Ein Turbochip für die Medikamentenentwicklung

Array aus Mikrotröpfchen mit verschiedenen Reagenzien auf der Synthese-Plattform des chemBIOS Chips. Foto: Maximilian Benz, KIT

Die Medikamentenentwicklung basiert darauf, große Wirkstoffbibliotheken mit hohem Durchsatz zu screenen. Da es aber bei der chemischen Synthese in Flüssigphase bisher keine miniaturisierten und parallelisierten Methoden im Hochdurchsatz gibt und zugleich die Verfahren zur Synthese bioaktiver Verbindungen und das Screening auf biologische Wirksamkeit meist nicht kompatibel sind, werden diese Schritte bislang strikt getrennt durchgeführt. Das macht jedoch den Prozess teuer und ineffizient.

„Wir haben deswegen eine Plattform entwickelt, mit der wir die Synthese ganzer Wirkstoffbibliotheken on-chip mit biologischen Hochdurchsatz-Screenings kombinieren können“, so Maximilian Benz vom Institut für Toxikologie und Genetik (ITG) des KIT.

Diese sogenannte chemBIOS-Plattform ist sowohl mit organischen Lösungsmitteln für die Synthese als auch mit wässrigen Lösungen für biologische Screenings kompatibel. „Wir verwenden die chemBIOS-Plattform, um 75 parallele Drei-Komponenten-Reaktionen durchzuführen, um eine Bibliothek von Lipiden, also Fetten, zu synthetisieren, gefolgt von ihrer Charakterisierung durch ein massenspektrometrisches Verfahren, der Bildung von Lipoplexen auf der Objektträger-basierten Plattform und der Zell-biologischen Auswertung“, so Benz.

Lipoplexe sind Nukleinsäure-Lipid-Komplexe, die von eukaryontischen Zellen, also unter anderem menschlichen und tierischen Zellen, aufgenommen werden können.“ „Der gesamte Prozess, von der Bibliothekssynthese bis zum Zellscreening, dauert nur drei Tage und verbraucht etwa einen Milliliter Gesamtlösungen, was das Potenzial der chemBIOS-Technologie zur Effizienzsteigerung und Beschleunigung von Screenings und Medikamentenentwicklung verdeutlicht“, so Benz. Üblicherweise werden für solche Verfahren mehrere Liter Reagenzien, Lösungsmittel und Zellsuspensionen verwendet.

Die chemBIOS Technologie wurde kürzlich auch von einer Jury aus Vertreterinnen und Vertretern der Forschung und Industrie für einen der ersten drei Plätze des NEULAND Innovationspreises 2019 des KIT nominiert.

Medikamentenentwicklung: großer Aufwand und kleine Trefferquote

Aufgrund des immensen Zeitaufwands und der räumlichen und methodischen Trennung der Synthese der Wirkstoffe, dem Screening-Prozess und den klinischen Studien beträgt die Entwicklung eines neuen Medikaments häufig mehr als 20 Jahre und kostet zwischen zwei und vier Milliarden Dollar.

Die frühe Phase der Medikamentenentwicklung basiert klassischerweise auf drei Bereichen der Wissenschaft: Chemiker synthetisieren zunächst eine große Bibliothek verschiedener Moleküle. Dabei müssen alle Verbindungen einzeln hergestellt, isoliert und charakterisiert werden. Anschließend untersuchen Biologen die Molekül-Bibliothek auf biologische Aktivität. Besonders aktive Verbindungen, sogenannte „hits“ gehen zurück in die Chemie.

Basierend auf dieser Vorauswahl synthetisieren Chemiker weitere Variationen dieser Verbindungen. Diese sekundären Molekül-Bibliotheken enthalten dann optimierte Verbindungen. Nach einigen Durchläufen dieses Kreislaufes gehen einige wenige vielversprechende Wirkstoffkandidaten in den medizinischen Bereich der Wirkstoffentwicklung ein, in dem diese Verbindungen dann in klinischen Studien getestet werden.

Von mehreren zehntausenden Verbindungen der ersten Screenings erreicht häufig nur eine einzige oder auch gar keine die letzte Stufe der Wirkstoffentwicklung: die Zulassung als Wirkstoff für ein neues Medikament. Dieses Verfahren ist zeitaufwendig und benötigt sehr viele Ausgangsmaterialien und Lösungsmittel. Dies alles verteuert und verlangsamt die Entwicklung und beschränkt sie auch auf eine machbare Zahl von Wirkstoffen.

Originalpublikation (Open Access):

Maximilian Benz, Mijanur R. Molla, Alexander Böser, Alisa Rosenfeld, Pavel A. Levkin: Marrying chemistry with biology by combiningon-chip solution-based combinatorial synthesis and cellular screening, Nature Communications 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-10685-0
https://www.nature.com/articles/s41467-019-10685-0

Details zum KIT-Zentrum Materialforschung (in englischer Sprache): http://www.materials.kit.edu/index.php

Weiterer Kontakt:
Regina Link, Redakteurin/Pressereferentin, Tel.: +49 721 608-21158, E-Mail: regina.link@kit.edu

Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 9 300 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 25 100 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen.

Diese Presseinformation ist im Internet abrufbar unter: http://www.sek.kit.edu/presse.php

regina.link@kit.edu

Maximilian Benz, Mijanur R. Molla, Alexander Böser, Alisa Rosenfeld, Pavel A. Levkin: Marrying chemistry with biology by combiningon-chip solution-based combinatorial synthesis and cellular screening, Nature Communications 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-10685-0
https://www.nature.com/articles/s41467-019-10685-0

http://www.materials.kit.edu/index.php
https://www.nature.com/articles/s41467-019-10685-0
http://www.sek.kit.edu/presse.php

Media Contact

Monika Landgraf Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie

Der innovations-report bietet im Bereich der "Life Sciences" Berichte und Artikel über Anwendungen und wissenschaftliche Erkenntnisse der modernen Biologie, der Chemie und der Humanmedizin.

Unter anderem finden Sie Wissenswertes aus den Teilbereichen: Bakteriologie, Biochemie, Bionik, Bioinformatik, Biophysik, Biotechnologie, Genetik, Geobotanik, Humanbiologie, Meeresbiologie, Mikrobiologie, Molekularbiologie, Zellbiologie, Zoologie, Bioanorganische Chemie, Mikrochemie und Umweltchemie.

Zurück zur Startseite

Kommentare (0)

Schreib Kommentar

Neueste Beiträge

Ozon und Jetstream: Eine komplexe Beziehung

Aufwendigere Modelle haben bei der Darstellung atmosphärischer Veränderungen die Nase vorn. Ozon in der Stratosphäre schützt nicht nur das Leben auf der Erde vor gefährlicher UV-Strahlung. Es kann auch die…

Biobasierte Autokarosserie für die Straßenzulassung rückt in greifbare Nähe

Biowerkstoffe sind ein wichtiger Baustein bei der Umsetzung der Nationalen Bioökonomiestrategie Das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) fördert seit Oktober die Entwicklung einer Auto-Karosserie mit einem hohen Anteil nachwachsender…

Mikroschwimmer bewegen sich wie die Motten zum Licht

Die Freigeist-Nachwuchswissenschaftlergruppe der TU Dresden unter Leitung von Chemikerin Dr. Juliane Simmchen hat erstmals ein beeindruckendes Verhalten von synthetischen Mikroschwimmern untersucht: sobald die photokatalytischen Partikel eine beleuchtete Zone verlassen, drehen…

By continuing to use the site, you agree to the use of cookies. more information

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close