Research Fields of Prof. Dr. Susanne Alban

Sep 14, 2016

 

Kontakt: Prof. Dr. Susanne Alban
   
  "Glykane und Glykobiologie"
       
 
Glykane als Komponenten der Extrazellulären Matrix und der Glykocalyx der Zellen erfüllen wichtige physiologische Funktionen und sind an der Pathophysiologie vielfältiger Erkrankungen beteiligt. Hervorzuheben sind die negativ geladenen Glykosaminoglykane (GAG) bzw. Proteoglykane, die eine relevante Rolle bei den Zell-Matrix- und Zell-Zell-Interaktionen spielen und als Liganden resp. Bestandteile von Membranrezeptoren häufig initial an Signaltransduktionsprozessen beteiligt sind. Aufgrund dieser Funktionen tragen die endogenen Glykanstrukturen auch wesentlich zur Vernetzung der (patho-)physiologischen Trias „Inflammation / Tumormetastasierung/-progression / Hämostase“ bei, der gegenwärtig in der Forschung viel Aufmerksamkeit geschenkt wird.
 
  Angesichts dieser Erkenntnisse stellen Substanzen auf der Basis von Glykanen einen interessanten Ansatz für die Entwicklung neuer Wirkstoffe dar. Heparine sind bislang die einzigen in großem Ausmaß eingesetzten Wirkstoffe auf der Basis von „Zuckern“. Sie wirken nicht nur antikoagulatorisch, sondern verfügen über ein breites Spektrum an biologischen Aktivitäten („multivalente Biomodulatoren“), die zu ihrem gesamttherapeutischen Effekt beitragen.
 
 

Allerdings entsprechen sie aufgrund ihrer Polydispersität, Chargenvariabilität und ihres tierischen Ursprungs nicht den Anforderungen an moderne Arzneistoffe, und die klinische Nutzung ihrer „anderen“ Aktivitäten wird durch das assoziierte Blutungsrisiko limitiert. Folglich liefert Heparin sowohl den Beleg für das Rationale als auch konkrete Ansatzpunkte für die Wirkstoffentwicklung auf der Basis von „Zuckern“. Das als Antithrombotikum zugelassene synthetisch hergestellte Pentasaccharid Fondaparinux (Arixtra ®) (selektiver Faktor Xa-Antagonist) wiederum zeigt, dass es möglich ist, spezifisch wirkende Arzneistoffe auf „Zuckerbasis“ zu entwickeln.

Auf diesem Hintergrund basiert unsere interdisziplinäre Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Glykane und der Glykobiologie, in der es einerseits um Wirkstoffentwicklung (u.a. ein patentierter Entzündungshemmstoff) und die Identifizierung von deren potenziellen Targets , andererseits um das Erkennen der Zusammenhänge zwischen Inflammation, Tumormetastasierung/-progression und Hämostase geht. Dazu werden auch partialsynthetisch definierte Glykanstrukturen hergestellt.

In den verschiedenen Projekten unserer Arbeitsgruppe werden Praxis-orientierte pharmazeutische und medizinische Fragestellungen bearbeitet, Oligo- und Polysaccharide – klassisch pharmazeutisch-biologisch - aus Algen, Arzneipflanzen und –extrakten isoliert, charakterisiert und getestet sowie als Arzneimittel zugelassene Heparine und andere GAG untersucht.

Zusätzlich werden in w eiteren Projekten – in Kooperation mit der Pharmaindustrie und Medizinern - ferner Praxis-orientierte pharmazeutische und medizinische Fragestellungen bearbeitet, neue Testsysteme für Forschung, Qualitätskontrolle und Diagnostik entwickelt und Untersuchungen zur Qualität, Wirksamkeit und Unbedenklichkeit zugelassener Arzneimittel durchgeführt (z.B. Heparinskandal 2008, Heparin-induzierte Thrombozyopenie, Differenzierung von niedermolekularen Heparinen, Stabilitätsuntersuchungen).

Die Arbeitsgebiete sind sowohl dem Schwerpunkt Angewandte Lebenswissenschaften als auch der Meeres- und Geoforschung zuzuordnen, wobei das Projekt „Wirtschaftliche Nutzung von Ostsee-Makrophyten“ beide Schwerpunkte vereinigt.

  Arbeitsgebiete
  1. Pilotprojekt „Wirtschaftliche Nutzung von Ostsee-Makrophyten““ im Rahmen des EFF-Projektes „Riff Nienhagen“

(Kooperationspartner im Projekt „Riff Nienhagen“, Drittmittelprojekt gefördert durch den Europäischen Fischereifonds (EFF) der Europäischen Union und das Ministerium für Landwirtschaft, Umwelt und Verbraucherschutz Mecklenburg-Vorpommern; Koordination durch die Landesforschungsanstalt für Landwirtschaft und Fischerei MV - Institut für Fischerei)

Link: http://www.riff-nienhagen.de

Die Rotalge Delesseria sanguinea stellt die dominante Makroalge bei der Besiedlung der künstlichen Strukturen des Großriffs im Fischereischutzgebiet Nienhagen dar und enthält sulfatierte Polysaccharide, die in bisherigen Untersuchungen ein vielversprechendes Wirkungspotential gezeigt haben.

Zur Evaluierung der wirtschaftlichen bzw. arzneilichen Nutzbarkeit von Delesseria sanguinea wurden die sulfatierten Polysaccharide aus der Alge isoliert und gereinigt, ihre chemische Struktur aufgeklärt und hinsichtlich ihrer biologischen Aktivitäten untersucht. Ein Aspekt war u.a. die Erstellung eines Nutzungsprofils mit dem Ziel der wirtschaftlichen Verwertung dieser Polysaccharide. Im Rahmen des Projektes wurde zunächst eine geeignete Extraktionsmethode für die sulfatierten Polysacchariden aus Delesseria sanguinea (D.s.-SP) entwickelt. Das sukzessiv optimierte Verfahren erlaubt die Isolation reiner Polysaccharide in reproduzierbarer Qualität. Die D.s.‑SP sind gut wasserlöslich und bilden im Gegensatz zu vielen anderen Algen-Polysacchariden keine viskosen Gele aus. Strukturell stellen die D.s.-SP relativ hochmolekulare, verzweigte, anionische Xylogalactane dar, die in etwa eine Sulfatgruppe pro Dimer aufweisen.

Schwerpunkte im Wirkprofil liegen in der Hemmung entzündlicher Prozesse, der Blutgerinnung sowie von Tumorwachstum und –metastasierung, sind jedoch im Vergleich zu Heparin bei geringerer Gerinnungshemmung deutlich in Richtung Entzündungs- und Metastasierungshemmung verschoben. Daher ist das Blutungsrisiko vermindert. Des Weiteren wurde im Rahmen der Screening-Untersuchungen eine starke Hemmung von Enzymen, die an Prozessen der Zell- und Hautalterung beteiligt sind, nachgewiesen. Im Rahmen der Evaluierung der wirtschaftlichen Nutzbarkeit werden außerdem verschiedene Qualitäts- und Identitätskontrollverfahren aus dem Bereich der pharmazeutischen Analytik adaptiert und etabliert.

Projektzeitraum 2005-2008:

„Erhöhung der fischereilichen Wertigkeit von Seegebieten an der Küste Mecklenburg-Vorpommerns durch die Errichtung künstlicher Unterwasserhabitate. Aufbau eines Großriffs im Fischereischutzgebiet Nienhagen.“

(Drittmittelprojekt gefördert durch das Finanzinstrument für die Ausrichtung der Fischerei (FIAF) der Europäischen Union und das Ministerium für Landwirtschaft, Umwelt und Verbraucherschutz Mecklenburg-Vorpommern)

In unserer Arbeitsgruppe bearbeitete Teilprojekte:

„Isolation, Strukturaufklärung und Untersuchung der biologischen Aktivitäten der sulfatierten Polysaccharide der Rotalge Delesseria sanguinea zur Evaluierung der wirtschaftlichen bzw. arzneilichen Nutzbarkeit.“ (2005-2006)

„Wirtschaftliche Nutzung der Ostsee-Makrophyten: Erstellung eines Nutzungsprofils zur Verwertung sulfatierter Polysaccharide der Rotalge Delesseria sanguinea.“ (2007-2008)

Projektzeitraum 2009-2012:

„Erprobung eines Aquakulturvorhabens zur Produktion der Rotalge Delesseria sanguinea am Riff Nienhagen und weiterführende Untersuchungen für die wirtschaftliche Verwertung der sulfatierten Polysaccharide dieser Alge.“

(Drittmittelprojekt gefördert durch den Europäischen Fischereifonds (EFF) der Europäischen Union und das Ministerium für Landwirtschaft, Umwelt und Verbraucherschutz Mecklenburg-Vorpommern; Koordination durch die Landesforschungsanstalt für Landwirtschaft und Fischerei MV - Institut für Fischerei)

 

2. Wirkstoffentwicklung: Anti-inflammatorisch bzw. antimetastatisch wirksame partialsynthetische Glykansulfate

Ziel ist es, aus Glykanen als „nachwachsenden Rohstoffen“ potentielle neue Wirkstoffe auf der Basis strukturell definierter Glykansulfate zu entwickeln, die jedoch nicht die Nachteile von H eparin (s.o.) besitzen . Diese Substanzklasse wirkt multivalent, wobei von der Hypothese ausgegangen wird, dass gerade das „Konzert“ vielfäl tiger, modulierender Effekte fü r e ine nebenwirkungsarme Wirksamkeit verantwortlich ist. Da mittlerweile gezeigt wurde, dass das jeweilige Wirkprofil stark von der individuellen Struktur abhängt, bietet sich die Option, dieses durch gezielte synthetische Modifikationen zu steuern und zu optimieren.

Stichpunkte : Partialsynthese - Struktur-Wirkungsbeziehungen - Struktur-abhängige Wirkprofile – Wirkmechanismus

Eine der auf diese Weise entwickelten Substanzen ist das b -1,3-Glucansulfat PS3 (WO 2002036132, FR 2816213-B, US 7008931-B21), das wesentlich stärker antiinflammatorisch und antimetastatisch, jedoch weniger stark gerinnungshemmend als Heparin wirkt. PS3 wird mittlerweile GMP-gemäß hergestellt und toxikologisch geprüft und soll nun klinisch auf seine Wirksamkeit bei entzündlichen Hauterkrankungen (Psoriasis) geprüft werden.

 

3. Testentwicklung zur Reinheitsprüfung von Heparinen sowie zur direkten Quantifizierung von Glykansulfaten , Mitarbeit an der Etablierung eines neuen Heparinstandards

(Kooperation mit BfArM/EDQM, Prof. Schrader, Universität Duisburg, und NIBSC)

Ziel ist die Entwicklung eines neuartigen Messprinzips zur Quantifizierung von Heparinen und Glykansulfaten im Plasma und zu ihrer analytischen und pharmakologischen Untersuchung in vitro.

Im Gegensatz zu Proteinen und chemisch definierten Substanzen lassen sich Heparine, Glykansulfate und andere Glykane nicht mit den üblichen analytischen Methoden quantifizieren, so dass z.B. bei den Heparinen lediglich eine „Effektkinetik“ bekannt ist, die bei den Niedermolekularen Heparinen (NMH) < 20% des Arzneistoffes erfasst. Ausgehend von einem neuartigen Messprinzip entwickeln wir derzeit eine Methode, die eine empfindliche Quantifizierung ermöglichen soll.

 

4. Pathomechanismus der Heparin-induzierten Thrombozytopenie

 

5. Heparanase - Testentwicklung, Inhibitoren, Relevanz in der Pathophysiologie

Die Hemmung der Heparanase wird als einer der Anti-Tumormechanismen der NMH diskutiert und gilt auch als Ansat­zpunkt für die Wirkstoffentwicklung. Ferner sind hohe Heparanase-Spiegel bei einigen Tumorerkrankungen mit einer schlechten Prognose assoziiert. Aus diesem Grund entwickeln wir derzeit einen Heparanase-Test, der auf einem neuartigen, routinefähigen Ansatz beruht und prinzipiell sowohl für die Forschung als auch für die Diagnostik geeignet ist.

 

 

Im Arbeitskreis etablierte Methoden

Partialsynthese, Extraktherstellung, Isolierung, Fraktionierung

  • Partialsynthese strukturell definierter Glykansulfate unter Verwendung biogener bzw. biotechnisch hergestellter Ausgangssubstanzen (v.a. Homoglucane)
  • Entwicklung, Optimierung, Validierung und Scaling-up der Partialsynthese von Wirkstoffkandidaten
  • Partialsynthetische Modifikationen, Degradation von Heparinen und Algenpolysacchariden
  • Herstellung von Algenextrakten, Isolierung sulfatierter Polysaccharide inkl. Optimierung und Validierung
  • Fraktionierung (Affinität, Molekulargewicht, Ladung) von Heparinen und Algenpolysacchariden
Strukturanalyse und sonstige Analytik
  • Instrumentell: SEC(RI-, MALLS-Detektion), HPLC (RI-, UV-Detektion), GC, GC-MS, NMR, FT-IR, UV-VIS
  • Klassische Kohlenhydratanalytik, u.a. Acetylierungs- und spezielle Methylierungsanalysen
  • Reinheitsprüfungen, z.B. diverse Proteintests, LPS-Kontamination, Stabilitätsprüfungen, Plasmaproteinbindung
Pharmakologische Testung
  • Plasma- und Serumgewinnung, Blutzellisolation

 

Gerinnung, Fibrinolyse, Komplementsystem

  • Gerinnungstests und Tests mit chromogenen Substraten (u.a. aXa-, aIIa-Tests) inkl. spezifischer Modifikationen
  • TFPI-Bestimmung mittels ELISA und Aktivitätstest
  • Globale und spezifische Testsysteme zur Untersuchung der Beeinflussung der Fibrinolyse
  • Modifikationen des klassischen hämolytischen Komplementmodulationstests

 

Enyzme, Affinität, Antioxidative Kapazität

  • Enzymaktivität- und Enzymkinetikuntersuchungen (u.a. Elastase, Heparanase, Hyaluronidase, Kollagenasen, MMP)
  • Zellfreie in vitro-Bindungstests (u.a. Antithrombin, Elastase, b -FGF, Fibrinogen, Heparin Cofactor II, IL-8, MAC-1, MCP-1, RANTES, Thrombin, TFPI, VEGF)
  • Antioxidative Kapazität

 

Testsysteme mit humanen Leukozyten bzw. Tumorzellen

  • Zelladhäsion (u.a. ICAM, E CM (Matrig el), Fibronectin, Fibrinogen; Laminin, Selektine, VCAM)
  • Zellaktivierung: Calcium-Mobilisation, Zytokin-Freisetzung, Freisetzung von Elastase, TF, TFPI (EC)
  • Chemotaxis: MTP-Assay nach dem Boyden-Chamber-Prinzip
  • Zytotoxizität, Zellviabilität und -proliferation, Apoptose