Compound Profiling und Screening

Die Ausbreitung von Mikroorganismen, die resistent gegen gebräuchliche Antibiotika sind, wird auch von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) als zunehmende Bedrohung betrachtet, da dadurch nicht nur die Zahl der Patienten steigt, die bei einer Infektion nicht mehr behandelt werden können, sondern unter Umständen auch andere schwere Krankheiten nicht mehr therapiert werden, wenn die Therapie mit einer Schwächung des Immunsystems und damit einem erhöhten Infektionsrisiko verbunden ist. Aus diesem Grund sind neue Wirkstoffe zur Bekämpfung von Infektionskrankheiten dringend notwendig, genauso wie ein verantwortungsvoller Einsatz der existierenden Antibiotika. Voraussetzung für neue Wirkstoffe sind geeignete Tests zur Erkennung aktiver Substanzen und Substanzbibliotheken ausreichender chemischer Diversität. Neben den Primärscreens führen wir zusammen mit Partnern auch Folgeuntersuchungen durch, die zur Optimierung der Substanz führen sollen.

Leitung

Unsere Forschung

Neue Strategien für die Suche nach Wirkstoffen zur Bekämpfung von Infektionen durch kommensale und persistente Bakterien

Bakterien führen dann zu Infektionen, wenn es ihnen gelingt, sich unkontrolliert in Organen oder im Körper eines besiedelten Wirtes zu verbreiten und zu vermehren. Dazu müssen sie zum Beispiel die schützenden Barrieren von Haut und Schleimhäuten durchdringen, in die Blutbahn gelangen, dem Immunsystem ausweichen und sich an die physikalisch - chemischen Umgebungsbedingungen in den jeweiligen Körpernischen anpassen. Bisherige Antibiotika kontrollieren die Ausbreitung von Bakterien, indem sie Prozesse und Strukturen stören, die für die Vermehrung und das Wachstum von Bakterien grundsätzlich essentiell sind. Dadurch resultieren in der Regel breite Einsatzmöglichkeiten, aber auch die rasche Entwicklung und Verbreitung von Resistenzen. Man erkennt jedoch zunehmend, zum Beispiel durch Methoden der in vivo Transkriptomanalyse, dass sich Bakterien durch eine veränderte Expression von Genen an ihre Umgebung im Wirt anpassen. Für die Vermehrung und das Wachstum der Bakterien in der jeweiligen Wirtsnische sind daher neben den im Allgemeinen essentiellen Strukturen weitere Reaktionen und Proteine notwendig, zum Beispiel als Reaktion auf das spezifische Nährstoffangebot in der jeweiligen Körpernische. 

Profilierung von chemischen Substanzen

Wir charakterisieren (neue) chemische Substanzen in Bezug auf ihre biologische Aktivität, um dadurch den uns zur Verfügung stehenden chemischen Raum zu erweitern. Dazu führen wir grundlegende Untersuchungen zur Beeinflussung der Vitalität der Bakterien und von tierischen Zellen durch. Durch Einsatz von Deletionsmutanten berücksichtigen wir, dass eine Aktivität gegen Gram-negative Bakterien möglicherweise durch eine verringerte Aufnahme in die Zelle oder einen aktiven Export nicht sichtbar wird. Folgeuntersuchungen zum Beispiel zur Beeinflussung der Membranintegrität oder des Membranpotentials geben erste Hinweise auf Angriffspunkte aktiver Substanzen.             

Hemmung von Virulenzfaktoren

Ziel unserer Untersuchungen ist die Hemmung von Mechanismen, die es dem Pathogen erlauben, Schutzfunktionen des Wirtes zu durchbrechen, im Wirt zu überleben und sich in ihm unkontrolliert zu vermehren und damit einen Wirt erfolgreich zu infizieren. Wir haben aktuell Staphylococcus aureus, Escherichia coli und Pseudomonas aeruginosa als Zielorganismen ausgewählt, und damit Bakterien, die von der WHO als prioritär zu untersuchen eingestuft wurden und die unterschiedliche Organe im Körper infizieren können.

Erhöhte Ca2+ - Konzentration durch Behandlung von Immunzellen (U937) mit dem porenbildenden Toxin α-hemolysin (220ng/mL) aus Staphylococcus aureus. Links im Bild: α-Hämolysinbehandlung; rechts im Bild: Phosphatpuffer.

Wir etablieren Tests und Testsysteme, die diese Virulenzfaktoren adressieren und mit denen wir nach neuen Wirkstoffkandidaten suchen können. Dabei handelt es sich überwiegend um phänotypische, miniaturisierte zelluläre Tests, gegebenenfalls mit Bakterien und repräsentativen Wirtszellen, um unter möglichst infektionsnahen Bedingungen zu arbeiten. Aber auch proteinbasierte Tests sind möglich. Als Substanzquellen stehen uns neben den Naturstoffen auch Substanzen aus chemischen Synthesen zur Verfügung, so dass wir Pilotscreens im Maßstab von bis zu etwa 30.000 Substanzen durchführen können. Zur weiteren Charakterisierung identifizierter aktiver Substanzen  etablieren wir auch komplexere Sekundärtests, wie zum Beispiel zelluläre Wirt – Pathogen – Modelle.

Umgehung von Resistenzmechanismen

Einige Resistenzen gegen Antibiotika werden von den Bakterien im Laufe der Zeit erworben, da sich  die Zielstruktur, das Target, des jeweiligen Antibiotikums so verändert, dass das Antibiotikum seine Wirksamkeit verliert. In anderen Fällen sind Bakterien jedoch von Natur aus resistent gegen bestimmte Antibiotikaklassen, da sie zum Beispiel Enzyme besitzen, die die Antibiotika inaktivieren (β-Lactamasen inaktivieren β-Lactam-Antibiotika) oder da sie den Zugang zum Target der Antibiotika verhindern. Letzteres ist zum Beispiel bei Gram-negativen Bakterien ein wichtiger Resistenzmechanismus, da die asymmetrische äußere Membran und effektive Substanzexportproteine dafür sorgen, dass die Konzentrationen vieler Wirkstoffe im Zytosol der Bakterien so niedrig sind, dass sie keine antibiotische Wirkung mehr besitzen. Wir suchen nach chemischen Substanzen, die diese Mechanismen umgehen oder inaktivieren. Damit können dann Gram-negative Bakterien für solche Wirkstoffe sensibilisiert werden.

Elektronenmikroskopische Aufnahmen (aufgenommen von M. Rohde, HZI) von Escherichia coli K12, behandelt mit einem Sensibilisator für Erythromycin (linkes Bild) im Vergleich zur Kontrolle (rechtes Bild).

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