Wirkstoffe

Projektgruppe Krebswirkstoffe & Targeting

Die Projektgruppe Krebswirkstoffe & Targeting (targeting = zielgerichtete gewebespezifische Applikation) beschäftigt sich, im Wesentlichen, mit der Identifizierung und Charakterisierung von bioaktiven Naturstoffen (v.a. aus der hauseigenen Sammlung, s. AG Daten & Ressourcen) und deren Derivaten. Um die entsprechenden Screenings durchführen zu können, verfügt unsere Projektgruppe über zahlreiche zellbiologische (humane und Mauszelllinien), biochemische und molekularbiologische Methoden (siehe Abb. 1). Darüber hinaus nutzen wir, in Kooperation mit der Arbeitsgruppe Computerchemie, Methoden der Chemoinformatik und des Molecular Modelings.

**Abb. 1:** Methodische Kapazitäten der Projektgruppe *Krebswirkstoffe* für das Zelllinien-basierte *in vitro*-Screening. Ziel ist die Identifizierung und Charakterisierung vielversprechender biologischer Aktivitäten von Naturstoffen oder deren synthetischen Analoga.

Wissenschaftliches Ziel ist die Identifizierung von Naturstoffen mit vielversprechenden Effekten auf die menschliche Gesundheit und anderen positiven Effekten wie die Erhöhung der Stresstoleranz von Pflanzen (z.B. PARP-Inhibitoren, s.u.). Für die vielversprechendsten Substanzen forschen wir zudem nach strukturell verwandten Derivaten mit besseren Anwendungseigenschaften im Sinne medizinisch-chemischer Optimierung. Dafür werden vor allem synthetisch hergestellte, nicht-natürliche Analoga dieser Substanzen designed und synthetisiert, beispielsweise die von uns patentierten Tubugi-Derivate der natürlich vorkommen-den Tubulysin-Toxine (siehe Abb. 2).

Abb. 2: Tubulysine, beispielsweise das abgebildete Tubulysin D, sind hochpotente zytotoxische Verbindungen, welche natürlicherweise von im Erdreich vorkommenden Myxobakterien synthetisiert werden. Die Mitglieder dieser Toxinklasse zerstören das Tubulin-Zytoskelett der Zellen und wirken bereits in niedrig picomolaren Konzentrationen. Tubugi-1 und dessen Derivate sind synthetische Tubulysin-Analoga mit – in Abhängigkeit ihrer Modifikationen – variablen Toxizitäten, Funktionalitäten und erhöhter molekularer Stabilität. Die Abteilung Natur- und Wirkstoffchemie verfügt über etablierte klassische als auch Festphasen-Syntheserouten zu patentierten Tubugi-Derivaten. Tubugi-Derivate stellen ideale Toxine zur Anwendung für zielgerichtete Drug Delivery-Applikationen dar. Zudem haben sie besondere immunologische Eigenschaften und bewirken eine untypische Apoptose (programmierter Zelltod).

Insbesondere für ultratoxische (z. B. zytotoxische) Substanzen ist es von Vorteil oder sogar notwendig, Ansätze zur gerichteten Adressierung der Zielzellen (targeting) zu erforschen. Aus diesem Grund beschäftigen wir uns zudem mit Design, Synthese und Testung von zielgerichteten molekularen Transportvehikeln für derartige Substanzen, um die Spezifität und Selektivität in Hinsicht auf das Tumorgewebe zu erhöhen und entsprechend unerwünschte Nebenwirkungen auf gesunde Zellen bei Applikation dieser Verbindungen zu reduzieren.

Zusätzlich ist die Aufklärung der Wirkungsmechanismen der besten Substanzen wesentlicher Bestandteil unserer Arbeit. Wobei wir insbesondere an Verbindungen mit eher atypischen molekularen Aktivitäten und Mechanismen interessiert sind, wie solche, die Tumorzellen reprogrammieren anstatt sie schlicht abzutöten, oder die ruhende oder Tumorstammzellen für einen Angriff aktivieren können. Hierzu schauen wir insbesondere auf pflanzliche Naturstoffe mit Adjuvanz oder Verstärkungseffekten (siehe Abb. 3).

Abb. 3: Isoxanthohumol (IXN), ein prenyliertes Flavonoid, welches u.a. aus Hopfen isoliert werden kann, vermittelt eine wachstumshemmende Aktivität gegen B16 Melanoma-Tumorzellen in vitro als auch in vivo in C57BL/6 Maus-Xenografts. Desweiteren ist IXN in der Lage, die Sensitivität der Melanoma-Tumore gegenüber dem etablierten Chemotherapeutikum und pflanzlichen Naturstoff Paclitaxel deutlich zu verstärken, was auf einen synergistisch unterstützenden Wirkmechanismus hindeutet (Krajnović, T. et al., Pharmacol. Res. 2016, 105, 62-73: Versatile antitumor potential of isoxanthohumol: Enhancement of paclitaxel activity in vivo).

Entsprechend liegt der Fokus der meisten unserer derzeitigen Projekte auf möglichen Antitumor- und Antientzündungseffekten ausgewählter Naturstoffe und Derivate:

Design, Synthese und Testung von zielgerichteten molekularen Transportvehikeln für hochpotente Substanzen (Targeted Therapy-Ansätze)
Screening von Naturstoffen und synthetischen Verbindungen als mögliche PARP-Inhibitoren (für Pflanzenstress- und Antitumor-Anwendungen; siehe Abb. 4)
Screening von Naturstoffen als synergistisch wirkende Adjuvantien und Booster für etablierte Tumortherapien (z.B. Isoxanthohumol steigert die Paclitaxel-Wirkung; siehe Abb. 3)
Metabolom-Fingerprinting von behandelten Tumorzellen
Screening von Pflanzeninhaltsstoffen für neue Behandlungsmöglichkeiten chronischer Bluterkrankungen bei älteren Menschen.

**Abb. 4:** Diverse abiotische und biotische Faktoren sind in der Lage, die DNA zu schädigen indem sie beispielsweise DNA-Einzelstrangbrüche (*single strand breaks*; SSB) verursachen. Derartige SSBs können von dem Enzym Poly(ADP-ribose)-Polymerase (PARP) erkannt und durch Anbindung von Poly(ADP)-Resten als geschädigt markiert werden. Darüber hinaus polyadenyliert PARP auch beteiligte Histone sowie sich selbst. Dieser Prozess ist der erste Schritt eines zellulären DNA-Reparaturmechanismus‘ im Falle von DNA-Einzelstrangbrüchen. Die Hemmung des PARP-Enzyms mittels Inhibitoren (PARPi) wie zum Beispiel Olaparib (ein klinisch etablierter PARPi), führt zu einer Hemmung der DNA-Reparatur. Die fortlaufende Replikation ge-schädigter DNA führt jedoch entweder zu DNA-Doppelstrangbrüchen oder dem Abbruch der Replikation. DNA-Doppelstrangbrüche werden wiederum von BRCA-Proteinen erkannt und repariert. Etliche Tumortypen, beispielsweise diverse Brust- und Eierstocktumore, haben sich jedoch als BRCA-defizient erwiesen. Umso mehr sind solche Tumoren auf einen funktionierenden PARP-basierten DNA-Reparaturmechanismus angewiesen. Aus diesem Grund stellen PARP-Inhibitoren eine vielversprechende Wirkstoffklasse zur gezielten Behandlung von BRCA-defizienten Tumoren dar.

Darüber hinaus sind PARP-Enzyme auch bei Pflanzen bekannt, wo sie nicht nur an der DNA-Reparatur beteiligt sind, sondern auch die Sensitivität der Pflanzen gegenüber verschiedenen abiotischen Stressfaktoren zu beeinflussen scheinen, insbesondere Trockenstress. Es wird diskutiert, dass PARP-Inhibitoren die Resistenz von Pflanzen gegenüber solchen abiotischen Stressfaktoren verbessern und somit den Pflanzenertrag unter suboptimalen Wachstumsbedingungen erhöhen können. Weitere Details zu Pflanzenschutz finden Sie in der Projektgruppe Phytoeffectoren.

Technische Ausstattung

Für diese Arbeiten ist unser Labor ausgestattet mit einem high-end BD FACSAria™ III Durch-flusszytometer (Becton Dickinson), einem Pipetmax (Gilson), einem EVOS FL Mikroskop-System (Thermo Fisher Scientific), einem SpectraMax M5 multi-mode Plattenlesegerät (Molecular Devices), einem Countess^®II Zellzähler (Thermo Fisher Scientific), Western Blot-Kapazitäten, einem Lemnatec Scanalyser (Lemnatec GmbH), mehreren CO2-Inkubatoren, Sicherheitswerkbänken (Klasse I und II), Ausstattung zur Cryo-Zelllagerung usw.