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Zuckersüß und richtig wichtig

VON ELISABETH MEMMEL UND JÜRGEN SEIBEL

Lange Zeit war die Bedeutung komplexer Zucker schwer einzuordnen - nun avancieren sie bei Diagnostik und Therapie lebensbedrohlicher Krankheiten zum Hoffnungsträger.

Zuckersüß und richtig wichtig© chilliflow - Fotolia.comZucker ist ein Sammelbegriff für alle süß schmeckenden Saccharide
Mit Zucker und seiner Wirkung auf unseren Körper kennt sich vermeintlich jeder aus: Zucker macht dick, ist schlecht für die Zähne und kann angeblich sogar süchtig machen. Allgemeinweisheiten lassen kaum ein gutes Haar an den Kohlenhydraten, manche Ernährungswissenschaftler wollen Zucker gar komplett aus unseren Küchen verbannen. Doch mit diesem Wissen kratzen wir nicht einmal an der Oberfläche dessen, was Zucker für unseren Körper und seine Gesundheit bedeuten. Oder wie es Ajit Varki, einer der führenden Kohlenhydratforscher, ausdrückt: "Zucker sind wie die dunkle Materie der Biologie". Wie in der Physik die bisher beobachtete Materie des Universums nicht alles ist, rücken in der Biologie neben DNA, RNA und Proteinen die Kohlenhydrate in den Fokus. In Anlehnung an Proteomics und Genomics entstand das Feld der Glycomis.

Etwa ein Prozent des menschlichen Genoms dient der Speicherung von Zuckersynthese- und Modifikationsplänen. Zuckerstrukturen kommen überall im Körper vor: Jede einzelne Zelle ist auf ihrer Oberfläche mit komplexen Kohlenhydraten besetzt. Die Zucker sitzen dabei in verzweigter Baumstruktur fest auf Proteinen oder Lipiden verankert und bilden die Glycokalix. Diese lässt sich unter dem Elektronenmikroskop sichtbar machen und hat eine unüberschaubare Menge von Aufgaben im Zusammenspiel der Zellen, sowohl körpereigener als auch fremder. So wurde im Jahr 1957 die molekulare Grundlage der Blutgruppenunverträglichkeit im A/B/0-System anhand kleiner Variationen im Zuckerdekor erklärt (Abbildung 1). Inzwischen gibt es Bestrebungen, die Blutgruppe 0 negativ künstlich zu erzeugen. 0 negativ ist für Transfusionen als Universalspender begehrt, allerdings tragen nur etwa sechs Prozent der Deutschen dieses Merkmal (vier Prozent weltweit). Dabei werden Blutkonserven mit Glycosidasen behandelt, welche die auf den Zellen sitzenden Zuckerbäume in Form schneiden (Abbildung 1).

Zuckersüß und richtig wichtig © Nachrichten aus der Chemie Abb. 1: Kohlenhydratstrukturen
Unser Immunsystem unterscheidet also auch aufgrund der Verzuckerung einer Oberfläche zwischen körpereigen und körperfremd. Deshalb schneiden Krankheitserreger wie Trypanosomen, die Erreger der Schlafkrankheit, mit Transsialidasen, die an ihrer Oberfläche lokalisiert sind, kleine Äste von den Zckerbäumen der sie umgebenden Zellen ab. Daraus bauen sie auf ihrer eigenen Oberfläche einen Tarnmantel auf, um das Immunsystem zu täuschen. Andere Erreger nutzen die süßen Zelloberflächen dagegen für den gezielten Angriff: Sie haben sich darauf spezialisiert, bestimmte Kohlenhydratstrukturen zu erkennen und an diesen kleben zu bleiben. Hierfür nutzen sie Adhäsine, also Proteine auf ihrer Oberfläche.

Obwohl jede einzelne dieser Kohlenhydrat-Protein-Wechselwirkungen schwach ist, sorgt Multivalenz - die Vielzahl an Bindungspartnern auf beiden Seiten - dafür, dass die Erreger sicher an den Zellen haften. Da das Zuckerdekor von Gewebe zu Gewebe und vor allem auch zwischen verschiedenen Arten variiert, finden die Erreger so ihr bevorzugtes Biotop zur Infektion. Escherichia coli etwa, ein Keim, den jeder Mensch milliardenfach als Nützling im Darm trägt, kann außerhalb seines Reviers schwere Infektionen verursachen. Das Bakterium besitzt drei Hauptadhäsine, die an der Spitze haarfeiner Auswüchse, den Pili, liegen. Diese erkennen Oligomannoside, Galabiose - ein Disaccharid aus zwei Galactoseeinheiten, die a-1,4-verknüpft sind - und Sialinsäuren. Je nach Ausstattung der Pili von E. coli können diese Bakterien harmlos sein oder aber Infektionen zum Beispiel im Harntrakt oder der Lunge sowie schwere Durchfallerkrankungen auslösen.

Zucker zur Diagnostik

Krankheitsverursacher identifizieren und dann im Labor zu bekämpfen, ist meist nicht trivial: Ein Isolat muss aufwendig in Kultur genommen und seine Identität durch langwierige und oft teure Tests bestimmt werden. Zudem entwickelten sich mit der Zeit antibiotikarestistente Stämme, die auf konventionelle Behandlungen nicht mehr ansprechen. Hier liefern die Glycomics neue Ansätze zur Erregerbestimmung und -bekämpfung. Der Fokus liegt dabei auf den Bindungsaffinitäten der Pathogene gegenüber Kohlenhydraten. Sobald bekannt ist, welche Vorlieben die Erreger haben, kann sie ein richtiger Köder gezielt aus komplexen Mischungen fischen und enttarnen. Zusätzlich lässt sich ihre Oberfläche mit dem entsprechenden Zucker so bedecken, dass keine Adhäsine mehr für die Anheftung an menschliche Zellen zur Verfügung stehen und sich die Pathogene abspülen lassen. Ausgehend von den natürlichen Bindungspartnern werden zudem höher affine Derivate entwickelt, welche die Erfolgsaussichten des Therapieansatzes vergrößern.

Mit dem Glycochip wurde eine Plattform entwickelt, welche die entsprechenden Forschungen möglich macht. Er besteht aus einer aktivierten Oberfläche - beispielsweise Glas oder Gold, die über eine chemische Reaktion mit den unterschiedlichsten Zuckern funktionalisierbar ist. Dazu werden winzige Mengen (im Nanoliterbereich) an Lösungen in Reihen eng beieinander aufgetropft (gespottet); dies geschieht entweder automatisiert durch Roboter oder manuell. Bei DNA-Arrays gehört eine solche Technik inzwischen zum Standardrepertoire. Mit geringem Materialbedarf an Kohlenhydraten imitiert der Glycochip eine einfache Zelloberfläche, auf der im Hochdurchsatzverfahren nach pathogenen Bindungspartnern gesucht werden kann. Das Consortium for Functional Glycomics (CFG) bietet inzwischen Version 5.1 eines Säugetier-Arrays an, der 610 verschiedene Kohlenhydratstrukturen präsentiert. Noch näher am natürlichen Vorbild einer Zelle sind zuckerbeschichtete Partikel einer Größe im Mikrometerbereich. Sie berücksichtigen zusätzlich die Krümmung der Oberfläche.

Haben Sie's gewusst?

  • Nicht nur DNA, RNA und Proteine erfüllen im menschlichen Körper wichtige Funktionen, sondern auch komplexe Kohlenhydratmotive.
  • Kohlenhydrate dienen in der Diagnostik als Biomarker zur Erkennung unterschiedlicher Erkrankungen von Infektionen bis hin zu Tumoren.
  • Optimierte Zuckerstrukturen wecken Hoffnung auf neue Therapieansätze für bisher nur schwer bekämpfbare Krankheiten.

Zur Analyse der an die Zucker gebundenen Strukturen steht eine Fülle von Möglichkeiten zur Verfügung. Werden fluoreszenzmarkierte Proben verwendet, lässt sich das Signal in einem Arrayreader durch Anregung des Farbstoffs detektieren und quantifizieren. Nach Inkubation der Oberfläche mit einem Erreger macht ein Lichtmikroskop diesen sichtbar. Alternativ gibt es für leitende Oberflächen massenspektrometrische Methoden (matrix assisted laser desorption ionisation, Maldi), bei denen Pathogene anhand ihres charakteristischen Fingerprints einer Vergleichsprobe zugeordnet werden können. Besonders einfach und ohne großen apparativen Aufwand durchzuführen sind Aggregationsassays. Ähnlich der Kreuzreaktion und der Verklumpung des Bluts beim Blutgruppentest sorgt dabei die Bindung von Erregern an beschichtete Partikel dafür, dass sie vernetzen und größere Aggregate bilden: Die zuvor klare Lösung trübt ein.

Um Infektionen zu bekämpfen, geraten auch die Zuckerstrukturen auf den Erregern selbst ins Visier. Viele Pathogene bedienen sich beim Aufbau ihrer eigenen Kohlenhydratmuster aus einem anderen Baukasten als der Mensch und verwenden teilweise einzigartige Monosaccharide. So reagiert das menschliche Immunsystem oft sehr stark auf diese kleinen Motive, die es als körperfremd wahrnimmt und deshalb entsprechende Antikörper bildet. Der Nachweis einer Erkrankung gelingt zum Beispiel mit Glycochips. Dazu wird die mit Erregerkohlenhydraten bestückte Oberfläche Blut-, Serum- oder anderen Patientenproben ausgesetzt und eine erfolgte Antikörperbindung detektiert. Sind spezifische Antikörper vorhanden, belegt dies die Infektion.

Zucker als Impfstoff

Zucker regen als Immunogene das Immunsystem an, Antikörper zu bilden. Kohlenhydrate sind zwar sehr spezifisch, für sich allein genommen aber meist zu klein, um eine ausreichend starke Immunantwort zu erzeugen. Bei der Vakzinentwicklung kommen daher bevorzugt Glycokonjugate zum Einsatz. Diese sind ausreichend groß und können zudem ein Kohlenhydratmotiv mehrfach auf einem Partikel präsentieren. Ein solcher Impfstoff ist bereits zugelassen, er besteht aus einem Kapselpolysaccharid der Lungenentzündungen verursachenden Pneumokokken. Große Hoffnungen liegen auch auf der Entwicklung von Vakzinen gegen Tropenkrankheiten wie Malaria und gegen multiresistente Krankenhauskeime.

Zuckersüß und richtig wichtig © Nachrichten aus der Chemie Abb. 2: Metabolic Glycoengineering

Metabolic Glycoengineering

Auch ohne Pathogene entstehen Krebs sowie degenerative und Autoimmunerkrankungen. Geringe Änderungen im Kohlenhydratmuster haben hier oft einen entscheidenden Einfluss. Die Zellen des menschlichen Körpers tauschen stetig Informationen miteinander aus und die präsentierten Oberflächenstrukturen regulieren diese Vorgänge. Hierbei spielen komplexe Kohlenhydrate als Erkennungsmotive eine wichtige Rolle. Die Glycokalix zeigt sich dabei als äußerst dynamisches System: Die Zucker strukturen werden im Verlauf weniger Stunden weitgehend neu aufgebaut. Dabei werden vorhandene Glycoproteine und lipide internalisiert und degradiert, während gleichzeitig neu synthetisierte Konjugate an die Oberfläche gelangen. Metabolic Glycoengineering weist diese nicht direkt sichtbaren Prozesse nach.

Dabei werden synthetisch hergestellte Monosaccharide zugeführt, die eine kleine bioorthogonale Seitenkette tragen - meist ein Azid oder Alkin. Dies gelingt in vitro, wurde aber auch in vivo mit Tieren wie Zebrafischen und Mäusen gezeigt. Die Organismen akzeptieren diese Veränderung meist ohne Probleme und verwenden die markierten Zucker in ihrem Stoffwechsel, so dass die unnatürliche Funktionalität auch in den Kohlenhydratmotiven der Zelloberfläche auftaucht. Eine Klick-Reaktion - meist eine Huisgen-Sharpless-Cycloaddition von Azid und Alkin zum Triazol - knüpft dann ein funktionalisiertes Markermolekül kovalent an, etwa einen Fluoreszenzfarbstoff. Wird diese Markierung mit verschiedenen Farbstoffen im Abstand einiger Stunden durchgeführt, ist zu beobachten, wie die Intensität des zuerst verwendeten Farbstoffs abnimmt und an seiner Stelle die später geklickten Farben auftauchen. Staphylococcusaureus-Bakterien, deren Oberfläche durch das Metabolic Glycoengineering verändert wurde, adhärieren schwächer an humane Zellen.

Störungen im Aufbau und in der Verteilung der Oberflächenmotive manifestieren sich häufig in schweren Erkrankungen; umgekehrt sind krankhafte Veränderungen im Körper meist bereits im Frühstadium anhand eines Glycosylierungsmusters erkennbar, das vom Normalzustand abweicht. Dies gilt insbesondere für Tumorerkrankungen. Viele Krebszellen umgeben sich mit völlig neuen Oberflächen, besonders häufig sind dabei hohe Sialinsäureanteile, also Zucker, die in meist endständiger Position der Oligosaccharidbäume sitzen. Anhand eines Vergleichs der Oberflächenverzuckerung lassen sich also Aussagen darüber treffen, ob ein Tumor vorhanden ist, wie invasiv er ist und wie sehr er dazu neigt, Metastasen zu bilden. Das Glycom eignet sich damit als Biomarker. Der Nachweis einer Veränderung gelingt sowohl aus Biopsiematerial wie auch aus Blut- und Urinproben.

Zuckerbindende Proteine - Targets gegen Krebs

Doch nicht nur die Zuckermotive ändern sich, wenn aus einer gesunden eine Krebszelle wird. Auch ihr Gegenpart, kohlenhydratbindende Proteine wie die Galectine, zeigen häufig Auffälligkeiten. Im Normalfall vermitteln sie wichtige Signale der Zell-Zell-Kommunikation, bei Überexpression im Tumorgewebe kommt es zu fatalen Fehlsteuerungen wie ausgedehnter Progression des krankhaften Gewebes, Metastasierung und Störung des natürlichen Abwehrsystems des Körpers über Makrophagen und Helferzellen. Hier sollen maßgeschneiderte, im Gegensatz zu den natürlichen Liganden deutlich affinere Zuckerstrukturen helfen. Sie besetzen die Kohlenhydraterkennungsdomäne des Proteins, kappen dadurch die gestörte Kommunikationsleitung und dämmen potenziell die Ausbreitung des Tumors ein. Erste klinische Studien belegen den Erfolg von Galectin-Inhibitoren.

Zucker als Immunostimulantien

Oligosaccharide wirken immunstimulierend auf humane Zellen. Dieser Zusammenhang wurde seit Längerem vermutet und ist seit Kurzem nachgewiesen. Die Zugabe von Zuckern wie Malto- und Fructooligosacchariden erhöht die Expression von Zytokinen wie dem Toll-like-Rezeptor. Solche komplexen Saccharide, aber auch die für die Assays, Glycochips und Nachweise benötigten Strukturen erfordern bisher einen hohen synthetischen Aufwand, sowohl zeitlich wie auch beim Materialverbrauch.

Da Kohlenhydrate sehr viele nahezu äquivalente reaktive Alkoholfunktionen in einem Molekül vereinen und ihre Verknüpfung zu baumartigen Strukturen über jede dieser OH-Gruppen möglich ist, sind ausgereifte Schutzgruppenstrategien nötig. Damit verbunden sind neben den eigentlichen Verknüpfungsreaktionen zahlreiche zusätzliche Syntheseschritte.

Alternativ sind enzymatische Reaktionen in den Sequenzen einsetzbar. Diese führen nahezu ohne Nebenprodukte zu einem definierten Produkt - auch ohne Schutzgruppen. Allerdings besitzen kohlenhydratumsetzende Enzyme meist eine enge Substratspezifität; für viele Zuckerübertragungsreaktionen ließen sich zudem bisher keine stabilen Enzyme isolieren. Auch die Isolierung von Glycostrukturen aus natürlichen Quellen ist auf Dauer nicht praktikabel: Unter hohem analytischen Aufwand lassen sich meist nur geringe Mengen der gewünschten Moleküle gewinnen. Einen Zugang zu den benötigten Mengen der komplexen Kohlenhydrate bieten automatisierte Synthesen, wie sie für Proteine und DNA-Sequenzen standardmäßig und kommerziell erhältlich sind. Nach einem ähnlichen Prinzip sollen Synthesizer an der festen Phase aus passend vorfunktionalisierten Monosaccharidbausteinen über Nacht beliebige Strukturen darstellen.

Ausblick

Unsere Kenntnisse über die vielfältigen Funktionen der Kohlenhydrate in unserem Körper sind noch sehr begrenzt. Neue Synthesestrategien und die Erweiterung der Arraytechniken versprechen allerdings bereits jetzt eine vielfältige Anwendbarkeit von Zuckern in der Medizin. Kohlenhydrate erobern sich so langsam den ihnen zustehenden Platz im Fokus der Biologie.


Über die Autoren
Elisabeth Memmel ist Doktorandin an der Universität Würzburg im Arbeitskreis von Jürgen Seibel. Sie ist Stipendiatin des Bayerischen Elitenetzwerks. Memmel studierte Chemie in Würzburg und arbeitet seit November 2009 an ihrer Dissertation zum Thema "Antiinfektiva auf Kohlenhydratbasis".

Jürgen Seibel ist Professor für organische Chemie an der Universität Würzburg. Er studierte Chemie in Göttingen und promovierte dort im Jahr 2000. Nach einem Postdoc-Aufenthalt an der Universität Oxford im Arbeitskreis von Chris Schofield habilitierte er sich in bioorganischer Chemie an der Universität Braunschweig im Jahr 2006; 2009 folgte er dem Ruf nach Würzburg. 2008 erhielt er den Jochen-Block-Preis der Dechema und 2012 den DuPont Young Professor Award. Zu seinen Hauptarbeitsgebieten gehören die Entwicklung chemischer und enzymatischer Synthesen, Biokatalyse, Protein Engineering, Drug Delivery und Glycosciences.

Aus Nachrichten aus der Chemie» :: Dezember 2013