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Ulmer schreiben mit an neuem Kapitel der Geschichte von Thalidomid

Unter dem Namen Contergan erlangte der Wirkstoff Thalidomid traurige Berühmtheit. Weniger bekannt ist, dass das einstige Beruhigungsmittel als immunmodulatorisches Präparat mit wachsendem Erfolg in der Therapie von Tumoren des blutbildenden Systems eingesetzt wird. Dr. Jan Krönke ist Nachwuchsgruppenleiter an der Uniklinik in Ulm und erforscht den Wirkmechanismus des Thalidomid-Analogons Lenalidomid.

Dr. Jan Krönke © Universität Ulm

Glossar

  • Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine; es gibt insgesamt 20 verschiedene Aminosäuren in Proteinen.
  • Anämie bedeutet: Blutarmut.
  • Chromosomen sind die unter dem Mikroskop sichtbaren Träger der Erbanlagen. Die Anzahl der im Zellkern vorhandenen Chromosomen ist artspezifisch. Beim Menschen sind es zweimal 23. Mit Ausnahme der Geschlechtschromosomen liegen Chromosomen in Körperzellen sowie in befruchteten Eizellen paarweise als sog. homologe Chromosomen vor. In den Keimzellen ist nach Abschluss der Reifungsteilungen nur ein einfacher Chromosomensatz vorhanden.
  • 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.
  • Interleukine sind Proteine, die als Botenstoffe die Immunantwort stimulieren. Sie regen u. a. die Teilung der B-Lymphozyten an, die für die Produktion von Antikörpern sorgen.
  • Die Konjugation ist ein natürlicher Vorgang, mit dem bestimmte Bakterien durch „Paarung“ (Aneinanderlagern von Spender- und Empfängerzelle) genetische Information (Plasmide) austauschen. Die hierfür benötigten Gene liegen in der Regel auf den Plasmiden.
  • Ligasen sind Enzyme, die DNA-Moleküle über eine Phosphordiesterbrücke zwischen einem 5’-Phosphat-Ende und einem 3’-OH-Ende miteinander verbinden können.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Rezeptoren sind Moleküle, die u. a. auf Zelloberflächen anzutreffen sind und die in der Lage sind, ein genau definiertes Molekül – ihren Liganden – zu binden. Das Zusammentreffen von Ligand und Rezeptor kann eine Abfolge von Reaktionen innerhalb der Zelle auslösen.
  • Mit Transkription im biologischen Sinn ist der Vorgang der Umschreibung von DNA in RNA gemeint. Dabei wird mithilfe eines Enzyms, der RNA-Polymerase, ein einzelsträngiges RNA-Molekül nach der Vorlage der doppelsträngigen DNA synthetisiert.
  • Das Proteom ist die Gesamtheit aller zu einem bestimmten Zeitpunkt unter definierten Bedingungen vorhandenen Proteine in einem Lebewesen, einem Gewebe oder einer Zelle.
  • Ein Transkriptionsfaktor ist ein Protein, dass die Herstellung einer RNA-Kopie eines Gens (Transkription) steuert. Transkriptionsfaktoren binden an bestimmte Sequenzen auf der DNA und interagieren mit der RNA-Polymerase, die dadurch ihre Transkriptionsaktivität verändert.
  • Ein Tumor ist eine Gewebsschwellung durch abnormales Zellwachstum, die gutartig oder bösartig sein kann. Gutartige (benigne) Tumore sind örtlich begrenzt, während Zellen bösartiger (maligner) Tumore abgesiedelt werden können und in andere Gewebe eindringen können, wo sie Tochtergeschwulste (Metastasen) verursachen.
  • Dysplasie bedeutet im Allgemeinen eine Fehlbildung, z.B. eines Körperteils. Im feingeweblichen Zusammenhang ist damit die Abweichung der Gewebestruktur vom normalen Bild gemeint. Dysplasien können Krebsvorstufen sein.
  • Kinasen sind Enzyme, die eine Phosphatgruppe von ATP (Adenosintriphosphat) auf andere Enzyme oder chemische Verbindungen übertragen und diese somit phosphorylieren.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Oral bedeutet in der Medizin: Aufnahme von Stoffen durch den Mund. Anatomisch bedeutet oral: in Richtung Mund liegend.
  • Leukämie ist eine bösartige Erkrankung (Krebs) des blutbildenden Systems. Durch die vermehrte Bildung entarteter weißer Blutkörperchen und ihrer Vorstufen wird die Blutbildung im Knochenmark gestört. Andere Blutbestandteile werden verdrängt und es kommt dadurch zu Anämie (Blutarmut), Infektionen und Blutungen, die letztlich zum Tod führen, wenn die Leukämie nicht behandelt wird.
  • Das Immunsystem ist das körpereigene Abwehrsystem von Lebewesen, das Gefahren durch Krankheitserreger abwenden soll. Es schützt vor körperfremden Substanzen und vernichtet anormale (entartete) Körperzellen. Dies wird durch ein komplexes Zusammenspiel mehrerer Organe, Zelltypen und chemischer Moleküle vermittelt.
  • T-Killerzellen werden auch zytotoxische T-Zellen genannt und sind spezialisierte Immunzellen (weiße Blutkörperchen). Sie zählen zu den T-Lymphozyten und sind damit ein wesentlicher Bestandteil des spezifischen Immunsystems. T-Killerzellen vermitteln die zelluläre Immunantwort, d.h. sie zerstören körperfremde Zellen bzw. von Krankheitserregern befallene körpereigne Zellen. Sie greifen auch körpereigene Zellen mit veränderter Oberflächenstruktur (z.B. Krebszellen) an.
  • Toxizität ist ein anderes Wort für Giftigkeit.
  • Die Pharmakologie ist eine Wissenschaft, die sich mit der Wechselwirkung zwischen Arzneimitteln und Organismen befasst. Dabei gibt es zwei Verfahren zur Beurteilung: Die Pharmakokinetik beschreibt die Aufnahme, Verteilung, Verstoffwechselung und Ausscheidung des Wirkstoffs, die Pharmakodynamik beschreibt die Wirkung des Arzneimittels im Organismus.
  • Plastizität ist die Eigenschaft von Organismen, ihre Merkmalsausprägungen unter Einfluss von Umweltfaktoren zu verändern. Unter neuronaler Plastizität versteht man die Eigenschaft von Nervenzellen, sich in Abhängigkeit von ihrer Aktivität in ihren Antworteigenschaften zu verändern. Meist wird dabei die Stärke der synaptischen Übertragung beeinflusst (synaptische Plastizität). Die neuronale bzw. synaptische Plastizität wird als grundlegender Mechanismus für Lernvorgänge und Bildung von Erinnerungen angesehen.
  • Analogon ist meist ein Bezeichnung für funktionell gleichwertige Wirkstoffe, die aber strukturell verschieden sind.
  • Methylierung ist die Einführung von Methylgruppen in organische Verbindungen.
  • Als Target (engl.:Ziel) werden Biomoleküle bezeichnet, an die Wirkstoffe binden können. Targets können Rezeptoren, Enzyme oder Ionenkanäle sein. Die Interaktion zwischen Wirkstoff und Target löst eine Wirkstoff-Target-spezifische Reaktion aus. Die Identifikation eines Targets ist für die biomedizinische und pharmazeutische Forschung von großer Bedeutung. Erkenntnisse über spezifische Wechselwirkungen helfen grundlegende molekularbiologische Vorgänge zu verstehen und neue Angriffpunkte für Arzneimittel zu identifizieren.
  • Als Transplantation bezeichnet man die Verpflanzung eines Transplantates (Zellen, Gewebe Organe). Es gibt verschiedene Transplantationsarten, die sich nach Herkunft, Funktion und Ort einteilen lassen. So wird bei einer xenogenen Transplantation ein Organ einer anderen Art transplantiert, während dagegen bei einer allogenen der Spender von einer Art stammt. Daneben gibt es noch die autologe Transplantation, bei der Spender und Empfänger dasselbe Individuum sind. Ist der Spender der eineiige Zwilling so spricht man von einer syngenen Transplantation. Eine alloplastische Transplantation wird das Transplantieren von künstlichem Material genannt. Bei Transplantationen werden Immunsuppressiva verabreicht, um die natürliche Abwehrreaktion des Körpers gegenüber Fremdstoffen zu unterbinden und damit das Transplantat im Körper zu erhalten. Die Zulässigkeit der Organspenden wird durch das Transplantationsgesetz (TPG) seit 1997 in Deutschland geregelt. Tritt Hirntod ein, muss ein Familienangehöriger der Entnahme zustimmen oder ein entsprechender Organspendeausweis des Spenders vorliegen. Am Häufigsten werden heutzutage Niere, Augenhornhaut, Herz und Leber transplantiert.

Ulmer Hämatologen um Jan Krönke haben jetzt zusammen mit US-Kollegen einen neuen Wirkmechanismus des Thalidomid-Analagons Lenalidomid entdeckt (Krönke, Nature 9. Juli 2015). Möglicherweise lassen sich Thalidomid-Abkömmlinge pharmakologisch so weiterentwickeln, dass bislang unerreichbare Krebs-Proteine (Transkriptionsfaktoren) angreifbar werden.

Geschichte, reich an dramatischen Wendungen

Die Geschichte von Thalidomid ist reich an dramatischen Wendungen. In den 1950er Jahren wird die Substanz von einem Forschungsleiter vom Stolberger Unternehmen Chemie Grünenthal als Beruhigungsmittel unter dem Markennamen Contergan entwickelt – mit schlimmen Folgen. Indikation ist die typische morgendliche Übelkeit bei Schwangeren. Das hohe unbekannt gebliebene teratogene Potenzial von Contergan verursacht bei Föten schwerste Missbildungen an Gliedmaßen, führt zum Verlust ganzer Organe. Deutschland, wo das Arzneimittel rezeptfrei erhältlich ist und die meisten Opfer zu beklagen sind, hat Anfang der 1960er Jahre seinen größten Arzneimittelskandal. 1970 wird das Gerichtsverfahren gegen Verantwortliche der Firma eingestellt, die Substanz verschwindet.

Anfang der 1990er Jahre gehen die Thalidomid-Patente an die US-Pharmafirma Celgene, die aus Thalidomid und Derivaten immunmodulatorische Arzneimittel entwickelt (http://www.celgene.com/research-development/medical-innovation/imids/) und inzwischen auf den Markt gebracht hat. 1999 beginnt Thalidomids zweites Leben als Krebsmittel: Forscher entdecken, dass es eine starke klinische Wirkung bei Patienten mit Multiplem Myelom (MM) entfaltet, noch potenter sind seine Derivate Lenalidomid und Pomalidomid (Stewart, 257), die ebenso gegen MM und andere Blutkrebserkrankungen zugelassen werden (Stewart, 256). Die Präparate dürfen in der EU (vgl. BfArM-Link unten) wie auch in den USA wegen ihrer fruchtschädigenden Wirkung nur unter strengen Sicherheitsvorkehrungen verabreicht werden.

Lange bleibt der Wirkmechanismus dieser Molekülgruppe im Dunkeln. Viele Experimente zeigen deren Anti-Tumorwirkung: Sie verhindern die Ausbildung von Blutgefäßen, stärken das Immunsystem durch mehr natürliche Killerzellen und die Zunahme zytotoxischer Immunmodulatoren wie Interleukin-2. Erst 2010 identifiziert der Japaner Ito das Protein Cereblon (CRBN) als Ziel der Contergan-Substanz und stellt einen Zusammenhang mit dessen teratogenen Wirkungen her (Licht, 11).

Mit Proteomics das Geheimnis gelüftet

Erklären lassen sich die antitumoralen Eigenschaften des Moleküls und seiner Analoga indes erst vier Jahre später. Erst 2014 gelingt es zeitgleich drei Gruppen, darunter der von Krönke (Science 2014), mit unterschiedlichen, sich ergänzenden Proteomics-Techniken das Geheimnis der Krebsmittel Thalidomid, Lenalidomid und Polamidomid zu erklären. Lenalidomid, so findet Krönkes Gruppe heraus, zerstört die für das MM zentralen Transkriptionsfaktoren IKZF1 und IKFZ3 über einen bisher unbekannten Wirkmechanismus.

Der Wirkstoff bindet an den Substrat-Rezeptor Cereblon, der zu einem E3-Ubiquitin-Ligase-Komplex mit weiteren Proteinen (DDB1, CUL4A und Roc1) gehört. Mit der Bindung wird die E3-Ubiquitin-Ligase aktiviert und setzt eine Signal-Kaskade in Gang, die dazu führt, dass IKZF1 und IKFZ 3 mit einem kleinen Molekül markiert (ubiquitiniert) und für den Abbau im Proteasom freigegeben werden. Krönke und Kollegen zeigen, dass Ikaros (IKZF1) und Aiolos (IKZF3) selektiv an Cereblon binden.

Jan Krönke, den 2011 bis 2014 ein DFG-Stipendium an das Brigham and Women's Hospital an der Harvard Medical School führt, lernt in Benjamin Eberts Forschungslabor Entscheidendes. Dieser ist Experte für das seltene Krebsleiden Myelodysplastisches Syndrom (MDS) und Lenalidomid. Ebert hatte 2008 entdeckt, dass der Verlust des langen Arms des 5er-Chromosoms (del(5q)) relevant für die Krankheit ist. Davon ist jeder fünfte MDS-Patient betroffen, wovon wiederum 70 bis 80 Prozent auf die Behandlung mit Lenalidomid ansprechen.

Lenalidomid bindet an E3 Ubiquitin-Ligase, aktiviert die Bindung von IKFZ1 und IKFZ 3 sowie der Casein-Kinase 1α. Diese Substratproteine werden mit dem kleinen Protein Ubiquitin markiert und dann im Proteasom abgebaut. Der Abbau von IKFZ1 und IKFZ3 ist für die klinischen Effekte von Lenalidomid, Thalidomid und Pomalidomid in MM und die Freisetzung von Interleukin-2 von T-Zellen verantwortlich. CK1α wird nur von Lenalidomid ubiquitiniert und abgebaut. © Krönke / Universität Ulm

Warum wirkt Lenalidomid so zielgenau?

In Boston findet Postdoc Krönke heraus, warum nur Lenalidomid, nicht aber Thalidomid und Pomalidomid bei del(5q) MDS wirkt. In Proteomics- und molekularbiologischen Untersuchungen sowie Versuchen im Mausmodell zeigt die deutsch-amerikanische Forschergruppe, dass nur Lenalidomid den Abbau des Proteins Casein-Kinase 1A (CK1A) induziert. Dieses Enzym, das hat eine Forschergruppe um Ebert jüngst (Cancer Cell. 2014 Oct 13;26(4):509-20.doi: 10.1016/j.ccr.2014.08.001) entdeckt, spielt eine zentrale Rolle in der Biologie von del(5q) MDS. Weitere Forschung ist nötig, um alle biologischen Auswirkungen des CK1A-Abbaus zu erfassen.

„Da das CK1A-Gen auf dem verlorenen Chromosom 5q liegt, verfügen die MDS-Zellen nur über geringe Mengen dieses Proteins und sind damit besonders empfindlich gegenüber Lenalidomid, das gezielt den Verlust eines Gens in den Krebszellen ausnutzt, um diese zu töten", so Krönke. Das auf Haploinsuffizienz basierende Wirkprinzip bei Krebszellen ist laut Krönke seit 20 Jahren bekannt (Nature 2015, S. 183, 187).

Einzige Aminosäure verändert die Wirkung

Krönke und (Ex-)Kollegen entdeckten weiterhin, dass eine einzige andere Aminosäure im Cereblon-Protein der Maus genügt, um sie für Thalidomid und seine Analoga resistent zu machen. Mit genetischen Veränderungen im Zielprotein Cereblon wird es künftig möglich sein, diese Resistenz aufzuheben und Untersuchungen im Mausmodell mit Lenalidomid und anderen möglichen Wirkstoffkandidaten durchzuführen.

Für Krönke belegen die Experimente, dass offenbar winzige chemische Modifikationen genügen, um die Wirkung dieser Molekülgruppe zu verändern. Damit, so der Wissenschaftler, „kann man diesen Mechanismus haargenau einstellen, ihn durch leichte chemische Modifikationen steuern". Für die Entwicklung neuer, ähnlich wirkender Medikamente, wie sie das Pharma-Unternehmen Celgene plant, könnte das wichtig sein, um gezielt krankheitsrelevante Proteine abzubauen.

Können jetzt Transkriptionsfaktoren angegriffen werden?

Die Tragweite dieser Studien ist nach Expertenmeinung (z.B. Stewart, Ito, Licht) beträchtlich: Seit rund 30 Jahren sucht die Forschung nach Transkriptionsfaktoren und Wegen, diese zu unterdrücken, weil man deren immense regulatorische Kraft kennt. Dagegen Medikamente zu entwickeln sei sehr schwer, weil sie sich anders als Enzyme sehr schwer angreifen lassen, erläutert Krönke den Zusammenhang. Einer Forschungsgruppe (Winter, Science 2015) gelang der Nachweis, dass durch weitere chemische Modifikationen an diesen Thalidomid-Analoga auch andere Proteine (BET oder FKBP12) angreifbar werden und im Mausmodell das Fortschreiten von Krebs verzögern. Das hat die Spekulationen der Forschergemeinde über eine möglicherweise neue Arzneimittelklasse befeuert. Der Weg vom Tierversuch zu klinischen Studien ist jedoch steinig, das weiß auch der Emmy-Noether-Nachwuchsgruppenleiter Jan Krönke.

MDS ist eine Krebsart, bei der die Produktion von Blutzellen und Plättchen im Knochenmark außer Funktion gesetzt ist, was oft zu schwerer Anämie, Infektionen und Blutungen führen kann. Etwa 50 Prozent der MDS-Patienten haben eine Form von zytogenetischer oder chromosomaler Abnormität, und 30 Prozent davon haben nach Stand der Forschung wahrscheinlich diese spezifische 5q-Deletionsanomalie. MDS ist mit einer schlechten Prognose verbunden und kann in die akute myeloische Leukämie übergehen, die oft tödlich verläuft (EMA/31457/2015).

Außer Lenalidomid gibt es 5-Azacytidin, eine demethylierende Substanz, die das Blutbild verbessert. MDS schreitet eher langsam voran. Allerdings sind die Therapieoptionen sehr begrenzt. Allenfalls eine allogene Stammzelltransplantation verspricht Heilung, kommt aber nur bei medizinisch sehr fitten Patienten bis zum Alter von 70 Jahren in Frage.

Literatur:

Krönke, Jan et al.: Lenalidomide Causes Selective Degradation of IKZF1 and IKZF3 in Multiple Myeloma Cells, Science 343, (17.1.2014), 301-305; DOI: 10.1126/science.1244851.

Stewart, A. Keith: How Thalidomide Works Against Cancer, Science 243, 256-257 (17. 1.2014), DOI: 10.1126/science.1249543.

Licht, Jonathan et al.: From Anecdote to Targeted Therapy: The Curious Case of Thalidomide in Multiple Myeloma, Cancer Cell (25.1.2014), DOI:20.1016/j.ccr.2013.12.019.

Winter, Georg E. et al.: Phthalimide Conjugation as a Strategy for in Vivo Target Protein Degradation, Science 348, 6241, 1376-1381 (online 21.5.2015), DOI: 10.1126/science.aab.1433

Krönke, Jan et al.: Lenalidomide Induces Ubiquitination and Degradation of CK1α in del(5q) MDS, Nature 523, 183-188 (9.7.2015), DOI: 10.1038/nature14610.

Ito, Takumi; Handa, Hiroshi: Another Action of a Thalidomide Derivative, Nature 523, 167-168 (9.7.2015), DOI:10.1038/nature14628.

Federal Institute for Drugs and Medical Devices (BfArM), special regulation covering thalidomide and its analogues (http://www.bfarm.de/DE/Bundesopiumstelle/T-Rezept/_node.html)

Gandhi, Anita K. et al.: Immunomodulatory Agents Lenalidomide and Pomalidomide co-stimulate T Cells by Inducing Degradation of T Cell Repressors Ikaros and Aiolos via Modulation of the E3 Ubiquitin Ligase Complex CRL4CRBN. Article first published online: 13.12.2013, DOI: 10.1111/bjh.12708

Lu, Gang et al: The Myeloma Drug Lenalidomide Promotes the Cereblon-Dependent Destruction of Ikaros Proteins, DOI: 10.1126/science.124491.)

Auszeichnung

Am 01. Oktober 2015 erhielt der Ulmer Onkologe Dr. med. Jan Krönke für sein Projekt zur „Identifikation von Lenalidomid Resistenz-Mechanismen in Myelodysplastischen Syndromen“ den Württembergischen Krebspreis 2015 der Dres. Carl Maximilian und Carl Manfred Bayer-Stiftung.

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