Forschung - Details

Einleitung

Neueste Forschungserkenntnisse weisen darauf hin, dass bei der Entstehung von Schizophrenie eine Vielzahl von zellulären Signalprozessen aufgrund vieler einzelner Gendefekte gestört ist. Demzufolge wird die Schizophrenie auch als Signalwegserkrankung klassifiziert. So spielen neben Signalen, die die Aktivitäten von pharmakologisch relevanten Rezeptoren (z.B. des Dopamin-D2-Rezeptors, wichtig für die Behandlung der Positivsymptomatik) regulieren, auch intrazelluläre Signalkaskaden eine wichtige Rolle, indem sie eine koordinierte Differenzierung von Neuronen bewirken und eine damit einhergehende synaptische Plastizität fördern. Beispielsweise konnten Signalwege identifiziert werden, die Signale von der Synapse bis zum Zellkern senden (z.B. über Kalzium oder MAP-Kinasen vermittelt) und dadurch Veränderungen transkriptioneller Kontrollmechanismen hervorrufen. Ein besseres Verständnis, wie einzelne Risikogene und davon abhängige Signalaktivitäten zur Entstehung von Schizophrenie beitragen, könnte daher die Entwicklung von neuen Medikamenten beschleunigen.

Genetisch kodierte Sensoren zum Messen von regulierten Protein-Protein-Interaktionen

In bisherigen Studien haben wir genetisch kodierte Sensoren entwickelt, mit denen dynamische Protein-Protein-Interaktionen gemessen werden können (Wehr et al., 2006 & 2016). Diese Interaktionsassays können zur Identifikation von genetischen und pharmakologischen Modulatoren angewandt werden. Die Assays nutzen einen molekularen Schalter in Form der von uns etablierten Split-TEV-Methode, die auf einer funktionellen Komplementation der TEV-Protease beruht. Dieses System wurde beispielsweise zur Identifikation von Aktivitäten unterschiedlicher Rezeptorklassen (Rezeptor-Tyrosin-Kinasen, z.B. der ERBB-Familie; G-Protein gekoppelte Rezeptoren) angewandt (Wehr et al., 2008 & 2015; Wintgens 2017). Zudem haben wir die Split-TEV-Technik mit einem RNAi-Screening-Ansatz kombiniert, um Modulatoren des Hippo-Signalweges zu identifizieren, einem konservierten Signalweg, der verschiedene Aspekte hinsichtlich Differenzierung und zellulärer Polarität steuert (Wehr et al., 2013).

Abb.  1. Anwendungsbeispiele des Split-TEV-Systems in der Medikamentenentwicklung. Das Split-TEV-System wurde für verschiedene Anwendungen eingesetzt, u.a. zur Messung verschiedenster Protein-Protein-Interaktionen (Monitoring protein-protein interactions, PPI), Hochdurchsatz-Screenings (high-throughput (HTP) screening), Dosis-Wirkungs-Analysen und Target-Selektivitäts-Studien. Die untere Box stellt den Einsatz des Split-TEV-Systems in multiparametrischen Assays dar, die RNA-Barcode-Reporter verwenden und mit Next-Generation Sequencing (NGS) ausgelesen werden. R, Rezeptor; bc, molekularer Barcode. (Aus Wehr and Rossner, 2016)

Screening zur Wiederverwertung von zugelassenen Substanzen (Drug Repurposing) im Rahmen von psychiatrischen Erkrankungen

Erhöhte Expressionslevel des Neuregulin (NRG1) -ERBB4-Signalweges sind mit der Schizophrenie assoziiert und genetisch korrespondierende Mausmodelle zeigen Endophänotypen der Erkrankung. Mit Hilfe der Split-TEV-Technik haben wir einen zellbasierten Assay entwickelt und einen Screen zur Wiederverwertung zugelassener Substanzen durchgeführt, um nach Modulatoren des Neuregulin-ERBB4-Signalwegs zu suchen. Mit Spironolakton wurde eine Substanz aus diesem Drug Repurposing-Screen identifiziert, die den NRG1-ERBB4-Signalweg inhibieren und Schizophrenie-relevante Phänotypen in NRG1-transgenen Mäusen verbessern konnte. Aufgrund der vielversprechenden präklinischen Ergebnisse und der Tatsache, dass Spironolakton ein bereits zugelassenes und somit sicheres Medikament ist, wurde im Hause eine dreiarmige klinische Studie gestartet, bei der Spironolakton als Add-On-Therapie Schizophrenie-Patienten verabreicht wird (pers. Kommunikation mit P. Falkai, A. Hasan; www.stanleyresearch.org/13T-004/). Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse, dass zellbasierte Assays in Kombination mit Drug Repurposing-Screening eine Abkürzung der klassischen Medikamentenentwicklung darstellen und aussichtsreiche Therapieoptionen für psychiatrische Erkrankungen bieten können.



Abb.  2. Spironolakton ist ein Antagonist des NRG1-ERBB4-Signalweges und verbessert Schizophrenie-relevante Phänotypen im NRG1-Maus-Model. Mit Hilfe eines Split-TEV-Ko-kultur-Assays, der die Aktivität von ERBB4 abbilden kann (gemessen durch die NRG1-abhängige Interaktion zwischen aktiviertem ERBB4 und dem Adapter PIK3R1, Einsatz links oben), wurde in der NIH Clinical Collection, einer Substanz-Bibliothek von 729 zugelassenen Medikamenten, nach Modulatoren gesucht, die die Aktivität von ERBB4 senken. Als Top-Hit wurde Spironolakton identifiziert, das anhand verschiedener orthogonaler Assays validiert wurde (z.B. durch Biochemie und Elektrophysiologie sowie Verhaltensstudien, Einsatz rechts oben). Mechanistisch wird davon ausgegangen, dass NRG1-Mäuse, die mit Spironolakton behandelt wurden, eine Verbesserung des Erregungs-/Hemmungs-Gleichgewichts aufweisen.