Den verborgenen Zucker-Code von Krankheiten entschlüsseln
Mit dem Altern der europäischen Bevölkerung nimmt die Belastung durch Krankheiten mit ungedecktem medizinischem Bedarf weiter zu. Neurologische Erkrankungen wie die Parkinson-Krankheit erfordern ebenso wie Krebs, Diabetes und Entzündungskrankheiten innovative sowie kosteneffiziente therapeutische Strategien. Heparansulfat (HS)(öffnet in neuem Fenster) –Proteoglykane sind Proteine, die mit stark sulfatierten Polysacchariden bedeckt sind und auf der Oberfläche nahezu aller Säugetierzellen vorkommen. Durch die Bindung einer breiten Palette von Proteinliganden regulieren sie die Entwicklung, Angiogenese, Blutgerinnung sowie Tumormetastasierung. Veränderungen in der HS-Expression werden mit zahlreichen Krankheiten in Verbindung gebracht, unter anderem mit Krebs und der Parkinson-Krankheit. Die gezielte Bekämpfung dieser Moleküle erfordert ein besseres Verständnis von deren strukturellen Komplexität.
Überwindung eines technologischen Engpasses
Herkömmliche Analysemethoden können Informationen über die HS-Zusammensetzung liefern, lassen aber keine Rückschlüsse auf die genauen HS-Veränderungen zu. Das EU-finanzierte HS-SEQ(öffnet in neuem Fenster) –Projekt hat sich zum Ziel gesetzt, diese Einschränkung zu überwinden, indem eine integrierte Technologieplattform entwickelt wird, die in der Lage ist, Heparin und Heparansulfat zu sequenzieren. „Das Hauptziel bestand darin, die natürlichen HS-Codes zu definieren, die den biologischen Funktionen zugrunde liegen“, erklärt der Projektkoordinator Geert-Jan Boons. Um dies zu erreichen, brachte HS-SEQ ein interdisziplinäres Team von Fachleuten aus den Bereichen synthetische Chemie, analytische Chemie, physikalische Chemie, Neurobiologie und industrielle Umsetzung zusammen. Gemeinsam entwickelten sie eine Analyseplattform, die mehrere molekulare Eigenschaften gleichzeitig über verschiedene Technologien erfassen kann, einschließlich Massenspektrometrie(öffnet in neuem Fenster) und Infrarot-Ionenspektroskopie. Durch die Kombination dieser Messergebnisse in einem kontinuierlichen Arbeitsablauf kann die Plattform isomere Strukturen unterscheiden, die zuvor nicht unterscheidbar waren. Diese basiert auf einer Referenzdatenbank, die spektrale Signaturen mit spezifischen strukturellen Motiven verknüpft.
Maschinelles Lernen für komplexe Spektren
Zur Interpretation der komplexen HS-Infrarotspektren, die von der Analyseplattform erzeugt wurden, setzte das Konsortium einen Algorithmus für maschinelles Lernen ein. Anhand von etwa 20 Referenzspektren identifizierte das Modell das Sulfatierungsmuster korrekt. „Dies war ein wichtiger Meilenstein, da gezeigt wurde, dass die Methode HS-Sequenzen identifizieren kann, ohne für jede mögliche Struktur Referenzdaten zu benötigen“, betonte Konsortiumsmitglied Kevin Pagel von der Freien Universität Berlin.
Von der Sequenzierung zur Therapie
Über die analytische Innovation hinaus hat HS-SEQ therapeutische Anwendungen erforscht und sich dabei insbesondere auf die Parkinson-Krankheit konzentriert. Die Degeneration dopaminerger Neuronen im Mittelhirn ist ein wesentliches pathologisches Merkmal der Krankheit, und HS spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung von Signalwegen, welche die neuronale Differenzierung steuern. Anhand von Modellen menschlicher pluripotenter Stammzellen von Parkinson-Patienten untersuchte das Konsortium HS-bedingte Veränderungen in Struktur und Biosynthese sowie deren Rolle bei der neuronalen Entwicklung. Die Behandlung mit einem spezifischen Heparinmolekül erhöhte die Zahl der dopaminergen Neuronen, was auf eine mögliche Schutzwirkung hindeutet. Das Projekt entwickelte außerdem ein Antikörper-Instrumentarium zur Identifizierung von HS-Epitopen und untersuchte Struktur-Funktions-Beziehungen, die für die Arzneimittelentwicklung relevant sind.
Zukunftsperspektiven
Wie Boons darlegt: „Die Arbeit endet nicht mit dem Abschluss von HS-SEQ. Es gibt noch viel über HS zu lernen, und nun verfügen wir über die Instrumente, um seine Struktur und Funktion zu untersuchen.“ Das Konsortium will untersuchen, wie die verschiedenen Teile des Moleküls miteinander interagieren und welche Kräfte seine Struktur auf der grundlegendsten Ebene stabilisieren. Außerdemwerden sie die Wechselwirkungen von HS mit biologischen Partnermolekülen untersuchen. Aufbauend auf den Ergebnissen von HS-SEQ werden weitere Projekte in Angriff genommen, um diese offenen Fragen zu klären sowie den Ansatz auf neue biologische Systeme auszuweiten.
