Zellen höherer Lebewesen tragen durchweg lange, meist baumartig verzweigte Ketten aus Zuckermolekülen auf ihrer Außenmembran. Diese sogenannten Oligosaccharide sind an Proteinen oder Lipiden in der Membran verankert und ragen wie Antennen daraus hervor. Mit ihrer komplexen räumlichen Gestalt bergen sie eine spezifische Strukturinformation. In gewisser Weise gleichen sie einem Schloß, das von einem dazu passenden Schlüssel entriegelt werden kann. Als solche Schlüssel dienen spezielle Proteine, sogenannte Lektine, die gleichfalls auf den Oberflächen von Zellen sitzen und jeweils bestimmte Oligosaccharide spezifisch erkennen. Haben sie "ihre" Zuckergruppe gefunden, lagern sie sich daran an und bilden mit ihr einen Komplex, der dann einen bestimmten biologischen Vorgang auslösen oder vermitteln kann. Auf diese Weise spielen Kohlenhydrate eine wichtige Rolle im Zellgeschehen.

Wenn beispielsweise Bakterien ein Gewebe befallen haben, erscheinen auf bestimmten weißen Blutkörperchen (Leukocyten), die als "Schutzpolizei" des Immunsystems im Blut patroullieren, spezielle Lektine, die als Selektine bezeichnet werden. Sie erkennen Oligosaccharide auf der Oberfläche von Epithelzellen, welche die Innenwand von Blutgefäßen auskleiden. Die resultierende Wechselwirkung läßt sie langsamer im Blutkreislauf zirkulieren. Dies ist der einleitende Schritt einer Kaskade von Vorgängen, in deren Verlauf sich die weißen Blutkörperchen an das Epithel anlagern und schließlich durch die Gefäßwand schlüpfen, um in das infizierte Gewebe zu gelangen.

Allerdings werden Wechselwirkungen zwischen Kohlenhydraten und Lektinen auch von Krankheitserregern für ihre Zwecke mißbraucht. Bevor Mikroben in eine Zelle eindringen können, müssen sie sich an deren Oberfläche heften. Dafür nutzen Viren und Bakterien vielfach eige-ne Lektine; diese erkennen bestimmte Kohlenhydratabschnitte auf der Außenmembran der Zellen, die den Erregern als Wirte dienen.

Köder für Zellpiraten

Daraus ergibt sich aber auch eine aussichtsreiche Abwehrstrategie gegen die Invasoren. Man könnte sie mit Kohlenhydrat-Attrappen, die den Oligosaccharid-Antennen auf der Oberfläche ihrer Wirtszellen täuschend ähneln, in die Irre führen: Die Lektine der Mikroben würden die Köder für normale Andockstellen halten und sie binden; damit wären sie besetzt und könnten die Oligosaccharide auf den eigentlichen Wirtszellen nicht mehr packen.

Die Synthese solcher Glycomimetica (wörtlich: Zuckernachahmer) ist allerdings nicht einfach. Die Kohlenhydrat-Antennen und die Lektine sind jeweils sehr komplexe Gebilde, deren genaue Struktur sich auch mit modernsten Untersuchungsmethoden nicht ohne weiteres aufklären läßt. Außerdem ist die Wechselwirkung zwischen einem einzelnen Oligosaccharid-Abschnitt und dem ihn erkennenden Lektin-Bereich derart schwach, daß sie allein für ein festes Aneinanderhaften nicht ausreicht. Dafür bedarf es in der Regel mehrerer Kontakte zwischen diversen Kohlenhydratbindungsstellen auf einem Lektin (oder mehreren) und verschiedenen Kohlenhydratsegmenten in einem Oligosaccharid (oder mehreren).

Diese Multivalenz hat sich in jüngster Zeit als fundamentales Prinzip der Wechselwirkungen zwischen Kohlenhydraten und Proteinen herausgestellt. Wer potente Glycomimetica entwerfen will, muß dem Rechnung tragen und die Zucker-Attrappen als multivalente Strukturen anlegen, welche diejenigen Kohlenhy-drat-Abschnitte, die wichtige Erkennungsmerkmale bilden, gleich mehrfach präsentieren.

Daß diese Strategie wirklich greift, haben meine Mitarbeiter und ich am Institut für Organische Chemie der Universität Hamburg vor kurzem nachgewiesen: Es gelang uns, einfache Prototypen multivalenter Glycomimetica herzustellen und zu zeigen, daß sie bestimmte Bakterien besser daran hindern, sich an ihren Zielzellen festzuhalten, als Kohlenhydrate mit nur einer Bindungsstelle.

Bakterien tragen zuckererkennende Lektine auf externen Proteinanhängseln, die Pili oder Fimbrien genannt werden. Für unsere Versuche verwendeten wir Varianten des Darmbewohners Escherichia coli, die ausschließlich sogenannte Typ-1-Fimbrien ausbilden, weil das Gen dafür auf einen fimbrienlosen Laborstamm von E. coli übertragen worden war. Wie schon länger bekannt ist, bindet das Lektin der Typ-1-Fimbrien spezifisch, aber nur relativ schwach den Zucker Mannose (oder das eng verwandte Methylmannosid).

In Anlehnung an die natürlichen Vorbildstrukturen mit vielen Antennen schufen wir multivalente Glycomimetica, welche mehrere solche Mannose-Einheiten tragen. Für die ersten Versuche beschränkten wir uns dabei auf stark vereinfachte, leicht herstellbare Formen. Wir gaben ihnen ein relativ simples Innengerüst aus sogenannten Dendrimeren. Das sind baumartig verzweigte Kunststoffe mit Schalenstruktur, wobei die Anzahl der Äste mit jeder Schale um einen festen Faktor zunimmt. Dieses Gerüst bestückten wir dann mit den Mannose-Einheiten.

Für unsere Zwecke wählten wir sogenannte Polyamidoamin-Dendrimere. Ihre Synthese erfordert lediglich zwei Schritte pro neuer Schale. Dabei verdoppelt sich jeweils die Anzahl der randständigen Aminogruppen, an die man mit einem Synthesetrick besonders leicht Man-nosereste anfügen kann. Mit derartigen Glycodendrimeren lassen sich die Klippen der notorisch schwierigen Kohlenhydratchemie elegant umschiffen. Man erhält Zugang zu einer großen Palette von Kohlenhydratstrukturen, ohne daß für jeden Einzelfall die Synthese gesondert optimimiert werden muß.

Um die Hemmwirkung dieser neuartigen Stoffe auf die Anheftung von Bakterien zu prüfen, bedienten wir uns klassischer Methoden aus der Immunologie. Als Testobjekte verwendeten wir rote Blutkörperchen von Meerschweinchen, deren Oberfläche reich an Mannose-Einheiten ist. Wenn wir sie mit unseren E. coli-Varianten mit Typ-1-Fimbrien versetzten, verklumpten sie sofort, weil sich die Bakterienlektine an die Mannose heften. Hatten wir die Bakterien jedoch zuvor mit ausreichenden Mengen unseres Glycodendrimers versetzt, fand keine Agglutination mehr statt, weil die meisten Kohlenhydrat-Bindungsstellen auf den bakteriellen Fimbrien blockiert waren.

Die Zugabe freier Mannose-Moleküle hatte zwar denselben Effekt. Doch war dazu die 120fache Menge nötig. Auch wenn man die Zahl der im Glycodendrimer enthaltenen Mannose-Einheiten (im Mittel sechs) berücksichtigt, ist die Hemmwirkung unseres Dendrimers noch 20mal so stark wie die von Mannose. Damit ist klar bewiesen, daß multivalente Glycomimetica den monovalenten prinzipiell überlegen sind.

Das positive Ergebnis dieses ersten Versuchs war um so ermutigender, als er gleichsam einen Blindschuß darstellte. Schließlich war unser Mimeticum nicht speziell auf die dreidimensionale Struktur der Zuckerbindungstasche im fimbrialen Lektin zugeschnitten. Allerdings ist darüber, wie diese Domäne genau aussieht, bis jetzt auch nur wenig bekannt. Nach einem groben Modell, das Itzhak Ofek von der Universität Tel Aviv (Israel) und Nathan Sharon vom Weizmann-Institut in Rehovot vorgeschlagen haben, könnte sie die Größe von drei Zuckereinheiten haben und zusätzlich einen stark wasserabweisenden (hydrophoben) Bereich enthalten.

Verbesserung der Paßform

Aufgrund dieser wenigen Informationen entwarfen und synthetisierten wir zusätzlich zu den Glycodendrimeren eine Reihe von Trisaccharid-Mimetica – in der Hoffnung, daß sie strukturell besser zu der bakteriellen Lektindomäne passen. Interessanterweise erwies sich gerade die Variante mit einer weitgehend verfremdeten Struktur als bisher potentester Hemmstoff für die Anheftung von E. coli mit Typ-1-Fimbrien an Erythrocyten von Meerschweinchen. Es wirkte in unseren immunologischen Tests rund tausendmal stärker als reine Mannose.

Als nächstes gilt es nun, derartige Verbindungen auch im lebenden Organismus zu erproben. Als ersten Schritt in diese Richtung ermittelten wir, inwieweit das erwähnte Trisaccharid die Haftfähigkeit von Typ-1-Fimbrien gegenüber lebenden menschlichen Granulocyten (einer Untergruppe der weißen Blutkörperchen) verringert, welche in einer Blutplasma-Lösung an ihnen vorbeiströmen. Auch unter diesen Bedingungen ist das Glycomimeticum, wie sich zeigte, rund tausendmal wirksamer als Mannose.

Auf der Basis dieser ersten Erfolge sind wir jetzt dabei, noch leistungsfähigere Glycomimetica zu entwickeln, in denen mehrere Trisaccharide zu einem multivalenten Verbund kombiniert sind. Ihre Hemmwirkung sollte sich dadurch potenzieren.

Was versprechen Glycomimetica, wenn sie dereinst die klinische Einsatzreife erlangt haben, für die Medizin? Obwohl sie generell gegen bakterielle Infektionen wirken sollten, dürften sie sich besonders für solche Erkrankungen eignen, bei denen sich die Mikroben auf Gewebeoberflächen festsetzen. Das gilt zum Beispiel für Blasenentzündungen oder die bakterielle Kolonisation der Haut. Aber auch in der täglichen Mundhygiene könnten die Zucker-Attrappen einen wichtigen Platz finden – indem sie Karies-Bakterien daran hindern, die Zähne zu besiedeln.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 3 / 2000, Seite 16
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