Technik macht sichtbar wohin Medikamente im Körper gelangen

Wohin gelangt ein Medikament im Körper? Bei den meisten Medikamenten können Wissenschaftler diese Frage nur mit fundierten Vermutungen beantworten. Traditionelle Methoden messen zwar die Konzentration eines Medikaments in Organen wie der Leber, aber sie können nicht genau bestimmen, an welche Zellen das Medikament bindet – oder unerwartete Wirkungsorte aufdecken.

„Normalerweise haben wir so gut wie keine Ahnung, wie ein Medikament, nachdem es in den Körper gelangt ist, tatsächlich mit seinem Zielmolekül interagiert“, sagt Professor Li Ye, Inhaber des N. Paul Whittier-Lehrstuhls am Scripps Research Institute und Forscher am Howard Hughes Medical Institute. „Es war bis jetzt eine Blackbox.“

Ye und Kollegen haben eine bahnbrechende Bildgebungstechnik entwickelt, die die einzelnen Zellen sichtbar macht, an die Medikamente im gesamten Körper einer Maus binden. In einer heute in Cell veröffentlichten Studie nutzten sie ihre Methode – genannt vCATCH – um zwei häufig verschriebene Krebsmedikamente zu kartieren. Die Ergebnisse zeigten, dass eines der Medikamente unerwarteterweise im Herzen und in den Blutgefäßen bindet, was möglicherweise seine kardiovaskulären Risiken erklärt. Die Anwendung dieses Ansatzes zur Untersuchung der Bindungsstellen neuer Medikamente während der Entwicklungsphase könnte dazu beitragen, solche Risiken zu minimieren.

Klinische Studien zeigen, ob ein Medikament bei der Behandlung einer Krankheit wirksam ist und welche Nebenwirkungen häufig auftreten. Bisher war es jedoch unmöglich zu ermitteln, was genau das Medikament in jeder einzelnen Körperzelle bewirkt. Frühere Methoden zur Wirkstoffverfolgung basierten entweder auf der Zerkleinerung von Gewebeproben für die Analyse oder auf wenig auflösenden Verfahren wie der radioaktiven Bildgebung. In beiden Fällen konnten Forscher nur grob abschätzen, in welche Organe ein Medikament wanderte, nicht aber, in welche Zellen genau.

Im Jahr 2022 stellte Yes Labor CATCH vor : eine Methode, um genau jene Zellen sichtbar zu machen, an denen Medikamente an der Oberfläche von Organen wie dem Gehirn binden. In der neuen Arbeit skalierten sie diesen Ansatz, sodass er überall funktioniert, auch tief im Inneren größerer Organe wie Gehirn, Herz und Lunge.

Die CATCH-Methode funktioniert mit kovalenten Wirkstoffen, also Medikamenten, die dauerhafte Bindungen mit ihren Zielmolekülen eingehen. Wissenschaftler fügen diesen Wirkstoffen vor der Injektion in Mäuse eine kleine chemische Gruppe hinzu. Die Wirkstoffe binden dann wie gewohnt, und nach der Gewebeentnahme behandeln die Forscher diese mit einem Fluoreszenzfarbstoff und einem Kupfermolekül. Dieses ermöglicht eine schnelle chemische Reaktion, bei der der Farbstoff an die chemische Gruppe des Wirkstoffs angefügt wird. So lässt sich feststellen, wo sich jedes einzelne Wirkstoffmolekül befindet. Diese hochselektive „Click-Chemie“-Reaktion, bei der Chemikalien wie Legosteine zusammengefügt werden, wurde am Scripps Research Institute von K. Barry Sharpless, dem WM Keck Professor für Chemie, entwickelt, der für diese Erfindung 2022 den Nobelpreis für Chemie erhielt.