Natural products as a source of new antibiotics and anticancer drugs perspectives

Seminar Biotechnologie von Theresa Wingert06.11.2013

Betreuerin: Angela Kling

Gliederung

• Warum Naturstoffe?• Definition Antibiotika

Targets und Resistenzmechanismen

• Quellen für Medikamente• Antisense differential sensitivity screening• Definition Antitumor Wirkstoffe

Wirkstoffe aus Pflanzen Wirkstoffe aus marinen Organismen

• Zusammenfassung• Literatur

Warum Naturstoffe?

• Pflanzen, Mikroorganismen und marine Organismen bieten hohe Diversität der Substanzen

• Diese haben eine Vielzahl an Targets (prokaryotische und eukaryotische)

• Nur 10 % der natürlichen Biodiversität sind ausgeschöpft• Zwischen 2005 und 2007 wurden 5 neue Leitstrukturen von

Naturstoffen entdeckt

60 – 80 % der Antibiotika und Antitumor Medikamente sind Naturstoffe oder ihre Derivate

Definition Antibiotika

„Arzneimittel, die gegen Bakterien und andere Mikroorganismen, nicht aber gegen Viren wirksam sind, indem sie sie entweder abtöten (bakterizide Antibiotika) oder in ihrem Wachstum hemmen (bakteriostatische Antibiotika).“Gesundheitsberichterstattung des Bundes 27.10.2013

Antibiotika sind niedermolekulare Sekundärmetabolite von Mikroorganismen auch chemisch oder biosynthetisch hergestellte Derivate und antibiotisch wirksame Naturstoffe aus Pflanzen und Tieren

Gerard D Wright (2010), Q&A: Antibiotic resistance: where does it come from and what can we do about it?, Wright BMC Biology. 8:123

Quellen für Medikamente

Antisense differential sensitivity screening

• Ganzzell – Assay mit S. aureus zur Identifizierung von Breitspektrum - Antibiotika

• Hypersensitive Mutante produziert Antisense RNA zum Enzym FabF

• Dadurch wird mRNA von FabF abgebaut und der Organismus wird sensitiver auf Inhibitoren des Enzyms FabF

• Dabei wurde die Fettsäuresynthese als neues Target für Antibiotika entdeckt und die Antibiotika Platensimycin (2006) und Platencin (2007)

Jesse W.-H. Li, et al. (2009). Drug Discovery and Natural Products: End of an Era or an Endless Frontier? Science 325, 161

Schematic reresentation of how the induction of antisense RNA leads to differential growth sensitivities between target-depleted cells and control cells without antisense induction.

Screening of natural product extracts with a two-plate assay.

Sheo B Singh*, John W Phillips & Jun Wang (2007). Highly sensitive target-based whole-cell antibacterial discovery strategy by antisense RNA silencing. Current Opinion in Drug Discovery & Development 10(2):160-166

Definition Antitumor Wirkstoffe

• sie haben zytostatische, antineoplastische Wirkung• Antitumor Wirkstoffe sind ebenfalls niedermolekulare

Sekundärmetabolite z.B. Alkaloide, Tannine, Terpene, Taxane u.v.m. aus Pflanzen oder z.B. Polyketide aus marinen Organismen

• Seit einigen Jahren sind Proteinkinasen Targets für Antitumor Wirkstoffe (z.B. Erlotinib)

Wirkstoffe aus Pflanzen

Paclitaxel (Taxol)• isoliert aus Rinde der Eibe (Taxus brevifolia) und 1966

identifiziert• interagiert mit Tubulin, wirkt daher zytostatisch• gegen Ovarial - und Mammakarzinom Problem: geringe Ausbeute und endliche Ressource

• Semisynthetisches Analogon ist Docetaxel• Baccatin III (Vorstufe von Docetaxel) wird aus den Nadeln von

Taxus baccata gewonnen

Wirkstoffe aus Pflanzen

• Seit 1994 ist komplette chemische Synthese von Paclitaxel möglich (insgesamt 7 Totalsynthesen) über 20 Reaktionsschritte und geringe Ausbeuten machen Totalsynthese unwirtschaftlich

• Seit 2002 Umstellung der Produktion von Paclitaxel auf Fermentation von Eibenzellen 23 mg/L Taxane pro Tag, davon 10 – 20% Paclitaxel

• Durch Metabolic Engineering wurde Biosynthese von Paclitaxel in S. cerevisiae möglich

Wirkstoffe aus Pflanzen

Adriana B da Rocha, Rafael M Lopes and Gilberto Schwartsmann (2001). Natural products in anticancer therapy, Current Opinion in Pharmacology 1:364–369

Wirkstoffe aus marinen Organismen

Bryostatin I aus dem Moostierchen Bugula neritina • erstmals 1969 isoliert, 1971 Strukturaufklärung• gehört zu Polyketiden (genauer: Makrozyklisches Lakton)• Antagonist zu Phorbolester (Tumorpromotor), welches an

Proteinkinase C (PKC) binden kann• PKC ist verantwortlich für Expression von Genen für Proliferation

und Zellwachstum

wirkt zytostatisch, immunstimulierend und blutbildend gegen Leukämie, Ovarial – und Mammakarzinom

Problem: geringe Ausbeute und aufwendige Beschaffung

Wirkstoffe aus marinen Organismen

Adriana B da Rocha, Rafael M Lopes and Gilberto Schwartsmann (2001). Natural products in anticancer therapy, Current Opinion in Pharmacology 1:364–369

die Forschung konzentriert sich mittlerweile auf marine Mikroorganismen

Zusammenfassung

• hohe Diversität von Naturstoffen kann nicht durch kombinatorische Chemie erreicht werden

• Metabolic und Genetic Engineering ist ein wichtiges Werkzeug, da viele Organismen nicht kultivierbar sind

• Antisense differential sensitivity screening liefert schnell Ergebnisse ganzer Extrakte

• Marine Organismen bieten neue Leitstrukturen, die in Pflanzen und Mikroorganismen nicht vorkommen

Literatur

• Adriana B da Rocha, Rafael M Lopes and Gilberto Schwartsmann (2001). Natural products in anticancer therapy, Current Opinion in Pharmacology 1:364–369

• Jesse W.-H. Li, et al. (2009). Drug Discovery and Natural Products: End of an Era or an Endless Frontier? Science 325, 161

• Gerard D Wright (2010). Q&A: Antibiotic resistance: where does it come from and what can we do about it?, Wright BMC Biology. 8:123

• Alan L. Harvey (2008). Natural products in drug discovery, Drug Discovery Today Volume 13, Numbers 19/20• Alan Harvey (2000). Strategies for discovering drugs from previously unexplored natural products, DDT Vol. 5, No. 7• Sheo B Singh*, John W Phillips & Jun Wang (2007). Highly sensitive target-based whole-cell antibacterial discovery

strategy by antisense RNA silencing. Current Opinion in Drug Discovery & Development 10(2):160-166 • http://mbmac3.biologie.uni-konstanz.de/0Lectures/Mitschrieb/J.pdf• http://edoc.ub.uni-muenchen.de/1875/1/Muelhaupt_Tanja.pdf• http://www.pharmazeutische-zeitung.de/index.php?id=20005• http://www.uni-due.de/imperia/md/content/water-science/ws1112/1652_ws1112_sem__antibiotika_-

_resistenzmechanismen_.pdf• http://www.pharmazeutische-zeitung.de/index.php?id=28386• http://www.vfa.de/de/arzneimittel-forschung/artikel-arzneimittel-forschung/brustkrebs.html• http://www.laborundmore.de/archive/531692/Die-Eibe,-Freund-und-Helfer.html

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit