Von einer kleinen Maus zu neuer Medizin – die Idee, die Entdeckung der molekularen Mechanismen und die Entwicklung des innovativen Wirkstoffs Denosumab.
Biomedizinische Grundlagenforschung ist absolut essenziell: Sie ermöglicht uns, überhaupt den nächsten Schritt in Richtung einer modernen Medizin gehen zu können. Ergebnisse der Grundlagenforschung sind sogenannte Drug Targets. Hier setzt die weiterführende Arzneimittelforschung an. Eine Arzneiklasse wird in Zukunft immer mehr an Bedeutung gewinnen: Biologika.
Die Evolution verstehen…
Biologika sind Medikamente, die biotechnologisch hergestellt werden und zum Ziel haben, gezielt in Vorgänge des menschlichen Körpers einzugreifen. Die Wissenschaftler bei uns am IMBA interessieren sich dafür, wie bestimmte Proteine bestimmte Erkrankungen beeinflussen oder die normale Physiologie bestimmen, also wie zum Beispiel ein Rezeptor funktioniert. Im Idealfall kann man Proteine direkt als Biologika anwenden, unter der Voraussetzung, dass diese Proteine selektiv wirken und sich somit als Medikament für ein spezifisches Problem eignen.
Vereinfacht gesagt: Man beobachtet, wie gewisse Vorgänge im Körper reguliert werden, und versucht, diese Prozesse nachzustellen.
daraus Erkenntnisse ziehen…
Die Entwicklung von Biologika basiert auf dem Verständnis der Funktion unseres Körpers auf der molekularen Ebene. In der Praxis ist der Schritt von der Identifizierung eines medizinischen Zieles (Target) zum marktreifen Medikament sehr aufwändig. Haben die Wissenschaftler potenzielle Targets identifiziert, müssen diese im nächsten Schritt validiert, also bestätigt, werden. Zuerst muss nachgewiesen werden, dass das Zielmolekül tatsächlich für die Krankheit von Bedeutung ist. Danach gilt es zu bestätigen, dass das Target auch als Kandidat für eine therapeutische Intervention in Frage kommt. Die Frage ist also: Lässt sich für dieses Target überhaupt ein sicheres und wirksames Medikament herstellen?
…und in die Praxis umzusetzen
Eines der wesentlichsten Probleme bei Biologika ist, sie in eine stabile Form zu bringen und möglichst lange Halbwertszeiten zu erreichen. Proteine sind sehr fragil, sie herzustellen erfordert ausgezeichnete Fachkenntnisse und viel Erfahrung.
Die Herstellung von Biologika ist also ein sehr aufwändiger Prozess, der, unter Einbindung von Genetik, Molekularbiologie, Mikrobiologie und Verfahrenstechnik für jeden Wirkstoff adaptiert und optimiert wird.
Der zweite Schritt der Target-Validierung erfolgt im Rahmen der präklinischen Phase der Medikamentenentwicklung, also bevor das Medikament am Menschen getestet wird.
Im Zuge der Validierung des Targets wird untersucht, ob der potentielle Wirkstoff auch Effekte auf die nicht erkrankten Zellen im Organismus hat – wenn etwa das Target-Molekül auch in Zellen des gesunden Gewebes vorkommt. Untersucht wird weiters, ob es zu unerwünschten Wirkungen kommt, ob das Immunsystem beeinflusst wird oder ob die Substanz toxisch auf den Organismus wirkt.
Kleine Maus bringt völlig neuen Ansatz
Am Ontario Cancer Institute stellte mein Forschungsteam 1999 in Kooperation mit dem Amgen Research Institute eine RANKL Knock-out-Maus her und legte damit die Grundlage für eine neue Generation von Osteoporose-Medikamenten.
Das Prinzip: In Analogie zum körpereigenen Osteoprotegerin blockiert ein Antikörper (Denosumab) den RANK-Ligand, verhindert damit die Bindung des Aktivators RANK und in der Folge die Bildung von Osteoklasten. Dies war ein völlig neuer und sehr wirkungsvoller Ansatz.
Ende der neunziger Jahre wurden von mehreren Arbeitsgruppen nahezu zeitgleich drei Faktoren beschrieben, die eine essenzielle Rolle in der Kontrolle des Knochenstoffwechsels spielen: die membranständigen Proteine RANK-Ligand (RANKL; Kong et al. 1999), der RANKL-Signalrezeptor RANK (Dougall et al. 1999) sowie der natürliche, lösliche Inhibitor („Abfangrezeptor“) von RANKL, Osteoprotegerin (OPG, Simonet et al.1997).
Die Funktion dieser Proteine wurde unter anderem durch die Generierung von genetisch veränderten Mäusen aufgeklärt. Mäuse, in denen OPG ausgeschaltet wurde, entwickelten frühzeitig Osteoporose (Bucay et al. 1998), wohingegen RANKL-Knockout-Mäusen sämtliche Osteoklasten fehlten (Kong et al.1999). Diese Arbeiten lieferten den ersten genetischen Beleg dafür, dass RANKL essenziell für die Knochenentwicklung ist und schlussendlich eine universelle Erklärungsmöglichkeit für verschiedenste Krankheiten darstellt, die mit Knochenschwund assoziiert sind (z.B. Asthma, Leukämie, lytische Knochenmetastasen, rheumatoide Arthritis, Periodontitis). Dadurch entstand das konzeptionelle Bild des Wechselspiels von RANKL, RANK und OPG, das Grundprinzip für die Entwicklung von Denosumab (Wright et al. 2009).
Kalziotrope Faktoren wie Vitamin D3 oder PTH (Parathormon) induzieren die Produktion von RANKL in Osteoblasten. RANKL bindet an RANK auf Osteoklasten-Vorläuferzellen und initiiert dabei in Gegenwart von „colony stimulating factor 1“ (Csf1) eine Signalkaskade, die zur Bildung, Reifung und Aktivierung von Osteoklasten führt. Um dem so induzierten Knochenabbau entgegenzuwirken, sekretieren Osteoblasten den natürlichen RANKL-Inhibitor OPG, der mit hoher Affinität an RANKL bindet und somit eine Interaktion mit RANK und damit auch das Signal für den Knochenabbau unterbindet (Leibbrandt & Penninger 2009).
Neben einer Reihe anderer Faktoren wird die Produktion von OPG im Organismus vor allem durch die Höhe des Sexualhormons Östrogen beeinflusst. Dies kann auch erklären, warum insbesondere Frauen in ihrem späteren Leben von Osteoporose betroffen sind: Bei (post-) menopausalen Frauen ist die Produktion von Östrogen reduziert bzw. eingeschränkt, wodurch weniger Östrogen und somit OPG produziert wird. Dadurch wird verstärkt RANKL gebildet und das Gleichgewicht zwischen Knochenaufbau und -abbau verschoben. Diese Verschiebung resultiert im verstärkten Knochenabbau und begünstigt die Entstehung von Osteoporose. Um der verstärkten Bildung und somit Wirkung von RANKL therapeutisch entgegenzuwirken, wurde Denosumab entwickelt. Denosumab übernimmt prinzipiell die Funktion von OPG und bindet hochspezifisch an RANKL, wodurch einer Bindung an den Signalrezeptor RANK bzw. einer verstärkten Aktivierung von Osteoklasten durch fehlendes OPG entgegenwirkt wird. Dabei bindet Denosumab nicht an andere Mitglieder aus der Familie der Tumornekrosefaktoren (TNF) wie TNFα, TNFβ, CD40L oder „TNF-related apoptosis-inducing ligand“ (TRAIL).“[1]
Was aber bedeutet das RANKL-RANK-System für die Behandlung der Osteoporose und darüber hinaus? Es gibt hundert Gründe für Knochenschwund – entweder im ganzen Körper oder lokal – aber das System RANKL und RANK wird immer durchlaufen. Es war ein wunderbarer Glücksfall, das zu entdecken. Damit kennen wir den zentralen Schalter, über den Osteoklasten angeschaltet werden. Man hat eine rationale Erklärung gewonnen, wie Erkrankungen oder Medikamente zu Knochenschwund führen können oder warum es nach der Menopause zu Knochenschwund kommt. Daher konnte man nun eine rationale Therapie entwickeln.
Kann das Ausschalten von Osteoklasten negative Folgen haben?
95 % der Erkrankungen, die mit Knochenschwund einhergehen, entstehen nicht, weil die Osteoblasten nicht mehr funktionieren, sondern weil die Osteoklasten zu aktiv sind. Deshalb hat es Sinn, die Osteoklasten abzuschalten und so das Gleichgewicht wieder herzustellen. Außerdem ist die Therapie mit Denosumab reversibel.
Warum kontrollieren Sexualhormone den Knochenumbau?
Ein weiteres interessantes Ergebnis unserer Forschung war die Erkenntnis, warum gerade Sexualhormone den Knochenumbau regulieren. Das scheint doch keinen Sinn zu machen – warum sollte die Evolution einen Menschen kreieren, dessen Knochenumbauprozesse unter die „Herrschaft“ eines Sexualhormons gestellt werden?
Nach der Menopause gibt es weniger Östrogene, deshalb weniger natürlichen RANKL-Inhibitor OPG (Osteoprotegerin). Folglich wird RANKL dominant und schaltet die Knochenfresszellen ständig an. Knochenschwund im Alter bei Frauen ist Teil der normalen Physiologie. Aber warum? Was ist der Sinn dahinter?
Mein Team entdeckte durch Zufall, dass RANKL auch die Milchproduktion in der Schwangerschaft kontrolliert. Die Nachkommen unserer RANKL Knock-out-Mäuse starben, bis wir schließlich die Ursache dafür fanden: Die Mäuse hatten keine Milch. Wir vermuteten, dass dahinter noch eine Funktion des RANKL-RANK-Systems stecken könnte, und behielten Recht: Sexualhormone aktivieren RANKL in Schwangeren. Dies fördert einerseits die Milchproduktion und gleichzeitig holt das System Kalzium aus den Knochen, indem Knochenfresszellen vermehrt aktiviert werden. Dies ist wichtig für die Kalzifizierung der Knochen des Embryos.
Blick in die Zukunft
Mit Denosumab besteht nun die Möglichkeit, verschiedene Knochenschwunderkrankungen bei hunderten Millionen Menschen zu behandeln, wie etwa Osteoporose, arthritische Deformationen, Zahnausfall oder Knochenmetastasen.
Was das RANKL-RANK-System betrifft, wird es in Zukunft noch ein paar sehr spannende Funktionen zu entdecken geben, wie sich ja jetzt schon zum Beispiel bei Brustkrebs gezeigt hat.
Generell hat sich die Wissenschaft in den vergangenen Jahren sehr verändert. Wissenschaft heißt nicht mehr, ein Experiment zu machen und dann schlicht zu einer Conclusio zu kommen. Wissenschaft heißt heute, dass viele Leute international vernetzt an Large-Scale-Projekten arbeiten und Systemgenetik betreiben. Es gibt neue Technologien, um ganze Genome in kürzester Zeit zu analysieren und herauszufinden, welche Gene welche physiologischen Prozesse oder welche Erkrankungen kontrollieren. Die Grundlagenforschung beschleunigt sich. Das ist es, was Wissenschaft derzeit vor allem kennzeichnet. Aber Wissenschaft ist immer von Technologien getrieben worden.
Dennoch bleibt der Mensch ein wichtiger Faktor: Es kommt darauf an, dass Wissenschaftler gute Ideen haben und welche Fragen sie stellen.
In gewissem Sinn passen Biologika zu dieser Beschleunigung der Grundlagenforschung, die derzeit stattfindet. Als ich nach Wien gekommen bin, haben wir eine kleine Firma gegründet. Ich hatte etliche Ideen für die Umsetzung unserer Forschungsergebnisse. Am schnellsten gelang ein Erfolg bei Biologika. Ein Protein zu machen, ist im Idealfall ein linearer Prozess. Dies ist uns gelungen und wir konnten ein stabiles Protein herstellen. Von den Vorteilen der spezifischen Wirkung und dem biologischen Ursprung einmal abgesehen – auch den Prozess der Medikamentenentwicklung betreffend werden wir von Biologika noch viel hören.
Quelle: Statement von Univ.-Prof. Dr. Josef Penninger, an der Amgen,Press.Academy.
[1] Wirkmechanismus, Univ.-Prof. Dr. Josef Penninger und Dr. Andreas Leibbrandt. In: ArzneimittelPROFIL Denosumab – Postmenopausale Osteoporose, November 2010
