Neue Leitstrukturen aus der Natur gegen Influenza

Influenza Viren A und B rufen die Grippe, eine akute Erkrankung des Respirationstraktes hervor, die saisonal, epidemisch und pandemisch auftreten kann. Aufgrund der großen medizinisch-ökonomischen Bedeutung und in Anbetracht der außerordentlichen Variabilität dieser Viren werden Medikamente zur Grippeprophylaxe und - therapie ergänzend zur Impfung als dringend notwendig angesehen. Unlängst entstandene Resistenzen gegenüber den auf dem Markt befindlichen Arzneistoffen erfordern die Entwicklung von innovativen antiviralen Wirkstoffen. Das vorliegende Projekt zielt auf die Identifizierung von neuen, gegen Influenzaviren gerichtete Leitstukturen auf Naturstoffbasis ab. Die dabei anvisierten viralen Targets stellen die Neuraminidase (NA) und das Nukleoprotein (NP) dar. Die Hemmung der NA verhindert die Freisetzung neu gebildeter Viren und somit deren Verbreitung. Basierend auf Informationen zur Struktur der NA sowie deren Liganden sollen zum einen strukturbasierte in silico Technologien zur Wirkstoffsuche angewandt und andererseits die Interaktionen der Liganden in der NA Bindetasche untersucht werden. Dabei gilt es, NA-Inhibitoren ausfindig zu machen, die möglichst sowohl gegen Oseltamivir-empfindliche als auch -resistente Viren wirken. Inhibitoren des NP blockieren den Import viraler NP-Komplexe in den Kern und somit die Virusvermehrung. Erst kürzlich wurden niedermolekulare Wirkstoffe als Liganden für dieses Zielprotein entdeckt. Diese sollen hier als Leitverbindungen für ein Liganden-basiertes virtuelles Screening von Naturstoffdatenbanken dienen, um so zielgerichtet Sekundärmetabolite mit identischer bzw. besserer Aktivität zu finden. Die Auswahl des zu untersuchenden Naturstoffmaterials soll basierend auf folgenden Kriterien erfolgen: (i) virtuell vorhergesagte Interaktion zu den Zielproteinen (in Zusammenarbeit mit Ao.Univ. Prof. Dr. Klaus R. Liedl, Abteilung für Theoretische Chemie, Universität Innsbruck), (ii) bereits bekannte antivirale Aktivität von Naturstoffpräparaten bzw. deren Inhaltsstoffen, und (iii) volksmedizinisches Wissen um eine antivirale Heilkraft von Medizinalpflanzen. Basierend auf diesen Selektionskriterien, werden mit den ~20 vielversprechendsten Extrakten (v.a. pflanzlicher Herkunft) eingehende analytische und phytochemische Untersuchungen durchgeführt. Mit virtuellen Hits angereicherte Fraktionen, sowie die daraus isolierten und identifizierten Reinsubstanzen werden in Kooperation mit PD Dr. Michaela Schmidtke (Institut für Virologie und Antivirale Therapie, Universitätsklinikum Jena) in Target- sowie Zellkultur-basierten Assays auf ihr antivirales Potential ausgetestet. Unter Anwendung dieser theoretisch und empirisch gestützten Vorgangsweise sollen (i) Einblicke in den molekularen Mechanismus traditionell bewährter Medizinalpflanzen gewährt, (ii) neue Naturstoff-basierte NA- Hemmer mit geringerem Risiko zur Resistenzentwicklung identifiziert und (iii) neue Liganden aus dem Bereich der Sekundärmetabolite für das innovative, aber noch unzulänglich erforschte NP aufgefunden werden.

Influenza A und B Viren sind nach wie vor eine bedeutende globale Gesundheitsbedrohung, da sie jährliche saisonale Grippe, aber auch Epidemien und Pandemien verursachen. Die Behandlungsmöglichkeiten beschränken sich auf Ionenkanalblocker (M2-Inhibitoren) und Inhibitoren des Oberflächenenzyms Neuraminidase (NA). M2-Inhibitoren sind sehr anfällig für Virusresistenz, und Neuraminidase-Inhibitoren (NAIs) sind auf Oseltamivir und Zanamivir beschränkt, die in den meisten Ländern zugelassen sind. Darüber hinaus sind schwere Komplikationen von Influenzainfektionen oft mit einer sekundären Pneumonie verbunden, die durch Streptococcus pneumoniae (Pneumokokken) verursacht wird, die ebenfalls NAs exprimieren. Jüngste Entdeckungen haben gezeigt, dass duale Inhibitoren von sowohl viralen als auch bakteriellen NAs vorteilhaft für die Behandlung von Influenza sein dürften. In diesem Projekt wurden basierend auf dem Wissen über antivirale pflanzliche Heilmittel aus der traditionellen Medizin Ausgangsmaterialien aus Pflanzen und Pilzen für die Produktion von 162 Extrakten ausgewählt. Antivirale Testung dieser Extrakte (in Zusammenarbeit mit PD Dr. Michaela Schmidtke, Universitätsklinikum Jena) ergaben 20%, 11% und 14% aktive Extrakte gegen Influenzavirus A / Hongkong / 68 (HK / 68) und zwei verwandte Viren, Rhinovirus 2 (RV-A2) bzw. Coxsackie-Virus B3 (CV-B3), die bei akuten respiratorischen Infektionen ebenfalls eine bedeutende Rolle spielen, Daten aus dem phänotypischen antiviralen Screening in Kombination mit Informationen aus virtuell vorhergesagten Hits (in Zusammenarbeit mit Univ. Prof. Dr. Klaus R. Liedl, Universität Innsbruck und Prof. Dr. Johannes Kirchmair, Universität Hamburg) leiteten die analytischen und phytochemischen Untersuchungen zur Identifizierung neuer antiviraler Leitstrukturen aus der Natur. Von den 10 vielversprechendsten natürlichen Ausgangsmaterialien wurden 73 Reinsubstanzen isoliert, identifiziert und auf ihre antivirale Aktivität getestet. Für 38 bioaktive Isolate wurden weitere target-relevante Assays durchgeführt, um deren molekulare Mechanismen zu identifizieren. Die wichtigsten Ergebnisse dieses Projekts sind (i) die Identifizierung von resistenzbrechenden Anti-Influenza-Leitsubstanzen, (ii) Auffindung von dualen NA-Inhibitoren (viral und bakteriell), (iii) die Entwicklung eines Assay-Protokolls zur zielgerichteten Identifizierung von anti-influenza Wirkmechanismen und (iv) ein Standardverfahren zum Ausschließen von falsch-positiven Kandidaten im Extrakt- und Reinsubstanzen-Screening.