Nature's Bounty: Die Entdeckung neuer Krebsmedikamente aus Naturprodukten wird wiederbelebt

Die meisten Leute würden nicht erwarten, einen Fleischwolf in einem Forschungslabor zu finden. Laut Tanja Grkovic, Ph.D., ist es jedoch das perfekte Werkzeug, um gefrorene Meeresorganismen zu zermahlen.

"Es macht wirklich den Job!", Sagte sie.

Dr. Grkovic *, eine in Kroatien geborene Chemikerin, sollte wissen: Sie hat in den letzten Jahren intensiv daran gearbeitet, Prozesse zur Analyse von Naturprodukten – von Meerestieren über bodenbewohnende Pilze bis zu Pflanzenblättern – zu verbessern, um zu sehen, ob chemische Verbindungen darin sind Sie könnten Anstoß für neue Krebsmedikamente sein.

Die Arbeit war Teil einer ehrgeizigen, von Cancer Moonshot SM finanzierten Initiative mit dem Namen NCI-Programm für Naturstoffentdeckung (NPNPD), die es anderen Forschern erleichtern soll, die Natur nach neuen Krebsmedikamenten abzubauen .

Ein großer Teil dieser Geschichte fand im ausgetretenen Haus der NCI- Abteilung für Naturprodukte auf dem NCI-Campus in Frederick, MD, statt.

Bei einem Rundgang durch das Gebäude zeigte Dr. Grkovic Tiefkühlkammern, die mit Proben von Naturprodukten aus der ganzen Welt gefüllt waren, und erklärte gleichzeitig den hochkomplexen Prozess, bei dem diese Proben aus ihrem ursprünglichen Zustand in einige Gramm Material in bar umgewandelt wurden -codierte Reagenzgläser.

Naturprodukte seien seit Jahrzehnten ein Fundament der Wirkstoffforschung, sagte sie. Es wird geschätzt, dass mehr als die Hälfte aller Krebsmedikamente und Antibiotika von chemischen Stoffen stammen, die in einem Naturprodukt entdeckt wurden.

Paclitaxel (Taxol) , eines der am häufigsten verwendeten Chemotherapeutika, wurde aus der Rinde der pazifischen Eibe gewonnen; Penicillin , eines der ersten Antibiotika, aus einem Schimmelpilz; und Medikamente zur Senkung des Cholesterins von Verbindungen, die in Pilzen gefunden werden.

Barry O'Keefe, Ph.D., der Leiter der Abteilung Naturprodukte, erklärte jedoch, dass trotz dieser beeindruckenden Erfolgsbilanz Naturprodukte als Quelle für die Entdeckung neuer Arzneimittel in Ungnade gefallen sind. Das liegt vor allem an der umfangreichen Zeit und Anstrengung, die erforderlich war, um von Algen oder Splitt von Baumrinde zu einem Wirkstoff zu gelangen, der auf seine Fähigkeit getestet werden kann, Krebszellen abzutöten.

„Die meisten Leute möchten einfach nicht mehr mit Naturprodukten arbeiten. es ist zu anspruchsvoll “, sagte Dr. O'Keefe. Stattdessen verlassen sich viele Forscher und Pharmaunternehmen heute hauptsächlich auf große „Bibliotheken“ von künstlich hergestellten, chemisch synthetisierten Verbindungen, um Krebsmedikamente zu entdecken.

Angesichts des großen Potenzials und der unübertroffenen chemischen Vielfalt in der Natur entschied die NCI-Leitung im Jahr 2015, dass das Institut Anstrengungen unternehmen sollte, um die Forschungsgemeinschaft zu ermutigen, Naturprodukte wieder zu entdecken. Die NPNPD wurde nicht lange danach etabliert.

"Wir wussten, dass es ein großes Unterfangen sein würde", sagte Dr. O'Keefe. "Aber wenn wir es taten, dachten wir, könnte es alles ändern."

Ein nationaler Schatz

Seit Mitte der 80er Jahre sammelte die auf dem Campus des NCI in Fort Detrick, einem aktiven Militärstützpunkt in Frederick, untergebrachte Natural Products Branch mehr als 100.000 Proben von Pflanzen und Meeresorganismen aus 25 tropischen und subtropischen Ländern der Welt. von den Wäldern Madagaskars bis zu den Küstengewässern Thailands.

"Die Idee war, eine große Artenvielfalt einzufangen", sagte Dr. Grkovic.

Die Proben wurden im Rahmen vertraglicher Vereinbarungen gesammelt, in der Regel mit Organisationen, die die Natur erforschen und schützen, wie internationalen und staatlichen botanischen Gärten und Meeresforschungsinstituten.

Alle diese Sammlungen wurden im Rahmen gesetzlicher Vereinbarungen durchgeführt, um sicherzustellen, dass die natürlichen Ressourcen eines Landes nicht erschöpft oder in irgendeiner Weise beschädigt werden. In den Vereinbarungen wurde außerdem festgelegt, dass die Produkte, wenn das Produkt zu marktfähigen Entdeckungen führt – nämlich ein neues Medikament -, das Land, aus dem das Originalprodukt stammt, an den Gewinnen teilhaben würden.

Aber was macht Naturprodukte überhaupt zu einem aussichtsreichen Weg der Wirkstoffforschung?

Ein besonders verlockendes Merkmal von Naturstoffen ist ihre Fähigkeit, Moleküle herzustellen, die eine biologische Wirkung auf andere Organismen haben können, sagte Susan Mooberry, Professorin für Pharmakologie an der UT Health San Antonio, die sich auf die Wirkstoffforschung mit Naturstoffen spezialisiert hat .

Nehmen Sie zum Beispiel die Selbstverteidigung.

„Pflanzen können sich nicht bewegen. Schwämme können sich nicht bewegen. Daher müssen sie Mechanismen entwickeln, um sich selbst zu schützen “, sagte Dr. Mooberry. So genannte Meerestiere (auch Meerjungfrauen genannt), die einen Großteil ihres Lebens an Felsen und Docks verbringen, produzieren ein Arsenal von Giftstoffen, um Raubtiere abzuwehren.

Solche chemischen Verbindungen sind "reich an Informationen", sagte Daniel Romo, Ph.D., von der Baylor University, der sich auf die chemische Synthese potenzieller Wirkstoff-Wirkstoffe aus Naturstoffen spezialisiert hat. Dr. Romo fuhr beispielsweise fort: "Sie können auf neue und interessante Weise mit zellulären Proteinen interagieren, und dies kann häufig zur Entwicklung neuer Wirkstoffziele und Wirkstoffe führen."

Aber auch wenn NCI und andere Organisationen und Unternehmen der Natur immer wieder Proben von Naturstoffen zur Verfügung gestellt haben – in Form von minimal verarbeiteten Rohstoffen, die als Rohextrakte bezeichnet werden -, hat ihre Verwendung bei der Wirkstoffsuche dramatisch abgenommen.

Der Hauptgrund? Im Gegensatz zu Rohextrakten aus Naturprodukten sind Bibliotheken von vom Menschen erzeugten synthetischen Verbindungen für das Hochdurchsatz-Screening maßgeschneidert: hochautomatisierte Systeme zum schnellen Testen der Auswirkungen von chemischen Verbindungen auf biologisches Material.

Um für das Hochdurchsatz-Screening geeignet zu sein, müssen Naturstoffextrakte andererseits einen als Fraktionierung bezeichneten Prozess durchlaufen, wobei sie in einen stärker gereinigten Zustand überführt werden, der die leichtere Isolierung der darin enthaltenen Verbindungen ermöglicht.

Betrachten Sie einzelne Rohextrakte als einen Wald voller Bäume, sagte Dr. Grkovic.

"Die Fraktionen dieser Extrakte sind wie einzelne Bäume in diesem Wald", fuhr sie fort. "Eine reine Verbindung [in einer Fraktion] ist wie ein einzelnes Blatt von einem der Bäume."

Das Fraktionierungsverfahren hilft auch dabei, die häufig als "belästigende Verbindungen" bezeichneten Substanzen und andere Moleküle auszusondern, die die Ergebnisse des Hochdurchsatz-Screenings unzuverlässig machen können, sagte Dr. Mooberry.

Nur wenige Labore haben die Fähigkeit oder die Ressourcen, rohe Extrakte zu fraktionieren, stellte sie fest. Im Laufe der Zeit wandten sich Forscher und Pharmaunternehmen stattdessen den wirtschaftlicheren Bibliotheken von Verbindungen, die vom Menschen synthetisiert wurden.

Kurz nachdem Dr. O'Keefe 2015 Chef des Naturproduktprogramms von NCI wurde, schlug er einen Weg vor, um die Verwendung der Naturschätze für die Entdeckung von Medikamenten wiederzubeleben: Ermöglichen Sie den Forschern die Vorarbeit, indem Sie die Schatzkammer von NCI vorziehen natürliche Rohstoffextrakte. Diese Fraktionen würden dann jedem zur Verfügung stehen, der über einen brauchbaren Forschungsplan verfügt, um sie nach potenziell vielversprechenden Verbindungen abzubauen.

"Jetzt wird die Forschungsgemeinschaft Zugang zu mehr chemischer Diversität haben, als jemals in der Geschichte verfügbar war", sagte er. "Und es ist kostenlos."

Von Monaten und Monaten bis Wochen

Nur einen kurzen Spaziergang von den ursprünglichen Laboratorien der Natural Products Branch entfernt, ist die neue NPNPD-Anlage das Gegenstück zu den alten Laboren: hohe Decken, helle Lichter, viele rostfreie Stähle und eine Vielzahl von High-Tech-Maschinen und Geräten (Robotern) für die Transformation Rohextrakte in Fraktionen und Herstellung dieser Fraktionen für das Hochdurchsatz-Screening.

Das Herzstück des Labors ist ein riesiger Gewölbe-ähnlicher Lagerraum, in dem schließlich mehr als 1 Million mit Strichcode versehene Reagenzgläser untergebracht werden können, die Fraktionen aus mehr als 140.000 Rohextrakten aus der Sammlung von NCI enthalten.

In dem temperaturgesteuerten Tresor befindet sich ein großer Roboterarm, der die 40 Fuß Länge und 15 Fuß Höhe des Raums durchqueren kann und schnell Rohre von Tausenden von individuell gestalteten Gestellen zieht, die in Regalen vom Boden bis zur Decke gestapelt sind.

Die Anlage ist das Testgelände für die Prozesse, die NPNPD-Mitarbeiter entwickelt und verfeinert haben, um Rohstoffextrakte aus natürlichen Produkten zu fraktionieren, sagte Dr. O'Keefe. Diese Arbeit hat einen monatelangen, weitgehend manuellen Prozess auf etwas reduziert, das heute hoch automatisiert ist und in wenigen Wochen abgeschlossen werden kann.

"Wir haben Methoden erarbeitet, um mit jeder Art von Ausgangsmaterial – Meer, Pflanzen, Mikroben – umzugehen, wie man dieses Material am besten reinigen kann und wie man diesen Prozess am besten automatisiert", sagte er.

Dieser Aufwand dehnte sich auf das Verfahren zur Herstellung von Fraktionen in den Reagenzgläsern aus, die zum Screening geschickt werden sollten. Innerhalb weniger Tage können die Proben in diesen Röhrchen einer weiteren Bearbeitung (mehr Roboter) unterzogen werden, um schließlich auf winzigen Platten mit Hunderten von Vertiefungen oder Vertiefungen – jeweils mit wenigen Millilitern unterschiedlicher Fraktionen – aufgerollt und an ein anforderndes Labor geliefert zu werden bereit zum Testen

Ende Januar erfüllte NPNPD den ersten Auftrag für präfraktionierte Proben aus seiner Bibliothek.

"Wir hatten großes Interesse an großen akademischen Laboren und Forschern aus der ganzen Welt", sagte Dr. O'Keefe.

Mehr als nur ein Versorgungshaus

So effizient der Vorfraktionierungsprozess von NPNPD ist, so haben die Fraktionen immer noch eine gewisse Komplexität. Basierend auf Tests, die bei NPNPD durchgeführt wurden, erklärte Dr. Grkovic im Durchschnitt, dass die präfraktionierten Proben ungefähr 20 aktive chemische Verbindungen enthalten.

Wenn ein Screening mit hohem Durchsatz jedoch zeigt, dass eine getestete Fraktion beispielsweise Brustkrebs- oder Leukämiezellen tötet, kann es einige weitere Testrunden dauern, um die für die zelltötende Aktivität verantwortliche Verbindung zu isolieren.

Die NPNPD habe die Kapazität und das Fachwissen, um diese zusätzlichen Analysen durchzuführen, sagte Dr. O'Keefe, und kann mit Forschern zusammenarbeiten, um diese durchzuführen.

Mit Technologien wie der Flüssigchromatographie- Massenspektrometrie und der Kernspinresonanzspektroskopie können NPNPD-Wissenschaftler einen durch ein Screening-Labor identifizierten Wirkstoff nehmen und innerhalb weniger Wochen die genaue chemische Struktur bestimmen. Diese Informationen sind wichtig, wenn ein Forscher wissen möchte, wie der Wirkstoff Krebszellen abtötet oder den Wirkstoff für weitere Studien und die Wirkstoffentwicklung modifizieren oder optimieren möchte.

"Da wir also über die Kapazität und den Durchsatz verfügen, haben wir jetzt Informationen über die chemische Struktur [der Verbindung], die nur zwei Schritte von einem Rohextrakt entfernt sind", sagte Dr. Grkovic.

Hinterhof-Bürgerwissenschaft

Ein Schwerpunkt der NPNPD ist die Suche nach krebstötenden Substanzen, die von im Boden vorkommenden Mikroben und Pilzen produziert werden.

Diese Entscheidung wurde aus einem Social-Media-Posting getragen, das viral ging. Im März 2015 veröffentlichte ein Nutzer auf der beliebten Social-Media-Site Reddit das Citizen Science Soil Collection-Programm der University of Oklahoma und sein Ziel, einen „Dirt-Dirt“ von Hinterhöfen im ganzen Land zu verwenden, um neue Drogen zu entdecken. Der Posten brannte, und in den folgenden Wochen und Monaten wurde das Programm mit Hinterhofbodenproben aus den gesamten Vereinigten Staaten überschwemmt.

Der Leiter des Programms, Dr. Robert H. Cichewicz, stand mit Dr. O'Keefe in Verbindung, um zu sehen, ob NCI daran interessiert war, diese Fülle von Schmutz zu nutzen. Einige Jahre vorwärts und ein Teil des neuen NPNPD-Labors ist der Vorfraktion von Rohextrakten aus Bodenmikroben gewidmet.

Die Arbeit von Dr. Mooberry ist ein Beispiel für das Potenzial des Bodens, Leads für Krebsmedikamente zu generieren. Vor einigen Jahren testete ihr Labor einen Wirkstoff aus einem Pilz in einer Bodenprobe, die von einer Person in Alaska beim Oklahoma-Programm eingereicht wurde. Es zeigte sich eine beeindruckende Fähigkeit, einen Typ dreifach negativer Brustkrebszellen abzutöten .

Obwohl diese spezielle Verbindung nicht in weitere Studien vordringt, zeigte ihr Labor kürzlich, dass eine andere Verbindung, die aus einem aus dem Oklahoma-Programm stammenden Pilz aus dem Boden isoliert wurde, Ewing-Sarkomzellen spezifisch töten könnte. Das Ewing-Sarkom ist ein seltener und schwer zu behandelnder Krebs, der am häufigsten bei Kindern und jungen Erwachsenen diagnostiziert wird.

Die Ergebnisse der Studien seien noch nicht veröffentlicht worden, sagte Dr. Mooberry. Sie hofft jedoch, dass der Wirkstoff Forschern dabei helfen könnte, eine Schwachstelle in Ewing-Sarkomzellen zu identifizieren, gegen die neue zielgerichtete Therapien entwickelt werden können.

Eine neue Chance

Der Zeitpunkt der Einführung der NPNPD sei gut, sagte Dr. Romo. Bibliotheken synthetisierter Verbindungen seien bei der Herstellung neuer Arzneimittel nicht so erfolgreich gewesen, wie viele gehofft hatten, stellte er fest. Synthetische Chemiker sind bei der Herstellung neuer, hochkomplexer chemischer Verbindungen auf der Grundlage vielversprechender Anhaltspunkte, die aus natürlichen Produkten gewonnen werden, viel geschickter geworden.

"Wir werden immer besser, immer komplexere Moleküle herzustellen", sagte er.

Natürlich gibt es keine Gewissheit, dass ein Wirkstoff, selbst wenn er in Laborstudien vielversprechend ist, sich bei der Behandlung von Krebserkrankungen beim Menschen als wirksam erweisen wird, betonte Dr. Mooberry. Die Geschichte des Erfolgs von aus Naturstoffen gewonnenen Medikamenten könne jedoch nicht unberücksichtigt bleiben, fuhr sie fort.

Und jetzt, mit der NPNPD, sagte sie: "Wir haben eine neue Chance, etwas zu ändern, wenn mehr Menschen anfangen, diese Fraktionen zu untersuchen."

Die jüngere Generation von Forschern könnte sich dieser Herausforderung stellen, sagte Dr. O'Keefe. Im vergangenen Jahr hat er landesweit Vorträge zur NPNPD gehalten. Er sagte, fast einheitlich, die aufregendste Antwort kam von jungen Ermittlern.

Er erklärte: „Junge Forscher kommen immer wieder auf mich zu und sagen: Vielen Dank, dass mir niemand Geld geben würde, um in das Feld zu gehen, um Sammlungen durchzuführen oder Extraktionen durchzuführen. Nun, da ich diese Ressource habe, kann ich einfach mit meiner Forschung beginnen. '”

* Dr. Grkovic ist ein leitender Wissenschaftler in der Natural Products Support Group, die Teil des Frederick National Laboratory for Cancer Research ist, einer vom NCI gesponserten Einrichtung, die vom Auftragnehmer betrieben wird.

Quelle: National Cancer Institute