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Forschungsthemen

Forschungsthemen: "Wirkungsmodifizierung von Peptidhormonen"

Dr. W. Naumann, M.Sc. S. Beil, Dr. A. Lang, BA P. Körner


Wirkungsmodifizierung

  1. Überblick
  2. Aktuelle Untersuchungen
  3. Analoga des Gonadotropin-Releasing-Hormons
  4. Pharmakokinetische Untersuchungen an Peptidkomplexen
  5. Strukturuntersuchungen und Modellrechnungen von Peptidkomplexen
  6. Themenvorschläge für Master bzw. Bachelorarbeiten und Praktika
  7. Workshop "Angewandte Bioinformatik"


Überblick

Native und synthetische Peptidhormone werden in der Human- und Veterinärmedizin zur Beeinflussung verschiedenster Funktionen des Organismus eingesetzt. Für eine Vielzahl von Indikationen ist die gewünschte Wirkung erst durch eine über Wochen und Monate andauernde Applikation zu erzielen. Die dabei auftretenden Belastungen und Nebenwirkungen für den Patienten können durch den Einsatz wirkungsverlängernder und dosismindernder Depotpräparate wesentlich verringert werden.

Am Institut für Biochemie der TU Dresden konnten für Insulin und D-Phe6-GnRH variable Freisetzungssysteme durch Komplexbildung der Peptidhormone mit metabolisierbaren Komplexpartnern, insbesondere Polyaminosäuren, erzielt werden. Derartige Verbindungen sind als Komplexpartner in ihren Eigenschaften sehr variabel und können so jedem Peptidhormon optimal angepaßt werden. Die Wahl des Komplexpartners entscheidet somit neben den Herstellungsbedingungen über die Freisetzungseigenschaften des Peptidkomplexes.



Aktuelle Untersuchungen

Von besonderem Interesse ist die Suche nach neuen, wirkungsverbesserten Depotformen mit biophilen Komplexpartnern. Dabei bedeutet die Suche nach den herkömmlichen, weitgehend empirisch ablaufenden Screening-Verfahren einen sehr hohen experimentellen und materiellen Aufwand.

Aus diesem Grund ist es ein Ziel der derzeitigen Untersuchungen der Arbeitsgruppe, geeignete Komplexmodelle durch die Untersuchung der Struktur-Freisetzungsbeziehungen und der pharmakokinetischen Eigenschaften dieser Peptidkomplexe abzuleiten. Diese Arbeiten sollen durch die Entwicklung von Computermodellen mit dem Ziel der Vorhersage von Stärke und Art der Wechselwirkungen in Peptidkomplexen ergänzt werden.

Durch die Kenntnis der molekularen Zusammenhänge von Komplexbildung und -stabilisierung sollen so zielgerichtet potentielle biophile Komplexpartner für die betreffenden Proteohormone abgeleitet bzw. "maßgeschneidert" werden.



Struktur und Wirkung von GnRH und dessen Analoga

GnRH ist ein Dekapeptid folgender Primärstruktur:

GnRH

Das Hypothalamus-Hormon Gonadotropin-Releasing-Hormon (GnRH) induziert die Freisetzung von luteinisierendem Hormon (LH) und follikel-stimulierendem Hormon (FSH) in den Vorderlappen der Hirnanhangsdrüse. Die Sekretion von LH und FSH, zweier Glykoproteine mit etwa 20% Kohlenhydratanteil, ist ein wichtiger Bestandteil der hormonellen Regulation des Genitalzyklus. Typisch für hypothalamische Freisetzungshormone wie GnRH sind die pulsatorische Sekretion und deren Regulation über einen Feedbackmechanismus.

Wirkmechanismus von GnRH

Vereinfachter Wirkungsmechanismus von GnRH im menschlichen Organismus
(Quelle: Braun, K.; Wirkungsmodifizierung von [D-Phe6]GnRH durch Komplexierung mit Polyaminosäuren und FTIR-spektroskopische Untersuchungen zu Peptidhormon-Polyaminosäurekomplexen, TU Dresden, Dissertation 1991)

Aufgrund der kurzen biologischen Halbwertszeit von nur 2 bis 4 Minuten beim Menschen begann gleich nach der Entdeckung des GnRH im Jahre 1971 durch SCHALLY et. al. die Suche nach hochwirksamen Agonisten und Antagonisten. Das hauptsächliche Ziel bei der Synthese der GnRH-Analoga besteht in der Suche nach Substanzen mit verbesserten pharmakologischen bzw. neuen Wirkeigenschaften, niedriger Histaminfreisetzung und langer biologischer Halbwertszeit. Inzwischen wurden über 5000 derartige GnRH-Analoga hergestellt (Tab. 1).

Tab. 1: Ausgewählte Beispiele für klinisch angewandte GnRH-Analoga

BezeichnungSequenz
Triptorelin<Glu-His-Trp-Ser-Tyr-D-Trp-Leu-Arg-Pro-Gly-NH2 
Leuprolid<Glu-His-Trp-Ser-Tyr-D-Leu-Leu-Arg-Pro-NHEt 
Buserelin<Glu-His-Trp-Ser-Tyr-D-Ser(But)-Leu-Arg-Pro-NHEt 
Goserelin<Glu-His-Trp-Ser-Tyr-D-Ser(But)-Leu-Arg-Pro-Aza-Gly-NH2 
Nafarelin<Glu-His-Trp-Ser-Tyr-D-Nal(2)-Leu-Arg-Pro-Gly-NH2 

Eingesetzt werden GnRH-Analoga im veterinärmedizinischen Bereich zur Fertilitätssteuerung und Ovulationsinduktion sowie in der Humanmedizin zur Kontrazeption sowie u.a. bei den Indikationen Mamma- bzw. Prostata-Karzinom (Brust- bzw. Vorsteherdrüsenkrebs) und Endometriosis (Entzündung der Gebärmutterschleimhaut).

Der gegenwärtig im Rahmen unserer Untersuchungen eingesetzte GnRH-Antagonist ist das Cetrorelix, eines der wichtigsten Forschungsprojekte der Zentaris GmbH (ehem. ASTA-Medica AG). Im Gegensatz zu den bereits am Markt befindlichen GnRH-Agonisten, die eine Hormonausschüttung erst stimulieren und danach unterdrücken, sind Antagonisten wie Cetrorelix in der Lage, die Rezeptoren sofort zu blockieren und den Hormonspiegel gezielt einzustellen.

Tab. 2: Potentielle therapeutische Anwendungsgebiete für Cetrorelix

Maligne ErkrankungenBenigne Erkrankungen
  • Fortgeschrittenes Prostata-Karzinom
  • Premenopausales Mamma-Karzinom
  • Ovarial-Karzinom
  • Endometrium-Karzinom
  • Schutz der Keimdrüsen vor den Folgen einer Chemotherapie
  • Kontrollierte Ovulationsinduktion
  • Endometriose
  • Benigne Prostata-Hyperplasie (BPH)
  • Uterus-Fibrom
  • Polyzystische Ovarien
  • Pubertas präcox


Pharmakokinetische Untersuchungen an Peptidkomplexen

Die pharmakologisch wichtigste Eigenschaft der Peptidkomplexe ist ihr Freisetzungsverhalten. Der Komplex soll der gewünschten Kinetik der Hormonfreisetzung möglichst nahe kommen.

Für die Untersuchung des in vitro-Freisetzungs(Liberations-)verhaltens von Peptidkomplexen kommen die üblichen statischen und dynamischen Liberationssysteme zum Einsatz.



Strukturuntersuchungen und Modellrechnungen von Peptidkomplexen

Bei der Untersuchung der Struktur von GnRH-Analoga und deren Komplexverbindungen wird von uns das Ziel verfolgt, Informationen über die Bindungsstellen und molekularen Wechselwirkungen zu erhalten, die wesentlich zur Ausbildung und Stabilisierung der schwerlöslichen Komplexe beitragen.

Dabei sind neben den intramolekularen Wechselwirkungen vor allem auch intermolekulare Interaktionen aufzuklären. Folgende wichtige Methoden der Strukturaufklärung können prinzipiell zur Lösung dieser Aufgabe eingesetzt werden:

  • Röntgenstrukturanalyse
  • Infrarotspektroskopie
  • Cirkulardichroismus für flüssige und klare Proben
  • Fluoreszenzspektroskopie und UV/VIS-Spektroskopie
  • Mehrdimensionale Kernresonanzspektroskopie
  • Massenspektroskopie
  • Laser-RAMAN-Spektroskopie
  • Gelelektrophorese

Um ein vollständiges Bild der Peptidstruktur zu gewinnen, müssen in der Regel mehrere dieser analytischen Methoden eingesetzt werden, da die Betrachtung einzelner Substanzeigenschaften für sichere Strukturaussagen meist nicht ausreicht.

Durch die Arbeitsgruppe selbst werden vorrangig spektroskopische sowie elektrophoretische Untersuchungen durchgeführt.

IR-Spektrum von Cetrorelix

Typische IR-Spektren des Peptides Cetrorelix mit Amid A-, Amid I- und Amid II-Banden

Für die Erarbeitung von Computermodellen kommen in erster Linie Kraftfeldverfahren, wie CHARMM, UNIVERSAL, MM3 und MMFF94 zum Einsatz, die sich für Berechnungen an Polypeptiden besonders gut eignen. Mit Hilfe quantenchemischer Verfahren werden vor den Kraftfeldrechnungen die partiellen Atomladungen bestimmt. Schwerpunkte der Modellierungen bilden Konformationsanalysen sowie Docking-Studien mit verschiedenen Komplexpartnern.

Beispiel zur Modellierung:
Modellierung und Visualisierung von Systemen zur Beschreibung der
intra- und intermolekularen Wechselwirkungen in hydrophoben Peptiden

Elektronisches Zusatzmaterial zur Dissertation von Alexander Schneider

Modell eines Komplexes
Modell eines Peptidhormonaggregates



Für Interessenten und für weitere Informationen:

Dr. W. Naumann
Neubau - Chemische Institute  Raum 335
e-mail: wolfgang.naumann@chemie.tu-dresden.de
Tel.: (0351) 463 34631
Fax: (0351) 463 34631

                                                                                                                                                                                               

W. Naumann, A. Lang, Letzte Änderung: 24.08.2016                                    Impressum