Modifizierte Siderophore für Theranostik der Aspergillose

Hintergrund: Invasive Pilzinfektionen, hauptsächlich verursacht durch das Schimmelpilzpathogen Aspergillus fumigatus, sind eine der häufigsten Ursachen für Komplikationen und Todesfälle bei immunschwachen Patienten (bei Transplantationen, auf Intensivstationen, mit ca. 70.000 Fällen jährlich in der EU). Diese Infektionen werden meist spät erkannt, weshalb Patienten oft ohne Diagnose therapiert werden, was die Gefahr von Nebenwirkungen Resistenzentwicklung erhöht. Neue spezifische Diagnose- und Behandlungsmethoden sind deshalb von großer Bedeutung. Der Eisenstoffwechsel von Pilzen unterscheidet sich vom Menschen und ist essentiell für die Infektion. Pilze schütten spezielle eisenbindende Moleküle, sogenannte Siderophore, aus um sich mit Eisen zu versorgen und die Aufnahme dieser Moleküle ist bei Infektionen bedeutend gesteigert. Wir konnten zeigen, dass man solche Siderophore radioaktiv markieren und damit die Infektion bildgebend mittels der Positronenemissionstomographie (PET) darstellen kann. In diesem Projekt werden Siderophore synthetisch modifiziert, die einerseits durch Fluoreszenz und radioaktive Markierung neue Diagnosemöglichkeiten eröffnen, und andererseits durch Kopplung mit pilzhemmenden Molekülen neue Therapiemöglichkeiten schaffen sollen. Methoden: Ausgehend von Fusarinine C, einem pilzspezifischen Siderophor, werden fluoreszierende und 3 unterschiedliche therapeutischer Derivate hergestellt. Diese werden mit einem radioaktiven Gallium Isotop (68Ga) markiert, das dieselben Bindungseigenschaften wie Eisen zeigt. In Pilzkulturen wird getestet, wie sich die Aufnahme der Substanzen im Pilz verändert und das Wachstum beeinflusst wird. Die Anreicherung in Pilzinfektionen wird mittels neuartiger bildgebender Verfahren (PET, optischer Bildgebung) dargestellt und auf diagnostische und therapeutische Eignung in der Pilzinfektion untersucht. Innovation: Die Entwicklung dieser neuen synthetischen Siderophore eröffnet neuartige Möglichkeiten der Kombination von Diagnose und Therapie (sogenannte Theranostik) bei schweren Pilzerkrankungen. Durch Einschleusen der Moleküle in den Eisenstoffwechsel wird ein essentieller Mechanismus des Pilzes genutzt, der beim Menschen nicht vorkommt. Dadurch soll einerseits eine wesentlich frühere Diagnose erreicht werden, andererseits eine gezieltere Therapie mit geringeren Nebenwirkungen und reduzierter Resistenzentwicklung ermöglicht werden.

Modifizierte Siderophore für Theranostik der Aspergillose Hintergrund: Invasive Pilzinfektionen (mit einer Inzidenz von 70.000 Fällen/Jahr in der EU), die hauptsächlich durch Aspergillus fumigatus (AFU) verursacht werden, sind eine der Hauptursachen für schwere Erkrankungen und Mortalität bei Patienten mit verminderter Immunabwehr. Solche Infektionen sind sehr schwer zu erkennen, und daher ist die unspezifische Vorbehandlung von Risikopatienten ohne eindeutigen Nachweis der Erkrankung heute meist klinische Praxis, was unnötige Nebenwirkungen verursacht und die Gefahr von Resistenzentwicklung erhöht. Die Entwicklung von neuartigen gezielten diagnostischen und therapeutischen Methoden beruht auf pilzinfektionsspezifischen Biomarkern und Mechanismen. Das Eisenaufnahmesystem stellt einen der wenigen grundlegenden Unterschiede zwischen pilzlichen und menschlichen Zellen dar. Für die Aufnahme des essentiellen Eisens verwenden Pilze spezifische eisentransportierende Moleküle, sogenannte "Siderophore", die Eisen fest binden. Wir hatten gezeigt, dass Pilze dieses Siderophorsystem während der Infektion aktivieren, und dass der Austausch von Eisen durch radioaktives Gallium erlaubt, die Siderophore zu verfolgen, die von Pilzen aufgenommen werden. Dies ermöglicht eine spezifische Abbildung der Infektion durch Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Dieser "Trojaner"-Mechanismus stand im Mittelpunkt dieses Projekts, indem neuartige Siderophorderivate für die Diagnose durch Anbringen fluoreszierender und radioaktiver Marker, und für die Therapie durch Anbringen von Antimykotika, entwickelt wurden. Ergebnisse: Ausgehend von Fusarinin C (FSC), einem pilzspezifischen Siderophor, wurden Verbindungen mit Fluoreszenzfarbstoffen und mit verschiedenen Arten von antimykotischen Substanzen hergestellt. Fluoreszierende Marker ermöglichten es, den Aufnahmemechanismus von Pilzen über den spezifischen Siderophor-Transporter MirB sichtbar zu machen. Die Erzeugung sogenannter Hybridsonden erlaubte die Kombination von molekularer Bildgebung mittels PET mit optischer Bildgebung. Durch die Verknüpfung von antimykotischen Substanzen mit FSC-Verbindungen konnte eine spezifische Abgabe an die Pilzzelle mit einer Vielzahl von Verbindungen erreicht werden. Nicht alle von ihnen zeigten eine antimykotische Aktivität: im Gegensatz zu anderen Molekülen zeigten insbesondere peptidbasierte Verbindungen geringe Wirksamkeit. Siderophore können eine Vielzahl von Metallen binden und wir konnten zeigen, dass insbesondere Komplexe mit Gallium und Kobalt eine erhöhte antimykotische Aktivität aufweisen. Schließlich wurden neue Verbindungen mittels Kopplung von Siderophoren mit Platin-basierten und photoreaktiven Verbindungen untersucht. Neuheit: Die Entwicklung modifizierter Siderophore eröffnete einen neuartigen Ansatz für die Behandlung von Pilzkrankheiten. Die Kombination von Bildgebung und Behandlung ("Theranostics") ist bisher nicht verfügbar und könnte einen großen Vorteil bei der Bekämpfung dieser gefährlichen Infektionskrankheiten bringen. Wir konnten zeigen, dass neuartige antimykotische Verbindungen auf FSC-Basis hergestellt werden können, die spezifisch über den essentiellen Eisentransportmechanismus der Mikroorganismen wirken und die damit das Potenzial für eine frühere Erkennung und Behandlung mit weniger Nebenwirkungen und geringerem Resistenzrisiko bergen.