Förderprojekte

Förderbeginn 01.01.2019

Entdeckung und Entwicklung von naturstoffbasierten neuroprotektiven Verbindungen und Aufklärung ihrer molekularen Wirkmechanismen

Prof. Dr. Michael Decker
Universität Würzburg
Institut für Pharmazie und Lebensmittelchemie

Dr. Pamela Maher
The Salk Institute for Biol. Stud, SNL-D
Cellular Neurobiology Laboratory

Bestimmte Naturstoffe haben sich als neuartige Neuroprotektiva herausgestellt und besitzen daher großes Potential als ursachenbekämpfende Verbindungen für die Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen wie etwa der Alzheimer Demenz. Mittels phänotypischem Screening wollen wir neu synthetisierte chemische Derivate von Naturstoffen sowie Hybride von Naturstoffen untersuchen, um die Pharmakophore zu erkennen und zu untersuchen, welche für ihre biologische Wirkung verantwortlich sind. Einen Kernteil dieses Projektes stellt die Aufklärung der intrazellulären Targets dieser Verbindungen dar, da sie ausgeprägte neuroprotektive Effekte zeigen, aber ihre molekularen Wirkmechanismen ungeklärt sind. Zu diesem Zweck werden spezielle chemische Derivate entwickelt und eingesetzt werden. Anschließend wollen wir die Eigenschaften der Verbindungen optimieren, um sie geeigneter

Abschlussbericht
Aktivitäten

Im Rahmen des von der BaCaTeC geförderten Projektes “Entdeckung und Entwicklung von naturstoffbasierten neuroprotektiven Verbindungen und Aufklärung ihrer molekularen Wirkmechanismen” fanden zwei zweimonatige Aufenthalte einer Doktorandin und ein etwa zehntägiger Aufenthalt des Projektleiters am Salk Institute for Biological Studies in La Jolla, Kalifornien, statt, und zwar als Austausch der Professur für Pharmazeutische und Medizinische Chemie des Instituts für Pharmazie und Lebensmittelchemie der Universität Würzburg und dem Cellular Neurobiology Laboratory des Salk Institute (Dr. Pamela Maher).

Output

Im Rahmen der unten dargestellten Forschungsarbeiten konnten drei Publikationen erstellt und zur Veröffentlichung angenommen werden,* und zwar
1) „Studies into the flavonoid sterubin: total synthesis, enantioseparation, enantiopurity in nature, neuroprotectivity in vitro and in vivo” J. Hofmann, S. Saef, M. Scheiner, M. Hoffmann, S. Oertler, A. Appelt-Menzel, P. Maher, T. Maurice, G. Bringmann*, M. Decker* Chem. Eur. J. 2020, 26, 7299–7308 – IF = 4.9
2) „7-O-Esters of taxifolin with pronounced overadditive effects in neuroprotection, anti-neuroinflammation and short-term memory” - IF = 10.0 S. Gunesch, M. Hoffmann, C. Kiermeier, W. Fischer, A. Pinto, T. Maurice, P. Maher*, M. Decker* Redox Biol. 2020, 29, 101378
3) “Development and application of a chemical probe based on a neuroprotective flavonoid hybrid for target identification using activity-based protein profiling” - IF = 4.5 S. Gunesch, D. Soriano-Castell, S. Lamer, A. Schlosser, P. Maher*, M. Decker*, ACS Chem. Neurosci. 2020, 11(22), 3823-3837
BaCaTeC-geförderte Wissenschaftler in Fettdruck

1) Die erste Publikation beinhaltet die Totalsynthese des neuroprotektiven Naturstoffes Sterubin, welcher der kalifornischen Forschungsgruppe zur biologischen Testung zur Verfügung gestellt wurde, die diesen Stoff bislang aus Pflanzen extrahieren und reinigen musste. In dieser Publikation wird nicht nur seine Wirksamkeit in vitro, sondern auch erstmals die Stereochemie des Naturstoffes in der Pflanze, in welcher er enantiomerenrein vorkommt, sowie die Wirksamkeit in einem Alzheimer Mausmodel beschrieben.

2) Die zweite Publikation fasst Ergebnisse eines Kernanliegens unserer Zusammenarbeit zusammen, nämlich die Verbesserung der neuroprotektiven Eigenschaften der Ausgangsnaturstoffe und zugleich ihr Einsatz als Wirkstoffmolekül bei Alzheimer Demenz, wobei Hybridmoleküle aus dem Flavonoid Taxifolin und den Phenolsäuren Ferula- und Zimtsäure hergestellt und untersucht wurden. Die Mitarbeiterin der Universität Würzburg konnte die von ihr in Würzburg synthetisierten und biologisch charakterisierten Substanzen am Salk Institute detailliert auf ihre Wirksamkeit in verschiedenen Alzheimer- und alterungsrelevanten Assays untersuchen und stellte dabei ausgeprägt überadditive Aktivitäten gegenüber den Ausgangsnaturstoffen fest (Oxytose, Ferroptose und ATP-Depletion in murinen hippocampalen Neuronen sowie Reduktion LPS-induzierter Neuroinflammation in Microglia-Zellen hinsichtlich IL-6, TNF? und NO Leveln). Diese Ergebnisse waren so vielversprechend, dass ein Kooperationspartner an der Universität Montpellier die Verbindungen in vivo in einem Alzheimer-Mausmodell untersuchen konnte, wobei eine Verbesserung des Kurzzeitgedächtnisses bei einer Dosierung von nur 3 mg/kg messen konnten. Diese Ergebnisse sind nicht nur an sich vielversprechend, sondern sie beweisen, dass solche Naturstoffe in vivo Wirksamkeit zeigen und die Bluthirnschranke überwinden können. Die ausgeprägten Effekte sind kaum durch unspezifische antioxidative Effekte zu erklären und in dieser Publikation werden auch erste Hinweise auf spezifische zelluläre Pathways gegeben, die den Glutathion-Level in der Zelle stabilisieren, so etwa das Nrf2-Signaling.

3) Aufbauend auf den vielversprechenden Ergebnissen der obigen Publikation entwickelten die Forschergruppen molekulare Sonden auf der Basis des aktivsten Hybridmoleküls und gingen mit ihm auf „Target-Fishing“, um spezifische molekulare Zielstrukturen in der Zelle zu finden.
Auf der Basis bereits vorliegender Struktur-Wirkungsbeziehungen gelang es, eine molekulare Sonde zu entwickeln, die dieselben biologischen Eigenschaften wie das Ausgangshybrid zeigt, und zugleich in cellulo für aktivitätsgeleitetes Proteinprofiling eingesetzt werden konnte („Chemische Genomik“). Die Mitarbeiterin konnte die Substanz an einen Farbstoff koppeln und fluoreszenzmikroskopisch ihre Anreicherung in Mitochondrien nachweisen, den vermuteten Zellorganellen für Alterungsprozesse. Es gelang die Bindung an Zielproteine und am Würzburger Rudolf-Virchow-zentrum konnten massenspektroskopisch spezifische Proteine identifiziert werden, die dann wiederum am Salk mittels siRNA-Knockdown verifiziert werden konnten. Diese Arbeit liefert eine Erklärung für die ausgesprochene Aktivität der Hybride, und darüber hinaus zeigt sie auch mögliche spezifische Targets von solchen Naturstoffen, etwa die sarco-/endoplasmatische Reticulum Calcium ATPase (SERCA).

Ausblick

Durch die Anschubfinanzierung konnten wissenschaftlich ausgesprochen erfolgreiche Projekte durchgeführt und bereist jetzt zum Abschluss geführt werden, welche seit 2020 durch Drittmittelförderung des DAAD weitergeführt werden können. Selbstverständlich ergeben sich neue Fragestellungen, die im Rahmen einer Anschlussförderung und/oder anderweitig drittmittelgeförderter Projekte bearbeitet werden können. So bleibt die Frage zu klären, wie man chemisch und metabolisch stabile Naturstoffhybride erhalten kann und ob diese die gleiche oder sogar verbesserte Wirksamkeit zeigen. Das Prinzip der chemischen Genomik lässt sich prinzipiell auch auf andere Naturstoffe übertragen, so dass sich etwa das vom kalifornischen Labor beschriebene Fisetin als Sonde modifizieren ließe, um dessen Angriffspunkt in der Zelle zu identifizieren.