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Die Abteilung

Im Jahr 2004 entstand am Forschungszentrum des Dr. von Haunerschen Kinderspitals unter der Leitung von Frau Prof. Dr. med. Ania C. Muntau die Abteilung für Molekulare Pädiatrie. Als Kinderärzte und Wissenschaftler beschäftigen wir uns mit der Entwicklung neuer Therapiestrategien für Patienten mit seltenen, genetisch bedingten Erkrankungen. Eine in der Europäischen Union übliche Definition sieht vor, dass eine Erkrankung als selten gilt, wenn weniger als eine von 2.000 Personen hiervon betroffen ist. Man spricht auch von sog. „Waisenkrankheiten“ (orphan diseases), weil die Erkrankungen in der Gesellschaft und sogar in der Ärzteschaft wenig bekannt sind, diesen Patienten eine Lobby fehlt und die Pharmaindustrie auf Grund des kleinen Patientenkreises und der damit einhergehenden geringen Absatzchancen bisher nur wenig Interesse zeigt. Dennoch sind orphan diseases weniger selten, als die Definition vielleicht glauben lässt, denn in ihrer Gesamtheit betreffen sie eines von 500 Kindern. Für viele dieser Erkrankungen sind derzeit keine oder nur belastende und risikoreiche Therapiemöglichkeiten verfügbar, häufig in Form strikt eiweißarmer Diäten. Hieraus ergab sich die dringende Notwendigkeit zur Erschließung neuer medikamentöser Behandlungsoptionen.

Während die Arbeitsgruppe zu Beginn vor allem aus Medizinern bestand, hat sie sich in den letzten Jahren zu einem multidisziplinären Forscherteam aus Medizinern, Biologen, Chemikern, Biochemikern, Pharmazeuten und Bioinformatikern entwickelt. Die drei Hauptprojekte werden durch das Bayerische Genomforschungsnetzwerk, das BMBF, LMUexcellent und Industriekooperationen finanziert. Darüber hinaus wird die Abteilung durch die Prinz Lennart von Hohenzollern-Stiftung unterstützt, die es sich zur Aufgabe gemacht hat, die Forschung zur Entwicklung neuer Behandlungsmöglichkeiten für seltene genetische Erkrankungen gezielt zu fördern.

 

Auf der Suche nach neuen Medikamenten zur Behandlung von Erkrankungen mit Proteinfehlfaltung

Präzise und tief greifende Kenntnisse zu den zugrunde liegenden genetischen Defekten und zu den molekularen Mechanismen der Krankheitsentstehung sind eine notwendige Voraussetzung für die Entwicklung therapeutischer Konzepte. Aus der Untersuchung von Funktionen, Interaktionen und Regulationen von Genen und Genprodukten ergeben sich häufig neue und zum Teil überraschend einfache Möglichkeiten, den genetischen Defekt und seine Folgen pharmakologisch zu korrigieren. Ein Beispiel hierfür ist eine der häufigsten angeborenen Stoffwechselerkrankungen, die Phenylketonurie. Sie beruht auf einem Defekt des Enzyms Phenylalaninhydroxylase. Unbehandelt führt das Leiden zu schweren neurologischen Störungen und hochgradiger geistiger Behinderung. Vor 50 Jahren entdeckte der deutsche Kinderarzt Dr. Horst Bickel, dass die schweren Symptome vermieden werden können, wenn die Betroffenen ein Leben lang eine strikte eiweißarme Diät einhalten, die allerdings außerordentlich belastend und mit psychosozialen Komplikationen verbunden ist. Unsere Arbeitsgruppe konnte 2002 zeigen, dass Tetrahydrobiopterin (BH4), ein natürlicher Kofaktor der Phenylalaninhydroxylase, in pharmakologischen Dosen den Symptomen der Phenylketonurie entgegenwirken kann. (Muntau et al., New Engl J Med 2002)

Viele Patienten können hierdurch vollständig auf die Einhaltung der strikten Diät verzichten. Wir hielten diese klinische Beobachtung für sehr wichtig und stellten die Hypothese auf, dass es sich bei der Phenylketonurie um eine behandelbare Proteinfehlfaltungserkrankung handelt, die als Modell für eine Vielzahl anderer Erkrankungen dienen kann. Das Bayerische Genomforschungsnetzwerk eröffnete uns im Jahr 2004 durch die Förderung eines auf sieben Jahre angelegten Forschungsprojektes die Möglichkeit, dieser Frage intensiv nachzugehen. Das Thema des Forschungsvorhabens lautet „Genetische Erkrankungen mit defekter Proteinfehlfaltung: Entwicklung pharmakotherapeutischer Strategien“.

Die Ausgangshypothese unserer Arbeit war, dass es sich bei der Phenylketonurie um eine Proteinfehlfaltungserkrankung handelt. Proteine sind die Hauptakteure der Zelle und nehmen eine große Bandbreite an Aufgaben wahr, vor allem steuern sie chemische Reaktionen im Körper, eine davon ist der Abbau von Phenylalanin durch die Phenylalaninhydroxylase. Seine jeweiligen Funktionen kann ein Protein jedoch nur ausführen, wenn es seine spezifische dreidimensionale Struktur eingenommen hat. Bereits kleine Fehler bei der Faltung können weit reichende Auswirkungen auf die Proteinfunktion haben. Auf dieser Grundlage gingen wir davon aus, dass BH4 die Faltung des Enzyms im Patienten verbessert, das Protein hierdurch stabilisiert und dessen Aktivität steigert. Inzwischen konnten wir beide Hypothesen – die der Phenylketonurie als Proteinfehlfaltungserkrankung und die der stabilisierenden Wirkung von BH4 – auf experimenteller Ebene bestätigen (Gersting et al., Am J Hum Genet, 2008, Gersting et al., HumMolGenetics 2010http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20179079).

Derzeit beschäftigen wir uns mit der Übertragung unserer Erkenntnisse auf andere Erkrankungen. BH4 könnte beispielsweise im Zusammenhang mit anderen seltenen Krankheiten interessant werden, weil es im gesunden Körper als Kofaktor verschiedener Enzyme fungiert. Aber nicht nur diese eine Substanz, auch das Therapieprinzip als solches könnte eine breitere Anwendung finden. Es wurde bereits nachgewiesen, dass überraschend viele genetische Erkrankungen im Kindesalter durch Störungen der Proteinfehlfaltung verursacht werden. Wir selbst haben diesen Nachweis für den Medium-chain Acyl-CoA Dehydrogenase-Mangel geführt (Maier et al., Hum Mol Genet, 2009), einer häufigen genetischen Störung der Fettsäurenoxidation. Außerdem erforschen wir die Faltung eines ähnlich aufgebauten Enzyms, der Glutaryl-CoA Dehydrogenase. Deren Defekt führt zum gestörten Abbau von Aminosäuren und verursacht das Krankheitsbild der Glutarazidurie Typ 1. Für beide Erkrankungen, den Medium-chain Acyl-CoA Dehydrogenase-Mangel und die Glutarazidurie Typ 1, werden bereits erste Labortests mit potenziellen Wirkstoffen durchgeführt.

Die wirtschaftliche Bedeutung und der hohe gesundheitsökonomische Stellenwert von genetischen Erkrankungen im Kindesalter werden durch aktuelle Studien eindrucksvoll belegt. Unser wichtigstes Ziel muss daher sein, unsere Forschungsergebnisse in konkrete, für den Patienten nutzbare Produktentwicklungen zu überführen. Für die Phenylketonurie ist dies bereits gelungen. BH4 (Kuvan®) wurde im Dezember 2007 in den USA und im April 2009 in Europa als erstes pharmakologisches Chaperone (Faltungshelfer) zur Behandlung von Patienten mit Phenylketonurie durch einen großen Pharmakonzern zugelassen.

Zukünftige, bereits zur Förderung beantragte Projekte werden sich mit der systematischen Suche nach genetisch bedingten Proteinfehlfaltungserkrankungen und der Identifikation wirksamer Medikamente beschäftigen.

 

Untersuchungen von Protein-Protein-Interaktionen zum besseren Verständnis von Krankheitsentstehung

Um einen weiteren Beitrag zur Entwicklung therapeutischer Konzepte von Stoffwechseldefekten zu leisten, hat es sich die Abteilung für Molekulare Pädiatrie zum Ziel gesetzt, molekulare Mechanismen der Krankheitsentstehung durch die Untersuchung von Protein-Protein-Interaktionsstudien (PPI) weiter aufzuklären. Im Rahmen der universitätsinternen Vergabe der Mittel aus der Exzellenzinitiative (LMUexcellent) wurde daher eine Kooperation mit Herrn Prof. Jürgen Haas und Herrn Prof. Ulrich Koszinowski (Max von Pettenkofer-Institut) zum Thema „Untersuchung von Proteininteraktionen mittels Hochdurchsatzverfahren in der Biomedizin: ein interdisziplinärer Ansatz“ aufgebaut.

Protein-Protein-Interaktionsstudien (PPI) stehen im Brennpunkt der aktuellen Proteinforschung, da durch die Untersuchung der Wechselwirkung zweier oder mehrerer Protein miteinander ein besseres Verständnis über die komplexen Abläufe in den Körperzellen erzielt wird. Diese Interaktionsstudien sind die Grundlage für die Identifikation ganzer Interaktionsnetzwerke (Interaktome) in Organismen oder in Organisationsstrukturen innerhalb eines Organismus, wie z.B. den Organellen einer menschlichen Zelle. Die Kartierung und Analyse dieser Interaktome führt sowohl zum Verständnis grundlegender biologischer Prozesse, als auch zu Erkenntnissen, wie Krankheit entstehen kann. Das Spektrum der untersuchten krankhaften Prozesse reicht von mutationsbedingten Fehlfunktionen der untersuchten Proteine selbst über die Rolle von Proteinen in komplexen Systemen (z.B. dem Endokrinium oder dem Immunsystem) bis zur Aufklärung von Mechanismen der Integration von Viren und Bakterien in das Interaktom des Wirtes.

In unserer Abteilung wurde in den vergangenen zwei Jahren eine informatikgestützte, auf dem Prinzip des Biolumineszenz-Resonanz-Energie-Transfers (BRET) basierende Methode zur Untersuchung von PPI entwickelt und etabliert. Diese neue Technologie erlaubt PPI-Experimente im Hochdurchsatzverfahren in der lebenden Zelle. Sie soll im Vergleich zu bisher verfügbaren Datensätzen eine erhöhte Aussagekraft gewährleisten. Inzwischen wird der gesamte analytische Prozess mit Hilfe einer spezifisch für das Projekt entworfenen Roboteranlage automatisiert durchgeführt.

Die etablierte Methode wird nun in Zusammenarbeit mit Prof. Ralf Zimmer (Lehr- und Forschungseinheit Bioinformatik) mittels statistischer und bioinformatischer Methoden validiert. Hierbei spielen im Besonderen bioinformatische Algorithmen eine entscheidende Rolle. Als erste wissenschaftliche Fragestellung sollen in Zusammenarbeit mit Prof. Ralf Erdmann (Systembiochemie, Ruhr-Universität Bochum) die Interaktionen zwischen allen Proteinen eines zellulären Organells (Peroxisom) untersucht werden. Hierdurch sollen Schlüsselprozesse bei genetischen Stoffwechselerkrankungen identifiziert und deren pathogenetische Mechanismen aufgeklärt werden. Des weiteren bietet diese vielseitige Technologie mit Modellcharakter die Möglichkeit einer Anwendung auf eine Vielzahl weiterer Fragestellungen.

Zusammenfassend beinhaltet diese neue Technologie ein erhebliches Anwendungspotential sowohl für die Forschung als auch für die industrielle Anwendung, insbesondere bei der Entwicklung pharmazeutischer Produkte. Unser Ziel ist es, Grundlagenprojekte in die produktorientierte medizinische Anwendungsforschung zu übertragen, um so eine spürbare Verbesserung der Versorgung und der Lebensqualität von Kindern mit angeborenen Stoffwechselstörungen zu erreichen.

 

Gentherapie als therapeutische Option für Patienten mit schwerwiegenden genetischen Erkrankungen

Die einzige Möglichkeit, die Ursache der Krankheit dauerhaft und vollständig zu beseitigen, liegt in der Korrektur des Gendefektes selbst. Bei der Gentherapie wird den Zellen des betroffenen Organs das gesunde Gen zur Verfügung gestellt, wodurch das betroffene Enzym wieder korrekt gebildet werden kann. Im Rahmen eines Forschungsprojektes wird in Kooperation zwischen dem Pädiatrischen Hämophiliezentrum (PD Dr. K. Kurnik und Dr. C. Bidlingmaier) und der Abteilung für Molekulare Pädiatrie am Modell der Hämophilie eine neue Technik zum gerichteten Transfer von therapeutischen Genen in die Leber etabliert. Dieses Projekt wird durch die Firma Bayer Vital (Bayer Healthcare) gefördert. Nach Angaben der World Federation of Hemophilia (WFH) leidet 1 von 10.000 Menschen an einer angeborenen Hämophilie, in Deutschland werden etwa 8.000 Patienten betreut. Bei der Hämophilie führen Defekte der Gene für die Gerinnungsfaktoren VIII oder IX dazu, dass der jeweilige Faktor im Körper gar nicht oder nur fehlerhaft gebildet wird. Dies führt zu einer erhöhten Blutungsneigung, die unbehandelt zu schweren Gelenkschäden und einer erhöhten Sterblichkeit führen. Um die angeborenen Gerinnungsstörungen zu behandeln, ist eine lebensbegleitende, belastende Therapie erforderlich, bei der man die fehlenden Faktoren durch regelmäßige intravenöse Gaben von Faktorkonzentraten ersetzt. Insbesondere im Kindesalter stellen das häufige Spritzen der Präparate ein technisches und psychisches Problem für die Eltern, Patienten und behandelnden Ärzte dar. Hinzu kommen Nebenwirkungen der Therapie und die Gefahr einer Übertragung von Infektionskrankheiten durch Spenderblut. Die hohen Kosten für die Präparate stellen nicht nur erhebliche Anforderungen an unser Gesundheitssystem, sondern machen in Ländern der Dritten Welt ein Faktor-Behandlung nahezu unmöglich. Nach Schätzungen der WFH werden 80% aller Patienten nicht adäquat behandelt.Durch Verwendung von Viren zur Einschleusung der therapeutischen Gene sind bereits viel versprechende Ergebnisse in klinischen Studien zu anderen Erkrankungen erzielt worden. Es zeigte sich jedoch, dass die bisher zur Verfügung stehenden Formen der viralen Gentherapie teilweise mit hohen Risiken verbunden sind. Eine breite Anwendung der Gentherapie, insbesondere für die Behandlung von Kindern, wird erst dann vertretbar sein können, wenn durch weitere Forschung auf diesem Gebiet die Sicherheit erheblich verbessert werden kann.

Bei der Hämophilie, wie bei vielen anderen angeborenen Krankheiten, liegt der Ort der Krankheitsentstehung in der Leber. Anhand einer solchen Modellerkrankung sollen allgemeine Strategien zur Gentherapie der Leber entwickelt werden. In einem interdisziplinären Ansatz werden vorhandene Methoden mit neuen Technologien verbunden, um eine verbesserte Aufnahme der therapeutischen Gene in die Leberzellen zu erreichen. Mit der gezielten Ansteuerung spezifischer Rezeptoren sollen die Gene an den gewünschten Ort gelangen, wobei Ultraschalltechniken und Magnetkräfte den Prozess zielgerichtet steuern können. Der experimentelle Weg dieses Projektes führt von der Methodenentwicklung in Zellkulturen über die Anwendung am Tiermodell zum längerfristigen Ziel, ein Verfahren zur dauerhaften Korrektur der Gendefekte beim Menschen vorzubereiten.

Im Rahmen eines BMBF-Projektes erforschen wir in Zusammenarbeit mit Prof. W. Engel (Institut für Humangenetik der Georg-August Universität in Göttingen) die Möglichkeit einer Therapie mit körpereigenen Stammzellen. Professor Engel hat eine Strategie entwickelt, um dem Patienten eigene Stammzellen zu entnehmen und sie nach einer genetischen Korrektur in Zellen des betroffenen Gewebes umzuwandeln. Hierbei könnte auf fremde embryonale Stammzellen vollständig verzichtet werden, was erhebliche medizinische und ethische Vorteile birgt.

Mit dem Einsatz therapeutischer Gene oder körpereigener Stammzellen könnte die Vorstellung einer dauerhaften Korrektur von genetischen Erkrankungen realisiert werden. Für Patienten mit angeborenen Blutungserkrankungen wäre hiermit ein unbelastetes Leben ohne regelmäßige intravenöse Substitutionen verbunden. Zudem sollen die in diesem Modell erworbenen Kenntnisse auch für andere Erkrankungen genutzt werden und zum Beispiel zur Therapie angeborener Stoffwechselerkrankungen wie der klassischen Phenylketonurie beitragen, bei der auf Grund der Schwere des Defektes und wegen des Fehlens von Restprotein eine medikamentöse Therapie unmöglich ist.

Zusammenfassend verfügt die Abteilung für Molekulare Pädiatrie dank substantieller öffentlicher und industrieller Förderung inzwischen über ein weites Spektrum experimenteller Expertise molekularbiologischer, biochemischer, spektroskopischer und zellbiologischer Methoden und über eine hervorragende apparative Ausstattung. Darüber hinaus profitieren wir in hohem Maße von den exzellenten räumlichen Voraussetzungen im Forschungszentrum der Kinderklinik. Die räumliche Zusammenführung der verschiedenen pädiatrischen Arbeitsgruppen hat zu intensiver Zusammenarbeit, gegenseitiger Unterstützung, Know-How-Transfer und multiplen synergistischen Effekten geführt, die dazu beigetragen haben, dass das Dr. von Haunersche Kinderspital sowohl in Bezug auf die Drittmitteleinwerbung als auch in Bezug auf die Publikationsleistung zu den führenden Instituten unserer Universität gehört. Aus kinderärztlicher Sicht betrachtet die Abteilung für Molekulare Pädiatrie ihre Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten als einen Beitrag zur Unterstützung eines wichtigen gesellschaftspolitischen Anliegens, der Verbesserung der Lebensqualität von Menschen mit orphan diseases.