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Die Bedeutung des Begriffes „Naturstoff“ variiert mit der Perspektive: Nicht-Wissenschaftler verstehen darunter ganz einfach Stoffe, die aus der Natur stammen – aus Pflanzen extrahiert, von natürlich vorkommenden Bakterien produziert, aus tierischen Produkten gewonnen… Für Wissenschaftler sind sie weit mehr. Sie sind organisch-chemische Verbindungen mit einer biologischen Aufgabe, einer Wirkung. Die potentesten Arzneimittel, die wir kennen, basieren auf Naturstoffen. Wir nutzen sie seit Jahrtausenden.

Vorchristliche Dokumente belegen den Einsatz von Fingerhut bei Herzerkrankungen; Weidenrinde haben Griechen in der Antike gegen Schmerzen und Fieber eingesetzt. Und heute noch werden Digitalis-Glykoside aus Fingerhut als Medikamente verwendet und Aspirin, das erfolgreichste Medikament aller Zeiten, basiert auf der Salicylsäure aus Weidenrinde. Das sind nur zwei Beispiele aus dem unerschöpflichen Reservoir der Arzneimittel, die aus Pflanzen stammen. Wir verwenden sie als Antibiotika, Krebsmedikamente, Cholesterinsenker, Immunsuppressiva und auch die Entwicklung von Pflanzenschutzmitteln haben die Stoffe aus der Natur maßgeblich geprägt.

Diese Naturstoffe, die Chemiker und Pharmazeuten in Medikamente umwandeln, sind so genannte Sekundärmetabolite, also Stoffe, die Pflanzen, Mikroorganismen oder Pilze eigentlich für ihre eigenen Bedürfnisse herstellen. Besonders die ungewöhnlichen chemischen Strukturen haben in Pflanzen häufig die Aufgabe, Insekten anzulocken oder sich gegen Fressfeinde zu verteidigen – eine Pflanze kann nicht weglaufen und ist daher auf eine effektive Abwehr angewiesen. Auch Mikroorganismen setzen sich chemisch gegen ihre Konkurrenten durch – und liefern uns so Waffen gegen Krankheitserreger frei Haus. Etwa 12.000 Antibiotika haben Wissenschaftler bislang aus Bakterien und Pilzen isoliert, über 100 davon sind, nach einer chemischen Anpassung an ihre Aufgabe als Medikament, in der klinischen Anwendung.

Früher suchten und fanden Wissenschaftler neue Naturstoffe vor allem in traditionellen Heilpflanzen und auch der Regenwald galt lange Zeit als Reservoir für neue Wirkstoffe. Inzwischen untersuchen Forscher diverse Lebensformen aus allen Bereichen mit modernen Hochdurchsatz-Methoden und legen umfangreiche Substanzbibliotheken an. Mehr als die Hälfte aller neuartigen Wirkstoffe sind entweder Naturstoffe, Naturstoffderivate oder sind aus Teilen von Naturstoffen zusammengesetzt. 

Myxobakterien: Der HZI-Schwerpunkt

Unsere Wissenschaftler am HZI haben vor allem die Gruppe der Myxobakterien im Fokus. Diese Mikroorganismen leben im Boden und stellen Substanzen mit ungewöhnlichen Strukturen her, die sonst in der Natur nicht zu finden sind. Damit gelten sie als vielversprechende Quelle für neue Wirkprinzipien.

Aus Myxobakterien konnten bereits potente Wirkstoffe gewonnen werden. Beispielsweise das Antibiotikum Sorangicin, das im Pflanzenschutz verwendete Fungizid Soraphen und Ixabepilone, ein am HZI in Zusammenarbeit mit Bristol-Myers Squibb entwickeltes semisynthetisches Derivat des Epothilons für die Tumortherapie. Es wurde 2007 zur Chemotherapie resistenter Tumore zugelassen; weitere Derivate dieses Naturstoffes sind bei anderen Firmen in der Entwicklung.

Mit Teamwork vom Naturstoff zum Wirkstoff

Für die erfolgreiche Entwicklung eines Naturstoffes zu einem potenziellen Medikament ist eine ganze Kette von Schritten nötig. Vielversprechende Bakterienstämme müssen identifiziert und kultiviert werden. Die Sekundärmetabolite zeigen das metabolische Profil des Stammes und potenzielle Wirkstoffkandidaten müssen aus der Vielzahl der Moleküle, die  ein solches Bakterium herstellt, isoliert werden. Testsysteme für die Prüfung der Wirkung müssen entwickelt und die Substanzen – bei Erfolg versprechenden Ergebnissen – in größerer Menge hergestellt werden. Zeigt das Bioscreening interessante Resultate, werden Mediziner eingebunden, um das Potenzial und die Anwendungsmöglichkeiten des Stoffes abzuklopfen. Parallel identifizieren Naturstoffchemiker die Struktur des Wirkstoffes und begeben sich auf die Suche nach dem Mechanismus, mit dem das Molekül die biologische Wirkung auslöst. Sind Struktur und mögliches Einsatzgebiet geklärt, muss der Stoff für die Anwendung im Menschen optimiert werden. Ein langer Prozess, bei dem die Wissenschaftler des HZI Hand in Hand arbeiten – für neue Medikamente gegen Infektionskrankheiten.

(Dr. Jo Schilling)

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