Department Pharmazie - Arbeitskreis Prof. Dr. F. Bracher
 
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Forschung


Naturstoffchemie: Synthese und Analyse von Struktur-Aktivitäts-Beziehungen biologisch aktiver Naturstoffe

Sekundärstoffe erfüllen vielfältige Funktionen in lebenden Organismen und sind von der Natur über Jahrtausende optimiert worden. Daher stellen Naturstoffe wegen ihrer biologischen Aktivität, aber auch wegen ihrer strukturellen Diversität die wichtigste Quelle von Leitstrukturen für die Entwicklung neuer Arzneistoffe dar.
Wir entwickeln Totalsynthesen von Naturstoffen (u.a. β-Carboline, polycyclische aromatische Alkaloide, Steroidalkaloide) mit zytostatischer und antimikrobieller Wirksamkeit aus tropischen Pflanzen (Annonaceen u. a.) und aus marinen Organismen (Tunikaten, Seeanemonen, Schwämme). Wir konzentrieren uns stark auf Verbindungen, die schon „drug-like“ sind, also von überschaubarer Komplexizität und mit geeigneten physikalisch-chemischen Eigenschaften (Lipinski‘s rule of five). Bei den als besonders wirksam erkannten Naturstoffen werden systematische Strukturvariationen mit dem Ziel einer Optimierung der biologischen Aktivität und Selektivität und der Ableitung von Struktur-Aktivitäts-Beziehungen durchgeführt.

Diese Naturstoffe sind auch wichtige Leitstrukturen für die Entwicklung neuer Wirkstoffe für Epigenetische Targets (Kinase-Inhibitoren, Bromodomain-Inhibitoren, Inhibitoren von Histondeacetylasen etc.).

Eine Zusammenstellung aller Naturstoffsynthesen der Arbeitsgruppe finden Sie hier: pdf Total Syntheses Bracher



Epigenetische Targets: Kinasen, Bromodomains, Macrodomains und Histondeacetylasen

Die Regulation der Transkription der auf der DNA gespeicherten genetischen Information ist essenziell für jeden Organismus. An dieser Regulation sind zahlreiche posttranslationale Modifikationen von DNA und auch von Proteinen (z.B. Histonen) beteiligt. Diese Vorgänge bieten neue und attraktive Targets für Arzneistoffe zur Behandlung unterschiedlichster Erkrankungen (Krebs, Entzündungen, Infektionskrankheiten, …).
In Kooperation mit dem Structural Genomics Consortium (Oxford, UK) und anderen Partnern entwickeln wir neue Wirkstoffe für diese Targets. Häufig dienen hier Naturstoffe, die in unserer Arbeitsgruppe synthetisiert wurden, als Leitstrukturen.


Die wichtigsten Targets sind:


Kinasen:
Ausgehend von den β-Carbolin-Alkaloiden Bauerin C und Annomontin wurden potente und selektive Inhibitoren der Kinasen CLK1, CLK3, PIM1, DYRK1A und BMP2K entwickelt.
An der weiteren Charakterisierung dieser Wirkstoffe waren folgende Arbeitsgruppen beteiligt: Prof. Dr. S. Knapp (Oxford/Frankfurt), Prof. Dr. P. Filippakopoulos (Oxford), Prof. Dr. J. Schwaller (Basel), Dr. L. Meijer (ManRos, Roscoff), Prof. Dr. W. Becker (Aachen), Prof. Dr. T. Meyer (MPI für Infektionsbiologie, Berlin), Prof. Dr. A. Vollmar (LMU), Prof. Dr. S. Zahler (LMU), Prof. Dr. A. Aigner (Leipzig), Prof. Dr. U. Rauch-Kroehnert (Berlin), Prof. Dr. Robert Fürst (Frankfurt/Main).

Nachfolgend eine Auswahl von Kinase-Inhibitoren aus unseren Projekten:


Co-Kristallisationen mit den Kinasen erfolgten am Structural Genomics Consortium (Oxford, UK). Die Ergebnisse sind in der Protein Data Bank (PDB) publiziert (siehe Auflistung unter „Publikationen“).
Ein spektakuläres Ergebnis dieser Forschung war die Entdeckung eines ungewöhnlichen Bindungsmodus von chlorierten Indol-Derivaten an der hinge region der Kinasen über Halogenbrücken (Huber et al., 2012).

Bromodomains:
Bromodomains sind epigenetische „Reader“ und maßgeblich beteiligt an der Regulation der N-Acetylierung von Lysinresten in Histonen, und somit an der Genregulation. Bromodomain-Inhibitoren sind somit potenzielle Wirkstoffe gegen bestimmte Krebsarten, aber auch andere Krankheiten.
In Kooperation mit dem Structural Genomics Consortium (Oxford, UK) werden Inhibitoren von Bromodomains vom Typ der BRD, CREBBP u.a. entwickelt.


Einige unserer Bromodomain-Inhibitoren:

Macrodomains:
Macrodomains sind beteiligt an der Regulation der ADP-Ribosylierung von Proteinen und somit an Vorgängen wie Gentranskription.
In Kooperation mit dem Structural Genomics Consortium (Oxford, UK) werden neuartige Inhibitoren von Macrodomains entwickelt.

Histondeacetylasen:
Die Interaktion von DNA mit Histonen wird epigenetisch durch Modifikationen der Histonproteine reguliert (Methylierung, Acetylierung, …). Über den Acetylierungsgrad der Lysin-Seitenketten von Histonen wird die Transkription von Genen reguliert. Inhibitoren von Histondeacetylasen eröffnen somit eine neue Option in der Tumortherapie, aber auch in der Bekämpfung von Infektionskrankheiten.

In Kooperation mit Prof. Dr. Manfred Jung (Freiburg) und Prof. Dr. W. Sippl (Halle) werden neuartige Inhibitoren von Histondeacetylasen (Sirtuine, HDAC6) entwickelt.
In Kooperation mit Prof. W. de Souza (Rio de Janeiro) und Prof. Dr. R. Pierce (Lille) konnte das Potenzial von Sirtuin-Inhibitoren zur Behandlung von Protozoenerkrankungen gezeigt werden.

Steroidomics:

Synthese und Analytik von Steroiden, Entwicklung von Sterolbiosynthese-Inhibitoren

Ergosterolbiosynthese-Inhibitoren als neue Antimykotika
Substanzen, die Enzyme der Ergosterolbiosynthese in Pilzen hemmen sind die wichtigste Klasse von Antimykotika, allerdings werden bisher erst vier der zahlreichen Enzyme dieser Biosynthese als Drug Targets genutzt. Durch Imitation von kationischen „High Energy Intermediates“ der Sterolbiosynthese, aber auch durch Synthese von Steroidanaloga und Steroidmimetika ist es uns gelungen, potente und selektive Inhibitoren von Enzymen der Ergosterolbiosynthese (Δ14-Reduktase, Δ8,Δ7-Isomerase, C24-Sterolmethyltransferase, Oxidosqualencyclase, C22-Desaturase …) in Pilzen zu entwickeln.
Ein zellbasiertes Testsystem zur Identifizierung der Zielenzyme von Inhibitoren der Ergosterolbiosynthese in Pilzzellen, basierend auf der Inkubation von Modellkeimen mit den potenziellen Inhibitoren, anschließender Lyse der Zellen und Analyse der Veränderungen im Sterolmuster mittels GC/MS, wurde etabliert. Für die Quantifizierung der inhibitorischen Aktivität wurde ein GC-MS/MS-Verfahren entwickelt, das ohne radioaktiv markierte Substanzen auskommt.


Eine Auswahl von Inhibitoren von Enzymen der Ergosterolbiosynthese:

Cholesterolbiosynthese-Inhibitoren als neuartige Lipidsenker
In Analogie zum oben beschriebenen Testsystem auf Hemmung der Ergosterolbiosynthese in Pilzen wurde unter Verwendung einer humanen Zelllinie ein Testsystem entwickelt, das es ermöglicht, Inhibitoren im „Post-Squalen-Abschnitt“ der Cholesterolbiosynthese zu identifizieren. Auch hier erfolgt die Quantifizierung der inhibitorischen Aktivität mittels GC-MS/MS nach Inkubation mit 13C-markiertem Acetat.

Im Rahmen dieser Arbeiten wurde die letzte Lücke bei den Inhibitoren des Post-Squalen-Abschnitts der Cholesterolbiosynthese geschlossen, indem mit MGI-39 der erste selektive Inhibitor des Enzyms Lathosteroloxidase entwickelt wurde.


Eine Auswahl von Inhibitoren von Enzymen der Cholesterol-Biosynthese:

Für die als Referenzsubstanzen benötigten Biosynthesezwischenstufen wurden von uns zum Teil selbst Synthesen entwickelt (Giera & Bracher 2008, Dittrich & Bracher 2015).

Sterolanalytik
Basierend auf der Expertise aus den oben erwähnten Sterolbiosynthese-Assays verfügen wir über umfangreiche Erfahrung in der Analyse von Steroiden mittels GC-MS/MS incl. Probenvorbereitung aus komplexen Matrices (SPE, QuEChERS, SPME). Diese Kompetenz bringen wir in zahlreiche Kooperationsprojekte ein, in denen wir Steroide (Ergosterol, Cholesterol und deren Metaboliten, Gallensäuren, Phytosterole) aus Zellen, Zellkulturen, Blut, Geweben, Faeces, pflanzlichem Material bzw. Extrakten oder Fertigarzneimitteln identifizieren und quantifizieren.

Die analytische Expertise wurde auch eingesetzt für Kooperationsprojekte, in denen wir Ultraspurenanalytik von Arzneistoffen, Giften (Nicotin etc.) und Pflanzenschutzmitteln in Wasserproben und Lebensmitteln betrieben haben.

Modulatoren von Kationenkanälen
In Kooperation mit Prof. Dr. Martin Biel und Dr. Christian Grimm (beide LMU, Department für  Pharmazie) entwickeln wir neuartige Aktivatoren und Inhibitoren von Kationenkanälen, wie z.B. TRPML1-3. TRPML1-Aktivatoren stellen eine therapeutische Option für die Behandlung der seltenen Erbkrankheit Mukolipidose Typ IV dar. Bestimmte Ionenkanalblocker haben ein Potenzial als Wirkstoffe bei Infektionen mit dem Ebolavirus.

Kooperationspartner/Cooperations

 

Prof. Dr. Manfred Jung, Pharmazeutisches Institut, Universität Freiburg (Inhibitoren von Sirtuinen und Histon-Deacetylasen)
Prof. Dr. Stefan Knapp, Structural Genomics Consortium, University of Oxford (GB) (Kinase-Inhibitoren, Inhibitoren von Protein-Protein-Interaktionen, Cokristallisationen)
Prof. Dr. Angelika Vollmar, PD Dr. Stefan Zahler, Dept. Pharmazie, LMU München (Kinase-Inhibitoren)
Prof. Dr. Wolfgang Frieß, Dept. Pharmazie, LMU München (Synthese neuer galenischer Hilfsstoffe)
Prof. Dr. Walter Becker, Institut für Pharmakologie und Toxikologie, RWTH Aachen (Kinase-Inhibitoren)
Prof. Dr. Gianni Balliano, Universität Turin (Oxidosqualencyclase--Inhibitoren)
Dr. Martin Giera, Universität Leiden (Lipidomics)
National Cancer Institute, Bethesda (USA) (Screening potenzieller Zytostatika)
Prof. Dr. Thomas Meyer, MPI für Infektionsbiologie, Belin (Virustatika)
Prof. Dr. Wolfgang Sippl, Institut für Pharmazie, Universität Halle-Wittenberg (Sirtuine, Molecular Modelling)
Prof. Dr. Frank Böckler, Institut für Pharmazie, Universität Tübingen (Molecular Modelling)
Prof. Dr. Harald Steiner, Adolf-Butenandt-Institut, LMU München (gamma-Sekretase)
Dr. Frits Kamp, Adolf-Butenandt-Institut, LMU München (gamma-Sekretase)
Dr. Steffen Rupp, Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik, Stuttgart (Molekulare Wirkmechanismen von Antimykotika)
Prof. Dr. Sabine E. Kulling, Max-Rubner-Institut, Karlsruhe (Biotransformation sekundärer Pflanzenstoffe)
Prof. Dr. Achim Aigner, Rudolf-Boehm-Institut für Pharmakologie und Toxikologie, Universität Leipzig (PIM-Kinaseinhibitoren)
Dr. Jens Peter von Kries, Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP) (High Throughput Screening)
Prof. Dr. Wanderley de Souza, Universidade Federal do Rio de Janeiro (Brasilien) (Entwicklung von Wirkstoffen gegen Protozoenerkrankungen)
Dr. Daniela Mailänder-Sánchez, Prof. Dr. med. Martin Schaller, Medizinische Fakultät, Universität Tübingen (Einfluss von probiotischer Bakterien auf lokalisierte Mykosen)
Dr. Ulrike Binder, Prof. Dr. Cornelia Lass-Flörl, Sektion für Hygiene und Medizinische Mikrobiologie (HMM) der Medizinischen Universität Innsbruck (Österreich) (Stoffwechsel pathogener Pilze und Antimykotikatherapie)

Prof. Dr. Erika von Mutius, Kinderklinik und Kinderpoliklinik im Dr. von Haunerschen Kinderspital, LMU München (Pädiatrie)
Prof. Dr. Robert Fürst, Institut für Pharmazeutische Biologie, Universität Frankfurt (antiinflammatorische Kinase-Inhibitoren)
Dr. Fabio Gsaller, Universität Manchester (UK), Institute of Inflammation and Repair (pathogene und resistente Pilze)
Prof. Dr. Oded Livnah, Department of Chemical Biology, Hebrew University of Jerusalem (Co-Kristallisationen mit Kinasen)