Gestrandeter Student hilft bei der Entwicklung synthetischer Polymere zur Bekämpfung von Pilzinfektionen

Jedes Jahr erkranken mehr als 2 Millionen Menschen an invasiven Pilzinfektionen, die häufig durch Candida-Arten verursacht werden und mit hohen Sterberaten einhergehen. Die Entwicklung neuer Therapien schreitet nur langsam voran. Der Bedarf steigt jedoch, zumal immer häufiger Resistenzen gegen Medikamente auftreten.

Ein interdisziplinäres Forschungsteam um Dr. Sascha Brunke vom Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie – Hans-Knöll-Institut (Leibniz-HKI) hat nun Wirkweise und therapeutisches Potenzial synthetischer Polymere untersucht.

Diese langkettigen chemischen Verbindungen imitieren natürlich vorkommende Peptide und hemmen das Wachstum von Mikroorganismen. Der genaue Wirkmechanismus war bislang unklar. Doch nun ist das Rätsel gelöst – dank der Corona-Pandemie.

Von Australien nach Jena

Der Doktorand und Chemie-Doktorand Sebastian Schäfer, der an der University of New South Wales (UNSW) im Bereich Chemieingenieurwesen an der Entwicklung antimykotischer Polymere arbeitete, war in Deutschland, als Australien aufgrund der Pandemie seine Grenzen schloss und Schäfer so an die UNSW zurückkehren konnte.

Doch der Biotechnologe machte aus der Not eine Tugend und verlegte seine Forschung vorübergehend an das Leibniz-HKI nach Jena, wo er die Abteilung Mikrobielle Pathogenitätsmechanismen um eine chemische Facette erweiterte und sein Augenmerk auf pathogene Pilze richtete.

Dadurch sind nicht nur neue Forschungsansätze entstanden, sondern auch eine sehr erfolgreiche Zusammenarbeit zwischen Naturstoffforschern und Infektionsbiologen aus Deutschland und Australien.

Das unerwartet gebildete Team entwickelte mehrere synthetische Polymere aus der Polyacrylamid-Familie, die eine starke Wirksamkeit gegen Candida albicans zeigten, sogar gegen resistente Stämme. Insbesondere das Polymer namens LH war in Kombination mit dem Medikament Caspofungin äußerst wirksam gegen den Pilz und verbesserte die Überlebensrate infizierter Mottenlarven in Labortests deutlich.

Im Studiejetzt erschienen in Naturkommunikationkonnte das Team zudem erstmals die genaue Wirkungsweise der Verbindungen aufdecken.

„Die synthetischen Polymere greifen die Pilzzellen auf mehreren Wegen gleichzeitig an. Dabei nutzen sie auch neue Zielstrukturen und sind deshalb so effektiv. Darin unterscheiden sie sich von herkömmlichen Antimykotika, die nur auf eine Art wirken“, berichtet Raghav Vij, der neben Schäfer einer der Autoren der Studie ist.

Die Verbindungen verursachten Stress in der Pilzzelle und schwächten sie, indem sie die Glykosylierung an der Zelloberfläche behinderten. Bei diesem chemischen Prozess werden Zuckerketten an Proteine ​​gebunden, was für die Stabilität und Funktion der Zellen wichtig ist. Die Polymere schädigten zudem die Wände und Membranen der Pilzzellen, wodurch diese absterben. Darüber hinaus unterstützten die Polymere Immunzellen bei der Zerstörung der Pilzzellen, wie in Interaktionstests festgestellt wurde.

Hoffnung auf resistente Pilze

„Bemerkenswert war auch, dass LH zusammen mit Antimykotika im Labor nicht zur Resistenzentwicklung bei C. albicans führte. Das deutet darauf hin, dass solche Kombinationstherapien nicht nur wirksamer, sondern auch nachhaltiger sind als bisherige Therapien und daher zu besseren Behandlungserfolgen führen können“, erklärt Vij.

Ein weiterer Vorteil: „Die Herstellung synthetischer Polymere ist vergleichsweise kostengünstig. Zudem sind sie im Vergleich zu herkömmlichen Wirkstoffen stabil und lagerfähig. Gerade in Ländern mit niedrigem Einkommen könnten sie daher einen wichtigen Beitrag zur öffentlichen Gesundheit leisten“, fasst Brunke zusammen.

Bis es so weit ist, sind allerdings noch weitere Forschungsarbeiten nötig. „Bisher wurden die Polymere nur in Insektenmodellen getestet. Ob der Mensch die neue Therapie auch verträgt, muss erst noch im Detail untersucht werden“, gibt Brunke zu bedenken.

Auch die Struktur der entwickelten Polymere muss noch optimiert werden. „Wir wissen noch nicht genau, welche molekularen Bestandteile der Polymere welche Teile des Pilzes beeinflussen. Es fehlt sozusagen noch das Zielmolekül“, sagt Vij.

Zudem muss untersucht werden, ob die Polymere schädliche Auswirkungen auf Mensch und Umwelt haben. Trotz allem weisen die Forschungsergebnisse bereits jetzt in eine positive Richtung und lassen auf wirksame neue Therapiemöglichkeiten hoffen.