Neue pharmazeutische Wirkstoffe aus Milliarden neu kombinierter Moleküle

Spektakul?re neue Behandlungen wie die individuelle Krebstherapie mit modifizierten Immunzellen oder Antik?rpern sind heute in aller Munde. Sie sind aber sehr aufw?ndig, teuer und werden daher eingeschr?nkt eingesetzt. Die Basis der allermeisten medizinischen Therapien bilden daher nach wie vor kleine chemische Verbindungen, die in grossen Mengen und damit kosteng¨¹nstig hergestellt werden k?nnen.

Milliarden neuer Molek¨¹le in wenigen Wochen

Der Flaschenhals bei der Entwicklung neuer molekularer Therapien ist die begrenzte Anzahl neuer Wirkstoffe, die mit den heutigen Methoden gefunden werden k?nnen. Eine in den 2000er-Jahren in Harvard und an der ETH Z¨¹rich entwickelte Methode zur Identifizierung neuer Wirkstoffe, die DNA-kodierten Substanz-Bibliotheken, englisch DNA-encoded chemical libraries (DEL), verspricht dabei Abhilfe.

Bisher war es m?glich, mittels DEL-Technologie Millionen von chemischen Verbindungen zu erzeugen und auf einen Schlag auf ihre Wirksamkeit zu testen. Das hatte allerdings den Nachteil, dass die Forschenden nur kleine Molek¨¹le aus wenigen chemischen Bausteinen bauen konnten. Jetzt haben Chemiker:innen der ETH Z¨¹rich dieses Verfahren weiterentwickelt und entscheidend verbessert.

Mit einer neuen Methode, die k¨¹rzlich in der renommierten Fachzeitschrift Science ver?ffentlicht wurde, k?nnen Forschende nun nicht mehr nur einige Millionen, sondern Milliarden von verschiedenen Substanzen innerhalb weniger Wochen automatisiert herstellen und testen. Diese Methode erm?glicht es auch, gr?ssere Wirkstoffmolek¨¹le wie zyklische Peptide zu erzeugen. Dadurch lassen sich zus?tzliche pharmakologische Ziele ins Visier nehmen.

Alle Kombinationen herstellen und testen

?Derzeit befinden sich bereits die ersten Wirkstoffe, die mit Hilfe der fr¨¹hen DEL-Technologie entwickelt wurden, in fortgeschrittenen klinischen Studien. Die neue DEL-Methode erweitert die M?glichkeiten noch einmal massiv?, erkl?rt J?rg Scheuermann. Er geh?rt mit seiner Forschungsgruppe am Institut f¨¹r Pharmazeutische Wissenschaften zu den Pionieren der DEL-Technologie. Sie gilt als Schl¨¹ssel, um die kombinatorischen M?glichkeiten bei der chemischen Herstellung von Molek¨¹len praktisch nutzen zu k?nnen.

Ziel der kombinatorischen Chemie ist es, aus einzelnen Bausteinen m?glichst viele Molek¨¹lvarianten herzustellen. Aus all diesen Kombinationen fischen die Forscherinnen und Forscher schliesslich diejenigen heraus, die die gew¨¹nschte Aktivit?t zeigen. Die Zahl der unterschiedlichen Molek¨¹le w?chst dabei exponentiell mit der Zahl der Synthesezyklen und mit der Zahl der unterschiedlichen Bausteine, die in jedem Synthesezyklus kombiniert werden.

Mit DNA-Code die wirksamen Molek¨¹le identifizieren

Um in Wirkungstests die einzelnen aktiven Verbindungen in der schnell wachsenden ?Molek¨¹lsuppe? identifizieren zu k?nnen, wird bei der DEL-Methode parallel zu jedem Wirkstoff-Baustein auch ein definiertes St¨¹ck DNA an das Molek¨¹l angeh?ngt. So entsteht f¨¹r jede Bausteinkombination eine eindeutige DNA-Sequenz als Barcode, der abgelesen werden kann.

So kann die gesamte Molek¨¹lsuppe zum Beispiel auf ihre Bindungsf?higkeit an ein bestimmtes Protein getestet werden, und mit der aus den Covid-Tests bekannten PCR-Technik (Polymerase-Kettenreaktion) lassen sich dann selbst einzelne DNA-Abschnitte vervielf?ltigen und eindeutig identifizieren.

Exponentiell wachsende Kontaminationen verhindern

Die chemische Realit?t schr?nkte die M?glichkeiten der DEL-Technologie bisher jedoch stark ein. Die Verkn¨¹pfung der DNA-St¨¹cke mit den chemischen Bausteinen funktioniert zwar immer gleich zuverl?ssig, doch die chemische Verkn¨¹pfung der Bausteine gelingt je nach Kombination unterschiedlich gut. Dadurch verliert der DNA-Code seine Eindeutigkeit.

Derselbe Code kann sowohl das vollst?ndige Molek¨¹l mit allen Bausteinen als auch verk¨¹rzte Varianten mit nur einem Teil der Bausteine kodieren. Auch diese Verunreinigungen nehmen mit jeder Syntheserunde exponentiell zu. In der Praxis hat dies die handhabbare Gr?sse von DEL-Bibliotheken auf Kombinationen von drei bis vier aneinander geh?ngten Bausteinen und somit auf einige Millionen verschiedener Verbindungen beschr?nkt.

Selbstreinigung eingebaut

Die Forschenden um Scheuermann haben nun einen Weg gefunden, die zunehmende Verschmutzung der Molek¨¹lbibliothek zu verhindern und die bis zum allerletzten Baustein synthetisierte DEL quasi selbst zu reinigen. Die Methode der ETH-Forschenden basiert auf zwei Hauptkomponenten: Zum einen wird die Synthese der Molek¨¹le an magnetische Partikel gekoppelt, die einfach und automatisiert gehandhabt werden k?nnen. Dies erm?glicht unter anderem Waschzyklen. Zum anderen haben sie eine zweite chemische Kopplungskomponente auf den Partikeln eingef¨¹hrt, die nur an den letzten der geplanten Bausteine binden kann.

Alle verk¨¹rzten Molek¨¹le, denen etwa der letzte Baustein fehlt, k?nnen so in einem Waschschritt entfernt werden. Am Ende enth?lt die Bibliothek nur noch Molek¨¹le, die auch alle im DNA-Code angegebenen Bausteine enthalten.

Konflikt mit der Verbindungschemie

So elegant die Methode auf dem Papier aussieht, so schwierig war sie umzusetzen, wie Scheuermann betont: ?Besonders anspruchsvoll war es, magnetische Partikel zu finden, die die enzymatische Kopplung von DNA-St¨¹cken nicht st?ren. Michelle Keller und Dimitar Petrov aus meiner Gruppe haben w?hrend ihrer Doktorarbeit viel Arbeit investiert, bis die Methode zuverl?ssig funktionierte?.

Die Idee, derartige kombinatorische Chemie an Partikeln zu betreiben, kam bereits in den 1990er Jahren auf. Die praktische Umsetzung zur DEL-Synthese gelang den ETH-Forschenden aber erst jetzt.

Vielf?ltigere und gr?ssere Molek¨¹le

Mit der selbstreinigenden DEL-Technologie lassen sich nicht nur wesentlich gr?ssere Bibliotheken von mehreren Milliarden Molek¨¹len handhaben. Es k?nnen nun auch Molek¨¹le synthetisiert werden, die aus f¨¹nf oder mehr Bausteinen bestehen und damit gr?sser sind. ?Wir k?nnen jetzt nicht nur nach kleinen Wirkstoffen suchen, die wie ein Schl¨¹ssel ins Schloss der aktiven Stelle von therapeutisch relevanten Proteinen passen, sondern auch nach gr?sseren. Diese gr?sseren Wirkstoffe k?nnen nicht nur in aktive Zentren des Proteins, sondern auch an einer anderen bestimmten Oberfl?che eines Proteins andocken und so zum Beispiel verhindern, dass es an einen Rezeptor bindet?, erkl?rt Scheuermann.

Die M?glichkeit, Molek¨¹le zu finden, die an bestimmte Oberfl?chen von Proteinen binden, ist auch f¨¹r die biologische Grundlagenforschung sehr n¨¹tzlich. Forschende k?nnen Proteine so direkt in Zellen markieren und untersuchen. Die Methode der ETH k?nnte vor allem grosse internationale Forschungsprojekte wie ?Target 2035? unterst¨¹tzen. Dieses Projekt hat das Ziel, bis 2035 f¨¹r jedes der rund 20¡¯000 menschlichen Proteine ein Molek¨¹l zu finden, das spezifisch an das Protein bindet und seine Funktion beeinflussen kann.

Spin-off-Dienstleistung f¨¹r Industrie und Wissenschaft

Um die Technologie der Pharmaindustrie und der Grundlagenforschung m?glichst effizient zur Verf¨¹gung zu stellen, werden Scheuermann und sein Team ein Spin-off-Unternehmen gr¨¹nden. Dieses wird den gesamten Prozess von der Entwicklung von DEL-Sammlungen durch die automatisierte Synthese bis hin zu ebenfalls automatisierten Wirkungstests und DNA-basierten Identifizierung der Molek¨¹le anbieten. ?Das Interesse aus Industrie und Forschung, besonders auch an den bislang nicht in grosser Zahl zug?nglichen zyklischen Molek¨¹len, ist immens?, sagt Scheuermann.