Iminozucker als antibakterielle Wirkstoffe? Kohlenhydratanaloga des Antituberkulose-Wirkstoffs Ethambutol als potentielle Inhibitoren von Enzymen, die die bakterielle Zellwand metabolisieren

Seit dem Versiegen intensiver Forschung an antibakteriellen Wirkstoffen Mitte der Achtziger Jahre haben bakterielle Infektionserkrankungen dramatisch zugenommen. Zum Beispiel töten neue, multi-resistente Tuberkuloseerreger etwa drei Millionen Menschen pro Jahr. Ihr Schaden an Nutzvieh kann nur geschätzt werden. Mycobakterien, die Erreger von Tuberkulose, Lepra und anderen schweren Erkrankungen, zeichnen sich durch eine sehr komplex strukturierte Zellwand aus, die sie vor Einflüssen von außen, wie Medikamenten vorzüglich schützt. Zwei der Bestandteile dieser Zellwand sind einzigartige Polysaccharide, ein Arabinogalactan (AG) und ein Lipoarabinomannan (LAM). Ethambutol, ein Wirkstoff, der schon lange in der Tuberkulose-Therapie bekannt ist, wurde kürzlich als potenter Inhibitor der Biosynthese dieser Polysaccharide identifiziert. Die von ihm ausgelösten biologischen Effekte lassen darauf schließen, das diese Substanz als zuckeranaloger Enzymhemmer betrachtet werden kann. Folgt man dieser ganz jungen Hypothese, kann man davon ausgehen, daß auch Zuckerderivate, die stereochemisch mit D-Arabinofuranose bzw. D-Galactofuranose verwandt sind, ähnliche Eigenschaften besitzen dürften. Im ersten Abschnitt des gegenständlichen Projektes wird eine Reihe von neuen Derivaten von Ethambutol synthetisiert, um Eckdaten für Struktur-Aktivitätsbeziehungen zu gewinnen. In der Folge werden verschiedene Iminozucker, die strukturell dem D-Arabinofuranosylmotiv entsprechen, dargestellt und auf ihre Eignung als Inhibitoren der LAM-Biosynthese untersucht. Parallel dazu werden D-Galactofuranose-Mimetika synthetisiert, die als potentielle Hemmer der AG-Biosynthese untersucht werden. Auf Basis von Vorversuchen im Rahmen von Projekt P10805-CHE dient ein weiterer Bereich der projektierten Arbeiten der Evaluierung von Iminoalditen als potentiellen Inhibitoren von Soluble Lytic Transglycosylase (SLT), einem wichtigen Enzym der bakteriellen Zellwandsynthese. Das biologische Screening wird von namhaften Experten mit einschlägiger Erfahrung in Kanada, Australien und Neuseeland durchgeführt werden.

Hauptziel des Projektes war der Versuch, neuartige antibakterielle Wirkstoffe zu finden, die hochselektiv in Stoffwechselschritte eingreifen, die nur in Bakterien stattfinden. Solcherart könnten toxische Nebenwirkungen minimiert werden, was vor allem bei Langzeittherapien eminent wichtig ist. Als Ziel waren Mycobakterien gewählt worden, die für Krankheiten wie Tuberkulose (3-4 Mill. Todesfälle pro Jahr), Lepra, aber auch verschiedene Tierseuchen verantwortlich sind. Schwerpunkt der Arbeiten war die Suche nach Wirkstoffen gegen Mycobacterium tuberculosis, den Erreger der Tuberkulose. Auf der Basis von mehrjährigen Vorarbeiten im Bereich der Iminozucker, einer Familie von Naturstoffen und entsprechenden künstlichen Derivaten, die anstelle des Sauerstoffs ein Stickstoffatom im Zuckerring besitzen, haben wir versucht, Hemmer eines Enzyms herzustellen, das für einen lebenswichtigen Schritt der Zellwandsynthese der Tuberkuloseerreger verantwortlich ist. Ziel parallel verlaufender Forschung war die Derivatisierung des wichtigen Antituberkulose-Medikaments Ethambutol, der knapp vor Beginn des Projektes als Inhibitor des betreffenden Enzyms identifiziert worden war. Mit Hilfe internationaler Kooperationen, vor allem dem Department of Chemistry der University of British Columbia, Vancouver, sowie AgResearch, einer Forschungseinrichtung in Neuseeland (vergleichbar mit Seibersdorf oder Joanneum Research in Österreich) gelang eine zielführende Charakterisierung und Testung der biologischen Eigenschaften der hergestellten Produkte wobei sich zeigte, daß Ethambutolanaloga keine geeigneten Leitstrukturen für Mittel gegen Tuberkulose darstellen, weil selbst minimale Veränderungen an der Ethambutolstruktur zu schwächerer Aktivität gegen Tuberkulose-Erreger führen. Trotz der nicht überzeugenden Anti-Tuberkuloseaktivität der zahlreichen Testsubstanzen fanden sich unter den Produkten in anderem Zusammenhang einige ausgezeichnete Hemmer des Kohlenhydratstoffwechsels. Ein besonders nützlicher Effekt ergab sich, als die Seitenketten am Grundgerüst mit fluoreszierenden Substituenten ausgerüstet wurden. Die so erhaltenen neuartigen Enzymhemmer binden besonders stark an das aktive Zentrum des jeweiligen Enzyms, das nun eine leuchtende Markierung trägt und dessen Anwesenheit/Abwesenheit/Schicksal im Verlauf von Isolierungsprozeduren und für diagnostische Zwecke ausgenützt werden kann. Besonders in Hinblick auf die Analyseverfahren des Proteomics Forschung sind derartige Verbindungen überaus wertvolle Diagnostika. Die Bedeutung von neuartigen antibakteriellen Wirkstoffen für die Gegenwart und Zukunft wurde und wird zunehmend anerkannt und betont, wie auch im eben anlaufenden 6. EU-Rahmenprogramm. Die Verfügbarkeit neuartiger und hochspezifischer Diagnostika, die auf nicht-radioaktiver Technologie basieren und High-Throughput-tauglich sind, macht die fluoreszierenden Inhibitoren zu interessanten Kandidaten für neue biochemisch-analytische Fragestellungen.