Speziell ausgebildete Arbeitsgruppe hilft bei der Weiterentwicklung photodynamischer Behandlungen
Tetrapyrrole sind eine Gruppe aktiver chemischer Verbindungen, die aus vier ringförmigen kleineren Verbindungen namens Pyrrolen bestehen. Bei den Behandlungen wird ausgenutzt, wie diese Moleküle auf Licht und Sauerstoff reagieren. Doch bevor diese Behandlung breite Anwendung findet, müssen einige Probleme gelöst werden. „Tetrapyrrole sind nicht sehr löslich, sie erweisen sich im Körper als problematisch, ihre Lichtabsorption ist nicht immer medizinisch optimal und ihre Synthese kann schwierig sein“, erklärt Stéphanie Lhez, Koordinatorin des Projekts POLYTHEA, das mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführt wird. POLYTHEA wurde eingerichtet, um die Wechselwirkungen zwischen Photosensibilatoren und Licht zu maximieren, das Anvisieren von Krebszellen und Bakterien zu verbessern und die aktiven Photosensibilatorverbindungen in vivo und in vitro zu visualisieren. In diesem Sinne hat POLYTHEA eine Arbeitsgruppe aus jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern zu Verfahren aus verschiedenen Disziplinen ausgebildet. Bisher wurden über das Projekt 40 Arbeiten veröffentlicht, darunter eine Sonderausgabe im „Journal of Porphyrins and Phthalocyanines“.
Aufbau eines Sachverständigennetzwerks
Wenn Tetrapyrrole bei vorhandenem Sauerstoff sichtbares Licht absorbieren, können hochreaktive Chemikalien namens reaktive Sauerstoffspezies entstehen. Diese wiederum lösen die Oxidation in Biomolekülen – wie Nukleinsäuren, Lipiden und Proteinen – aus und führen zum Zelltod. Somit sind Tetrapyrrole in der Medizin von großem Interesse, denn mit ihnen können Bakterien oder Krebszellen durch photodynamische Behandlungen anvisiert werden, die diesen Prozess ausnutzen. Doch diese Arbeit benötigt Sachverständige aus verschiedenen Disziplinen wie: organischer und physikalischer Chemie, Biologie und Mikrobiologie sowie Photophysik und Optik. „Eine Person kann nicht auf all diese Gebiete spezialisiert sein, doch sie sollten in diesen Bereichen arbeiten können und die Anforderungen der einzelnen Behandlungselemente verstehen“, merkt Lhez von der Universität Limoges, dem Projektträger, an. POLYTHEA bildete zehn Nachwuchsforschende aus neun europäischen Ländern in zwei Bereichen aus – Chemie/Biologie oder Biologie/Photophysik oder Chemie/Photophysik. Darüber hinaus wurden die Grundlagen im jeweils dritten Gebiet vermittelt. Die Forschenden wurden auch an nichtakademische Partner vermittelt, damit sie Erfahrung zu industriellen Herausforderungen sammeln und ihre technische Expertise ausweiten können.
Konzeptnachweis
Neben anderen Lösungen hat das Team eine Plattform auf der Grundlage von Verbindungen biologischer Herkunft wie Zellulose, Chitosan und Lignin entwickelt, über die insbesondere Photosensibilatoren in einem biologischen Medium geboten werden können. Auch wichtige Arbeit in der organischen Chemie förderte die Wechselwirkung der Photosensibilatoren mit Licht, zum Beispiel über Infrarot, um den Anregungszustand herbeizuführen, der für reaktive Sauerstoffspezies notwendig ist. Neu erkannte und untersuchte tetrapyrrolische Verbindungen könnten das Anvisieren tiefer Krebszellen verbessern. Ein Beispiel ist die Porphyrin-Cyanid-Dyade, die spannende Wechselwirkungen mit Licht aufweist. Trotz der COVID-19-Pandemie konnten die meisten POLYTHEA-Forschenden ihren Behandlungsbereich über In-vitro-Experimente verfeinern, zwei von ihnen setzten In-vivo-Visualisierungen um. Auch präklinische Studien mit Mausmodellen wurden durchgeführt, unter anderem zur Auswirkung der Photosensitibilatoren auf Melanome und Kolonkarzinome sowie zu radioaktiv markierten Molekülen als theranostische Agenten. „COVID-19 hat zwar einige Experimente eingeschränkt, doch wir konnten das grundlegende Verständnis der molekularen Mechanismen der photodynamischen Behandlungen ausweiten. Wir haben auch neue synthetische Pfade und Materialien biologischen Ursprungs entwickelt, damit unsere Systeme besser zum menschlichen Körper passen“, ergänzt Lhez.
Übers Ziel hinaus
Tetrapyrrolische Photosensibilatoren werden bereits in photodynamischen Therapien zur Behandlung von Krebs und Hauterkrankungen wie Akne sowie bei der photo-antimikrobiellen Chemotherapie eingesetzt. Doch die Forschung und Ausbildung zur photodynamischen Therapie in Europa ist noch fragmentiert, sodass der disziplinübergreifende Ansatz von POLYTHEA die Expertise in dem Gebiet konsolidieren kann. „Wir sind überzeugt, dass unsere Arbeit den Forschungsgemeinschaften helfen wird, neue Therapien zu entwickeln, die weniger invasiv sind und geringere Nebenwirkungen auslösen“, schließt Lhez.
Schlüsselbegriffe
POLYTHEA, Krebs, bakteriell, Infektion, Tetrapyrrole, Photosensibilatoren, Verbindungen, Licht
