chemBIOS: Ein Turbochip für die Medikamentenentwicklung

| Redakteur: Sebastian Gerstl

Wissenschaftler des KIT haben ein Verfahren entwickelt, das chemische Synthese und biologisches Screening von Wirkstoffen vereinfacht und beschleunigt, in dem es alle Schritte auf einem Chip vereint. Das Bild zeigt ein Array aus Mikrotröpfchen mit verschiedenen Reagenzien auf der Synthese-Plattform des sogenannten chemBIOS Chips.
Wissenschaftler des KIT haben ein Verfahren entwickelt, das chemische Synthese und biologisches Screening von Wirkstoffen vereinfacht und beschleunigt, in dem es alle Schritte auf einem Chip vereint. Das Bild zeigt ein Array aus Mikrotröpfchen mit verschiedenen Reagenzien auf der Synthese-Plattform des sogenannten chemBIOS Chips. (Bild: Maximilian Benz, KIT)

Schneller und günstiger zu neuen Medikamenten: Ein Forschungsteam des KIT hat einen Chip entwickelt, der die chemische Synthese und das biologische Screening neuer Wirkstoffe erheblich beschleunigen soll. Das chemBIOS genannte Verfahren verspricht, die drei Einzelschritte für Herstellung, Charakterisierung und Testen auf biologische Wirksamkeit auf einen Chip zu vereinen.

Trotz steigenden Bedarfs sinkt die Zahl neu entwickelter Medikamente in den letzten Jahrzehnten stetig. Das liegt unter anderem auch daran, dass die Suche nach neuen Wirkstoffen, deren Herstellung, Charakterisierung und das Testen auf biologische Wirksamkeit immer aufwendiger und teurer wird. Unter anderem auch deswegen, weil alle drei Schritte bis dato noch getrennt voneinander durchgeführt werden.

Die Medikamentenentwicklung basiert darauf, große Wirkstoffbibliotheken mit hohem Durchsatz zu screenen. Allerdings gibt es bei der chemischen Synthese in Flüssigphase bisher keine miniaturisierten und parallelisierten Methoden im Hochdurchsatz. Gleichzeitig sind die Verfahren zur Synthese bioaktiver Verbindungen und das Screening auf biologische Wirksamkeit meist nicht kompatibel. Aus diesen Gründen werden diese Schritte in der Regel strikt getrennt durchgeführt, was aber im Gegenzug den Prozess teuer und ineffizient gestaltet. 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.

chemBIOS: Ein Chip soll die Effizienz der Medikamentenentwicklung steigern

„Wir haben deswegen eine Plattform entwickelt, mit der wir die Synthese ganzer Wirkstoffbibliotheken on-chip mit biologischen Hochdurchsatz-Screenings kombinieren können“, sagt Maximilian Benz vom Institut für Toxikologie und Genetik (ITG) des KIT. Diese sogenannte chemBIOS-Plattform soll sowohl mit organischen Lösungsmitteln für die Synthese als auch mit wässrigen Lösungen für biologische Screenings kompatibel sein.

„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“, führt Benz weiter aus. Lipoplexe sind Nukleinsäure-Lipid-Komplexe, die von eukaryontischen Zellen, also unter anderem menschlichen und tierischen Zellen, aufgenommen werden können.“

Benz zufolge dauert der gesamte Prozess, von der Bibliothekssynthese bis zum Zellscreening nur drei Tage, unter Aufwendung von etwa einen Milliliter an Gesamtlösungen. Üblicherweise würden für solche Verfahren mehrere Liter Reagenzien, Lösungsmittel und Zellsuspensionen verwendet. Die Ergebnisse ihrer Forschungen haben die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen des KIT im Fachblatt Nature Communications veröffentlicht.

Medikamentenentwicklung: großer Aufwand, kleine Trefferquote

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.

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