Toen Alexander Flemming in 1928 een schimmel ontdekte op een kweekplaat die overgroeid was met bacteriën, hij had niet verwacht een van de meest gebruikte werkzame stoffen aan te treffen:penicilline. Toevallige ontdekkingen en de identificatie van actieve ingrediënten van traditionele remedies, zoals de morfine van de papaver, hebben lange tijd de ontdekking van nieuwe medicijnen bepaald.

Moderne medicijnontdekking - van toeval tot systeem

In de tussentijd, Er hebben belangrijke ontwikkelingen plaatsgevonden in de chemie en de moleculaire biologie die een systematische en gerichte zoektocht naar potentiële werkzame stoffen bij de ontdekking van moderne geneesmiddelen mogelijk maken. Eerst, vooruitgang op het gebied van organische en vooral combinatorische chemie maakte het mogelijk om enorme stoffenbibliotheken te produceren en deze te testen op hun farmacologische effect in tests met hoge doorvoer. Door technologische vooruitgang, zoals de sequentiebepaling van het menselijk genoom en de ontwikkeling van nieuwe methoden in de moleculaire biologie, konden ziektegerelateerde cellulaire processen en hun moleculaire hoofdrolspelers worden geïdentificeerd. Dit maakte de weg vrij voor de ontdekking van moderne geneesmiddelen, waar grote bibliotheken van moleculen op een high-throughput manier worden gescreend op hun invloed op relevante doelmoleculen, meestal eiwitten. geïdentificeerde stoffen, zogenaamde treffers, zijn geoptimaliseerd in hun chemische structuur om structuren te leiden die al effectief zijn in kleine doses en goed worden opgenomen en verdeeld in het lichaam.

Geen effect zonder bijwerkingen

Deze op doelwit gebaseerde medicijnontwikkeling is zeer succesvol in het identificeren van nieuwe kandidaat-geneesmiddelen die voorkomen dat de doelwiteiwitten functioneren of interageren met andere eiwitten. Echter, potentiële kandidaat-geneesmiddelen zijn zelden specifiek en werken vaak ook in op verwante eiwitten met een vergelijkbare functie of structuur. "Het is niet ongebruikelijk dat een aanvankelijk veelbelovend kandidaat-geneesmiddel onverwacht ernstige bijwerkingen vertoont in een latere fase van zijn langdurige ontwikkeling, waardoor het klinische gebruik ervan wordt beperkt of zelfs wordt voorkomen, ", zegt Slava Ziegler.

Op zoek naar onbekende biologische activiteiten

Om mogelijke bijwerkingen tijdens de ontwikkeling van geneesmiddelen op te sporen, potentiële kandidaat-geneesmiddelen worden in assays gescreend op hun effect op bekende eiwitklassen, biologische processen en bepaalde cellulaire eigenschappen. Echter, deze tests kunnen alleen de verwachte biologische activiteit weerspiegelen, aangezien het aantal bekende doelwitmoleculen in de cel beperkt is. Zogenaamde profileringsbenaderingen bieden nu de mogelijkheid om een ​​breder spectrum van activiteiten te detecteren. Deze onpartijdige tests onderzoeken de invloed op honderden cellulaire of genetische parameters die zijn vastgelegd in het profiel van een stof, dat wordt vergeleken met profielen van referentiestoffen met bekende effecten.

Wanneer medicijnprofielen overeenkomen

In hun laatste onderzoek, de groep van Herbert Waldmann en Slava Ziegler combineerde twee van deze profileringsbenaderingen om bioactieve stoffen te identificeren uit een bibliotheek van ongeveer 15000 op natuurlijke producten geïnspireerde moleculen en vergeleek ze met de profielen van bekende, actieve verbindingen. De celschildering-assay toepassen, waar functionele delen van de cel worden gekleurd en vervolgens microscopisch worden onderzocht op veranderingen, een groot cluster van stoffen met vergelijkbare profielen werd geïdentificeerd. Echter, het was niet mogelijk om het werkingsmechanisme van het cluster te voorspellen, omdat de bijbehorende referentieverbindingen verschillende activiteiten of doelmoleculen hadden. Met een daaropvolgende zoekopdracht met behulp van proteoomprofilering, waarin de hoeveelheden en daarmee de regulatie van duizenden eiwitten werd onderzocht, de onderzoekers waren in staat om het cluster te beperken tot een gemeenschappelijke activiteit - de modulatie van cholesterolhomeostase - een onverwachte biologische activiteit voor de meeste referentiestoffen in het cluster.

Twee vliegen in één klap:nieuwe bio-activiteiten en bijwerkingen identificeren

Maar hoe kunnen stoffen met heel verschillende doelmoleculen hetzelfde effect teweegbrengen? De onderzoekers onthulden dat de meeste verbindingen in het cluster zich ophopen in het lysosoom, een organel waar cholesterol tijdelijk wordt opgeslagen voor zijn verdere functie in de cel. Het lysosoom heeft een lagere pH-waarde dan de rest van de cel, en dit is cruciaal voor het functioneren van de lysosomale spijsverteringsenzymen die lichaamseigen en lichaamseigen biomoleculen verwerken. In het lysosoom, de stoffen uit het beschreven cluster verhogen de pH-waarde en verstoren zo de functie van dit organel en, vooral, de cholesterolbalans van de cel. Het feit dat de verbindingen zich ophopen in het lysosoom is niet te wijten aan een specifiek doelmolecuul in het lysosoom, maar aan hun chemische en fysische eigenschappen, die ze hebben verkregen door hun structurele optimalisatie voor verbeterde oplosbaarheid.

"Interessant, een verstoorde cholesterolbalans is al in verband gebracht met sommige geneesmiddelen op de markt, zoals antipsychotica", merkt Tabea Schneidewind op, eerste auteur van de studie. " Met de combinatie van de twee zoekstrategieën, we kunnen twee vliegen in één klap slaan:onbekende bijwerkingen onthullen en nieuwe werkzame stoffen en werkingsmechanismen identificeren", zegt Slava Ziegler.

Het richten op cholesterolhomeostase kan mogelijk ook SARS-CoV-2-infecties verstoren

Beïnvloeding van de cholesterolhomeostase lijkt een veelvoorkomend kenmerk van veel verbindingen te zijn en hiermee moet rekening worden gehouden bij het beoordelen van bijwerkingen van werkzame stoffen. Echter, de waargenomen activiteit is niet per se ongewenst. Momenteel, geneesmiddelen en verbindingen met bekende werkingsmechanismen worden intensief bestudeerd voor de remming van SARS-CoV-2-infectie van gastheercellen, en veel verbindingen van onze cluster zijn geïdentificeerd om dit proces te onderdrukken. interessant, membraancholesterol en dus een goede cholesterolhomeostase zijn cruciaal voor Sars-CoV-2-infectie, zoals blijkt uit verschillende onderzoeken. Onze gegevens verklaren hoogstwaarschijnlijk de reden voor de activiteit van deze verbindingen tegen het virus:ze veranderen de biosynthese en lokalisatie van cholesterol in cellen, die de Corona-virusinfectie schaadt", zegt Slava Ziegler.