Wissenschaftler von Scripps Research haben eine Möglichkeit entwickelt, über verschiedene Gewebe hinweg und mit höherer Präzision als je zuvor abzubilden, wo Medikamente an ihre Ziele im Körper binden. Die neue Methode könnte zu einem Routinewerkzeug in der Arzneimittelentwicklung werden.
Beschrieben in einem Artikel in Zelle Am 27. April 2022 bringt die neue Methode namens CATCH fluoreszierende Tags an Arzneimittelmoleküle an und verwendet chemische Techniken, um das fluoreszierende Signal zu verbessern. Die Forscher demonstrierten die Methode mit mehreren verschiedenen experimentellen Medikamenten und zeigten, wo – sogar innerhalb einzelner Zellen – die Medikamentenmoleküle ihre Ziele treffen.
„Diese Methode sollte es uns schließlich zum ersten Mal ermöglichen, relativ einfach zu sehen, warum ein Medikament stärker ist als ein anderes oder warum eines eine bestimmte Nebenwirkung hat, während ein anderes nicht“, sagt der leitende Autor der Studie, Li Ye, Ph .D., Assistenzprofessor für Neurowissenschaften bei Scripps Research und The Abide-Vividion Chair in Chemistry and Chemical Biology.
Der Erstautor der Studie, Zhengyuan Pang, ist Doktorand im Ye-Labor. Die Studie war auch eine enge Zusammenarbeit mit dem Labor von Ben Cravatt, Ph.D., Gilula Chair of Chemical Biology bei Scripps Research.
„Die einzigartige Umgebung bei Scripps Research, wo Biologen routinemäßig mit Chemikern zusammenarbeiten, hat die Entwicklung dieser Technik ermöglicht“, sagt Ye.
Zu verstehen, wo Arzneimittelmoleküle ihre Ziele binden, um ihre therapeutischen Wirkungen – und Nebenwirkungen – auszuüben, ist ein grundlegender Teil der Arzneimittelentwicklung. Studien zur Arzneimittel-Ziel-Wechselwirkung beinhalten jedoch traditionell relativ ungenaue Methoden, wie z. B. Massenanalysen der Konzentration von Arzneimittelmolekülen in ganzen Organen.
Bei der CATCH-Methode werden winzige chemische Griffe in Arzneimittelmoleküle eingefügt. Diese unterschiedlichen chemischen Griffe reagieren mit nichts anderem im Körper, ermöglichen jedoch das Hinzufügen von fluoreszierenden Markierungen, nachdem die Wirkstoffmoleküle an ihre Ziele gebunden haben. Zum Teil, weil menschliches oder tierisches Gewebe dazu neigt, das Licht dieser fluoreszierenden Markierungen zu streuen und zu blockieren, kombinierten Ye und sein Team den Markierungsprozess mit einer Technik, die Gewebe relativ transparent macht.
In dieser ersten Studie optimierten und bewerteten die Forscher ihre Methode für „kovalente Medikamente“, die sich irreversibel mit stabilen chemischen Bindungen, den sogenannten kovalenten Bindungen, an ihre Ziele binden. Diese Irreversibilität der Bindung macht es besonders wichtig zu verifizieren, dass solche Medikamente ihre beabsichtigten Ziele treffen.
Die Wissenschaftler bewerteten zunächst mehrere kovalente Inhibitoren eines Enzyms im Gehirn namens Fettsäureamidhydrolase (FAAH). FAAH-Hemmer haben die Wirkung, den Spiegel von Cannabinoidmolekülen, einschließlich des „Glücksmoleküls“ Anandamid, zu erhöhen, und werden zur Behandlung von Schmerzen und Stimmungsstörungen untersucht. Die Wissenschaftler konnten auf Einzelzellebene darstellen, wo diese Inhibitoren ihre Ziele in großen Mengen von Mausgehirngewebe treffen, und konnten ihre unterschiedlichen Muster der Zielbindung leicht unterscheiden.
In einem Experiment zeigten sie, dass ein experimenteller FAAH-Inhibitor namens BIA-10-2474, der 2016 in einer klinischen Studie in Frankreich einen Todesfall und mehrere Verletzungen verursachte, unbekannte Ziele im Mittelhirn von Mäusen angreift, selbst wenn den Mäusen das FAAH-Enzym fehlt – einen Hinweis auf die Quelle der Toxizität des Inhibitors geben.
In anderen Tests, die die beispiellose Präzision und Vielseitigkeit der neuen Methode demonstrieren, zeigten die Wissenschaftler, dass sie die Bildgebung von Wirkstoffzielen mit separaten Methoden der Fluoreszenzmarkierung kombinieren konnten, um die Zelltypen aufzudecken, an die ein Wirkstoff bindet. Sie konnten auch Wirkstoff-Target-Eingriffsstellen in verschiedenen Teilen von Neuronen unterscheiden. Schließlich konnten sie sehen, wie leicht unterschiedliche Dosen eines Medikaments den Grad der Zielbindung in verschiedenen Gehirnbereichen oft deutlich beeinflussen.
Die Proof-of-Principle-Studie sei erst der Anfang, betont Ye. Er und sein Team planen, CATCH für den Einsatz an dickeren Gewebeproben, letztlich vielleicht ganzen Mäusen, weiterzuentwickeln. Darüber hinaus planen sie, den grundlegenden Ansatz auf häufigere, nicht kovalent bindende Medikamente und chemische Sonden auszudehnen. Insgesamt, sagt Ye, sieht er die neue Methode nicht nur als grundlegendes Werkzeug für die Wirkstoffforschung, sondern sogar für die Grundlagenbiologie.
„In situ Identification of Cellular Drug Targets in Mammalian Tissue“ wurde gemeinsam von Zhengyuan Pang, Michael Schafroth, Daisuke Ogasawara, Yu Wang, Victoria Nudell, Neeraj Lal, Dong Yang, Kristina Wang, Dylan Herbst, Jacquelyn Ha, Carlos Guijas, Jacqueline Blankman, Benjamin Cravatt und Li Ye – alle von Scripps Research während der Studie.
Zhengyuan Pang et al., In-situ-Identifizierung von zellulären Wirkstoffzielen in Säugetiergewebe, Zelle (2022). DOI: 10.1016/j.cell.2022.03.040