten, versuchten wir ihn in das aktive Zentrum einzufügen und bestimmten, wie gut er in Form und chemischer Struktur dazu paßte. Dabei verwendeten wir auch Programme, mit denen sich die Stärke der Anziehungs- und Abstoßungskräfte zwischen einer Substanz und dem aktiven Zentrum abschätzen läßt.

Wirksamkeit und Spezifität hängen entscheidend von der Paßgenauigkeit ab. Ein Medikament, das sich eng an sein Zielmolekül anschmiegt und dadurch lange Zeit gebunden bleibt, kann in niedrigeren Dosen verabreicht werden als eines, das sich schnell wieder ablöst. Außerdem sollte eine Substanz, die perfekt auf eine bestimmte Bindungsstelle eines Proteins zugeschnitten ist, nicht gleichzeitig ebenso gut zu irgendeiner anderen Art von Molekülen im Organismus passen – dadurch sind weniger unerwünschte Wechsel- und damit Nebenwirkungen zu erwarten.

Wir synthetisierten nur solche Verbindungen, für die unsere Computersimulationen die größte Affinität zum Zielmolekül erwarten ließen. Dann bestimmten wir ihren Einfluß auf die Aktivität des Proteins und verglichen die vorhergesagte mit der wirklichen Paßgenauigkeit. Da Simulationsprogramme nicht perfekt sind, erfüllten einige Substanzen nicht die Erwartungen. Nachdem wir die Gründe für Erfolge und Fehlschläge analysiert hatten, kehrten wir an den Computer zurück, um Änderungen auszuprobieren, welche die Effektivität der potentiellen Arzneimittel erhöhen könnten.

Diese iterative Strategie – wiederholte Modellierung, Synthese und Bewertung der Paßgenauigkeit – lieferte eine Handvoll hochwirksamer Substanzen, die auch bei Tests an ganzen Zellen und in Tierversuchen gut abschnitten. Hätte es mit einem Präparat Probleme bei diesen Tests gegeben (zum Beispiel Schwierigkeiten beim Überwinden der Zellmembran), wären wir an den Computer zurückgekehrt, um den Mangel zu beheben. Dann würden wir ein abgewandeltes Medikament demselben Kreislauf unterworfen haben.


Schwierige Strukturbestimmung

Das gesamte Programm, von der Auswahl des Ziels bis zum Entwurf eines für klinische Studien tauglichen Wirkstoffs, dürfte sich mittlerweile in zwei bis drei Jahren abwickeln lassen. In den siebziger Jahren war jedoch der erste entscheidende Schritt, die Bestimmung der Struktur des Zielobjekts, noch äußerst mühsam. Er beschäftigte uns und eine andere Gruppe von Wissenschaftlern, die Steven E. Ealick an der Universität von Alabama in Birmingham leitete, fast die gesamten achtziger Jahre hindurch.

In unserem Falle bestand die Schwierigkeit nicht darin, reine PNP zu erhalten oder das Protein zu kristallisieren. Robert E. Parks jr. und Johanna D. Stoeckler von der Brown-Universität in Providence (Rhode Island) hatten das Enzym bereits aus menschlichen Zellen isoliert. Sie stellten William J. Cook, der ebenfalls in Birmingham arbeitete, große Mengen davon zur Verfügung, und dieser züchtete daraus geordnete Kristalle für die Röntgenstrukturanalyse.

Wir konnten auch leicht nachweisen, daß die kristalline PNP im wesentlichen derjenigen im Körper entspricht. So zeigte Jon M. Crate, der damals als Doktorand im Labor von Bugg arbeitete, daß das Protein auch in kristalliner Form normal funktioniert und dieselbe Reaktion wie PNP in der Zelle katalysiert. Wäre die Struktur des Kristalls stark von der des natürlichen Enzyms abgewichen, hätten wir uns bei der Entwicklung eines PNP-Hemmstoffs nicht darauf stützen können.

Wirkliche Probleme tauchten erst auf, als wir die genaue Struktur bestimmen wollten. In den ersten Jahren waren wir auf eine relativ schwache Strahlungsquelle angewiesen, die nur Beugungsmuster geringer Intensität und damit Karten niedriger Auflösung lieferte. Ihnen konnten wir zwar die allgemeine Form des Moleküls entnehmen, aber nicht die Positionen der einzelnen Atome. Die fehlenden Details gewannen wir erst in Zusammenarbeit mit John R. Helliwell von der Synchrotron-Strahlungsquelle des Daresbury-Laboratoriums na-he Warrington in der englischen Grafschaft Cheshire. Synchrotrons senden sehr intensive Röntgenstrahlen aus, die hochaufgelöste Strukturbilder liefern. Inzwischen stehen weltweit mehr solche Ringbeschleuniger mit wesentlich besserer Ausstattung für die Proteinkristallographie zur Verfügung.

Die Röntgendaten ergaben, daß die PNP-Kristalle sehr porös sind. Das ließ uns besser verstehen, wie potentielle Medikamente das Enzym hemmen könnten. Außerdem zeigte sich, daß funktionelles PNP ein Trimer aus drei miteinander verbundenen Einzelmolekülen (Monomeren) ist, das über drei identische aktive Zentren verfügt: je eines an den Nahtstellen der Monomere (Bild 1). Im folgenden sprechen wir nur noch von einem aktiven Zentrum, das von zwei benachbarten Monomeren gebildet wird.

Vielleicht noch wichtigere Einsichten lieferte die Analyse der Komplexe, die entstehen, wenn synthetische Nucleoside – beispielsweise die zuvor entdeckten Hemmstoffe – sich an das aktive Zentrum binden. Dieses erwies sich dabei im wesentlichen als unregelmäßige Vertiefung in der Enzymoberfläche. Außerdem ließ sich ermitteln, welche Aminosäuren den katalytisch aktiven Bereich bilden – eine wichtige Voraussetzung für die Medikamentenentwicklung.

Der Vergleich der verschiedenen Strukturen ergab im übrigen eine Überraschung. Die Form des Enzyms scheint sich nämlich zu verändern, wenn sich das aktive Zentrum an ein Molekül bindet. Mithin hinkt der eingangs erwähnte Vergleich mit Schlüssel und Schloß: Das Schloß ist nicht starr, sondern flexibel. Außerdem bildet in jedem PNP-Monomer eine Kette von Aminosäuren eine Schlinge, die als eine Art Schwingtür dient – oft bedeckt sie das nächstgelegene aktive Zentrum, aber sie kann auch wegklappen und ein Nucleosid oder ein ähnliches Molekül aufnehmen.

Von der Möglichkeit solcher Konformationsänderungen zu wissen war eine wichtige Hilfe bei unseren Simulationen. So konnten wir vorhersagen, welche Bereiche der PNP eventuell ihre Gestalt ändern, um mit einem hypothetischen Inhibitor in Wechselwirkung zu treten.

Die Konstruktion der purin-analogen Komponente

Mit einer klaren Vorstellung von unserem Zielmolekül konnten wir uns schließlich an die Konstruktion von PNP-Inhibitoren machen. Ende der achtziger Jahre gründeten wir dazu eine Designgruppe, der außer uns dreien und Ealick noch Mark E. Erion und Wayne C. Guida von der Niederlassung der Firma Ciba-Geigy in Summit (New Jersey), Y. Sudhakar Babu von BioCryst und John A. Secrist III. vom Southern Research Institute in Birmingham (Alabama) angehörten. Im Vergleich zu den Heerscharen von Chemikern und Pharmakologen, die man traditionell benötigt, um potentielle Medikamente zu synthetisieren und zu testen, war dieses Team eher klein.

Zunächst konzentrierten wir uns darauf, die Purinbindungsstelle des aktiven Zentrums auszufüllen; danach wollten wir uns dem zuckerbindenden Bereich und zuletzt der Tasche für das Phosphat zuwenden (Bild 2 rechts). Jeder Schritt, der uns der völligen Blockade der aktiven Region ein Stück näherbrachte, sollte dabei die Affinität des potentiellen Medikaments für das Enzym steigern.

Aus den kristallographischen Untersuchungen wußten wir, daß sich Purine oder ihre Analoga über Wasserstoffbrücken an drei Aminosäuren in der purinbindenden Tasche heften. (In Wasserstoffbrückenbindungen, die zu den stärksten reversiblen chemischen Bindungen gehören, fungiert ein Wasserstoffatom als eine Art Bindeglied zwischen zwei anderen Atomen – in Proteinen sind das Stickstoff oder Sauerstoff – und hält sie so zusammen.) Bei der Suche nach einem möglichen Hemmstoff konzentrierten wir uns deshalb auf Substanzen, die zumindest mit diesen drei Aminosäuren, die alle auf ein und derselben PNP-Einheit liegen, Wasserstoffbrückenbindungen bilden würden.

Ein Purin-Analogon mit hoher Affinität für PNP glaubten wir schaffen zu können, indem wir in einer Verbindung, die das Purin Guanin enthält, einfach ein bestimmtes Stickstoff- durch ein Kohlenstoffatom ersetzten. Im Guanin sind fünf Kohlenstoff- und vier Stickstoffatome in Form eines Doppelrings angeordnet – eines Sechs- und eines Fünfecks mit gemeinsamer Kante; zur Unterscheidung werden sie von eins bis neun durchnumeriert. Von den Ringen stehen mehrere Wasserstoffatome, eine Aminogruppe (NH2) sowie ein Sauerstoffatom ab (siehe Formel a in Bild 3).

Am aussichtsreichsten schien uns der Austausch des Stickstoffatoms in Position neun; wir wußten nämlich von früheren Studien, daß ein Kohlenstoffatom an dieser Stelle die Bindung an PNP verstärkt. Das so modifizierte Guanin bezeichnet man als 9-Deazaguanin; dabei gibt die Zahl die Position der Veränderung an, und "Deaza" bedeutet "ohne Stickstoff".

Wir erwarteten, die Affinität des Purins für PNP noch steigern zu können, indem wir im 9-Deazaguanin an das Kohlenstoffatom in Position acht eine Aminogruppe anfügten. Schließlich enthielt der wirksamste in den achtziger Jahren bekannte PNP-Inhibitor, der die Zellmembran zu durchdringen vermag, an dieser Stelle eine Aminogruppe.

Die beiden Veränderungen führten wir einzeln nacheinander aus und testeten jeweils die Wirksamkeit der entstandenen Moleküle, indem wir im Reagenzglas prüften, wie gut sie PNP daran hinderten, die Spaltung von Nucleosiden zu katalysieren. Wie vermutet, ergab der Austausch des Stickstoffs in Position neun gegen Kohlenstoff einen Inhibitor, der PNP recht gut blockierte. Zu unserer Enttäuschung aber machte die zweite Veränderung den Inhibitor nicht noch besser – im Gegenteil: Unser hoffnungsvollster Kandidat erwies sich als ziemlicher Versager.

Ohne detaillierte Kenntnis der PNP-Struktur hätten wir vor einem Rätsel gestanden. So aber fanden wir schnell die Erklärung (Bild 3). Dazu untersuchten wir den Aufbau der Komplexe von PNP mit vier verschiedenen Substanzen. Bei der ersten bestand die Purin-Einheit aus reinem Guanin, bei der zweiten aus 9-Deazaguanin, bei der dritten aus einem Guanin mit zusätzlicher Aminogruppe in Position acht (8-Aminoguanin) und bei der vierten schließlich aus dem zweifach veränderten Molekül (8-Amino-9-deazaguanin).

Dabei zeigte sich, daß eine der drei entscheidenden Aminosäuren in der pu-rinbindenden Tasche von PNP – das Asparagin an Position 243 der Proteinkette – zum Guanin eine starke und eine schwächere Wasserstoffbrückenbindung eingeht. Gleichzeitig bildet dieses Asparagin eine Wasserstoffbrückenbindung mit der nächsten Aminosäure in der Kette, dem Threonin an Position 242, was seine Verknüpfung mit Guanin indirekt stabilisiert.

Der Austausch von Stickstoff gegen Kohlenstoff festigt den Zusammenhalt zwischen Guanin und PNP schlicht dadurch, daß die relativ schwache Wasserstoffbrücke zwischen Asparagin 243 und Guanin durch eine stärkere ersetzt wird. Beim 8-Aminoguanin dagegen erhöht sich die Affinität, weil eine zusätzliche Wasserstoffbrücke zwischen Purin und PNP entsteht – nämlich zwischen der Aminogruppe und dem Threonin 242.

Die Kombination der beiden Verbesserungen schließlich ergibt wider Erwarten eine Verschlechterung, weil nun der Kohlenstoff an Position neun die Aminogruppe an Position acht daran hindert, die zusätzliche Bindung mit Threonin 242 auszubilden; statt dessen stoßen sich Threonin und die Aminogruppe sogar ab.

Diese Ergebnisse machten uns klar, daß es unsinnig wäre, bei der Suche nach einem PNP-Hemmer vom 8-Amino-9-deazaguanin auszugehen; 9-Deazaguanin selbst wäre eine bessere Wahl für die Purin-Komponente des erwünschten Inhibitors. Dies unterstreicht die Vorteile einer Strategie, die sich an der Struktur des Zielmoleküls orientiert. Wie es Wissenschaftlern bei der herkömmlichen Entwicklung von Medikamenten oft ergeht, waren auch wir in eine Sackgasse geraten. Weil wir Zugang zu detaillierten Informationen über die Struktur hatten, konnten wir den Irrweg jedoch schnell erkennen und frühzeitig umkehren; ohne kristallographische Daten hätten wir wohl viel länger eine naheliegende, aber unproduktive Entwicklungslinie weiterverfolgt.


Stopfen für die Zucker- und die Phosphat-Tasche

Als nächstes galt es, die Zuckerbindungsstelle auszufüllen. Zwischen der Zucker-Komponente eines Nucleosids und PNP bilden sich keine starken Wasserstoffbrücken aus; hier dominieren vielmehr die sogenannten hydrophoben Anziehungskräfte. Von Öltröpfchen auf einer Salatsauce kennt jeder den hydrophoben Effekt: Fettmoleküle haben nur eine geringe Affinität zu Wasser, ja sie sind – so die Übersetzung des griechischen Wortes hydrophob – geradezu wasserscheu und ziehen sich statt des-sen gegenseitig an. Die Zuckerbindungstasche von PNP besteht aus drei hydrophoben Aminosäuren. Zwei davon (ein Phenylalanin und ein Tyrosin) gehören zur selben PNP-Einheit, die das Guanin bindet; die dritte (ein Phenylalanin) stammt vom benachbarten Monomer. Mehrere bekannte PNP-Inhibitoren enthalten eine Benzolgruppe (einen Ring aus sechs Kohlenstoff- mit ebensovielen Wasserstoffatomen) anstelle des Zuckers in den Nucleosiden. Weil der Zucker im Purin an der Position neun (einem Stickstoffatom) angehängt ist, untersuchten wir die Hemmwirkung eines 9-Deazaguanins, bei dem wir an Position neun (jetzt ein Kohlenstoffatom) eine Benzolgruppe angefügt hatten. Die Blockade war am besten, wenn wir das Benzol nicht direkt mit dem 9-Deazaguanin verbanden, sondern eine Methylengruppe als Zwischenstück einbauten. Aber das Ergebnis schien uns immer noch verbesserungsfähig. Am Modell auf dem Computerbildschirm sahen wir nämlich, daß die Vertiefung für den Zucker noch besser ausgefüllt wird, wenn man an den Benzolring eine weitere chemische Gruppe anhängt. Nicht alle Gruppen, die wir probierten, waren vorteilhaft – Fehlschläge, die wir im nachhinein jeweils mittels Kristallographie erklären konnten; aber einige brachten frappierende Verbesserungen. Die optimale Paßform erhielten wir mit einem Chloratom am Kohlenstoff Nummer drei des Benzolrings. Zwei Drittel unseres Vorhabens hatten wir damit bewältigt. Nun brauchten wir nur noch eine Gruppe für die phosphatbindende Tasche. Phosphat selbst schied aus – unter anderem, weil phosphathaltige Substanzen Zellmembranen nur schlecht heil passieren. Mehrere Strukturen, die wir nach ersten Untersuchungen an Computermodellen anfertigten, verliehen unserer zweiteiligen Substanz keine höhere Affinität. Im wesentlichen lag dies daran, daß chemische Veränderungen, die auf dem Bildschirm zweckmäßig aussahen, Verbindungen ergaben, die sich im aktiven Zentrum nicht korrekt ausrichten konnten. Trotz der Enttäuschung wußten wir es zu schätzen, daß wir mittels Kristallographie wiederum die Gründe für die Fehlschläge herausfinden und dadurch zum Scheitern verurteilte Strategien erkennen und aufgeben konnten. Andererseits halfen uns die kristallographischen Daten auch dabei, Berechnungen durchzuführen, mit denen wir schließlich Substanzen zu konstruieren vermochten, die sich fest an PNP binden. So hängten wir aufgrund derartiger Berechnungen an das Methylen, das als Bindeglied zwischen 9-Deazaguanin und dem chlorierten Benzolring fungierte, einen Acetat-Rest an. Des-sen negativ geladene Carboxylgruppe kommt dabei in eine so günsti-ge Position, daß sie in die Phosphat-Bindungsstelle einrasten und dort mit einer positiv geladenen Aminosäure in Wechselwirkung treten kann.

Der Erfolg

Als wir das fertige Molekül (Bild 4) auf seine Eignung als PNP-Inhibitor prüften, ernteten wir den Lohn für all unsere Mühe. Die Verbindung hemmte die Nucleosidspaltung hundertmal besser als irgendeine andere damals vorhandene Substanz.

Bei aller Begeisterung blieb freilich die Frage, ob der Stoff – und andere, die wir synthetisiert hatten und die zehn- bis zwanzigmal wirksamer waren als bekannte Inhibitoren – auch im lebenden Organismus wirksam wäre. Deshalb untersuchten wir die Fähigkeit einiger dieser Moleküle, bei Ratten das AIDS-Medikament ddI vor dem Abbau durch PNP zu bewahren. Tatsächlich verlängerten alle die Halbwertszeit dieses Nucleosid-Analogons, und den Ergebnissen neuerer Tests zufolge können unsere PNP-Inhibitoren auch andere nucleosid-ähnliche Stoffe schützen und in Zellkultur wie auch bei Versuchstieren T-Zell-Funktionen unterdrücken.

Nach etwas mehr als einem Jahrzehnt hatten wir damit unser Ziel erreicht, einen PNP-Hemmstoff zu entwickeln, der synthetischen Nucleosiden in Tieren eine längere Wirkungsdauer verschafft. Daß eine kleine Gruppe organischer Chemiker damit begonnen hatte, in Frage kommende Substanzen herzustellen, war indes nicht einmal drei Jahre her. Beim traditionellen Verfahren benötigt man für die Synthese und Erprobung potentieller Enzymhemmer oft mehr als zehn Jahre, und die Kosten (in Dollar) können leicht zweistellige Millionenbeträge erreichen. Bis zum Auffinden eines hochwirksamen Inhibitors brauchten wir dagegen nur etwa 60 Substanzen herzustellen – eine kleine Zahl im Vergleich zu den Hunderten bis Tausenden von Molekülen, die Forscher beim herkömmlichen Verfahren durchmustern.

Wissenschaftler von der Medizinischen Fakultät der Washington-Universität in St. Louis (Missouri) haben kürzlich zwei kombinierte klinische Phase-I- und Phase-II-Studien mit einem unse-rer besten Hemmstoffe abgeschlossen: BCX-34. Zwar handelte es sich dabei erst um kleine vorläufige Untersuchungen, welche die Ungefährlichkeit der Substanz nachweisen und die Wirksamkeit sondieren sollten. Aber da das Medikament bei Schuppenflechte sowie bei T-Zell-Lymphomen der Haut gut anschlug, hat BioCryst inzwischen auch umfangreiche Phase-II-Tests geplant, um die Wirksamkeit zu demonstrieren; bei Erscheinen dieses Artikels sind sie wahrscheinlich schon angelaufen.

Für unseren besten PNP-Hemmer und direkt verwandte Substanzen hat Ciba-Geigy eine Lizenz für den Einsatz gegen Arthritis erworben. Sie werden derzeit an Tieren erprobt.


Probleme und Perspektiven

Trotz der sehr guten Erfahrungen, die wir und andere Wissenschaftler mit der Medikamentenentwicklung auf Strukturbasis gemacht haben, bleiben noch einige bedeutende Schwierigkeiten zu überwinden, damit diese Strategie ihr volles Potential entfalten kann. So sind auf molekularer Ebene noch für viele Krankheiten die ursächlichen Wechselwirkungen aufzuklären; anderenfalls ist das optimale Ziel einer Blockade ungewiß.

Ein weiteres Hemmnis hängt damit zusammen, daß die meisten Angriffsziele für Medikamente Proteine sind. Obwohl sich viele Eiweißstoffe inzwischen mit den Methoden der Molekularbiologie in großen Mengen herstellen lassen, sind einige immer noch schwer in reiner Form zu gewinnen. Aber selbst wenn die Isolierung gelingt, kann die Aufklärung der Struktur ein Problem sein. Die Kristallographie funktioniert ausgezeichnet, wenn man regelmäßig aufgebaute Kristalle hat. Es ist jedoch auch heute noch eine anspruchsvolle Aufgabe, Proteine (und Nucleinsäuren) in einer Qualität zu kristallisieren, welche für die hochauflösende Röntgenstrukturanalyse ausreicht. Membrangebundene Proteine, zu denen auch diverse Hormonrezeptoren gehören, sind in dieser Hinsicht besonders widerspenstig: Als hydrophobe Teilchen verkleben sie wahllos kreuz und quer miteinander.

In vielen pharmazeutischen Firmen hat man damit begonnen, dieses Problem durch den Einsatz von Robotersystemen zu entschärfen. Sie können automatisch Tausende verschiedener Kristallisationsbedingungen durchprobieren und die beste Lösung finden. Parallel dazu ist man dabei, die Geräte zum Aufnehmen und Auswerten von Röntgenbeugungsbildern weiter zu verbessern. Außerdem werden Methoden entwickelt, um die dreidimensionale Struktur nicht kristallisierter Proteine in ihrer natürlichen, wäßrigen Umgebung zu bestimmen. Dies ist bei einigen kleinen Proteinen mit der mehrdimensionalen Kernspinresonanzspektroskopie (NMR, nach englisch nuclear magnetic resonance) bereits gelungen. PNP ist für dieses Verfahren zu groß, aber vielleicht läßt sich die Beschränkung auf kleine Proteine irgendwann überwinden.

Möglicherweise kann man eines Tages sogar gänzlich auf die Kristallographie oder die NMR verzichten und die dreidimensionale Struktur von Proteinen direkt aus ihrer Aminosäuresequenz ableiten. Das übersteigt derzeit noch die Möglichkeiten der Strukturforscher und ihrer Computerprogramme. Auch wenn es darum geht, die Paßgenauigkeit ei-nes potentiellen Medikaments gegenüber seinem Angriffsziel und die Affinität zwischen beiden zu beurteilen, lassen die vorhandenen Programme noch einiges zu wünschen übrig. Die Genauigkeit ihrer Voraussagen bessert sich jedoch in dem Maße, wie sich die zugrundeliegende Theorie erweitert. In Zukunft liefern Computeranalysen vielleicht direkt den optimal zusammengesetzten Stoff, so daß man nicht erst weniger wirksame Zwischenstufen synthetisieren und testen muß. Im Idealfall bekäme man gleich beim ersten Versuch das beste Medikament in die Hand, sei es durch Neusynthese oder Modifikation einer existierenden Substanz.

Zwar liegt dieses Ziel noch in weiter Ferne, aber auch in der jetzigen, unvollkommenen Form hat das Entwerfen von Medikamenten auf Strukturbasis seine Nützlichkeit schon zur Genüge erwiesen. Zu den Verbindungen, die derzeit klinisch erprobt werden, gehören zwei, die Wissenschaftler in den Abbott-Laboratorien beziehungsweise in den Forschungslaboratorien von Merck entwickelt haben (Bild 5). Sie hemmen ein Enzym des humanen Immunschwächevirus (HIV), also des Erregers von AIDS. Diese Protease wird für den korrekten Zusammenbau neuer Virus-Partikel und damit für die Weiterverbreitung der Viren von Zelle zu Zelle benötigt. Dank eines an der Struktur des Zielmoleküls ausgerichteten Vorgehens sind die Medikamente nach weniger als vier Jahren schon reif für die klinische Erprobung am Menschen.

Auch bei der Firma Agouron maßgeschneiderte Enzymblocker werden derzeit an Patienten getestet. Sie wirken gegen Krebs, indem sie die Thymidylat-Synthase hemmen; dieses Enzym ist am Aufbau von Nucleotiden beteiligt, die Krebszellen zum Kopieren ihrer Erbsubstanz und damit zu ihrer Vermehrung brauchen.

Ferner laufen klinische Untersuchungen eines bei Merck entwickelten Inhibitors für das Enzym Kohlensäure-Anhydratase (Carboanhydrase) auf Wirksamkeit gegen den grünen Star. Noch nicht im Stadium klinischer Studien befindet sich ein Wirkstoff zur Behandlung von Emphysemen, an dem gleichfalls bei Merck gearbeitet wird; es blockiert das Enzym Elastase von menschlichen neutrophilen Zellen, das nach vorläufigen Befunden Lungengewebe schädigt und möglicherweise auch an der rheumatischen Arthritis und am akuten Lungenversagen (an der sogenannten Schocklunge) beteiligt ist.

Vor zwölf Jahren gab es nur bei einem Pharmaunternehmen in den USA – bei Merck – eine Forschergruppe, die Medikamentenentwicklung auf Strukturbasis betrieb. Heute beschäftigen die meisten großen amerikanischen Arzneimittelhersteller und diverse Firmen in aller Welt solche Teams. Etliche Unternehmen wurden und werden gegründet, die speziell dieses Verfahren einsetzen. Alles deutet darauf hin, daß die Medikamentenentwicklung auf Strukturbasis Bestand hat und einen wesentlichen Teil der Verbindungen stellen wird, die in den nächsten Jahren als neue Medikamente auf den Markt kommen.

Literaturhinweise

- Entwerfen in molekularen Dimensionen – Betrachtungen zu Methoden und Möglichkeiten von rechnergestütztem Protein- und Wirkstoffdesign. Von Cornelius Frömmel in: Zeitschrift für Klinische Medizin, Band 43, Heft 13, Seiten 1061 bis 1068 (1988).

– Application of Crystallographic and Modeling Methods in the Design of Purine Nucleoside Phosphorylase Inhibitors. Von S.E. Ealick et al. in: Proceedings of the National Academy of Sciences, Band 88, Heft 24, Seiten 11540 bis 11544; 15. Dezember 1991.

– Application of Crystallography to the Design of Antiviral Agents. Von M.G. Rossmann und M.A. McKinlay in: Infectious Agents and Disease, Band 1, Heft 1, Seiten 3 bis 10; Februar 1992.

– Use of Structural Information in Drug Design. Von M.A. Navia und M.A. Murcko in: Current Opinion in Structural Biology, Band 2, Heft 2, Seiten 202 bis 210; April 1992.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 3 / 1994, Seite 30
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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