Warum Wissenschaftler den Ozean nach neuen Medikamenten durchsuchen
Während medizinische Forscher ihre Bemühungen zur Verbesserung der menschlichen Gesundheit fortsetzen, richten einige ihre Aufmerksamkeit auf den Ozean, weil sie glauben, dass die Meere der Erde eine neuartige Chemie zur Bekämpfung von Krankheiten beherbergen könnten.
Die Ozeane bedecken mehr als zwei Drittel der Erde. Wie das Sprichwort sagt, wissen wir mehr über die Oberfläche des Mondes als über den Grund des Ozeans.
Die Fähigkeit des Meeres, von dunkler, explosiver Wut zu heiterer, kristallklarer Ruhe überzugehen, hat die Menschheit erschreckt und verführt, seit wir den Strand zum ersten Mal besucht haben.
Angesichts der riesigen, unerschlossenen Natur der Ozeane der Erde ist es sinnvoll, ihre Tiefen auf der Suche nach neuen und innovativen Behandlungen auszuloten.
Meerestiere, Pflanzen und Mikroben haben ein einzigartiges Portfolio an Chemikalien entwickelt, um sich zu verteidigen und die Kommunikation zu unterstützen. Wissenschaftler möchten gerne mehr über diese neuartigen Verbindungen erfahren.
Warum aufs Meer schauen?
Es gibt eine Reihe von Gründen, warum das Leben im Meer eine bestimmte Auswahl von Molekülen entwickelt hat. Zum Beispiel müssen Tiere, die am Boden verankert sind und keine Panzerung haben, wie Schwämme und Korallen, andere Wege finden, um sich zu verteidigen. In vielen Fällen sind Chemikalien die Waffe ihrer Wahl.
Darüber hinaus neigen Meerestiere dazu, ein relativ primitives Immunsystem zu haben, und einige leben in überfüllten Lebensräumen wie Korallenriffen, in denen die Verteidigung eine Vollzeitbeschäftigung ist.
Gleichzeitig müssen Organismen im Ozean einige Organismen anziehen und andere abwehren. Sie müssen auch die Fortpflanzung koordinieren, indem sie die Freisetzung von Eiern und Spermien in die Umwelt synchronisieren. All diese Dinge erfordern aktive biologische Moleküle.
Tiere und Pflanzen, die im Meer leben, sitzen und schwimmen in einem Bad aus Bakterien, Pilzen und anderen Organismen, die sie in eine Mahlzeit oder ein Zuhause verwandeln wollen.
Diese Vielfalt von Bedrohungen hat die Evolution gezwungen, immer komplexere chemische Schlachten zu führen. Einige der resultierenden Verbindungen könnten für unseren eigenen Krieg gegen Krankheiten nützlich sein.
„Betrachten Sie […] den universellen Kannibalismus des Meeres; Alle, deren Kreaturen einander nachjagen und seit Beginn der Welt einen ewigen Krieg führen. “
Herman Melville, Moby Dick
Alte Meere
Die Faszination der medizinischen Forscher für das Meer ist nichts Neues. Der erste Beweis dafür, dass Menschen Medikamente aus dem Ozean verwenden, stammt aus China im Jahr 2953 v. Während der Regierungszeit des Kaisers Fu Hsi gab es eine Steuer auf die Gewinne, die aus der Fischmedizin stammten.
Ein organischer Chemiker namens Werner Bergmann, der einige tausend Jahre bis in die 1950er Jahre vorwärts sprang, isolierte eine Reihe von Nukleosiden aus einer karibischen Schwammart namens Cryptotethya crypta.
Diese Chemikalien inspirierten die Entwicklung einer neuen Generation von Arzneimitteln, wobei Wissenschaftler aus diesen Nukleosiden zwei Arzneimittel namens Ara-A und Ara-C ableiteten. Ärzte verwenden Ara-A zur Behandlung von Herpesinfektionen und Ara-C zur Behandlung von akuter myeloischer Leukämie und Non-Hodgkin-Lymphom.
In den letzten Jahren hat die Beschaffung von Medikamenten aus dem Meer ein wiederbelebtes Interesse erfahren. Im Folgenden finden Sie einige aktuelle Beispiele.
Meeresschneckengifte
Conus magus ist eine giftige Meeresschnecke, deren winzige Größe und dekorative Schale ihrer tödlichen Reihe von Neurotoxinen glauben.
Die chemische Waffe dieses wirbellosen Tieres sind Conotoxine - eine sehr variable Familie von Giften, die, obwohl die Schnecke sie zum Töten von Fischen verwendet, mehr als in der Lage sind, einen Menschen zu töten.
Es gibt Hunderte anderer Arten von Kegelschnecken, einschließlich des geografischen Kegels. Die Leute bezeichnen diese Molluske manchmal als Zigarettenschnecke, weil Sie nach einer Vergiftung nur noch genügend Zeit haben, eine Zigarette zu rauchen, bevor Sie sterben.
Ziconotid ist eine synthetische Version von Conotoxin, die als Schmerzmittel wirkt und 1000-mal wirksamer als Morphin ist. Menschen können es nehmen, um chronische Schmerzen zu behandeln, die aus Erkrankungen wie Krebs, HIV im Stadium 3 und bestimmten neurologischen Störungen resultieren.
Wie ein Autor schreibt, führt eine längere Verabreichung von Ziconotid nicht zur Entwicklung von Sucht oder Toleranz.
Da Ziconotid jedoch nur wirkt, wenn es von medizinischem Fachpersonal direkt (intrathekal) in die Rückenmarksflüssigkeit abgegeben wird, wird es nur verwendet, wenn andere Therapien fehlgeschlagen sind oder nicht durchführbar sind.
Krebsbehandlungen unter den Wellen
Trotz jahrelanger Forschung erweist sich Krebs immer noch als eine harte Nuss, die es zu knacken gilt. Obwohl sich die Behandlung erheblich verbessert hat, sind Wissenschaftler daran interessiert, neue bioaktive Chemikalien in die Hände zu bekommen, die im Kampf helfen könnten. Einige Krebsforscher tauchen ihre Zehen in den Ozean.
Zuletzt untersuchte eine Gruppe von Forschern Moleküle, die sie aus Neunaugen gewonnen hatten - einem kieferlosen, parasitären Fisch mit einem alten Stammbaum. Insbesondere interessierten sie sich für sogenannte variable Lymphozytenrezeptoren (VLRs).
VLRs zielen auf die extrazelluläre Matrix (ECM) ab, bei der es sich um ein Netzwerk von Molekülen handelt, das zwischen Zellen verläuft. Das ECM übt verschiedene Aufgaben im Körper aus. Zum Beispiel bietet es strukturelle Unterstützung für Gewebe, hilft Zellen und Geweben, sich zu verbinden, und unterstützt die Kommunikation von Zelle zu Zelle.
Da VLRs auf die ECM abzielen, glauben die Forscher, dass sie als Arzneimittel-Maultiere dienen könnten, die Chemikalien durch die normalerweise undurchdringliche Blut-Hirn-Schranke und direkt zum Gehirn transportieren können.
Sie theoretisieren, dass VLRs, wenn sie die Blut-Hirn-Schranke umgehen können - ein Hindernis für die meisten Medikamente -, bestimmte Erkrankungen, einschließlich Hirntumor und Schlaganfall, möglicherweise effektiver behandeln können. Ihre Vorarbeiten an einem Mausmodell führten zu ermutigenden Ergebnissen.
Das Wunder der Schwämme
Schwämme sind für Krebsmedikamentforscher von besonderem Interesse. Tatsächlich bezeichnen die Autoren einer Rezension zu diesem Thema sie sogar als „Drogenschatzkammer“. Sie schreiben:
„Jedes Jahr wurden rund 5.300 verschiedene Naturstoffe und neue Verbindungen aus Meeresschwämmen isoliert. […] Solche Verbindungen haben nachweislich eine antibakterielle, antivirale, antimykotische, Antimalaria-, Antitumor-, immunsuppressive und kardiovaskuläre Aktivität. “
Der Schwamm Halichondria okadai ist verantwortlich für die Herstellung einer bemerkenswerten Chemikalie, die Forscher repliziert und in Eribulin umbenannt haben.
In einer Studie von 2010 mit metastasierten Frauen mit Brustkrebs verlängerte die Verbindung die Lebensdauer der Teilnehmer. Zu dieser Zeit bemerkte der Autor Prof. Christopher Twelves, dass „diese Ergebnisse hoffentlich Eribulin als neue, wirksame Behandlung für Frauen mit metastasiertem Brustkrebs im Spätstadium etablieren können“.
Meeresbakterien
Andere Wissenschaftler haben eine Verbindung namens Serinichinon aus untersucht Serinicoccus, eine seltene Gattung von Meeresbakterien. Wissenschaftler haben gezeigt, dass diese Chemikalie Melanomkrebszellen im Labor selektiv zerstören kann.
Obwohl Serinichinon noch weit davon entfernt ist, für den Menschen einsatzbereit zu sein, bringt uns eine Studie vom Februar 2019 einen Schritt näher. Die Wissenschaftler identifizierten die Abschnitte des Moleküls, die seine krebsbekämpfenden Kräfte bereitstellen.
Obwohl viel mehr Chemieingenieurwesen und umfangreiche klinische Studien erforderlich sein werden, glauben die Autoren, dass "diese Studien insgesamt darauf hindeuten, dass es möglich ist, Melanom-spezifische Serinichinonderivate mit arzneimittelähnlichen Eigenschaften zu entwickeln".
Ein Medikament, das bereits in klinischen Studien eingesetzt und allgemein angewendet wurde, ist Trabectedin, das unter dem Markennamen Yondelis bekannt ist. Hersteller leiten dieses Medikament aus einem Extrakt von Ecteinascidia, allgemein als Seespritzer bezeichnet, ist ein sackartiges wirbelloses Meerestier.
Die Forscher identifizierten erstmals Ende der 1960er Jahre die Antikrebseigenschaften von Seespritzerextrakt. Nach umfangreichen Untersuchungen haben die Forscher nun einen Weg gefunden, ihn zu synthetisieren und in größeren Mengen herzustellen.
Yondelis war das Produkt dieser Arbeit und hat jetzt die Zulassung zur Behandlung von Weichteilsarkomen in Russland, Europa und Südkorea. Wissenschaftler testen es auch zur Anwendung gegen andere Krebsarten, einschließlich Prostata- und Brustkrebs.
Antibiotika Resistenz
Die Bedrohung durch Antibiotikaresistenzen lässt die Köpfe der medizinischen Forscher selten im Vordergrund. Eine wachsende Anzahl von Krankheitserregern wird für moderne Antibiotika undurchlässig. Diese mangelnde Anfälligkeit macht sie viel schwieriger zu behandeln und daher wesentlich gefährlicher.
Laut den Zentren für die Kontrolle und Prävention von Krankheiten (CDC) ist Antibiotikaresistenz „eine der größten Herausforderungen für die öffentliche Gesundheit unserer Zeit“.
Es wird nach neuen Verbindungen gesucht, die die wachsenden Lücken füllen können, die unwirksame Antibiotika hinterlassen haben.
Einige Menschen auf dieser Mission haben sich dem Meer zugewandt, und eine Gruppe hat sich auf Fischschleim konzentriert - die gloopy Beschichtung, die einige Arten bedeckt.
Dieser Schleim arbeitet hart daran, Krankheitserreger in der Meeresumwelt zu zerstören. Einige Wissenschaftler fragen sich daher, ob er auch dazu beitragen könnte, terrestrische Krankheitserreger abzuwehren.
Forschern der California State University in Fullerton und der Oregon State University in Corvallis gelang es, 47 verschiedene Bakterienstämme aus dem Schleim zu isolieren. Sie züchteten diese Bakterien und reduzierten sie zu einem chemischen Extrakt.
Als nächstes testeten sie diesen Extrakt gegen andere Krankheitserreger und stellten fest, dass fünf der Bakterienstämme gegen Methicillin-resistent hochwirksam waren Staphylococcus aureus (MRSA), während drei gegen wirksam waren Candida albicans.
Sie präsentierten ihre vorläufigen Ergebnisse auf dem National Meeting & Exposition der American Chemical Society im Frühjahr 2019.
Eine weitere Studie, die in vorgestellt wurde Grenzen in der Mikrobiologie, untersucht Laminaria ochroleuca, eine Algenart, die zufällig eine reiche Quelle für Actinobakterien ist.
Actinobakterien sind für medizinische Forscher besonders interessant. Wie die Autoren der Studie erklären, umfassen „Bioaktivitäten, die von aktinobakteriellen [Naturstoffen] berichtet werden, antibakterielle, antimykotische, Antitumor-, Antikrebs-, entzündungshemmende, antivirale, zytotoxische und immunsuppressive Aktivitäten.“
Einige der aktinobakteriellen Extrakte waren gegen wirksam C. albicans und S. aureus. Interessanterweise, so die leitende Autorin Dr. Maria de Fátima Carvalho, „hemmten sieben der Extrakte das Wachstum von Brust- und insbesondere Nervenzellkrebs, hatten jedoch keinen Einfluss auf Nichtkrebszellen.“
Antimykotische Resistenz
Neben der Frage der Antibiotikaresistenz gibt es das parallele Problem der Antimykotika-Resistenz: Medikamente, die Pilze abtöten, verlieren auch ihre Zähne. Einige hoffen, dass Meeresschwämme helfen können.
Zum Beispiel zeigten Untersuchungen, dass chemische Extrakte aus dem Jaspis Schwammarten waren gegen wirksam C. albicans in einem Mausmodell.
In ähnlicher Weise ergab eine Studie, dass die Eurysterole A und B zwei Chemikalien aus einem Schwamm der Gattung sind Euryspongia, “Zeigte eine antimykotische Aktivität gegen Amphotericin B-resistente und Wildtyp-Stämme von [C. albicans]. ” Sie töteten auch menschliche Kolonkarzinomzellen im Labor.
Wissenschaftler entdecken jedes Jahr etwa 1.000 neue Verbindungen in den Ozeanen. Wie ein Autor erklärt, sind sie „häufig durch strukturelle Neuheit, Komplexität und Vielfalt gekennzeichnet“.
Es gibt jedoch immer noch sehr wenige aus dem Meer stammende Verbindungen, die bei der Behandlung von Krankheiten eine Rolle spielen. Warum verwenden wir nicht mehr dieser neuartigen Chemikalien?
Die Lücke zwischen Chemie und Klinik
Erstens gibt es wie bei jedem experimentellen Medikament einen großen Sprung zwischen einer Kulturschale in einem Labor und einem Patienten. In einem Lebewesen reagieren Drogen nicht immer so, wie es Wissenschaftler erwarten.
Zweitens haben viele Medikamente toxische Nebenwirkungen, die sie unbrauchbar machen. Keines dieser Probleme ist eine Sackgasse, da Pharmakologen und Chemiker Moleküle optimieren oder ähnliche Chemikalien entwickeln können, aber dies ist alles zeitaufwändig.
Ein weiteres bedeutendes Problem ist die Erzeugung ausreichender Mengen von Chemikalien aus dem Meer. Viele der Arten können entweder die Gefangenschaft nicht überleben oder benötigen hochspezifische, schwer zu pflegende Umgebungen. Dies bedeutet wiederum, dass Wissenschaftler Wege finden müssen, um die interessierenden Moleküle zu replizieren, was ein langer und komplizierter Weg ist.
Zu diesen Themen schreiben die Autoren einer Rezension, dass "die Kraft der organischen Synthese und der medizinischen Chemie zum Tragen kommen muss". Dies sind technische, teure Reifen, durch die man springen kann.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass viele der potenziellen Wege lang und kurvenreich sind, obwohl es in den Meeren des Planeten vielversprechend zu sein scheint, und dass es keine schnellen Gewinne geben wird.
Während die Menschen einen zunehmenden Druck auf die Meeresökosysteme ausüben, erreichen die Sorgen um die Gesundheit unserer Ozeane Fieber. Es kann durchaus sein, dass potenzielle Medikamente der Zukunft verschwinden, bevor Wissenschaftler die Chance haben, sie zu ernten.
