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Kombinierte Testsysteme sollen Wirkstoff-Entwicklung gegen die Alzheimer-Erkrankung voranbringen

Welche Substanzen eignen sich zur Behandlung von neurodegenerativen Erkrankungen wie der Alzheimerschen? Aufgrund der komplexen biochemischen Zusammenhänge ist die Testung geeigneter Wirkstoffkandidaten gerade in der frühen Phase der Arzneimittelentwicklung schwierig. Viele Testsysteme decken nur einzelne Aspekte ab. Jetzt kombiniert ein Team verschiedene Modelle zu einem neuen Ansatz.

Mit Hochdruck und viel „Manpower“ wird weltweit an Wirkstoffen gegen die Alzheimer-Erkrankung geforscht. Mögliche Wirkstoff-Kandidaten zu identifizieren ist das eine, sie möglichst früh auf ihre tatsächliche Eignung als Arzneimittel zu testen noch eine ganz andere Herausforderung. Gerade in der frühen Wirkstoff-Entwicklung mangelt es nach wie vor an effizienten Testsystemen. Dabei wäre der Nutzen hoch: Je früher das Feld auf nachweislich geeignete Wirkstoff-Kandidaten eingeengt werden kann, umso weniger Zeit und Ressourcen werden für Substanzen verschwendet, die sich später dann doch als untauglich erweisen.

Mit dem Projekt A-ADAM unterstützt die EU im Rahmen ihrer EUREKA-Eurostars-Initiative seit Juni 2017 einen deutsch-französischen Forscherverbund, der Testsysteme speziell für die frühen Entwicklungsphasen von Wirkstoffen gegen neurodegenerative Erkrankungen entwickelt. Eurostars ist ein Programm, das unter Beteiligung von kleinen und mittelgroßen Firmen (KMU) die europäische Zusammenarbeit in Forschungs- und Entwicklungsprojekten fördert. Das Ziel ist ein Zuwachs an innovativen Produkten und Verfahren „Made in Europe“. Gleich zwei der drei A-ADAM-Partner kommen aus Baden-Württemberg: das NMI Reutlingen, an dem Prof. Dr. Hansjürgen Volkmer die Projektleitung übernommen hat, und die CeGaT GmbH aus Tübingen. Der französische Partner ist die E-PHY-SCIENCE aus Valbonne.

Glossar

  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Mit dem Begriff Mutation wird jede Veränderung des Erbguts bezeichnet (z. B. Austausch einer Base; Umstellung einzelner DNA-Abschnitte, Einfügung zusätzlicher Basen, Verlust von Basen oder ganzen DNA-Abschnitten). Mutationen kommen ständig in der Natur vor (z. B. ausgelöst durch UV-Strahlen, natürliche Radioaktivität) und sind die Grundlage der Evolution.
  • Plaque im biologischen Sinn ist der klare Bereich in einem Bakterienrasen, der durch Infektion mit lytischen Bakteriophagen hervorgerufen wird.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Die Ribonukleinsäure (Abk. RNS oder RNA) ist eine in der Regel einzelsträngige Nukleinsäure, die der DNA sehr ähnlich ist. Sie besteht ebenfalls aus einem Zuckerphosphat-Rückgrat sowie einer Abfolge von vier Basen. Allerdings handelt es sich beim Zuckermolekül um Ribose und anstelle von Thymin enthält die RNA die Base Uracil. Die RNA hat vielfältige Formen und Funktionen; sie dient z. B. als Informationsvorlage bei der Proteinbiosynthese und bildet das Genom von RNA-Viren.
  • Das Amyloid-Vorläufer-Protein (APP) ist ein die Zellmembran durchspannendes großes Protein, das in den meisten Zelltypen und in vielen Organismen nachgewiesen wurde, aber nur im Gehirn, wo es in den Nervenbahnen stark angereichert ist, kommt es zu den amyloiden Ablagerungen, die Hauptursache für Alzheimer.
  • Neuron ist der Fachausdruck für Nervenzelle. Diese besteht aus einem Zellkörper, einem Axon und Dendriten.
  • Ein Peptid ist eine organisch-chemische Verbindung, die aus mehreren Aminosäuren (AS) besteht, die miteinander zu einer Kette verbunden wurden. Die Aminosäuren sind über Peptidbindungen miteinander verknüpft. Als Peptide bezeichnet man relativ kurze Aminosäurenketten (20 - 100 Aminosäuren), dagegen bezeichnet man längere Aminosäurenketten (>100) als Proteine.
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • Unter Degeneration verstehet man in einem medizinisch-biologischen Sinn die Rückbildung und den Verfall von Zellen, Geweben oder Organen.
  • Synapsen sind die Kontaktstellen zwischen Nervenzellen untereinander bzw. Nervenzellen und anderen Zellen (z.B. Muskelzellen). In chemischen Synapsen wird ein ankommender elektrischer Impuls der Nervenzelle in ein chemisches Signal umgewandelt: Es werden sogenannte Neurotransmitter ausgeschüttet, die wiederum die Zielzelle zur Erzeugung eines elektrischen Impulses anregen.
  • Physiologie ist die Lehre von den biochemischen und physikalischen Vorgängen in Zellen, Geweben und Organen der Lebewesen.
  • Polypropylen (Abkürzung: PP) ist ein thermoplastisches Polymer des Propylens (auch: Propens).
  • Das Axon ist der lange, faserartige Fortsatz einer Nervenzelle, der die Nervenimpulse vom Zellkörper zu den Endigungen (Synapsenendknöpfchen) der Nervenzelle weiterleitet.
  • Die Alzheimer-Krankheit (auch Morbus Alzheimer genannt) ist eine langsam fortschreitende Demenz-Erkrankung, die sich in einer immer stärkeren Abnahme der Hirnfunktionen äußert. Sie tritt vor allem im Alter auf. Die Hauptursache von Alzheimer sind intrazelluläre Ablagerungen eines Fragments des Amyloid-Vorläufer-Proteins (APP), wodurch es zu einem zunehmenden Verlust von Nervenzellen und damit der Gehirnmasse kommt. Die Betroffenen zeigen anfangs nur eine geringfügigen Vergesslichkeit. In späteren Stadien sind vor allem die Sprache, das Denkvermögen und das Gedächtnis beeinträchtigt. Im Endstadium der Krankheit kommt es schließlich zu einem vollständigen Verlust des Verstandes sowie der Persönlichkeit der betroffenen Personen.
  • Aggregation ist die funktionelle Zusammenlagerung von Zellen oder Molekülen.
  • Die Epigenetik beschäftigt sich mit den vererbbare Veränderungen in der Genexpression, die nicht auf Abweichungen in der Sequenz der DNA zurückzuführen sind.
  • Methylierung ist die Einführung von Methylgruppen in organische Verbindungen.
  • Ein Mitochondrium ist ein von einer Doppelmembran umschlossenes Organell, das im Zellinneren der Eukaryonten vorkommt. Als "Kraftwerk der Zelle" dient es der Energiegewinnung, weshalb Zellen mit hohem Energiebedarf (z. B. Muskel- oder Nervenzellen) viele Mitochondrien enthalten.

Stopp oder Vorfahrt für die Wirkstoffentwicklung: Kombitests sollen es zeigen

Im Mausmodell kann der Einfluss von Wirkstoff-Kandidaten auf krankhafte Peptid-Ablagerungen im Gehrin untersucht werden. Das Bild zeigt eine Übersichtsaufnahme des Gyrus dentatus der Ratte (Teilbereich des Hippocampus). Die Zellkerne von Nervenzellen sind rot angefärbt; die weiße Färbung zeigt neu entstandene, noch unreife Nervenzellen. © NMI Reutlingen

Die Forscher wollen eine neue Kombination von In-vivo- und In-vitro-Testsystemen entwickeln, die eine umfassende frühe Testung von Wirkstoff-Kandidaten ermöglicht. Volkmer erklärt, was dahinter steckt: „Es sind zwar bereits beschriebene, krankheitsauslösende und vererbbare Genmutationen im Fall der familiären Form der Alzheimer-Erkrankung bekannt – der überwiegende Teil der betroffenen Menschen erkrankt jedoch an einer sporadischen Form ohne genau definierbaren genetischen Einfluss. Der wichtigste Risikofaktor ist hier schlicht das Lebensalter. Deshalb versuchen wir, Alterungsprozesse der Neuronen in vivo und in vitro darzustellen und mit den familiären Risikofaktoren zu kombinieren.“ Der Einfluss potenzieller Wirkstoffe auf diese Modelle soll die Entscheidungsbasis für oder gegen die weitere Entwicklung eines Wirkstoff-Kandidaten liefern.

Für den In-vivo-Anteil ist E-PHY-SCIENCE zuständig, ein Spezialist für elektrophysiologische Testsysteme. Zu A-ADAM steuert das Unternehmen ein Modell für familiäre Alzheimer-Erkrankung bei. Dabei handelt es sich um genetisch veränderte Mäuse, die krankhafte Veränderungen zeigen, die denen bei Alzheimer-Patienten entsprechen. Die Mäuse häufen krankhaft veränderte Peptide in Form von Beta-Amyloiden in ihrem Gehirn an – nur eben nicht altersbedingt, sondern aufgrund gezielter genetischer Intervention. „Genetische Modelle beruhen auf den seltenen, familiär vererbten Mutationen. Diese Mutationen beschleunigen die Entstehung krankhafter Ablagerungen aus Spaltprodukten des Alzheimer-Precursor-Protein, kurz APP, oder hyperphosphoryliertem Tau“, sagt Volkmer. Aggregate aus diesen Peptiden sind typisch für Alzheimer: Ein Übermaß an Beta-Amyloiden führt zu Ablagerungen, den „senilen Plaques“ im Gehirn, während hyperphosphorylierte Tau-Proteine zu Neurofibrillen aggregieren, die in Nervenausläufern (Axonen) akkumulieren und dadurch ihre Funktion behindern. Beide Ablagerungen stören die Signalübertragung zwischen den Neuronen im Gehirn. Genau das und die Auswirkung eines potenziellen Wirkstoffs auf die Signale will E-PHY-SCIENCE in ihrem Modell durch elektrophysiologische Messung detektieren.

Diesem Modell fehlen jedoch wichtige Merkmale von Alterungsprozessen. Als wesentlicher Faktor für den Alterungsprozess von Neuronen wurde eine verringerte Aktivität der Mitochondrien, also der Kraftwerke der Zellen, identifiziert. In den Zellen wird dadurch weniger Energie produziert, was letztlich zu altersbedingten Einschränkungen neuronaler Funktionen, einem wichtigen Merkmal von Alzheimer, führt. Am NMI wurde daher in die molekulare Trickkiste gegriffen, um die altersbedingten mitochondrialen Defizite nachzustellen. Durch RNA-Interferenz wird ein Enzym im Energiestoffwechsel der Mitochondrien, genauer gesagt die Cytochrom-C-Oxidase in der mitochondrialen Atmungskette, gehemmt. Die Forscher am NMI konnten bereits zeigen, dass dieser Eingriff allein schon die Zahl der Synapsen an den Nervenzellen reduziert. „Und genau das, also eine verringerte Anzahl Synapsen, ist ein Charakeristikum früher Stadien der Alzheimer-Erkrankung“, sagt Volkmer. Gemeinsam mit dem Team von E-PHY-SCIENCE werden nun Tiermodelle entwickelt, in denen die genetischen Modelle für die Alzheimer Erkrankung mit einer mitochondrialen Schädigung verknüpft werden.

CeGaT will Geschäftsfelder um epigenetische Analysen bereichern

Die Grafik zeigt den Ablauf und die Geräte zur Bisulfit-Sequenzierung. Dabei werden die Cytosin-Bausteine der DNA in Uracil-Bausteine konvertiert, was zu einem anderen Signal in der Sequenzierung führt. Dieses Signal erlaubt Rückschlüsse auf die Methylierung der DNA als epigentische Veränderung. © CeGaT GmbH

Zu dem Netzwerk an Testmodellen gehört noch ein dritter Aspekt, an dem die CeGaT GmbH als Spezialist für genetische Diagnostik wesentlich beteiligt ist. Hier werden ausgehend von dem Hirnmaterial, das E-PHYS-Science liefert, epigenetische Analysen etabliert. Sie sollen die Wirkstofftestung untermauern. „Mit diesem Projekt steigen wir erstmals in die epigenetische Analytik ein, die wir zu einem weiteren Geschäftsfeld ausbauen wollen“, sagt Britta Merz, Projektmanagerin bei CeGaT. Epigenetische Veränderungen sind zum Beispiel Änderungen im Methylierungsmuster der DNA. Epigenetische Veränderungen der DNA in Nervenzellen können unter anderem eine Reaktion auf bestimmte Umwelteinflüsse sein, die Alzheimer begünstigen. Die CeGaT GmbH will ein Testsystem für die Erkennung Alzheimer-spezifischer Methylierungsmarker entwickeln, die in der frühen Wirkstofftestung eingesetzt werden können – aber auch in der medizinischen Diagnostik. „Es gibt Studien, die Veränderungen der DNA-Methylierung mit der Pathogenese von Alzheimer in Verbindung bringen, und wenn wir hier ein einfaches Testsystem für Blutproben etablieren könnten, ließen sich damit eines Tages vielleicht frühe Stadien diagnostizieren“, wagt Merz einen Langfrist-Ausblick.

Jeder der drei Partner kann die im Projekt generierten Ergebnisse für seine Zwecke und zur Weiterentwicklung der eigenen Testsysteme nutzen. „Wir sind technologisch sehr unterschiedlich aufgestellt und nutzen die Interaktionen für entsprechend unterschiedliche Verwertungsmodelle“, sagt Volkmer. Das NMI selbst hat das Ziel, mithilfe der Kooperationen durchsatzfähige In-vitro-Testsysteme zu entwickeln, die für Wirkstoff-Kandidaten bei verschiedenen Indikationen neurodegenerativer Erkrankungen eingesetzt werden können. „Wir wollen in unseren Nervenzell-Kulturen zum Beispiel den Calcium-Spiegel als Äquivalent zur elektrischen Aktivität messen und so Aussagen über die neuronale Funktion mit und ohne Wirkstoff-Zugabe treffen. Wir sind dabei, ein zunächst experimentelles durchsatzfähiges System zu entwickeln, das anschließend automatisiert wird. Unser Ziel ist es, eine Roboterroutine für die Tests aufzubauen“, erklärt Volkmer.

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/kombinierte-testsysteme-sollen-wirkstoff-entwicklung-gegen-die-alzheimer-erkrankung-voranbringen/