Neues zu Mikroalgen aus unserem Cluster

Algen gegen Krebs – Neue Wirkstoffe braucht die Onkologie

 

In den vergangenen Jahren konnte das auf Marine Biotechnologie spezialisierte Kieler Unternehmen Coastal Research & Management (CRM) zeigen, dass Inhaltsstoffe verschiedener in der Ostsee heimischer Makroalgen das Wachstum bestimmter Krebszellen hemmen. In einem nationalen Forschungsverbund will CRM nun im Rahmen eines vom BMBF geförderten Projektes Struktur und Wirkmechanismen neu definierter Inhaltsstoffe aus diesen potenten Algen aufklären. Dabei soll mit innovativen Methoden der Genom- und Metabolomanalyse die Korrelation zwischen Wirkstoffgabe und zellulärer Antwort untersucht werden, einschließlich möglicher synergistischer Wirkungen mehrerer Substanzen.

Natürliche Diversität schafft therapeutische Flexibilität


Jährlich erkranken in Deutschland über 400.000 Menschen neu an Krebs und noch immer sterben mehr als 200.000 Menschen pro Jahr daran (Krebsinformationsdienst des Deutschen Krebsforschungszentrums). Vor allem aufgrund der erhöhten Lebenserwartung nimmt die Zahl der Krebserkrankungen stetig zu. Als problematisch bei der Behandlung von Krebserkrankungen erweisen sich die genetische Variabilität und „Vermeidungsstrategien“ der Zellen als Antwort auf eingesetzte, einzelne Therapeutika. Wegen dieses therapeutischen Bedarfes muss die Suche nach effizienten Krebsmedikamenten intensiviert werden. Naturstoffe spielen dabei eine große Rolle, denn über die Hälfte aller vermarkteten Medikamente sind auf Naturstoffe zurückzuführen. Der Wirkstoffreichtum natürlicher Organismen ist aber bisher nur in Ansätzen pharmakologisch erforscht worden. Das gilt insbesondere für Meeresorganismen [1].

Dabei sind Meerespflanzen im Hinblick auf die Gewinnung von Wirkstoffen besonders interessant, denn sie müssen sich Meer einem direkteren Kontakt mit Mikroorganismen als an Land erwehren. Eine Abwehrreaktion erfolgt im Meer fast ausschließlich über die Ausbildung von chemischen Stoffen. Diese sind um ein Vielfaches wirksamer als jene, die an Land gefunden wurden, da jeder vom Organismus gegen Feinde ausgestoßene Stoff im Wasser sofort verdünnt wird, aber dennoch seine Wirksamkeit behalten muß. Die neurotoxischen Wirkungen der von einigen Mikroalgen gebildeten Stoffe liefern einen drastischen Beleg dafür, wie effektiv Stoffe aus Meerespflanzen auf menschliche Zellen wirken können (z.B.

 

diarrhetic/paralytic shellfish poisoning – DSP oder PSP). Und noch ein weiterer Sachverhalt empfiehlt die Meerespflanzen für die Untersuchung antitumoraler Wirkungen: im Vergleich zu tierischen Organismen verfügen Pflanzen über ein erheblich breiteres Repertoire an Stoffwechselwegen, die zu einzigartigen biochemischen Verbindungen führen. Für ihre außergewöhnlich diversen Sekundärmetaboliten sind besonders Makroalgen bekannt.

Japaner schätzen Algen nicht nur im Salat

Der Beginn der systematischen Untersuchung antitumoraler Wirkung von Makroalgen ist in den Arbeiten von I. Yamamoto et al. [2, 3] zu sehen, die eine hohe Inhibitionsrate (89% bis 95%) von implantierten Sarkom-Zellen in Mäusen beobachteten. In Tiermodellen konnte nachgewiesen werden, dass Braun- und Rotalgenextrakte verschiedene Krebszellen (Haut- [4], Darm- und Brustkrebs [5]) hemmen. Fucane und Fucoxanthin aus Braunalgen scheinen besonders potente antitumorale Wirkung zu entfalten: Fucoxanthin hemmte das Wachstum verschiedener Darmkrebstypen und induzierte die Apoptose menschlicher Leukämie-Zellen [6]. Außerdem konnte gezeigt werden, dass Fucoxanthin die Apoptose von Prostata-Krebszellen von allen anderen Carotenoiden am stärksten einleitete [7]. Es überrascht nur auf den ersten Blick, dass mit Ausnahme von Fucoxanthin noch kein direkter Nachweis einer in Braunalgen vorhandenen antitumoralen Substanz erbracht werden konnte. Die interessantesten Stoffgruppen in diesem Zusammenhang sind Polyphenole und Fucoidane, von denen es zahlreiche Vertreter in den Algen gibt. Diese Substanzen und deren Wirkungen sind bislang in der Literatur nur recht grob beschrieben, denn ihr analytischer Nachweis ist sehr aufwendig. Epidemiologische Studien zeigten außerdem, dass der regelmäßige Verzehr von Makroalgen protektive Wirkung gegen die Bildung einiger Krebsarten hat [8].

Substanzcharakterisierung und Wirkungsmechanismen – einzeln oder im biologischen Netzwerk

Einigen dieser evolutionär alten Pflanzengruppe und ihrer antitumoralen Wirkung widmet sich eine neu formierte Forschungsallianz, bestehend aus deutschen KMU, Uni-Kliniken und -Instituten. Mit Hilfe der Expertise der Partner und modernster Techniken werden in einem vom BMBF geförderten Projekt sowohl die angesprochenen Substanzgruppen als auch die damit einhergehenden Wirkmechanismen differenzierter betrachtet.

Aufbauend auf eigenen Voruntersuchungen besteht die reelle Chance, a) bei den untersuchten Algen Substanzen zu spezifizieren, die bisher noch nicht für den Einsatz als Krebstherapeutika beschrieben worden sind, weiterhin b) Strukturmodifikationen bereits bekannter Wirkstoffe zu identifizieren, die verbesserte antitumorale Eigenschaften aufweisen und darüberhinaus c) selbst für bislang beschriebene Wirksubstanzen bisher unbekannte Wirkmechanismen zu beschreiben. Neben der Betrachtung einzelner Substanzen und deren spezifischer antitumoraler Wirkung liegen synergistische Wirkungen im Fokus der Forschungsarbeiten. Die Tumorbildung und -progression, deren molekularen Mechanismen in den vergangenen zehn Jahren zunehmend besser verstanden wurden, funktionieren in Netzwerken. Deshalb wollen die Forschungspartner auch die Zusammenhänge im Netzwerk der Wirksubstanzen sowie des Zell-Stoffwechsels mittels anspruchsvoller Methoden der Bioinformatik betrachten. Wirkungen, die anhand von Substanzkombinationen zustande kommen, werden bei der Medikamentenentwicklung aus patentrechtlichen und zulassungstechnischen Gründen überwiegend ausgeklammert. Letztlich leiten sich aber diese Gründe aus dem Fehlen systematischer Methoden ab, die Wirkung von Substanzkombinationen zuverlässig festzustellen bzw. zu bewerten. Das vorgestellte Projekt soll diesbezüglich neue Wege aufzeigen.

Mix aus Transdisziplinarität und aktueller Technik

In den folgenden drei Jahren werden sowohl etablierte Zelllinien als auch Primärkulturen humaner Tumoren zum Einsatz kommen. Weiterhin werden „second generation“ relevante in-vitro Tests mit gezielt genetisch manipulierten (z.B. Überexpression pro- und anti-apoptotischer Gene) Zelllinien sowie Ko-Kultur Ansätze (in-vitro Mimikry der Tumor-Stroma-Interaktion) und auch 3D Kulturansätze erfolgen. Dieses gestaffelte Vorgehen ermöglicht bessere Aussagen zur klinischen Relevanz der in-vitro Testungen. Als äußerst vielversprechend und bereits bei der Antragstellung im Rahmen des BMBF-Programmes „KMU-innovativ“ als effizient erwies sich die Transdisziplinarität des Ansatzes. Sie spiegelt sich im Zusammenschluss von Experten aus dem Feld der Algenökologie, -physiologie und -extraktion, der Aufreinigung der Substanzen, weiterhin von Experten aus der Krebsforschung, der NMR-Analytik, der Microarray-Technik und der Vermarktung von (Medizin-)Produkten auf Basis mariner Naturstoffe.

Ergebnisse aus den Wirkungstests werden schließlich mit Genexpressionsprofilen (Microarrays bzw. hochparallele qPCR) und mit den Ergebnissen aus der NMR-Spektroskopie abgeglichen. Flexibilität im Microarray-Design ist ein wichtiger Aspekt bei der Durchführung komplexer Genexpressionsstudien, da nur so evtl. bedeutsame Details wie Splice-Varianten aufgelöst werden können. Mit Hilfe von mehrdimensionaler NMR-Spektroskopie kann dann die chemische Struktur von unbekannten Komponenten aufgelöst werden. Spezifische metabolische Signaturen können mit speziellen Software-Modulen erkannt werden. Durch die geplante Vorgehensweise werden zu einem frühen Entwicklungsstadium wertvolle Informationen in der Wertschöpfungskette gewonnen. Extrakte, deren spezifische Wirkung bereits in ersten präklinischen Tests an humanen Zellen, die direkt von Patienten stammen, belegt werden konnte, sind für die Pharmaindustrie von großem Interesse. Im vorgestellten Projekt sollen wichtige, für den Erfolg eines Medikaments entscheidende Informationen, wie Spezifität und Selektivität der Wirkung, Wirkung bei unterschiedlichen Zelltypen sowie Angaben über die Toxizität und Identifikation der Struktur der wirksamen Inhaltsstoffe, geliefert werden. In Abbildung 3 ist die Inhibition der Proliferation der Burkitt-Lymphom Zell-Linie Raji dargestellt. Das Wachstum der Burkitt-Lymphom Zell-Linie Raji wurde in Anwesenheit von verschiedenen Algenextrakten untersucht. Nach 72h wurde der Versuch abgestoppt und die Zellmasse im Vergleich zu unbehandelten bzw. mit dem Lösungsmittel behandelten Zellen bestimmt. Aus den Messwerten für unbehandelte Zellen (Raji) wurde der 100% Vergleichswert für maximale Zellproliferation festgelegt.