(12.04.2022) Nur wenige Proteine sind mit klassischen Wirkstoffen ansprechbar. Mit neuen Tricks wagen sich Pharmatüftler nun an Moleküle, die bislang als „undruggable“ galten.
Malen wir uns einen idealen Wirkstoff aus: Er steckt in einer Tablette, die wir nur schlucken müssen, wird problemlos resorbiert und greift im Körper sehr gezielt in den Prozess ein, der uns krank macht. Natürlich ohne unangenehme oder gar schädliche Nebenwirkungen. Heute stellen wir uns darunter eine Substanz vor, die an ein Biomolekül bindet und dessen Funktion entweder bremst oder verstärkt. Früher hat vor allem der Zufall darüber entschieden, dass einem Pharmaforscher solch ein Wirkstoff in die Hände fiel. Dann ging der Trend mehr und mehr zum zielgerichteten Design von Arzneistoffen.
Ein Beispiel ist die Geschichte von Antidepressiva: Als Selektive Serotonin-Wiederaufnahmehemmer (SSRI) fasst man Wirkstoffe zusammen, die gegen Depressionen und Angststörungen verschrieben werden und auf serotonerge Neuronen wirken. Diese Neuronen geben bei Aktivierung den Neurotransmitter Serotonin in den synaptischen Spalt ab, der dann postsynaptisch an Serotonin-Rezeptoren bindet. Die serotonergen Neurone nehmen das Serotonin aus dem synaptischen Spalt aber wieder auf – dank der Serotonintransporter in der präsynaptischen Membran.
Illustr.: Juliet Merz
Ein SSRI bindet an den Serotonintransporter und verringert dessen Affinität zum Serotonin. Der Neurotransmitter verbleibt also länger im synaptischen Spalt. Faktisch verstärkt ein SSRI so die Wirkung von Serotonin, indem es auf ein einziges Zielmolekül einwirkt. Dieses Konzept nach dem Motto „One Target, One Drug“ perfektionieren Pharmaentwickler seit den 1970er-Jahren. Fast immer, wenn man heute von „rationalem Wirkstoffdesign“ spricht, meint man die Suche nach einem pharmakologischen Werkzeug gegen ein ausgewähltes Ziel.
Als Voraussetzung gilt natürlich ein Grundwissen über zelluläre Signalwege und biochemische Interaktionen in der Zelle. Zuvor waren pharmakologische Durchbrüche vor allem Glückssache: Man musste schauen, ob eine Substanz einen gewünschten Effekt hatte oder nicht. Welche Interaktion biochemisch stattfand, wusste man nicht. Im Idealfall konnte man Substanzen an Zellen, Geweben oder Tieren testen. Hatte man dann einen Wirkstoff zur Hand, hieß das also nicht, dass der Mechanismus dahinter verstanden war. Es funktioniert und hat kaum Nebenwirkungen – das genügt!
Auch die Geschichte der Antidepressiva begann im Blindflug. In den 1950er-Jahren hatte man für bestimmte Substanzen eine stimmungsaufhellende Wirkung beobachtet. Entsprechend ihrer chemischen Struktur nannte man sie trizyklische Antidepressiva. Erst später kamen Hypothesen darüber auf, was neurobiologisch hinter Depressionen stecken könnte. In Studien zeigte sich, dass gleich mehrere Neurotransmitter-Systeme über die Trizyklika und die zeitgleich aufgekommenen Monoaminooxidase-Hemmer beeinflusst werden. So setzte sich in den 1960ern die „monoaminerge Hypothese“ durch, wonach ein Ungleichgewicht der Monoamine ursächlich für die Depression sein sollte.
Daraufhin setzten einige Pharmakonzerne auf Serotonin. Sie screenten nach Substanzen, die an den Serotonintransporter binden, und fanden unter anderem Fluoxetin (besser bekannt als Prozac). Seit Mitte der 1980er-Jahre ist Fluoxetin auf dem Markt und zeigte damals eine ähnliche Wirkung wie die Monoaminooxidase-Hemmer – allerdings mit einem günstigeren Nebenwirkungsprofil (zur Geschichte und Wirkung siehe Expert. Opin. Drug Discov. 9(5): 567-78).
Zur Wahrheit gehört aber auch: Wie genau es zur antidepressiven Wirkung kommt, ist noch immer unklar. Denn während der pharmakologisch gut verstandene Serotonin-verstärkende Effekt der SSRI sofort einsetzt, kann es Wochen dauern, bis der Patient von der Therapie profitiert. Offensichtlich spielen hier neuroplastische Effekte die entscheidende Rolle, die durch eine veränderte Serotonin-Verfügbarkeit im synaptischen Spalt angestoßen werden.
Trotzdem zeigt das Beispiel, wie sich die Suche nach neuen Substanzen verändert hat. Raymond Deshaies, tätig am Caltech in Pasadena (USA) und Senior Vice President bei Amgen, schreibt in einem Review aus dem Jahr 2020 von vier transformierenden Wellen der biopharmazeutischen Industrie (Nature 580(7803): 329-38). Als beispielhaft für die erste Welle nennt er den Erfolg von Bayer mit Aspirin. Substanzen, häufig aus Naturstoffen, wie im Fall der Acetylsalicylsäure ein Extrakt der Weidenrinde, haben einen Effekt auf Organismen oder Gewebe – also schaut man nach, welche chemische Verbindung dahinter steckt und wie sie sich industriell herstellen lässt.
In der zweiten Welle profitierten die Entwickler von den Erkenntnissen zu Signalwegen in der Zelle und welche Proteine daran beteiligt sind. Jetzt hatte man wortwörtlich ein Ziel vor Augen: Nämlich ein Biomolekül, das man mit einem Wirkstoff erreichen will. Die Entwicklung der Antidepressiva markiert also den Übergang zwischen erster und zweiter Welle. Mit der dritten Welle traten dann rekombinante Proteine auf den Plan. Hierunter fallen auch die Antikörper, die aus der Krebstherapie nicht mehr wegzudenken sind.
In der Praxis stellt sich aber heraus, dass sich die allermeisten Proteine nicht als pharmakologische Ziele im herkömmlichen Sinne eignen. Man spricht von „Undruggable Targets“¸ und sie dürften mindestens achtzig Prozent unseres Proteoms ausmachen. Pessimistischere Schätzungen gehen davon aus, dass sogar nur ein bis zwei Prozent aller Proteine als pharmakologisch ansprechbar infrage kommen.
Man mag sich fragen: Wie kann ein Protein, das wichtig im Krankheitsgeschehen ist, undruggable sein? Schließlich muss es ja eine relevante Aufgabe erfüllen und folglich auch spezifische Eigenschaften haben. Und diese Eigenschaften müssen sich irgendwie in der chemischen Interaktion widerspiegeln. Oder umgekehrt gefragt: Was macht ein Protein denn überhaupt zu einem geeigneten pharmakologischen Ziel?
Klassische Small Molecules passen besonders gut in Taschen oder Falten eines Proteins, dort, wo hydrophobe Flächen nach innen gestülpt, aber trotzdem noch erreichbar sind. Nun ist es aber nicht damit getan, dass ein kleines Molekül einfach irgendwo passt; es muss das Zielmolekül auch beeinflussen. Deshalb setzt sich ein kleines Molekül entweder direkt in ein enzymatisches Zentrum, oder die Bindung modifiziert das Protein allosterisch. Der Wirkstoff muss also auch an einer funktionellen Stellschraube seines Ziels drehen.
Doch längst nicht alle Proteine haben solch einen lokal begrenzten „Knopf“ zum Draufdrücken. Denken wir etwa an einen Transkriptionsfaktor, der DNA bindet: Hier sind nicht einzelne hydrophobe Mulden für die Bindung relevant, sondern die Interaktion mit der DNA erfolgt über eine weite Fläche hinweg. Klassische Small Molecules können hier nichts ausrichten, sie würden an solch einem großen Molekül einfach zu wenig verändern.
„Proteine mit großen Interaktionsflächen haben viele schwache Interaktionen; das kann man mit einem kleinen Molekül leider nicht gut adressieren“, erklärt Manfred Jung vom Institut für Pharmazeutische Wissenschaften der Universität Freiburg. „Im Prinzip sollte man natürlich in der Lage sein, gegen jedes Protein einen Antikörper zu finden, aber bei einem intrazellulären Target stellt sich dann die Frage: Gelangt dieser Antikörper überhaupt dorthin?“ Jung bezieht den Begriff „undruggable“ daher vor allem auf den Einsatz von Small Molecules. Außerdem relativiert er die Bezeichnung und spricht lieber von „bis jetzt undruggable“. So habe man gegen KRAS, das lange als pharmakologisch nicht ansprechbar galt, inzwischen doch einen Wirkstoff gefunden (dazu später mehr).
Neben dem klassischen Wirkstoff, der nicht nur ans Ziel bindet, sondern dort auch einen funktionellen Einfluss ausübt, gibt es noch andere Möglichkeiten: Ein verabreichtes Molekül kann ja auch an ein Protein binden, ohne dort eine relevante Veränderung zu bewirken. Wenn dieser Wirkstoff aber zusätzlich noch eine Affinität zu einem zweiten Protein zeigt, so lässt sich doch wieder ein gezielter Prozess anstoßen. „Der Oberbegriff dafür lautet Proximity Pharmacology“, erklärt Jung. „Man versucht also, zwei Proteine in die Nähe zueinander zu bringen.“ Oft ist auch von Induced Proximity die Rede, vielleicht am besten übersetzbar mit „induzierter Nähe“. Deshaies schreibt im oben genannten Review von einer aktuell stattfindenden „vierten Welle“ in der pharmazeutischen Industrie. One Target, One Drug ist nicht länger ein Dogma. Stattdessen designt man gezielt bi- oder sogar multispezifische Moleküle.
Derzeit arbeiten Forscher gern mit bifunktionalen Molekülen, deren eines Ende an eine E3-Ubiquitin-Ligase bindet. E3-Ligasen wiederum sorgen dafür, dass Proteine mit Ubiquitinen markiert werden; und ubiquitinierte Proteine gelangen ins Proteasom, das sie abbaut. Das andere Ende des Wirkstoffs ist dann auf ein ausgewähltes Zielprotein hin angepasst, das am Krankheitsgeschehen beteiligt ist und entfernt werden soll. Es wird dadurch in die Nähe der E3-Ligase gebracht. „Dann bekommt es sozusagen ein Post-it für die Verschrottung“, veranschaulicht Jung die Idee.
Einen Wirkstoff, der ein Target zu einer Ubiquitin-Ligase lenkt, nennt man Proteolysis-Targeting Chimera, oder kurz: PROTAC. Erstmals erwähnt werden PROTACs 2001. Die Autoren stellten damals schon in Aussicht, auf diese Weise künftig krankheitsauslösende Proteine für den Abbau markieren zu können (PNAS 98(15): 8554-9). Allerdings war schon Jahrzehnte zuvor ein Medikament auf dem Markt, das genau dieses damals unbekannte Wirkprinzip ausnutzte: Thalidomid, besser bekannt unter dem Handelsnamen Contergan. Das Molekül bindet die Ubiquitin-Ligase Cereblon und gleichzeitig die Transkriptionsfaktoren IKZF1 und IKZF3. Mutationen solcher Zinkfinger-Proteine sind inzwischen gehäuft bei bestimmten Leukämien aufgefallen, weshalb Thalidomid heute wieder ein Stück weit rehabilitiert ist und zum Beispiel gegen das Multiple Myelom zum Einsatz kommt. Allerdings deckte erst eine Reihe von Studien ab den 2010er-Jahren das eigentliche Wirkprinzip von Thalidomid auf.
Heute setzt man Derivate des Thalidomids für den PROTAC-Baukasten ein, um daraus Moleküle gegen neue Ziele zu designen. „Ein anderes Protein ist VHL, der Von-Hippel-Lindau-Faktor“, ergänzt Jung, „auch dazu gibt es passende Ubiquitin-Ligasen“. Es gebe einige weitere Ligase-bindende Moleküle, doch Thalidomid und VHL seien in der akademischen Forschung die gängigsten. Am anderen Ende des PROTACs sitzt dann der Baustein, der auf das therapeutisch relevante Ziel passt. Nicht immer muss man hier das Rad neu erfinden, sondern kann auch auf bereits bekannte Small Molecules zurückgreifen. „Hat eine Firma bereits einen Kinase-Hemmer auf dem Markt oder in der Entwicklung, kann sie daraus prinzipiell auch einen PROTAC machen“, nennt Jung ein Beispiel.
PROTACs bieten gerade gegen die Undruggables neue Möglichkeiten, weiß Jung. „Gibt es zum Beispiel bei einer Protein-Protein-Wechselwirkung eine große Interaktionsfläche, so war man bislang limitiert, weil man diese nicht mit einem kleinen Molekül targeten kann. Aber ein PROTAC muss ja gar nicht an eine Active Site binden!“ Denn der eigentliche Effektor ist ja die Ubiquitin-Ligase, die das Label zum Abbau am Zielmolekül anbringt. „Natürlich brauche ich noch eine Druggable Binding Site, aber es muss nicht das aktive Zentrum sein.“
Auch Jungs Freiburger Gruppe arbeitet mit PROTACs. Er und sein Team interessieren sich für die epigenetische Regulation sowie damit assoziierte Erkrankungen und beteiligen sich am Sonderforschungsbereich „Medizinische Epigenetik“. Sie suchen Möglichkeiten, Histon-modifizierende Enzyme gezielt zu blockieren. Und dafür nutzen die Freiburger neben klassischen Inhibitoren auch PROTACs. „Wir haben Modellsysteme, an denen wir viel geforscht haben“, spricht Jung über Enzyme, die ihn interessieren. „Für die hatten wir zum Teil schon gute Liganden, und die haben wir dann zu PROTACs umgebaut.“ Das sei ein Baukastensystem, für das man Komponenten auch kommerziell erwerben kann. So etwa die sogenannten Linker oder Spacer, die jeweils den Ligase-bindenden Teil und den Liganden für das Zielprotein zusammenhalten. „Wir haben aber auch schon von Null an PROTACs neu aufgebaut“, berichtet Jung.
Für das Design der PROTACs arbeitet Jung mit der Gruppe um Wolfgang Sippl von der Uni Halle-Wittenberg zusammen. Die Linker-Chemie sei dabei manchmal eine Herausforderung, denn schließlich dürfen sich die Bauteile des PROTACs nicht gegenseitig stören, müssen aber dennoch beide Proteine nah genug zueinander bringen, damit diese wechselwirken können. Zwar sind die PROTACs kleiner als Antikörper, aber für ein Small Molecule trotzdem sehr groß. „Als Faustregel nennt die sogenannte Rule of Five ein Molekülgewicht von höchstens 500 Dalton für einen Wirkstoff, der oral bioverfügbar ist“, erklärt Jung. „PROTACs aber haben typischerweise ein Molekulargewicht von um die 1.000 bis 1.200 Dalton und sind damit in der obersten Gewichtsklasse. Trotzdem gibt es oral verfügbare PROTACs und sogar einige in klinischen Studien.“ Aber es stelle sich immer die Frage, wie gut ein PROTAC auch in die Zelle gelangt.
Jung sieht seine Arbeitsgruppe in der anwendungsorientierten Grundlagenforschung. Zum Beispiel untersucht er Sirtuine, die als Histon-Deacetylasen das Chromatin beeinflussen. „Sirtuin 2 wirkt, wie wahrscheinlich viele der epigenetischen Enzyme, auch auf Nicht-Histonproteine“, erläutert Jung und nennt Tubulin als weiteres Ziel von Sirtuin 2 (Sir2). 2017 stellte seine Gruppe ein PROTAC gegen Sir2 vor, das ein Thalidomid-Derivat verwendet (J. Med. Chem. 61(2): 482-91). „Das war der erste PROTAC für eine Lysin-Deacetylase“, freut sich der Freiburger Forscher. 2020 zeigten er und seine Kollegen dann, dass auch andere Ubiquitin-Ligasen geeignet sind, um über PROTACs Sir2 für das Proteasom zu markieren (Chembiochem. 21(23): 3371-6). „Es geht ja auch darum, den Werkzeugkasten für die PROTACs größer zu machen“, so Jung.
„Zudem konnten wir zeigen, dass das Mikrotubuli-Grundgerüst in seiner mikroskopischen Struktur anders ist, je nach dem, ob man einen klassischen Hemmstoff oder einen PROTAC verwendet“, erläutert Jung eine weitere Beobachtung. „Funktionell können wir das noch nicht interpretieren und wissen auch nicht, ob das eine therapeutische Bedeutung hat, aber es ist eben wichtig zu wissen, dass es diese unterschiedlichen Effekte gibt.“ Sirtuine werden nämlich unter anderem in Verbindung gebracht mit Typ-2-Diabetes, Krebs oder neurodegenerativen Erkrankungen.
Neben dem Proteasom kann man auch weitere Abbauwege nutzen. Das Team um Carolyn Bertozzi an der Stanford University entwickelt zum Beispiel LYTACs – analog zu den PROTACs steht dieses Akronym für Lysosome-Targeting Chimeras. LYTACs zielen auf extrazelluläre Proteine. Die könnte man zwar über Antikörper erreichen und ihre Funktion blockieren, doch wenn das Protein als Ganzes stört, lösen Antikörper dieses Problem nicht. Stattdessen bindet ein LYTAC sein Zielmolekül an die Zellmembran und markiert es dort für die Endozytose und den Abbau in einem Lysosom (Cell Chem. Biol. 28(7): 1072-80).
Diese neue Philosophie, über einen Arzneistoff zwei oder mehr Biomoleküle zusammenzubringen, taucht unter verschiedenen Schlagworten in der Literatur auf. Forscher schreiben von Molecular Glues, die Proteine regelrecht „zusammenkleben“, und von Matchmakers oder Tetherbodys. In einer Newsmeldung vom 18. März 2021 gibt der kanadische Wissenschaftsjournalist Asher Mullard eine Übersicht über Targeted Protein Degraders in klinischen Studien (Nat. Rev. Drug Discov. 20: 247-50). Als Pionier brachte Arvinas 2019 den ersten PROTAC in eine klinische Studie der Phase 1: Dieser PROTAC induziert den Abbau des Androgen-Rezeptors und wird gegen Prostatakrebs eingesetzt. Weitere klinische Studien mit „Degraders“ laufen zum Beispiel gegen Brustkrebs, verschiedene Leukämien, Sarkome und Autoimmunerkrankungen.
Ein Vorteil speziell bei einigen PROTACs kann darin bestehen, dass sie als Katalysator wirken: Sie werden dann nicht aufgebraucht oder sind für ein Zielprotein dauerhaft in Beschlag genommen, sondern ein und dasselbe Molekül kann mehrere Proteine nacheinander für den Abbau markieren. Hier könnte man also mit niedrigeren Dosierungen auskommen und Nebenwirkungen vermeiden, auch wenn Jung diesen Punkt relativiert: „Es gibt ja auch PROTACs, die irreversibel binden. Und unter denen, die reversibel binden und wie ein Enzym katalytisch wirken, haben wir auch Beispiele, die schlechter funktionieren als der ursprüngliche Hemmstoff, weil die Zelle das Protein wieder zu schnell nachliefert.“
PROTACs können im Einzelfall also sehr unterschiedlich performen, auch wenn das Grundprinzip dahinter gleich ist.
Doch auch bei den klassischen Inhibitoren gibt es immer noch Fortschritte und Überraschungen. Frustrierend ist das Etikett „undruggable“ seit jeher für die Onkologen und natürlich die betroffenen Patienten. So etwa bei KRAS, weiß der Internist und Krebsforscher Matthias Scheffler aus eigener Erfahrung zu berichten. Er ist Teil der LCGC, der Lung Cancer Group Cologne, an der Kölner Uniklinik und betreut Lungenkrebspatienten. „Wir sind eine Studiengruppe, aber klinisch orientiert“, erläutert Scheffler seine Arbeit, „und wir möchten personalisierte Therapiekonzepte anbieten und schauen uns die Mutationen der einzelnen Patienten an“. Dabei fällt immer wieder KRAS auf: „Man kann sagen, zwischen einem Viertel und einem Drittel der Lungenkrebspatienten haben eine KRAS-Mutation.“
KRAS ist eine GTPase und als knapp 300 Aminosäuren kleines Protein auf den ersten Blick recht unspektakulär. Es erfüllt seine Funktion im Zellinneren in der Nähe der Membran und kann im Zusammenspiel mit einigen anderen Proteinen über den EGF-Rezeptor aktiviert werden, wenn außerhalb der Zelle EGF bindet. „Und dann hat KRAS eigentlich nur die Aufgabe, GTP zu binden, um weitere Signaltransduktionen in die Wege zu leiten“, so Scheffler. Vor allem zwei Pathways seien wichtig: Über RAF, MEK und ERK oder aber AKT und mTOR gelangt ein Signal bis in den Zellkern. Mit GTP ist KRAS aktiv, mit GDP inaktiv.
Bestimmte Mutationen können nun bewirken, dass GTP dauerhaft gebunden bleibt. „Wir sagen dann, das Protein wird Liganden-unabhängig – da brauchen Sie also gar nicht erst mit irgendwelchen Antikörpern außerhalb der Zelle etwas blockieren“, so Scheffler. Zwar könnte man sich Liganden vorstellen, die die Bindestelle blockieren, doch in Anwesenheit von GTP hätte solch ein Wirkstoff keine Chance, einfach weil die Affinität zwischen GTP und KRAS enorm hoch ist. „Es reichen pikomolare GTP-Konzentrationen; der niedrigste Wert, den ich von Arzneimitteln kenne, liegt um die nanomolare Größenordnung herum, also eine Tausenderpotenz mehr.“ Ein Antagonist scheidet damit aus – „zumindest dachte man das bis vor zehn Jahren“, korrigiert Scheffler.
2013 nämlich hatten sich Forscher der University of California in San Francisco das Protein kristallografisch angeschaut und eine Besonderheit entdeckt: Bei der Mutation G12C gibt es ein Cystein in unmittelbarer Nähe zur GTP/GDP-Bindestelle (Nature 503(7477): 548-51). Die fünf Autoren des Artikels sagten einige Substanzen voraus, die kovalent und damit irreversibel über eine Sulfitbrücke an das Cystein binden und KRAS deaktivieren könnten. „Erst durch die Mutation entsteht überhaupt die Möglichkeit, dort zu binden“, hebt Scheffler einen Vorteil für das Nebenwirkungsprofil hervor.
„Das ist eine Sache, die mir viel zu kurz kommt“, resümiert Scheffler hierzu, „nämlich dass wir uns trauen, Inhibitoren einzusetzen, die eben nicht kompetitiv binden, sondern kovalente Bindungen eingehen“. Tatsächlich gab es unter den vorausgesagten Inhibitoren vielversprechende Kandidaten, und die Firma Amgen nahm sich vor, daraus ein Krebsmedikament zu entwickeln. 2019 ging sie mit einem Molekül in klinische Studien, das damals noch unter der Bezeichnung AMG 510 geführt wurde (Nature 575(7781): 217-23). Inzwischen trägt der Wirkstoff den Namen Sotorasib und hat die klinischen Phasen erfolgreich durchlaufen. In der EU ist der KRAS-Inhibitor, den es eigentlich gar nicht geben konnte, seit Januar regulär zugelassen.
Damals sei eine KRAS-Mutation ein Totschlagargument gegen eine Therapie gewesen, blickt Scheffler zurück und freut sich, dass die Strukturexperten noch einmal genau hingeschaut hatten. „Daran war auch Martin Sos beteiligt, der 200 Meter von hier sein Labor hat“, erwähnt Scheffler seinen Kollegen, der heute in der Molekularen Pathologie der Uniklinik Köln arbeitet.
In einem aktuellen und frei verfügbaren Review, das von Scheffler mitverfasst ist, geben die Autoren einen Überblick über die aktuellen therapeutischen Möglichkeiten gegen KRAS-Tumore und auch die Geschichte hinter Sotorasib (Lung Cancer 160:152-65).
Neue originelle Ideen aus der Pharmaforschung haben also schon ihren Weg bis zum Patienten gefunden. Das Out-of-the-box-Denken ist demnach nicht nur ein Hobby der Grundlagenforscher, es kann auch einen echten medizinischen Nutzen mitbringen. Gleichzeitig lohnt es sich, nicht nur blind auf den „Wellen“ der Wirkstoffentwicklung mitzureiten, sondern gelegentlich einen Blick zurück zu wagen: Denn manchmal liefert eine alte Methode wie die Röntgenkristallografie dann doch einen klassischen Inhibitor gegen ein Protein, das zuvor noch undruggable war.