Screening
Wer mit wem?
Dreißig Millionen chemischer Substanzen sind beschrieben. Doch nur von den wenigsten weiß man, welche Wirkung sie auf Enzyme, andere Proteine oder ganze Zellen haben. Chemische Screenings, extrem umfangreiche und variable Reihentests, bringen systematisch Licht ins Dunkel, und die Molekül-Castings sind der Schlüssel für die Entwicklung neuer Medikamente.
- Die Screening-Technologie-Plattform PLACEBO ermöglicht es sehr effizient, Wirkstoff-Kandidaten zu testen. Bild: CeMM/Michael Sazel
Am CeMM – Forschungszentrum für Molekulare Medizin der ÖAW gibt es seit Herbst 2010 ein biotechnologisches Wunderwerk: eine höchst vielseitige Plattform für chemische Screenings. Sie enthüllt per Reihentest, wie Krebsgewebe, Bakterienzellen oder Enzyme reagieren, wenn sie mit kleinen Molekülen aus der hauseigenen Substanzbibliothek in Berührung kommen.
Geistiger Vater des technischen Wunderwuzzi ist Stefan Kubicek. Der Chemiker hat die rund 1,5 Millionen Euro teure Screening-Plattform zusammengestellt. Sie besteht aus zwölf Maschinen, die in einem CeMM-Labor auf zehn Quadratmetern Platz finden und auf unterschiedliche Weise zusammengeschaltet werden können.
So wird beispielsweise ausgelotet, welche Mini-Moleküle aus der Substanzbibliothek möglicherweise als Basis für eine neue Arznei taugen. Bis zu 40.000 dieser systematischen Untersuchungen kann die CeMM’sche Plattform mit Hilfe von zwei Roboterarmen pro Tag abwickeln; dementsprechend viele Datenpunkte werden „ausgespuckt“ und müssen richtig gewichtet werden. Ohne kluge Bioinformatiker(innen), so Kubicek, gäbe es keine Orientierung im Datendschungel.
Nach Art des Hauses
Nein, erfunden hätte er das Hochdurchsatz-Verfahren freilich nicht, meint Stefan Kubicek. In Pharmaunternehmen seien automatisierte chemische Screenings seit den 1980ern gang und gäbe. Doch die systematische Jagd auf molekulare Schalter „nach Art des Hauses CeMM“ ist dennoch etwas Besonderes, denn sie ist höchst flexibel.
„Durch die Kombination unserer Geräte können wir in einem Durchlauf völlig unterschiedliche Versuche hintereinander durchführen“, sagt Stefan Kubicek. Er beherrscht die Kunst, die Experimente für unterschiedlichste Fragestellungen – etwa aus Bereichen Immunologie, Genetik und Histologie – maßzuschneidern.
Teile der Screening-Plattform sind beispielsweise Quantitative-PCR-Maschine und Luminex-Reader, die unter anderem die Genexpression messen; ein automatisches Konfokalmikroskop gibt Auskunft über Zellteilungsprozesse und Wachstum. Weiters sind verschiedene immunologische Tests möglich. Diese Wendigkeit fehlt den ansonsten äußerst leistungsfähigen Plattformen großer Pharmafirmen.
Hemmung als Erfolg
Stefan Kubicek führt an der CeMM-Plattform etwa 40 Screenings pro Jahr durch. Viele davon sind für Kolleg(inn)en, die medizinische Fragestellungen zu Krankheiten wie Leukämie, Hirntumore oder Brustkrebs bearbeiten.
Kubicek selbst interessiert sich besonders für Diabetes – und die molekularen Schalter in der menschlichen Bauchspeicheldrüse. Der Chemiker fand per Screening heraus, wie sich so genannte Alpha-Pankreaszellen umprogrammieren lassen. Diese produzieren im Gegensatz zu ihren „Cousins“, Beta-Pankreaszellen, normalerweise kein Insulin zur Blutzuckersenkung. Doch Kubicek zeigte, wie sich auch in diesen Zellen die Insulin-Produktion einschalten lässt – mit Hilfe von Substanzen, die bestimmte DNA-modifizierende Enzyme hemmen.
Einen anderen Hemmschuh konnten Forscher(innen) um CeMM-Direktor Giulio Superti-Furga und Stefan Kubicek auch für zwei Enzyme (sogenannte Aurora-Kinasen) identifizieren, die beim Ewing-Sarkom offenbar eine entscheidende Rolle spielen. Durch Tests von 200 möglichen chemischen Enzym-Inhibitoren wurden neue Ansatzpunkte für die Behandlung dieser Knochenkrebs-Form, die meist Kinder und Jugendliche befällt, definiert. JH
Was Chemie über die Biologie verrät
Bei einem chemischen Screening am CeMM werden tausende von identischen biologischen Proben (zum Beispiel Tumor- oder Immunzellen, Enzyme, Viren, Bakterien) systematisch mit chemischen Substanzen (beispielsweise Wirkstoffe bereits zugelassener Medikamente) gemischt. Diese „Melange“ spielt sich in sogenannten Mikrotiterplatten mit hunderten Vertiefungen ab. In jedem dieser Näpfchen läuft ein separater Teil des Massenversuchs ab.
Das Zusammentreffen von Proben und chemischen Substanzen hat in den wenigsten Fällen spektakuläre Folgen; oft passiert gar nichts. Doch es kann auch zu unterschiedlichsten Reaktionen (sog. Hits) kommen – zum Beispiel die Drosselung von Wachstum, die Verformung von Zellen oder ein „Anschalten“ von Genen. Diese Effekte manifestieren sich oft durch (leicht messbare) Veränderungen in Lumineszenz, Fluoreszenz oder Polarisation.
Die automatische Hochdurchsatz-Technologie findet vor allem in der experimentellen Pharmakologie und Medizin bei der Suche nach neuen Wirkstoffen ihre Anwendung – auch wenn sich bei weitem nicht jeder verräterische „Hit“ zu einem Medikament entwickeln lässt. Grundlagenforscher(innen) nutzen chemische Screenings, um Prinzipien der Zellbiologie zu klären. JH
Kontakt:
Stefan Kubicek, PhD
CeMM – Forschungszentrum für Molekulare Medizin GmbH
Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW)
Head of Chemical Screening and Platform Austria for Chemical Biology (PLACEBO)
Lazarettgasse 14, AKH BT 25.3, A-1090 Vienna
T +43-1/40160-70 036
M +43-676/7251508
skubicek@cemm.oeaw.ac.at
http://www.cemm.oeaw.ac.at/