Goldgräberstimmung bei pflanzlichen Medikamenten

Wie „Omics“-Ansätze helfen, die biologischen Schätze Amazoniens zu heben

02.05.2016 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Im artenreichen Amazonasgebiet begibt man sich auf die Suche nach neuen pflanzlichen Wirkstoffen. (Bildquelle: © Fotos 593 / Fotolia.com)
Im artenreichen Amazonasgebiet begibt man sich auf die Suche nach neuen pflanzlichen Wirkstoffen. (Bildquelle: © Fotos 593 / Fotolia.com)

Das Amazonasgebiet ist eine der artenreichsten Regionen der Welt. In ihr vermuten Forscher ein großes Reservoir medizinisch relevanter chemischer Ressourcen.

Mithilfe der Metabolomik und anderer hocheffizienter Analysemethoden könnte man diese Ressourcen für die Arzneimittelproduktion erschließen. Zeitgleich zum Beitritt Deutschlands zum Nagoya-Protokoll diskutieren Wissenschaftler den beschränkten Zugang zu tropischen Pflanzen, das Potential der fortgeschrittenen Technologien und die Frage, ob diese nicht Hand in Hand mit dem Schutz der Biodiversität gehen können.

Unerschöpftes Potential

Für die Entwicklung von Arzneimitteln sind biologische Ressourcen von hohem Wert: In den USA zum Beispiel basieren 60 Prozent der Wirkstoffe, die zwischen 1981 und 2010 für den Markt zugelassen worden sind, auf natürlichen Ausgangsstoffen. Der Großteil davon wurde aus Pflanzen gewonnen. Noch gibt es Luft nach oben: Von den weltweit 10.000 bis 15.000 dokumentierten höheren Pflanzen mit medizinisch interessanten Eigenschaften finden bisher nur ca. 200 in der westlichen Medizin Verwendung.

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Viele moderne Medikamente basieren auf Pflanzen oder deren Inhaltsstoffen. In sehr artenreichen Regionen der Welt könnten noch wahre Schätze schlummern.

Viele moderne Medikamente basieren auf Pflanzen oder deren Inhaltsstoffen. In sehr artenreichen Regionen der Welt könnten noch wahre Schätze schlummern.

Quelle: © PhotoSG / Fotolia.com

Der Weg eines pflanzlichen Wirkstoffes auf den Markt ist allerdings sehr aufwändig, lang und teuer: Nur eine von 5000 als medizinisch wirksam identifizierten Verbindungen wird nach klinischen Tests für den Markt zugelassen. Im Durchschnitt dauert es 10 Jahre bis ein Wirkstoff den Markt erreicht, und es kostet über 1,3 Milliarden US Dollar. Zwar hatte sich über lange Zeit insbesondere in der Krebstherapie der große Aufwand gelohnt, basierten doch die Hälfte der hier eingesetzten Medikamente zwischen 1940 und 2010 auf natürlichen Wirkstoffen. Doch seit den 80er Jahren scheiterte die industrielle Weiterentwicklung von natürlichen Verbindungen zunehmend an ihrer enormen Komplexität, die nachzubauen mit den etablierten Methoden nicht mehr möglich war.

Paradigmenwechsel

Infolge dessen griffen die großen Pharmakonzerne in den frühen 80er Jahren auf andere Ansätze zurück: Mithilfe der gerade entwickelten kombinatorischen Chemie konnten innerhalb kurzer Zeit und zu relativ geringen Kosten kleine, organische Strukturen wie Nukleotide und Peptide gleichzeitig zu mehreren hunderttausend verschiedenen Molekülen kombiniert werden. In sogenannten Durchmusterungsprozessen im Hochdurchsatz (high-throughput screening) wurden diese auf ihre Reaktion mit mehreren Millionen Krankheitsmodellen gleichzeitig getestet. Ziel war es, in möglichst kurzer Zeit und zu möglichst geringen Kosten medizinische Wirkstoffe zu produzieren. Doch die Erfolge waren relativ gering. Der erste auf diese Weise erzeugte Wirkstoff, sorafenib, der für die Anwendung bei Nierenkarzinomen vorgesehen war, wurde erst 2005 freigegeben.

Pflanzen unschlagbar gut geeignet?

Die Vorteile natürlicher Ausgangsstoffe für Medikamente gegenüber chemisch kombinierter sind für viele Wissenschaftler eindeutig: Ihre räumlichen und elektronischen Eigenschaften sind perfekt aufeinander abgestimmt – und nur so können chemische Substanzen auf ein Krankheitsmodell reagieren und als Wirkstoff fungieren. Naturprodukte, besonders pflanzliche, würden daher immer von großer Relevanz für die Medikamentenentwicklung bleiben, so die Autoren eines kürzlich veröffentlichten Meinungsartikels.

Die Forscher gehen noch weiter und postulieren, dass moderne Analyseverfahren und Technologien der Erkundung der bisher unangetasteten chemischen Vielfalt der Pflanzen des Amazonasgebietes eine neue Wendung geben können. Das sogenannte „Bioprospecting“ erfährt gerade durch die technologischen Möglichkeiten des Post-Genomen Zeitalters einen Aufschwung.

„Revolutionäre“ Metabolomik

Denn die Metabolomik und die sehr junge Interaktomik ermöglichen es, aus kleinsten Mengen Pflanzenmaterial (statt 500 - 1000 g Trockengewicht reicht Material im Mikrogramm-Bereich) Informationen über die Stoffwechselprodukte einer Wildpflanze zu gewinnen und im industriellen Maßstab zu untersuchen, auf welche Krankheitserreger sie reagieren.

Mit diesen beiden Ansätzen, die zum Forschungszweig der Systembiologie gehören, verfolgt man in der Arzneimittelforschung das Ziel, einen umfassenden Überblick über die weltweit vorhandenen Stoffwechselprodukte und -prozesse zu erhalten, die zu medizinischen Wirkstoffen weiterentwickelt werden können.

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Der Wirkstoff Artemisinin, der gegen multiresistente Stämme des Malariaerregers Malaria tropica eingesetzt wird, stammt aus den Blättern und Blüten des einjährigen Beifußes Artemisia annua. Mittlerweile kann man den Stoff auch mit Hefen im Labor produzieren.

Der Wirkstoff Artemisinin, der gegen multiresistente Stämme des Malariaerregers Malaria tropica eingesetzt wird, stammt aus den Blättern und Blüten des einjährigen Beifußes Artemisia annua. Mittlerweile kann man den Stoff auch mit Hefen im Labor produzieren.

Quelle: © Kristian Peters - Fabelfroh/ Wikimedia.org; CC BY-SA 3.0

Die dabei produzierten Datenmengen sind jedoch enorm und es ist wie in allen anderen Forschungsdisziplinen eine große Herausforderung, der „Big Data“ Herr zu werden. Der Bioinformatik kommt eine Schlüsselrolle zu, diese Daten zu standardisieren, strukturiert zu lagern und sinnvoll auszuwerten. Außerdem betonen die Forscher die Rolle der Chemoinformatik. Diese ermöglicht es die chemischen Charakteristika großer Mengen von Molekülen relativ umfassend und zeitsparend zu untersuchen. Die Möglichkeiten und die Effektivität, mit denen man natürliches Material auf medizinische Brauchbarkeit hin untersuchen kann, sind also rasant gestiegen.

Während früher außerdem Engpässe in der Beschaffung des Ausgangsmaterials letztendlich die Weiterentwicklung von Arzneien stark einschränkte, ermöglichen fortgeschrittene gentechnische Methoden es heute, diese Hürde zu umgehen: Hat man einmal die pflanzeneigenen Produktionswege von Wirkstoffen analysiert, können sie im Labor von einfachen Produktionsstämmen von Mikroorganismen nachgebaut werden. Das zeigt ein aktuelles Beispiel aus der Malariaforschung: Der Wirkstoff Artemisin, der gegen multiresistente Stämme des Malariaerregers Malaria tropica eingesetzt wird, stammt aus den Blättern und Blüten des einjährigen Beifußes Artemisia annua. Kürzlich wurde er im Labor von der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae produziert. Für Aufsehen sorgten kürzlich auch Veröffentlichungen in den beschrieben wurde wie Opiate in Hefezellen aus Zucker hergestellt werden können. Neben der medizinischen Anwendung ist hier auch ein Missbrauch möglich.

Arzneimittelforschung mit Naturschutz vereinbar?

Damit Bioprospecting im Amazonas für alle Interessengruppen Vorteile hat, so die Autoren, müssten zum einen die biodiversitätsreichen Staaten das Nagoya-Protokoll ratifizieren, um von ihren eigenen biologischen Ressourcen zu profitieren. Zum anderen setzen sie auf Kooperation und schlagen vor, das Wissen über chemische Komponenten medizinisch wertvoller Pflanzen international zu teilen. Brasilien ist zum Beispiel noch nicht Teil bereits bestehender Initiativen, die zu diesem Zweck gegründet worden sind. Auch sprechen sie sich dafür aus, die starke staatliche Regulation des Zugangs zu potentiellen Quellen von Arzneimitteln zu lockern. Wissenschaftler und ihre Expertise aktiv an der Entwicklung von Zugangsbeschränkungen einzubinden, sei eine weitere Möglichkeit, um die Forschung und Weiterentwicklung von Medikamenten nicht zu behindern.

Die beschriebenen, quasi minimal invasiven, Methoden erlauben eine Erschließung der chemischen Ressourcen tropischer Organismen, ohne dabei die Schutzwürdigkeit der Regionen aus den Augen zu verlieren, die für das Bioprospecting besonders interessant sind. Die Forscher gehen noch einen Schritt weiter und werfen die Frage auf, inwiefern die „Omics“ genutzt werden können, um den Wert der Biodiversität zu erfassen - und ob sie so nicht mit dem Erhalt der Artenvielfalt direkt in Verbindung stünden.

Mit ihren Anregungen stoßen die Wissenschaftler nicht nur in die Tiefen der Tropen vor, sondern auch in politische und wirtschaftliche Interessensgebiete. Reaktionen darauf erwarten wir mit Spannung. Sie, unsere Leser, können sich direkt mit Kommentaren, aber sehr gerne auch mit Gastbeiträgen zu diesem Thema hier beteiligen.

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