Kampf gegen einen alten Feind: Tuberkulose Understand article

Übersetzt von Hildegard Kienzle-Pfeilsticker Üblicherweise machen sich Europäer um Tuberkulose keine Sorgen. Aber die Krankheit ist wieder auf dem Vormarsch und resistent gegen die meisten unserer Arzneimittel. Claire Ainsworth beschreibt wie Matthias Willmanns und sein Team versuchen, die…

LipB: Auf dieses Enzym ist das
Tuberkelbakterium angewiesen

Bild mit freundlicher Genehmigung
von Qingjun Ma. EMBL

„Che gelida manina” – Wie eiskalt ist dies Händchen. Rodolfo, ein verarmter Künstler in Puccinis Oper La Bohème, singt Mimi, einem Mädchen, das er kurz zuvor getroffen hat, ein Liebeslied. Die beiden Gestalten treffen sich im Jahr 1830 in einer Pariser Mansarde, wo ihre mitreißende Liebesgeschichte das Publikum verzaubert. Aber die Beziehung ist zum Scheitern verurteilt, weil Mimi an Tuberkulose erkrankt und dem Tod geweiht ist, hustend und fröstelnd. Wenn sich in der Schlussszene Rodolfo schmerzerfüllt über Mimis Totenbett beugt und ihren Namen ruft, bleibt im Publikum kein Auge trocken.

Trotzdem hat die 1896 uraufgeführte Oper La Bohème auf das heutige, europäische Publikum einiges an Wirkung verloren. So groß unser Mitgefühl für den armen Rodolfo ist, so ist uns die Vorstellung doch etwas fremd, jemand könnte an Tuberkulose (TB) sterben. Im Zeitalter von Impfstoffen und Antibiotika scheint es eine Krankheit vergangener Zeiten zu sein. Der Erfolg der Antibiotikatherapie in den 50er und 60er Jahren des vergangenen Jahrhunderts war sogar so überzeugend, dass man glaubte, TB weltweit ausrotten zu können.

Aber an zwei Punkten wurden unsere therapeutischen Bemühungen geschwächt. Erstens brachen Patienten ihre Antibiotikabehandlung oft ab. Zweitens schwächte die globale HIV-Epidemie das Immunsystem von Millionen Menschen weltweit. Die Folge war, dass der Verursacher der Krankheit, das Mycobacterium tuberculosis, Gelegenheit hatte, gegen Medikamente Resistenzen zu entwickeln. Dies geschah mit alarmierender Geschwindigkeit.

Bald tauchten die ersten Bakterienstämme auf, die gegen eines oder mehrere Antibiotika resistent waren. Inzwischen wurde eine hoch lethale Form, genannt XDR-TB von englisch extremely drug resistent-TB identifiziert, der fast alle Antibiotika nichts anhaben können – ein Stamm ist sogar gegen alle bekannten Antibiotika resistent. Würde sich dieser Stamm verbreiten, dann wären Ärzte in der Behandlung der Tuberkulose so hilflos wie um 1800. „Es ist alarmierend“, sagt Matthias Willmanns, Leiter des Europäischen Laboratoriums für Molekularbiologie (EMBL) in Hamburg, Deutschland. Und weiter: „Der XDR-TB-Stamm ist ein großes Problem.“

Matthias leitet ein Projekt, das Teil der Gegenoffensive der biomedizinischen Wissenschaft gegen TB ist. Das X-MTB-Projekt, getragen von einem deutschen Konsortium aus Wissenschaft und Industrie, wird vom EMBL in Hamburg koordiniert. Sein Ziel ist die Entdeckung von Proteinen des Tuberkelbakteriums, die als Angriffspunkte für Medikamente geeignet sind. Denn neue Mittel gegen Tuberkulose werden dringend benötigt. Seit mehr als 40 Jahren sind keine neuen Therapien mehr gegen Tuberkulose entwickelt worden.

Matthias Wilmanns and Paul Tucker
Bild mit freundlicher Genehmigung des EMBL Fotolabors

Matthias’ Team ist Teil der weltweiten Bemühungen die Strukturgenomik – die Wissenschaft von der Strukturaufklärung jedes im Genom eines Organismus kodierten Proteins – auf Mycobacterium tuberculosis anzuwenden. Während das größte Konsortium, das US-amerikanische Structural Genomics Consortium, einen weit gefassten Ansatz verfolgt und das gesamte Genom durchsucht, konzentrieren sich Matthias und seine Mitarbeiter auf Proteinstrukturen, die bereits als vielversprechende Kandidaten für Angriffspunkte von Medikamenten ausgemacht wurden. Die Kenntnis einer Proteinstruktur ist für Medikamentenentwickler von unschätzbarem Wert, da sie dann Wirkstoffe entwerfen können, die mit den für die Funktion des Proteins entscheidenden Strukturelementen interagieren.

Das X-MTB-Projekt begann 2003 und wurde vom deutschen Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert. Unterstützt durch Konsortiummitglied Stefan Kaufmann vom Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie, wählte das Team 242 Proteine für die Untersuchung aus. Besonderes Interesse galt dabei Proteinen, die dem TB-Erreger dabei helfen, jahrzehntelang im Körper zu überleben.

Etwa ein Drittel der Weltbevölkerung ist mit dem Tuberkelbakterium infiziert, die meisten von ihnen mit schlafenden Infektionen, die vom körpereigenen Immunsystem in Schach gehalten werden. Drei Millionen Menschen sterben jedes Jahr nach einer neuen Infektion oder Reaktivierung der inaktiven Tuberkelbakterien. Diese Inaktivität oder „Latenz“ stellt uns vor ein erhebliches Problem, weil die meisten Antibiotika nur wachstumsaktive Zellen abtöten können. Daher ist die Suche nach Wirkstoffen, die das Langzeitüberleben der Tuberkelbakterien im Körper hemmen, ein entscheidendes Ziel.

Bis heute war das X-MTB-Projekt erstaunlich erfolgreich. Dank dem experimentellen und technologischen Ansatz konnte das Team ein altes Dogma der Röntgenstrahlen-Kristallographie widerlegen, nämlich dass die Effizienz der Strukturbestimmung nur zehn Prozent betragen könne. „Wir haben gezeigt, dass etwa ein Drittel aller Zielproteine selektiert, gereinigt und kristallisiert werden kann“, sagt Matthias.

Der Schlüssel zum Erfolg war die allen Forschern zur Verfügung stehende Hochdurchsatz-Kristallisationsanlage am EMBL in Hamburg, zusammen mit dem vom Team benutzten innovativen System zur Proteinproduktion. „Bisher galt, dass es sehr schwierig sei, Strukturen zu bestimmen“, sagt Matthias. Und weiter: „Mit diesem Projekt konnten wir zeigen, dass bei geeigneter Vorgehensweise fast zu viele Proteinstrukturen erhalten werden.“

Dank dieser Bemühungen hat das X-MTB-Team bisher 35 Strukturen von TB-Schlüsselproteinen erstellt. Die Funktion der meisten von ihnen war unbekannt, aber bei manchen hat das Konsortium schon gute Fortschritte gemacht. Tatsächlich war in einigen Fällen die Strukturermittlung der Schlüssel zur Funktion.

Ein Beispiel ist das Enzym LipB, welches an der Synthese von Cofaktoren beteiligt ist, die das Tuberkelbakterium für sein Wachstum und zum Überleben braucht. Stefan identifizierte das Enzym als entscheidenden Angriffspunkt, nachdem sein Team sehr hohe Aktivitäten in infizierten menschlichen Zellen gefunden hatte. Dies war besonders ausgeprägt in multiresistenten Stämmen. Also machte sich die Gruppe um Matthias an die Arbeit, produzierte und studierte Kristalle und bestimmte die Struktur. Zu ihrer Überraschung fanden sie, dass mit dem Enzym ein kleines Molekül verbunden ist– Decansäure. Bei weiteren Untersuchungen kam heraus, dass Decansäure Teil des aktiven Zentrums von LipB ist. Matthias und sein Team konnten so erschließen, welche chemischen Reaktionen dort stattfinden, und daraus die Funktion des Enzyms ableiten. „Das ist die klassische Art, die Funktion über die Struktur zu entdecken“, sagt Matthias. „Bei weiteren Arbeiten wird sich zeigen, ob es gelingt, die Aktivität des Enzyms mit Wirkstoffen zu hemmen“ fügt er an.

Andere wichtige Angriffslinien sind die Erkundungssysteme, mit denen das Tuberkelbakterium seine Umgebung für seine Aktivitäten auskundschaftet. Diese Systeme sind kaum bekannt. Eines von ihnen, das PrrA-PrrB-System hilft dem Tuberkelbakterium, sich in den von ihm befallenen Immunzellen, den Makrophagen, zu vermehren und zu überleben. Es bietet sich für Hemmstoffe zur Therapie an. Letztes Jahr publizierten Wissenschaftler des EMBL Hamburg aus der Gruppe von Paul Tucker die Strukturen der beiden Proteine des Systems, PrrA und PrrB. Ihre Arbeit brachte zutage, wie die Proteine ihre Struktur ändern, wenn sie in Kontakt treten — eine Information von unschätzbarem Wert für Wissenschaftler zur Entwicklung von chemischen Verbindungen, die diesen Kontakt unterbinden sollen.

Solche Entdeckungen kommen aber erst dann zum Tragen, wenn daraus wirksame Therapien entwickelt werden. In der Vergangenheit war die pharmazeutische Industrie wenig an der Entwicklung von Medikamenten gegen TB interessiert, da sie als eine Krankheit der Entwicklungsländer wahrgenommen wurde. Diese jedoch sind zu arm, um sich die teuren Medikamente in einem Umfang leisten zu können, der den Firmen ihre Investitionen in die Medikamentenentwicklung wieder hereinspielt. An Profit wäre erst gar nicht zu denken.

„Aber jetzt zeichnet sich möglicherweise ein Wandel ab”, sagt Matthias. Er beteiligt sich an der Suche nach neuen Finanzierungswegen für die TB-Medikamentenentwicklung, beispielsweise durch die Europäische Union und vielleicht auch durch Zusammenarbeit mit Forschungslaboren in Indien und anderen Entwicklungsländern. Nachdem China und Indien an der Schwelle zu größerer wirtschaftlicher Macht stehen, zeigen sogar pharmazeutische Unternehmen inzwischen mehr Interesse.

TB hält sich nicht an nationale Grenzen. Daher wäre es ein Fehler der entwickelten Länder, die Gefahr zu ignoríeren. TB ist eine globale Krankheit, die globales Handeln erfordert, damit sie nicht wiederkehrt, unheilbar, und das die traurige Geschichte von Mimi und Rudolf dem westlichen Publikum nicht wieder unter die Haut geht.

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Resources

  • Holton SJ, Weiss MS, Tucker PA, Wilmanns M (2007) Structure-based approaches to drug discovery against tuberculosis. Current Protein & Peptide Science 8: 365-375
  • Ma Q, Zhao X, Nasser Eddine A, Geerlof A, Li X, Cronan JE, Kaufmann SH, Wilmanns M (2006) The Mycobacterium tuberculosis LipB enzyme functions as a cysteine/lysine dyad acyltransferase. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 103: 8662-8667
  • Nowak E, Panjikar S, Morth JP, Jordanova R, Svergun DI, Tucker PA (2006) Structural and functional aspects of the sensor histidine kinase PrrB from Mycobacterium tuberculosis. Structure 14: 275-285
  • Nowak E, Panjikar S, Konarev P, Svergun DI, Tucker PA (2006) The structural basis of signal transduction for the response regulator PrrA from Mycobacterium tuberculosis. Journal of Biological Chemistry 281: 9659-9666

Institution

EMBL

Review

Der Artikel bietet eine gute Übersicht über die aktuellen Entwicklungen bei Tuberkulose. Einzelheiten über das Wiederaufleben dieser die Menschheit bedrohenden Krankheit werden dabei ebenso berücksichtigt wie die laufenden, weltweiten Bemühungen um Heilung. Zusätzlich zu den Informationen über Strategien und Methoden, mit denen Biologen TB angehen, liefert er die Basis für weitere Auseinandersetzung mit folgenden Aspekten.

Wie eine Krankheit drastische Auswirkung auf die Entwicklung einer anderen haben kann.

Wie die moderne Wissenschaft nur über geographische Grenzen hinweg erfolgreich arbeitet und deshalb Probleme oft nur in weltweiter Zusammenarbeit gelöst werden können.

Welche unterschiedlichen Forschungsstrategien verschiedene Gruppen von Wissenschaftlern verfolgen, um an wichtige Informationen zur Krankheitsbekämpfung zu gelangen.

Die Kriterien von Firmen bei der Entscheidung über Forschung zur Heilung einer bestimmten Krankheit.


Michalis Hadjimarcou, Zypern




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