Chemie, Biologie und Pharmazie

Neue Chancen durch Bioinformatik: Risiko für Herzerkrankungen senken

von Jasmin Rauch, am 04.06.2019

Dr. Thomas Eckert ist Dozent im Fachbereich Chemie & Biologie an der Hochschule Fresenius in Idstein und arbeitet gleichzeitig am hochschuleigenen Insitute for Biomolecular Research. Der promovierte Chemiker hat jahrelang im Bereich der Veterinärmedizin und der Biochemie geforscht. Seit einigen Jahren hat er sich nun ganz der bioinformatischen Forschung gewidmet, wo er unter anderem an der Entwicklung eines Medikaments zur Senkung des Cholesterinspiegels beteiligt ist. Auf adhibeo spricht er über seine Forschungsarbeit und die Vorteile der Bioinformatik.

Was ist eigentlich Cholesterin genau und wofür braucht es der Körper normalerweise?

Cholesterin ist ein fettartiges Molekül, das in allen tierischen Zellen vorkommt. Man nimmt es über die Nahrung auf, es wird aber auch in der Leber produziert. Der Körper benötigt es, um die Zellmembran zu stabilisieren – ohne Cholesterin wäre diese so flüssig wie Öl. Cholesterin ist Ausgang der Synthese von verschiedenen Geschlechtshormonen, die unter anderem helfen, bestimmte Informationen an der DNA abzulesen und umzusetzen.
Schließlich nutzt die Leber auch Cholesterin, um daraus Gallensäuren zu bilden. Über die Galle ausgeschieden, helfen diese größeren Fetttropfen der Nahrung, zu kleinen Fetttröpfchen zu emulgieren, so dass Verdauungsenzyme die Fette der Nahrung besser aufschließen können.

Was passiert dann mit der Gallensäure?

Die Gallensäuren befinden sich mit dem Nahrungsbrei im Dünndarm. Der Körper geht aber mit seinen Ressourcen sparsam um – er will also verhindern, dass die Gallensäuren über den Stuhl ausgeschieden werden. Deshalb werden die Gallensäuren über Tunnelproteine in der Zellmembran von Dünndarmzellen zurück in den Blutkreislauf und dann zurück in die Leber transportiert. Dann beginnt der Kreislauf von vorne.

Das klingt erst einmal ungefährlich. Ab wann kann Cholesterin zum Problem werden?

Ist der Cholesterinspiegel erhöht, kann sich dieses verstärkt in den Arterien ablagern. Häufig ist eine genetische Veranlagung dafür verantwortlich, dass der Cholesterinspiegel im Blut erhöht ist. Jedoch kann auch eine übermäßige Cholesterinaufnahme über die Nahrung zu erhöhten Werten im Blut führen. Es kommt zur Einlagerung von Cholesterin in die Arterienwand. Makrophagen (Fresszellen) versuchen, das abgelagerte Cholesterin aufzufressen und sterben schließlich durch Überfressen ab. Was zu einer zusätzlichen Verengung der Arterie führt. Das kann über längere Zeit zu einer Arteriosklerose, also einer Verkalkung der Arterien, führen. Wobei das nicht wirklich eine Verkalkung ist, sondern nur im Volksmund so heißt, im Vergleich zu einer verkalkten Wasserleitung. Im schlimmsten Fall hat das einen Herzinfarkt oder sogar den plötzlichen Herztod zur Folge.

In einem Ihrer Forschungsprojekte beschäftigen Sie sich mit der Entwicklung von Medikamenten, die das Absenken des Cholesterinspiegels im Blut erleichtern sollen. Wie sollen diese wirken?

Bisher gibt es verschiedene Medikamente, die eine Ablagerung des Cholesterins verhindern. Sogenannte Statine können die Produktion von Cholesterin in der Leber hemmen, andere Wirkstoffe reduzieren die Aufnahme von Cholesterin aus der Nahrung und wieder andere vermindern die Abgabe von Cholesterin aus der Leber.

Unser Ansatz ist etwas anders: Wir beschäftigen uns mit der Entwicklung eines Medikaments, das dafür sorgt, dass die Gallensäuren nicht über den Dünndarm ins Blut zurückgelangen können, sondern ausgeschieden werden. Dadurch muss der Überschuss an Cholesterin im Blut zur Leber transportiert werden, wo es zur neuen Gallensäuresynthese genutzt wird.

Wie funktioniert das genau?

Gallensäuren kann man sich als relativ flache Scheiben mit einer negativen Ladung an einem Ende vorstellen. Unser Ziel ist es, ein Molekül zu synthetisieren, das nicht über die Transportproteine durch die Darmwand transportiert werden kann. Das heißt, das Molekül verankert sich am Transportprotein und verhindert zum einen, dass dieses in die Darmzelle aufgenommen wird und gleichzeitig nachfolgende Gallensäuren blockiert, sodass auch andere Gallensäuren die Darmwand nicht mehr passieren können.
Aktuell untersuchen wir noch, wie diese Blockade zeitlich beeinflusst werden kann, damit beispielsweise auch nicht zu viele Gallensäuren verloren gehen. Wir sind allerdings noch ganz am Anfang der Entwicklung.

Und welche Rolle spielt dabei die Bioinformatik?

Ein Transportprotein besteht aus ca. 300 Aminosäuren, deren Abfolge man zwar kennt, aber nicht die dreidimensionale Struktur. Mithilfe der Bioinformatik können wir diese am PC nachbilden. Wenn das geschafft ist, wäre die zweite Aufgabe, eine Lipidmembran zu modellieren. Durch spezielle Programme haben wir zudem zahlreiche Möglichkeiten, die Anwendungssituation des Medikaments am Computer nachzustellen – also welche Salzkonzentration herrscht im Darm, wie sind Temperatur und pH-Wert, wie ist der Druck und wie reagiert das System aus Gallensäureabkömmling, Transportprotein und Zellmembran darauf?
Geplant ist, das Medikament später in Tablettenform bei Risikopatienten einzusetzen.

Sie kommen ursprünglich aus der „klassischen“ chemischen Forschung. Wieso haben Sie sich dann für die Bioinformatik entschieden?

Der Einsatz von Bioinformatik spart Kosten und Zeit, da viele Versuchsbedingungen nicht erst aufwändig im Labor nachgestellt werden müssen. Man kann sehr genau durch Änderungen von pH-Wert, Salzkonzentration und Temperatur verschiedene Einflussfaktoren auch isoliert an einem System testen. Dadurch habe ich die Möglichkeit, viel schneller an einer direkten Problemlösung zu arbeiten. In Anfängen kann man das auch schon als Grundlage für die Systembiologie betrachten. Außerdem ermöglicht es mir, mich nicht nur auf ein Thema zu beschränken, sondern in ganz unterschiedlichen Bereichen der pharmazeutisch chemischen Forschung tätig zu werden. Diese Vielfalt ist das Faszinierende an der Bioinformatik.

ÜBER DEN AUTOR

Jasmin Rauch
Jasmin Rauch ist Teil der adhibeo-Redaktion und arbeitet im Bereich Marketing und Kommunikation der Hochschule Fresenius.

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