Charakterisierung der Wechselwirkung niedermolekularer Kinase-Inhibitoren mit Membranen zum Verständnis ihrer spezifischen zellulären Effekte

• Antragsteller: Dr. Peter Müller; Privatdozent Dr. Holger A. Scheidt
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 412658577

Proteinkinasen gehören zu den wichtigsten Proteinfamilien, da sie über die Beeinflussung von Proteinfunktionen an der Regulation von nahezu allen biologischen Prozessen beteiligt sind. Aufgrund dieser zentralen physiologischen Bedeutung sind Mutationen bzw. Fehlregulationen von Proteinkinasen an der Entstehung vieler humaner Krankheiten beteiligt und sind daher ein in den letzten Jahren intensiv untersuchtes Ziel bei der Entwicklung von Wirkstoffen. Eine Strategie hierbei ist die Entwicklung von Kinasehemmern (small molecule protein kinase inhibitors), die zur Zeit vor allem in der Krebstherapie eingesetzt werden. Für die meisten dieser Wirkstoffe existieren klinische Daten sowie Untersuchungen zum Struktur-Aktivitäts-Zusammenhang. Darüber hinaus wurden verschiedene Wirkmechanismen beschrieben, um die Effekte der Wirkstoffe gegen Tumorzellen auf zellulärer Ebene zu verstehen. Es existieren jedoch kaum Daten zur Wechselwirkung dieser Moleküle mit Membranen insbesondere zur Rolle der Membranlipide. Dies ist überraschend, da die Plasmamembran die erste zelluläre Grenzfläche ist, mit der die Wirkstoffe wechselwirken, und davon ausgegangen werden kann, dass Membranen die Wirkung der Inhibitoren auf die zu beeinflussende Kinase bzw. auf off-targets beeinflussen. In diesem Projekt soll daher genau diese Wechselwirkung von small molecule protein kinase inhibitors mit Lipidmembranen untersucht werden. Die Auswahl der zu untersuchenden Wirkstoffe erfolgt auf der Grundlage ihrer unterschiedlichen chemischen Strukturen, die eine unterschiedliche Membranwechselwirkung vermuten lassen. Die Untersuchungen erfolgen an Lipidvesikeln und an Zellen mittels verschiedener biophysikalischer Methoden. Dazu wird neben dem Einfluss der Moleküle auf strukturelle und dynamische Eigenschaften der Lipidmembran, auch die Membranposition und -orientierung der Wirkstoffe untersucht. Experimente an Zellen sollen zeigen, inwieweit die an Modellmembranen gewonnen Erkenntnisse auf die physiologischen Verhältnisse übertragen werden können. Molekulardynamik-Simulationen werden das Verständnis der Wirkstoffwirkung auf atomistische Ebene erweitern.Das Projekt wird die Rolle von Membranlipiden bei der physiologischen Wirkung von small molecule protein kinase inhibitors beleuchten und die molekularen Prozesse der Wirkstoff-Membran-Wechselwirkung im Detail aufklären. Wir erwarten, dass die Ergebnisse (i) die Entwicklung molekularer Modelle der Wirkstoff-Membran-Wechselwirkung ermöglichen, (ii) die Grundlage geben für Modifizierungen der Molekülstruktur, mit dem Ziel der Wirkstoffoptimierung, und (iii) das Wissen über die zellulären Effekte der Wirkstoffe verbessern werden, welches zu einem fundierten Verständnis ihrer spezifischen Wirksamkeit gegen Krebszellen, sowie der über die Wechselwirkung mit off-targets verursachten Nebenwirkungen beitragen wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen