Von Vitamin E-abgeleitete duale Hemmstoffe

Erkrankungen wie Krebs, Herz-Kreislaufbeschwerden oder Neurodegeneration werden von einer chronischen Entzündung begleitet. Gesteuert werden die Entzündungsprozesse durch Immunzellen, die eine Vielfalt an Lipidmediatoren produzieren. Manche davon fördern die Entzündungsreaktion, während andere diese hemmen oder Prozesse in Gang setzen, die die Entzündung aktiv beenden. Die in der Entzündungstherapie eingesetzten Nicht-steroidalen Antirheumatika, wie das Ibuprofen, hemmen die Bildung von Prostaglandinen, einer funktionell sehr diversen Untergruppe an Lipidmediatoren. Bei regelmäßiger Einnahme können sie schwerwiegende Nebenwirkungen hervorrufen. Um diese zu umgehen, zielt die aktuelle Entzündungsforschung darauf ab, gezielt die Spiegel nur der entzündungsfördernden Lipidmediatoren zu senken. Vielversprechende Angriffspunkte sind dabei die 5-Lipoxygenase (5-LO) und die mikrosomale Prostaglandin E2 -Synthase- 1 (mPGES-1). Wie wir kürzlich zeigen konnten, werden die beiden Enzyme durch Stoffwechselprodukte des Vitamin E gehemmt die 5-LO dabei sehr viel potenter als die mPGES-1 während die Auflösung der Entzündung scheinbar nicht nachteilig beeinflusst wird. Das Projekt DIVE zielt darauf ab, natürlich in Pflanzen vorkommende Vitamin E-Derivate chemisch so zu verändern, dass sie die beiden Enzyme 5-LO und mPGES-1 ausgewogen hemmen. Erreicht werden soll eine vergleichbare Wirksamkeit zu Nicht-steroidalen Antirheumatika bei gleichzeitiger Vermeidung von Nebenwirkungen. In einem ersten Schritt wird untersucht, wie sich strukturelle Änderungen auf die Hemmwirkung von Vitamin E-Stoffwechselprodukten auswirken. Um vorherzusagen, inwieweit die Struktur mit einer oralen Verabreichung und spezifischen Wechselwirkung vereinbar ist und wie der Wirkstoff an die Zielstrukturen bindet, kommen bioinformatische Ansätze zum Einsatz. An die Wirkstoffoptimierung schließen sich umfangreiche pharmakologische Studien an, deren Ziel es ist, herauszufinden, i) wie potent der Wirkstoff in lebenden Systemen ist, ii) ob er wie vorgesehen nur die beiden entzündungsfördernden Enzyme hemmt, iii) wie gut er nach oraler Gabe im Körper ankommt, iv) wie er sich im Körper und der Zelle verteilt, v) wie schnell er ausgeschieden wird und vi) ob er zuvor enzymatisch umgewandelt wird. Um diese Fragen zu beantworten, werden Testsysteme unterschiedlicher Komplexität eingesetzt: isolierte Enzyme, menschliche Immunzellen, menschliches Blut und Biochip-basierte Organmodelle. Für ausgewählte Wirkstoffkandidaten wird in Mäusen untersucht, wie effektiv und über welchen Weg sie bei Bauchfellentzündung und Asthma Abhilfe schaffen. Von diesem Vorgehen versprechen wir uns Zugang zu einer neuen Klasse an entzündungshemmenden Wirkstoffen, die selektiv die Bildung von entzündungsfördernden Lipidmediatoren hemmen, ohne die Entzündungsauflösung zu beeinträchtigen oder andere zentrale physiologische Vorgänge zu stören.

Ziel des DIVE-Projekts war die Entwicklung einer sichereren Klasse entzündungshemmender Wirkstoffe nach dem Vorbild von Vitamin E. Wir wollten duale Inhibitoren für zwei spezifische Enzyme, nämlich 5-Lipoxygenase (5-LOX) und mikrosomale Prostaglandin-E2-Synthase (mPGES)-1, entwickeln, die oral leicht verabreicht werden können und Entzündungen bei Erkrankungen wie Peritonitis und Asthma wirksam reduzieren, ohne den natürlichen Heilungsprozess des Körpers zu stören. Außerdem sollten günstige Eigenschaften in Bezug auf die Aufnahme, Verteilung, Metabolisierung und Ausscheidung im Körper (ADME-Eigenschaften) erreicht werden. Wir haben im Detail die strukturellen Eigenschaften untersucht, die Vitamin E zu einem wirksamen Inhibitor von 5-LOX, mPGES-1 oder einer ausgewogenen Kombination von beiden machen. Wir haben auch Vitamin-E-Derivate entwickelt, die oral verabreicht werden können, die wirksame Konzentrationen an den Zielorten im Körper erreichen und die Entzündung in rekonstruierter menschlicher Haut und in Entzündungsmodellen in Mäusen reduzieren. Wir entdeckten spezifische Strukturen, die die Reaktion von Zellen des angeborenen Immunsystems auf Reize (wie bakterielle Toxine) von Entzündung auf Entzündungsauflösung umschalten können. Diese Verbindungen unterdrücken die Bildung von Lipidmediatoren, die Entzündungen fördern, und erhöhen gleichzeitig die Konzentration von Mediatoren, die Entzündungen entgegenwirken, Schmerzen lindern, aktiv zur Entzündungsauflösung beitragen oder anderweitig das Immunsystem beeinflussen. Für einige dieser Aktivitäten konnten wir zeigen, wie Vitamin-E-Derivate sie erreichen, zum Teil durch die Umverteilung eines bestimmten Enzyms, 15-LOX-1, innerhalb der Zellen. Wir haben ein besseres Verständnis dafür erlangt, wie diese Vitamin-E-Derivate in verschiedenen Arten von Immunzellen, unter verschiedenen Bedingungen und in Wechselwirkung mit anderen Zellen wirken. Schließlich haben wir die Anwendung dieser Verbindungen von der reinen Entzündungshemmung auf den Schutz vor peroxidativen Schäden ausgeweitet, was bei der Behandlung bestimmter degenerativer Erkrankungen nützlich sein könnte. Die erfolgreiche Durchführung des Projektes war nur durch die enge Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Partnern möglich. Unsere Partner in Anger synthetisierten die Vitamin E-Derivate, erhielten Erkenntnisse aus den computergestützten Methoden in Salzburg und stellten uns Verbindungen für weitere Untersuchungen zur Verfügung. Gemeinsam mit Partnern aus Jena gaben wir Feedback nach Anger, das wiederum half, neue Versionen der Verbindungen zu entwerfen, so dass ein kontinuierlicher Verbesserungszyklus entstand.