Forscher der Chalmers University of Technology und Partner innerhalb der Chemical Imaging Infrastructure haben eine Methode entwickelt, mit der es möglich ist, auf Nanoebene zu sehen, wo ein Medikament in den Zellen landet und wie viel davon für eine optimale Behandlung benötigt wird. Die Technik ermöglicht die Entwicklung neuer Arzneimittel und maßgeschneiderter Behandlungen für Krankheiten, die bisher nicht behandelbar waren.
„Ohne irgendetwas hinzufügen zu müssen, das die Zelle beeinflusst, können wir eine einzigartige Präzision auf Nanoebene erzeugen. Das ist mit vergleichbaren Methoden, die derzeit verwendet werden, nicht möglich“, sagt Per Malmberg, Direktor der Infrastruktur und leitender Forscher in der Abteilung für Chemie und Chemieingenieurwesen an der Chalmers University of Technology.
Dank des umfassenden Wissens über das menschliche Genom können Forscher wirksamere Medikamente entwickeln, die wirken, indem sie spezifische Ziele im Inneren der Zelle angreifen. Dieser Fortschritt macht es für Arzneimitteldesigner auch erforderlich, zu berücksichtigen, wie sich ihre Moleküle in der Zelle verhalten.
Die neue Methode, die von den Partnern innerhalb der Chemical Imaging Infrastructure entwickelt wurde, wird in einem kürzlich veröffentlichten Whitepaper beschrieben. Es beinhaltet verbesserte Spitzentechnologie und Wissen zur Analyse und Quantifizierung biologischer Arzneimittel wie Peptide und Oligonukleotide in menschlichen Zellen mit beträchtlicher Zuverlässigkeit.
Die neue Methode basiert auf dem von CAMECA entwickelten NanoSIMS-Instrument (Nanoscale Secondary Ion Mass Spectrometry), das Moleküle mit hoher Auflösung im Nanomaßstab messen und abbilden kann und seit 2015 in der chemischen Bildgebungsinfrastruktur verfügbar ist. Das Instrument hat sich weit verbreitet von der wissenschaftlichen Gemeinschaft für Forschungszwecke, aber es wurde noch nicht auf die Entwicklung von Arzneimitteln angewendet.
„Im Vergleich zu ähnlichen Techniken liefert die NanoSIMS-Methodik viel schnellere und genauere Antworten. Mit unserer Technik kann ein Arzneimittelprojekt innerhalb von etwa vier Wochen eine Antwort erhalten, und es gibt gute Möglichkeiten, die Zeit noch weiter zu verkürzen“, sagt Per Malmberg.
Bedeutung für ungedeckten medizinischen Bedarf
Bislang haben die Forscher mit kultivierten Zellen gearbeitet, aber die Technik kann auch zur Untersuchung von Gewebe eingesetzt werden. Langfristig könnte damit auch untersucht werden, was in einzelnen Zellen eines Organs passiert, in dem das Medikament wirken soll. Dies könnte ein Schlüssel zu einem tieferen Verständnis von beispielsweise neurodegenerativen Erkrankungen wie ALS oder Parkinson und Krebs sein.
Die pharmazeutische Industrie hat einen erheblichen Bedarf an der Entwicklung und Anwendung von Methoden zur Quantifizierung von Arzneimittelmolekülen im Nanomaßstab und ihrer Verteilung auf subzellulärer Ebene.
„Ich freue mich sehr, dass es uns gelungen ist, Medikamente in Zellen abzubilden. Es gibt viele Dinge, die mit einem Medikament passieren können, sobald es in die Zelle gelangt. Jetzt, da wir zum ersten Mal Beobachtungen auf dieser Ebene machen können, können wir kritische Ergebnisse erzielen.“ Informationen, die uns helfen werden, Medikamente für Krankheiten zu entwickeln, die bisher nicht behandelbar waren“, sagt Michael Kurczy, Associate Principal Scientist bei AstraZeneca.
Zusammenarbeit der Schlüssel zu neuen Ergebnissen
Forscher der Chalmers University of Technology und der Universität Göteborg sind in Zusammenarbeit mit AstraZeneca, dem BioVentureHub von AstraZeneca und der Firma CAMECA für die Entwicklung verantwortlich. Als das kollektive Wissen und die Expertise der Infrastrukturpartner in Bezug auf die Vorbereitung und Messung von Proben kombiniert wurden, wurden Ergebnisse erzielt, die ohne diese Zusammenarbeit nicht möglich gewesen wären.
„Es ist eine großartige Gelegenheit für Forscher, insbesondere junge, an der Schnittstelle von Wissenschaft, Industrie und Ingenieurwesen zu arbeiten. Die Synergie zwischen dem direkten Einblick der Entwickler in die Bedürfnisse und Probleme der Industrie und dem Fachwissen und den Ideen der Forscher, wie sie diese lösen können gelöst werden konnte, war entscheidend dafür, dass wir neue, wertvolle Werkzeuge präsentieren konnten, die zu einer erheblichen Verbesserung der Arzneimittelentwicklungsprozesse und damit der Lebensqualität der Menschen führen werden“, sagt Thi Ngoc Nhu Phan, Assistenzprofessorin an der Universität Göteborg .
Mehr Informationen:
Einführung von DrugSIMS: Ein neuer Ansatz enthüllt Wirkstoffziele in der „Black Box“ der Zelle: www.cameca.com/go/drugsims
Cécile Becquart et al, Intrazelluläre absolute Quantifizierung von Oligonukleotid-Therapeutika durch NanoSIMS, Analytische Chemie (2022). DOI: 10.1021/acs.analchem.2c02111
Aurélien Thomen et al, Subzelluläre Massenspektrometrie-Bildgebung und absolute quantitative Analyse über Organellen hinweg, ACS-Nano (2020). DOI: 10.1021/acsnano.9b09804