Super-Resolution-Mikroskopie und NMR zeigen Arzneimittelwirkungen auf zellulärer und atomarer Ebene

Forscher setzten Super-Resolution-Mikroskopie ein, um das Krebsmedikament Sunitinib in lebenden Zellen zu verfolgen, und fanden heraus, dass es eine koordinierte Störung von Mitochondrien, Lysosomen und endoplasmatischem Retikulum auslöst, so eine in Biophotonics Discovery veröffentlichte Studie. Parallel dazu wird Festkörper-Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) eingesetzt, um atomare Strukturen formulierter Arzneimittelprodukte zu bestimmen und damit eine anhaltende Herausforderung im pharmazeutischen Formulierungsdesign anzugehen.

Sunitinib wird zur Behandlung mehrerer Krebsarten eingesetzt, darunter Nierenkrebs. Seine therapeutische Wirkung wurde traditionell mit seiner Fähigkeit in Verbindung gebracht, Enzyme zu hemmen, die das Tumorwachstum antreiben. Forscher der University of Cincinnati kombinierten Zellviabilitätstests mit strukturierter Beleuchtungsmikroskopie (SIM), einer Super-Resolution-Bildgebungstechnik, die Strukturen sichtbar machen kann, die mit herkömmlichen Lichtmikroskopen nicht klar zu erkennen sind. Da Sunitinib natürlicherweise fluoresziert, konnte das Team seine Bewegung in lebenden Zellen verfolgen, ohne es chemisch zu modifizieren. Statt sich nur darauf zu konzentrieren, ob Zellen die Behandlung überlebten, untersuchten die Forscher, wie das Medikament drei miteinander verbundene zelluläre Systeme beeinflusste: Lysosomen, die zelluläres Material recyceln; Mitochondrien, die Energie erzeugen; und das endoplasmatische Retikulum (ER), das bei der Produktion von Proteinen und der Regulierung der zellulären Signalübertragung hilft.

Das Team bestätigte zunächst, dass Sunitinib die Zellviabilität dosisabhängig reduzierte, wobei höhere Konzentrationen fortschreitend stärkeren Zelltod verursachten. SIM-Bildgebung zeigte, dass sich das Medikament hauptsächlich in Lysosomen konzentrierte, und die quantitative Analyse bestätigte eine deutlich stärkere Assoziation mit Lysosomen als mit Mitochondrien. Nach der Behandlung wurden gesunde mitochondriale Netzwerke zunehmend fragmentiert, wobei längliche Strukturen in kürzere, isolierte Segmente zerfielen. Die Zahl der Lysosomen nahm ab, während die verbleibenden Strukturen größer und unregelmäßiger in der Form wurden, was auf zunehmenden Stress im lysosomalen System bei steigenden Medikamentenkonzentrationen hindeutet. Das ER-Netzwerk, das in unbehandelten Zellen ein durchgehendes, sich über die gesamte Zelle erstreckendes Netzwerk bildete, zerfiel zunehmend in getrennte Fragmente. Topologische Analysen der ER-Konnektivität zeigten einen klaren, konzentrationsabhängigen Verlust der ER-Organisation.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Wirkungen von Sunitinib über die Enzymhemmung hinausgehen. Das Medikament scheint eine koordinierte Störung mehrerer zellulärer Systeme auszulösen, die letztlich zum Verlust der Zellfunktion und zum Zelltod beiträgt. Statt sich ausschließlich auf biochemische Messungen zu stützen, visualisierten die Forscher direkt, wie sich ein therapeutisches Molekül durch eine lebende Zelle bewegte und wie zelluläre Strukturen im Laufe der Zeit reagierten. Der Ansatz kombiniert optische Technik, Bildanalyse und Zellbiologie, um quantitative Messungen der Organellenarchitektur und -konnektivität zu liefern, und zeigt, wie moderne Super-Resolution-Bildgebung die Untersuchung des Arzneimittelverhaltens verändern kann, indem sie Wechselwirkungen sichtbar macht, die für die konventionelle Mikroskopie unsichtbar sind. Die Arbeit bietet einen detaillierten Blick auf das Arzneimittelverhalten auf mikroskopischer Ebene und unterstreicht die wachsende Rolle der optischen Bildgebung in der Arzneimittelentwicklung und im Zell-Engineering.

In einem separaten Forschungsansatz helfen Methoden der Festkörper-NMR-Spektroskopie, die an der Iowa State University und am Ames National Laboratory des US-Energieministeriums entwickelt wurden, dabei, „eine anhaltende Herausforderung in der pharmazeutischen Industrie“ zu lösen: die erfolgreiche Entwicklung von Formulierungen zur Verabreichung aktiver pharmazeutischer Wirkstoffe. In einem Experiment wurde eine winzige feste Arzneimittelprobe – mit aktiven und inaktiven Bestandteilen – in der National Magnetic Resonance Facility der University of Wisconsin-Madison mit 50.000 Umdrehungen pro Sekunde gedreht, während sie in einem Winkel von fast 55 Grad zum hohen Magnetfeld geneigt war – dem „magischen Winkel“. Die Position der Peaks in den resultierenden Spektren lieferte Hinweise auf die Struktur des festen Arzneimittels und half, die Position von Wasserstoff-, Sauerstoff- und Stickstoffatomen zu bestimmen. Festkörper-NMR-Spektroskopie kann eingesetzt werden, um die atomare Struktur von Materialien wie heterogenen Katalysatoren, Halbleitern der nächsten Generation und formulierten festen Arzneimitteln zu bestimmen.

NMR-Geräte verwenden supraleitende Magnete, die mit flüssigem Stickstoff und flüssigem Helium gekühlt werden, um Proben starken Magnetfeldern auszusetzen. Der Magnet im Iowa-State-Labor ist mit 9,4 Tesla ausgelegt, während das National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee, Florida, über ein 18,7 Millionen US-Dollar teures Instrument mit 35 Tesla verfügt. Das Magnetfeld des NMR-Geräts richtet die Atomkerne aus; Radiopulse stoßen die Kerne dann aus ihrer Ausrichtung, und das Gerät zeichnet diese Unterschiede auf. NMR-Werkzeuge sind „ein Eckpfeiler der modernen Forschung in der Wirkstoffentwicklung, bei nachhaltigen Energiematerialien und Quantensystemen“, so eine Zusammenfassung einer Podiumsdiskussion auf der Jahrestagung der American Association for the Advancement of Science.

Eine neue, dreijährige Studie über die Strukturen aktiver pharmazeutischer Wirkstoffe und kommerzieller Arzneimittelprodukte im Wert von 492.000 US-Dollar, die von der US-amerikanischen National Science Foundation unterstützt wird, entwickelt neue Methoden, um die Empfindlichkeit und Auflösung von NMR-Daten zu verbessern. Doktoranden und Studierende werden an dem Projekt beteiligt sein und lernen, Arzneimittelproben vorzubereiten, NMR-Experimente durchzuführen und Atomstrukturen computergestützt zu modellieren. Ein Bericht der National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine aus dem Jahr 2024 kam zu dem Schluss, dass die Vereinigten Staaten wieder ein Maß an Unterstützung für modernste NMR-Forschung etablieren müssen, das es den Labors in den USA ermöglicht, wieder eine Führungsposition in NMR-basierten Forschungsbereichen zu erlangen – das bedeutet mehr Instrumente, die ultrahohe Magnetfelder erzeugen, die die Auflösung schärfen und die gesammelten Daten verbessern.