BMBF fördert europäisches Verbundprojekt zur biotechnologischen Herstellung von Chitosanen

Krabbenschalen liefern wertvolle Rohstoffe: sogenannte Chitosane. Diese Zuckerverbindungen können Pflanzen vor Krankheiten schützen oder helfen Menschen, die Verbrennungen erlitten haben, ihre Wunden zu heilen. Ein Haken daran: Die Wirksamkeit ist nicht immer gleich gut. In einem neuen europäischen Verbundprojekt wollen Wissenschaftler Chitosane produzieren, die zuverlässig wirken. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert die beiden deutschen Partner des Projekts »ChitoBioEngineering« im Rahmen der »Industrial Biotechnology Initiative« des Europäischen Forschungsraumes in den kommenden drei Jahren mit insgesamt fast 900.000 Euro. Initiator und Koordinator des Projekts ist Prof. Dr. Bruno Moerschbacher vom Institut für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen der Universität Münster.

Bruno Moerschbacher hat langjährige Erfahrung in der Optimierung von Chitosanen. Der Biotechnologe betont: »Mit diesem Projekt beginnen wir eine neue spannende Phase unserer Forschung. Statt das Chitosan umständlich und mit harschen chemischen Methoden aus Krabbenschalen zu extrahieren, wollen wir es in Zukunft biotechnologisch in Fermentern produzieren. Davon wird vor allem die Entwicklung von biomedizinischen Anwendungen enorm profitieren.«

Chitosane sind eine Familie von komplexen Zuckermolekülen, die eine Vielzahl von potenziell hochinteressanten biologischen Aktivitäten besitzen. So werden Pflanzen resistent gegen Krankheitserreger, wenn man sie mit Chitosan behandelt, und selbst schlimme Verbrennungswunden können unter Chitosanverbänden schnell, schmerzfrei und ohne Narbenbildung heilen. »Leider funktioniert das nicht immer zuverlässig. Ich vermute schon lange, dass dies an der strukturellen Vielfalt von Chitosanen liegt«, erklärt Bruno Moerschbacher. »Anscheinend ist ein ganz bestimmtes Chitosan für eine bestimmte biologische Aktivität verantwortlich, während andere Chitosane bei der gleichen Anwendung inaktiv sind. Wir müssen daher zunächst die Wirkweise genau verstehen, bevor wir diese Zuckermoleküle effektiv und zuverlässig einsetzen können.«

Die Projekte der Arbeitsgruppe von Professor Moerschbacher zielten in den vergangenen Jahren überwiegend darauf, eine biochemische Untersuchungsmethode für die verschiedenen Chitosane zu entwickeln. In dem neuen Projekt wollen die münsterschen Forscher jetzt beginnen, definierte Chitosane gezielt zu produzieren. Sie wollen sich dabei der gleichen Werkzeuge bedienen, die auch Organismen bei der Produktion von Chitosanen einsetzen: einem Enzym, das Chitin produziert, und einem zweiten, das Chitin zu Chitosan weiterverarbeitet. Dazu wird die münstersche Arbeitsgruppe mit universitären Partnern aus Barcelona in Spanien und Gent in Belgien kooperieren.

Die Münsteraner haben bereits eine Vielzahl geeigneter Enzyme aus verschiedenen Organismen isoliert und charakterisiert. Sie arbeiten nun mit den Projektpartnern Hand in Hand: Die Spanier sind Experten in der Optimierung der Enzyme, um ganz bestimmte Chitosane mit den gewünschten biologischen Eigenschaften zu erhalten. Die Belgier verbessern jene Bakterienstämme, in denen die Chitosane letztlich produziert werden sollen, um so eine möglichst gute Ausbeute an hoch reinen Chitosanen zu erzielen. Zwei industrielle Partner werden den Transfer der Technologie aus der Universität in die Industrie unterstützen: Eine belgische Firma in Gent ist für die Übertragung der biotechnologischen Produktion vom Labor- in den Industriemaßstab zuständig. Eine deutsche Firma in Halle, die bisher chemisch produzierte Chitosane weltweit vermarktet, will ihr etabliertes Kundennetzwerk nutzen, um den Erfolg der biotechnologisch hergestellten Chitosane in realen Anwendungen zu testen.

»Wir kommen damit einer biomedizinischen Nutzung dieses natürlichen komplexen Zuckers einen entscheidenden Schritt näher«, betont Dr. Stephan Kolkenbrock, der das münstersche Teilprojekt leiten wird. Die indische Doktorandin Shoa Naqvi, Stipendiatin des Deutschen Akademischen Austausch-Dienstes in der münsterschen Arbeitsgruppe, freut sich: »In Indien gibt es viele Menschen, die sich teure Medizin nicht leisten können. Und es gibt dort oft Kinder mit schlimmen Verbrennungen. Ich hoffe, dass unsere Forschung auch ihnen in Zukunft helfen kann.«

Weitere Informationen:
http://www.uni-muenster.de/Biologie.IBBP/agmoerschbacher/index.html AG Prof. Moerschbacher

Schnitt durch das Rückenmark einer Maus. In braun sind Mikrogliazellen zu sehen, die auf SOD 1 reagieren und IL-1ß produzieren.
MPI für Infektionsbiologie / Meißner / Molawi / Zychlinsky

Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist eine verbreitete und tödliche Erkrankung der Motoneuronen. Nervenzellen, die für die Bewegung verantwortlich sind, werden nach und nach irreversibel geschädigt. Wodurch dies ausgelöst wird, ist weitestgehend unbekannt. Offenbar sind daran sowohl erbliche als auch umweltbedingte Faktoren beteiligt. Auch Entzündungsprozesse im Gehirn lassen möglicherweise Neuronen absterben.

Wissenschaftler vom Berliner Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie haben jetzt einen Botenstoff identifiziert, der an der Krankheitsentstehung beteiligt ist. Die Blockade dieses Botenstoffes verbessert bei Mäusen mit einer ALS-ähnlichen Erkrankung die Motorik und verlängert ihre Lebenserwartung. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Verwendung dieses Blockers als Therapeutikum bei ALS-Patienten ähnlich wirken könnte. (PNAS, Online-Veröffentlichung, 28. Juni 2010)

Das Forscherteam um Arturo Zychlinsky interessiert sich vor allem für die Frage, wie Entzündungsprozesse bei Infektionskrankheiten gestartet werden. Dabei fanden die Wissenschaftler heraus, dass das Enzym Superoxid-Dismutase 1 (SOD1) Entzündungsprozesse reguliert, indem es die Aktivität eines anderen Enzyms, Caspase-1, kontrolliert. Dieses Enzym wiederum spaltet Interleukin-1ß und aktiviert es dadurch. Die Entzündung wird in Gang gesetzt.

Interessanterweise sind Mutationen im SOD1-Gen ein Auslöser für erblich bedingte ALS. Zudem weisen ALS-Patienten sowohl eine Entzündung als auch ein erhöhtes Level für aktivierte Caspase-1 auf. »Vermutlich spielt die Caspase-1 bei ALS eine ähnliche Rolle wie bei Infektionskrankheiten«, sagt Arturo Zychlinsky.

Während weiterer Tests konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass es bei ALS zu einer Anhäufung von fehlgefalteten SOD-1-Enzymen in Neuronen kommt. Die Zelle interpretiert dies als Gefahr und aktiviert daraufhin die Caspase-1, welche Interleukin-1ß spaltet und eine Entzündung auslöst (Abb. 1). Diese Entzündung zerstört nach und nach die Motoneurone. Wurden Mäuse mit mutiertem SOD1-Gen mit einem Protein behandelt, das Interleukin-1ß blockiert, verlief die Entzündungsreaktion nicht nur abgemildert. Auch die Symptome waren schwächer. Die Mäuse zeigten eine längere Lebenserwartung.

Zusammen mit der ALS-Ambulanz der Charité Universitätsmedizin Berlin arbeitet die Arbeitsgruppe am Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie nun an einer klinischen Studie, die zeigen soll, ob eine Therapie von ALS-Patienten mit einem Interleukin-1ß-Antagonist möglich ist.

Originalveröffentlichung:
Meissner F, Molawi K, Zychlinsky A.
Mutant superoxide dismutase 1-induced IL-1β accelerates ALS pathogenesis
PNAS 2010, 28. Juni 2010

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Prof. Arturo Zychlinsky
Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie, Berlin
Tel.: +49-30-28 460 300
E-Mail: zychlinsky@mpiib-berlin.mpg.de

Neue Therapie gegen Lungenentzündungen -
Charité-Forscher finden Ersatz für Antibiotika

Forscher der Charité - Universitätsmedizin Berlin haben gemeinsam mit den Kollegen der Rockefeller University in New York erfolgreich eine neue Therapie gegen Lungenentzündungen getestet. Das Team um Dr. Martin Witzenrath und Prof. Norbert Suttorp von der Medizinischen Klinik mit Schwerpunkt Infektiologie und Pneumologie berichtet in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift »Critical Care Medicine«*, dass es bei Mäusen erstmals gelungen sei, eine durch Pneumokokken hervorgerufene Lungenentzündung mit einem Enzym zu heilen.

Pneumokokken zählen zu den häufigsten Auslösern von Lungenentzündungen. Das o. g. Enzym wird von so genannten Bakteriophagen produziert. Das sind Viren, die in Bakterien eindringen, sich dort vermehren und anschließend das Bakterium zerstören, um es wieder verlassen zu können.

»Nach unseren Ergebnissen ist Cpl-1 genauso wirksam wie ein Antibiotikum, ohne dabei andere Bakterien anzugreifen. Leider wirkt es nur bei Pneumokokken, es gibt jedoch vergleichbare Enzyme gegen verschiedene Bakterien«, erklärt Witzenrath.

Ein Versuch mit Mäusen veranschaulicht die gute Wirkung des Enzyms. Die schwer an einer Lungenentzündung durch Pneumokokken infizierten Mäuse wurden in drei Gruppen eingeteilt. Die erste Gruppe bekam das klassische Antibiotikum Penicillin und überstand die Erkrankung. Der zweiten Gruppe wurde Cpl-1 verabreicht, die dritte erhielt ein Placebo. Alle mit Placebo behandelten Mäuse verstarben, ihre mit Cpl-1 behandelten Artgenossen überlebten. Es kam hier zu einer deutlichen Abnahme der Bakterienzahlen in Lunge und Blut. Die typischen Symptome der Lungenentzündung verschwanden rasch. Auch Nebenwirkungen dieses Enzyms sind bisher weder bei Mäusen noch bei menschlichen Zellkulturen aufgetreten.

Lungenentzündungen führen heute noch häufig zum Tode. »Herkömmliche Antibiotika helfen zunehmend nicht mehr, weil sie zu oft für harmlose Krankheiten verschrieben werden«, erklärt Witzenrath. »Die gefährlichen Krankheitserreger haben Zeit, sich so zu verändern, dass diese Mittel ihnen nichts mehr anhaben können.« Deshalb fahnden Forscher in aller Welt fieberhaft nach neuen Therapiestrategien. »Cpl-1 könnte sich als ein Ausweg erweisen«, hofft er. Zulassungsverfahren für erste klinische Studien laufen bereits.

*Witzenrath , Suttorp, Schmeck, Rosseau et. al.: Systemic use of the endolysin Cpl-1 rescues mice with fatal pneumococcal pneumonia. In: Critical Care Medicine, Volume 37(2), February 2009, 642-649.
Kontakt:
Dr. Martin Witzenrath
martin.witzenrath@charite.de
Klinik für Infektiologie und Pneumologie
Charité – Universitätsmedizin Berlin
Charité Campus Mitte
t.: +49 30 450 553 122

Heidelbeeren: Farbstoffe hemmen Enzym
Können Heidelbeeren heilen? Der Lebensmittelchemiker Bastian Knaup von der Universität Würzburg hat medizinisch interessante Farbstoffe aus den Beeren erforscht.

Farbstoffe aus Heidelbeeren hemmen ein Enzym, das bei Entzündungen eine Schlüsselrolle spielt. Das haben Forscher der Uni Würzburg in Laborversuchen herausgefunden. Ihre Ergebnisse sind möglicherweise für die Therapie von entzündlichen Darmerkrankungen von Bedeutung.
»Viele Menschen, die an entzündlichen Darmbeschwerden leiden, fühlen sich besser, wenn sie größere Mengen Heidelbeeren essen«, sagt Bastian Knaup. Was könnte das wirksame Element in den Beeren sein? Dieser Frage ist der Würzburger Lebensmittelchemiker in seiner Doktorarbeit nachgegangen. Dabei hatte er spezielle Farbstoffe im Blick: die so genannten Anthocyane, denen die Heidelbeeren ihre intensive Färbung verdanken.

Ergebnisse sind veröffentlicht

In der Fachzeitschrift »Molecular Nutrition & Food Research« hat Bastian Knaup die Ergebnisse jetzt gemeinsam mit Anett Oehme und mit seinen Betreuern Professor Peter Schreier und Anagnostis Valotis veröffentlicht.

Im Laborversuch hemmen die Farbstoffe aus Heidelbeeren das Enzym Lipoxygenase unterschiedlich deutlich. Dieses Enzym spielt bei Entzündungsprozessen eine wichtige Rolle. Besonders stark wird es von dem Farbstoff Delphinidin unterdrückt, der für diesen Effekt mit jeweils einem Molekül der Zucker Glucose oder Galactose verknüpft sein muss.

»Auf diesem Weg könnten die Anthocyane eine gesundheitsfördernde Wirkung entfalten«, meinen die Würzburger Lebensmittelchemiker. Das folgern sie aus ihren Laborversuchen; direkt am Menschen ist ihre Vermutung aber noch nicht bewiesen. Dennoch halten sie es für möglich, dass ihre Erkenntnisse einen vielversprechenden Ansatz für die Medizin bergen – zur Prävention und Therapie entzündlicher Darmerkrankungen wie zum Beispiel Colitis ulcerosa oder Morbus Crohn.

Farbstoffe im Darm wenig stabil

Bastian Knaup hat bei seiner Doktorarbeit auch nachgewiesen, dass die Farbstoffe der Heidelbeeren im Darm sehr unterschiedlich stabil sind – abhängig von ihrer chemischen Struktur. Gerade auch der Farbstoff, der das Enzym Lipoxygenase am stärksten hemmt, hat sich als nicht sonderlich beständig erwiesen.

Die weiteren Forschungen

Zusätzliche Studien sind also nötig. In der Würzburger Lebensmittelchemie untersuchen nun weitere Doktoranden, wie sich die interessanten Stoffe aus Heidelbeeren stabiler machen lassen. Die hemmende Wirkung auf das Enzym Lipoxygenase dürfen die Stoffe dadurch natürlich nicht verlieren.

Diese Arbeiten gehören zu einem größeren Projekt, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung finanziell gefördert wird. Mehrere Universitäten und Industriepartner untersuchen dabei den Einfluss pflanzlicher Inhaltsstoffe auf den Menschen.

Historisches über Heidelbeeren

Schon die alten Griechen und Römer verwendeten Heidelbeeren – unter anderem als Heilmittel gegen Darmerkrankungen. Im Mittelalter entdeckte Hildegard von Bingen den Wert der blauen Waldfrüchte als Heilpflanze wieder.

Bis heute ist es wissenschaftlich nicht belegt, ob die Früchte tatsächlich das Potenzial haben, um erfolgreich gegen Krankheiten eingesetzt zu werden. Extrakte aus Heidelbeeren sind vor allem in den USA auf dem Markt. Verkauft werden sie dort als Nahrungsergänzungsmittel.

»Anthocyanins as lipoxygenase inhibitors (p NA)2, Bastian Knaup, Anett Oehme, Anagnostis Valotis, Peter Schreier, Molecular Nutrition & Food Research, online publiziert am 15. Dezember 2008, DOI: 10.1002/mnfr.200800234

Weitere Informationen: Dr. Anagnostis Valotis, T (0931) 888-5482, valotis@pharmazie.uni-wuerzburg.de

Prof. Dr. Peter Schreier, T (0931) 888-5480, schreier@pzlc.uni-wuerzburg.de