Synthetische Endotoxin Mimetika

Das angeborene Immunsystem erkennt pathogene gram-negative Bakterien an konservierten Strukturmerkmalen, die auf bakteriellen Oberflächenmolekülen lokalisiert sind und als Endotoxine bezeichnet werden. Endotoxine sind aus chemischer Sicht Lipopolysaccharide (LPS), deren Lipid Komponente, auch Lipid A genannt, für die endotoxischen Wirkungen verantwortlich ist. Nur Endotoxine, deren Lipid A eine charakteristische ("endotoxische") Konformation aufweist, sind zur Wechselwirkung mit den Rezeptoren des angeborenen Immunsystems befähigt. Der entscheidende Partner für Endotoxin ist Toll-like Rezeptor 4 (TLR-4), der in der Lage ist geringste Mengen mikrobieller Endotoxine im Körper des Wirtes zu erkennen und die ersten Verteidigungsmechanismen, unter anderem die Freisetzung von hormonartigen Mediatoren, den Zytokinen, durch inflammatorische Zellen auszulösen. Die Überproduktion von Zytokinen während einer Sepsis zählt zu den schlimmsten Auswirkungen der Endotoxine auf den Menschen (von Schüttelfrost und Fieber bis hin zum Kreislaufversagen mit anschließender Fehlfunktion sämtlicher Körperorgane und tödlichem Schock). Paradoxerweise können Endotoxine (LPS), durch Wechselwirkung mit TLR4 und Zytokin-produzierenden Zellen, den Körper allgemein gegen bakterielle und virale Infektionen sowie selbst gegen Krebs widerstandsfähiger machen. Nach bisher vorliegenden Befunden benötigt TLR4 für eine erfolgreiche Interaktion mit Endotoxin das Hilfsprotein MD-2 mit dem er nur als Homodimer wirksam ist. Forschungsziel ist zum besseren Verständnis der Beziehungen von Struktur und Funktion bakterieller LPS beizutragen und die molekularen Mechanismen, die für die Erkennung und die Bindung von Endotoxin an seinen Rezeptor (TLR4-MD-2 Komplex) verantwortlich sind, aufzuklären. In diesem Projekt beschäftigen wir uns mit der Rolle der chemischen Struktur und drei-dimensionalen "endotoxischen" Konformation des MD-2-gebundenen Endotoxins bei immuno-chemischen Reaktionen. Der Hauptteil der geplanten Arbeit betrifft dabei die Synthese neuer Endotoxin Analoga die eine wichtige Voraussetzung zur Untersuchung der komplexen Mechanismen der Signalübertragung durch TLR4-MD-2-LPS darstellen. Das Ziel dieses Vorhabens ist es, aufgrund der vor kurzem veröffentlichten Röntgenstruktur des TLR4-MD-2 im Komplex mit gebundenem Endotoxin, eine Reihe neuer synthetischer Endotoxin Mimetika herzustellen um auf derer Basis eine umfassende Struktur-Wirkungsanalyse der Interaktion von Endotoxin mit TLR4-MD-2 durchzuführen. Die Untersuchungen sollen dabei zu einem besseren Verständnis sowohl der entzündlichen Reaktionen, die durch Endotoxine ausgelöst werden, als auch den Wirkmechanismen des LPS bei infektiösen und Autoimmunerkrankungen führen. Auf der Basis des erworbenen Wissens über die immunbiologisch relevanten Endotoxin - Rezeptor (TLR4-MD-2) Struktur-Funktions-Beziehungen ist es unser Ziel, gemeinsam mit nationalen und internationalen Kooperationspartnern, neue chemo- und immunotherapeutische Ansätze für künftige klinische Anwendungen zu entwickeln.

Lipopolysaccharid (LPS, Endotoxin) ist ein Bestandteil der Zellwand der Gram-negativen Bakterien, dessen Freisetzung in den Blutkreislauf des Wirts zur Ausschüttung von Immunmediatoren führt und die Aktivierung des angeborenen Immunsystems bewirkt. Die proximale Region des bakteriellen LPS, das Glykolipid Lipid A, wird vom Transmembranprotein Toll-like Rezeptor 4 (TLR4) erkannt und stellt damit ein Pathogen-assoziiertes Muster dar. Die Aktivierung der TLR4-vermittelten Immunantwort erfüllt eine unterstützende Wirkung der angeborenen Immunabwehr. Dennoch spielt übermäßige TLR4-vermittelte Zellaktivierung eine wichtige Rolle in der Pathogenese verschiedener chronisch entzündlicher und Autoimmun-Erkrankungen. TLR4 erkennt und bindet ein kleines Teil des LPS, welches als Lipid A bekannt ist. Lipid A besteht aus einem mit zwei anionischen Phosphatgruppen und mit mehreren hydrophoben Lipidketten substituierten Zuckerteil, dessen Zusammensetzung die zentrale Rolle in dem Ausmaß der Rezeptorstimulierung spielt. Im Rahmen dieses Projektes haben wir eine Reihe neuer Lipid A basierender TLR4 Liganden entworfen, synthetisiert und in Bezug auf immunregulierende Eigenschaften charakterisiert. Die flexible und leicht bewegliche Verbindung zwischen zwei Glukosamin Ringen des Lipid A wurde durch eine steife unnatürliche Verbindung ersetzt. Auf Basis des steif-verknüpften Disaccharids ßGlcN(1?1)aGlcN wurden anti-endotoxische Verbindungen in einer mehrstufigen chemischen Synthese hergestellt. In Kooperation mit Forschungsgruppen in Deutschland, Belgien, Slowenien und der Schweiz wurden die immunchemischen Eigenschaften der neuen TLR4 Antagonisten in kultivierten Immun- und nicht-Immunzellen untersucht. Die synthetischen TLR4 Liganden wurden als Muster-Strukturen für die Entwicklung potenzieller antiseptischer Heilungsmittel hervorgehoben. Die agonistischen (TLR4 stimulierenden) Verbindungen wurden auf Basis eines a,a-1,1-verknüpften Disaccharids entworfen und synthetisiert. Solche TLR4 Liganden eignen sich am besten als Muster für die Entwicklung potenzieller Immunmodulatoren und Vakzin-Adjuvanten. Die im Projekt erzielten Forschungsergebnisse haben zum besseren Verständnis der TLR4-abhängigen Immunaktivierung und der durch TLR4 ausgelösten entzündlichen Reaktion beigetragen.