Die Schmerzen in die Schranken weisen
Translationale Forscher am MDC und ihre Kollegen weltweit motiviert eine gemeinsames Ziel: Sie möchten die grundlegenden Prozesse in Zellen und Organismen genau verstehen und so neue therapeutische Behandlungsansätze entwickeln. Professor Gary Lewin und sein Laborteam widmeten sich über zehn Jahre lang den Mechanismen, die einer besonders schweren Schmerzform zugrunde liegen. Wie Puzzleteile setzten sie ihre Erkenntnisse zu einem Bild zusammen und entwickelten auf dieser Grundlage einen Wirkstoff, der bei Mäusen Erfolge zeigte und eines Tages auch an Menschen getestet werden könnte. Der entsprechende Artikel erscheint am 12. Dezember in Nature Neuroscience.
Stellen Sie sich vor, Sie würden schon bei der leichtesten Berührung qualvolle Schmerzen empfinden. Viele Menschen leiden unter dieser Art von neuropathischen Schmerzen, die durch Nervenverletzungen oder Erkrankungen wie die Diabetes verursacht werden können. Möglicherweise sind diese Berührungsschmerzen auch ein Grund für das starke Unbehagen, das viele autistische Kinder beim Anziehen empfinden: Ihre Haut ist so sensibel, dass schon die Reibung von Stoff für sie kaum zu ertragen ist.
Jahrelang hat sich das Forscherteam um Professor Gary Lewin der Frage gewidmet, wie aus der Wahrnehmung einer leichten Berührung ein intensives Schmerzerlebnis wird. Beteiligt an beiden Empfindungen sind so genannte Mechanorezeptoren: Nervenzellen, deren verzweigte Enden sich in der Haut befinden und Bewegungen der Haut detektieren. Hierbei öffnen sich Ionenkanäle, porenartige Ventile in der Nervenmembran, durch die elektrisch geladene Teilchen (Ionen) passieren können. Durch den Eintritt der Ionen ändert sich die elektrische Ladung der Zelle – sie wird zu einer Art biologischer Batterie und löst ein elektrisches Signal aus, das sich durch die Zelle hindurch bis zum Rückenmark bewegt, wo es die nächste Nervenzelle stimuliert und ein ähnliches Signal auslöst, das zum Gehirn übertragen wird.
Ähnlich lässt sich die Aktivität vieler Sinnesnerven beschreiben. Unklar bleibt dabei jedoch, wie eine leichte Berührung derart heftige Schmerzen hervorrufen kann. Ohne dieses Wissen muss die Schmerzbehandlung unspezifisch bleiben. „Neben Antikonvulsiva oder tricyclischen Antidepressiva setzen medikamentöse Therapie neuropathischer Schmerzen derzeit auf Anästhetika, die die Nerven komplett ausschalten“, erklärt Prof. Lewin. „Das lindert zwar den Schmerz, verhindert jedoch auch, dass wichtige Signale weitergeleitet werden.“
Die unerforschte Landschaft der Nervenoberfläche
Ideal wäre es, wenn man den Schmerz unterdrücken könnte, ohne die anderen Signale der Nerven in der Haut zu stören. Hierfür jedoch müsste man wissen, welche Mechanismen den Schmerz verursachen. Dieses Problem nahmen Dr. Kathryn Poole, Dr. Christiane Wetzel und weitere Mitglieder von Prof. Lewins Team vor mehreren Jahren ins Visier. Ihr aktueller Artikel zeigt, wie weit sie inzwischen gekommen sind, denn zu Beginn ihrer Untersuchungen war so gut wie nichts darüber bekannt, wie genau Mechanorezeptoren sehr leichte Berührungen wahrnehmen.
Eine menschliche Zelle kann bis zu 300 der oben beschriebenen Ionenkanäle öffnen. Für das Forscherteam gab es keine einfache und direkte Methode, sie alle zu überprüfen, um den „schuldigen“ Kanal zu finden. Doch die Wissenschaftler hatten eine Idee, wie sie das Problem auf andere Weise lösen könnten. Die meisten Ionenkanäle benötigen Unterstützung durch andere Membranproteine, die ihren Aufbau ändern, wenn sie stimuliert werden. In einigen Fällen befinden sie sich direkt am Ionenkanal und öffnen ihn mechanisch, in anderen Fällen läuft dieser Prozess indirekt über weitere Proteine ab. Durch ein solches Protein, so die Überlegung, könnten die Forscher das Verhalten des verantwortlichen Ionenkanals beeinflussen – auch ohne genau zu wissen, welcher das ist.
Prof. Lewins Team hatte bereits erkannt, dass der Membranproteintyp Stomatin die Öffnung von Kanälen in den Mechanorezeptoren zu ermöglichen schien. Im Laufe der Evolution haben sich bei Tieren wie Mäusen und Menschen fünf Stomatintypen herausgebildet. Einer davon steuert den Ionenkanal, über den leichte Berührungen wahrgenommen werden. Das Laborteam begann mit der Entwicklung von Mäusestämmen, bei denen sich bestimmte Stomatin-Proteine deaktivieren ließen.
Die Untersuchungen an einem dieser Mäusestämme führte 2007 zur Veröffentlichung eines wichtigen Artikels in der Fachzeitschrift Nature. Christiane Wetzel, ebenfalls Mitglied des Forscherteams, leitete die Analyse von Mäusen mit deaktiviertem Protein STOML3 (Stomatin-ähnliches Protein 3). Durch die Deaktivierung konnte bei etwa einem Drittel der Mechanorezeptoren in der Haut die Erzeugung eines Signals für leichte Berührung unterbrochen werden. Erleidet die Maus eine Nervenverletzung, können sich in der Folge so genannte neuropathische Schmerzen entwickeln, und die Maus erlebt Berührungen als Schmerz. Unter diesen neuropathischen Schmerzen leiden auch viele Patienten. Ohne funktionierendes STOML3 jedoch blieben den Tieren die stärksten Berührungsschmerzen erspart. Dies deutet darauf hin, dass Schmerzempfinden bei leichten Berührungen unter anderem davon abhängt, wie STOML3 die Ionenkanäle moduliert, durch die diese Berührungen wahrgenommen werden.
„Dies hat potenziell bedeutende Auswirkungen auf die Entwicklung einer Schmerztherapie“, so Prof. Lewin. „Es bedeutet, dass sich neuropathische Schmerzen vielleicht schon durch die Unterdrückung von STOML3 ausschalten lassen.“
Anhängliche Stomatine trennen
2014 kam dieser Ansatz dem Erfolg einen großen Schritt näher, als es dem Forscherteam um Prof. Ardem Patapoutian am Scripps Research Institute im kalifornischen La Jolla gelang, den schwer fassbaren Ionenkanal zu identifizieren: Es handelt sich um das Protein Piezo2. Weitere Untersuchungen ergaben, dass dieser Ionenkanal sogar eine noch größere Rolle spielt. Er ist nicht nur an der Kodierung weiterer Berührungsmodalitäten beteiligt, sondern hat einen entscheidenden Einfluss auf die Propriozeption, d.h. den Sinn für Lage und Stellung einzelner Körperteile zueinander.
„Damit erkannten wir, dass jede Behandlung, die auf den Ionenkanal abzielt, zwar den Schmerz stoppen, aber möglicherweise auch dieses andere, sehr wichtige Sinnessystem stören könnte“, erklärt Prof. Lewin. Und STOML3? „Soweit wir wussten, beschränkte sich seine Funktion auf die Wahrnehmung leichter Berührungen und Verletzungsschmerzen. Damit war es ein sehr viel aussichtsreicherer Ansatzpunkt für die Schmerzbehandlung.“
Die Forscher konzentrierten sich nun darauf, eine Möglichkeit zu finden, die ionenkanalbezogenen Funktionen des Moleküls zu unterdrücken. In der gemeinsam vom MDC und dem benachbarten Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie betriebenen Screening-Unit hatte Dr. Poole bereits mit dem Aufbau von Testreihen begonnen. Die Einrichtung verfügt über eine umfassende Moleküldatenbank, die in Zusammenarbeit mit anderen Instituten und Pharmaunternehmen bestückt wurde. Dr. Jens Peter von Kries und sein Team von der Screening-Unit unterstützten die Forscher beim Design eines Tests für STOML3-Inhibitoren.
Dabei versprach besonders ein Aspekt des Molekülverhaltens hilfreich zu sein: „Normalerweise bilden Kopien von Stomatin-Proteinen Cluster von zwei oder mehr Molekülen, um ihre Funktionen zu erfüllen“, so Prof. Lewin. „Im Vorfeld ließ sich nicht sagen, welcher Stoff hier erfolgreich sein könnte, also setzten wir letztendlich 35.000 verschiedene niedermolekulare Verbindungen ein.“
Für eine so große Anzahl von Experimenten mussten die Forscher ein Testdesign entwickeln, bei dem die Ergebnisse automatisch durch den Computer ausgewertet werden konnten. Das bedeutete, dass sie eine einfache Möglichkeit finden mussten, um zwischen Zellen mit Stomatin-Clusterbildung und solchen zu unterscheiden, bei denen die Clusterbildung durch den Inhibitor verhindert wurde. Dr. Poole löste dieses Problem, indem sie Molekülversionen entwickelte, die sie mit einem fluoreszierenden Marker versah. Ein STOML3-Molekülpaar sendete ein helleres Signal aus als ein Einzelmolekül, und je mehr Kopien sich zusammenschlossen, desto heller wurde das Signal, das durch automatisierte Analysen messbar war.
Das erste Screening ergab 21 Stoffe, die als Inhibitoren die Clusterbildung verhinderten. Zwei dieser Stoffe bestanden eine weitere Testreihe mit strengeren Kontrollen. Eine der Substanzen, der die Forscher den Namen Oligomerization Blocker 1 (OB‑1) gaben, hemmte nicht nur sehr wirksam STOML3, sondern auch weitere Stomatine. Nachdem diese Ergebnisse an Mäuseversionen der Proteine verifiziert wurden, wiederholten die Wissenschaftler das Experiment in Zellen, die mit menschlichen Proteinen bestückt waren. Auch bei der menschlichen Proteinversion erwies sich die Substanz als äußerst wirkungsvoll.
Von Mäusen und Menschen
Weitere Experimente bestätigten, dass der Ionenkanal geschlossen bleibt, wenn STOML3 keine Cluster bilden kann. Prof. Lewins Team führte exakte Messungen des elektrochemischen Signals durch, das die mit OB‑1 behandelten Mechanorezeptoren aussendeten. Der Stoff wirkte exakt so, wie die Forscher gehofft hatten: Er blockierte die Signale, die durch mechanische Stimuli ausgelöst wurden, ohne anders ausgelöste Signale zu behindern.
Nach diesen Voruntersuchungen war die Zeit reif, den Wirkstoff an Mäusen zu testen. „Das Team aus James Poulets Labor half uns beim Design einer Reihe sehr eleganter Verhaltensexperimente, bei denen die Tiere gewissermaßen mit uns ‚sprechen‘ konnten“, so Prof. Lewin. „Es wurde jeweils eine kleine Menge der Substanz in die Pfote injiziert. Dann wurde die Pfote leicht berührt. Die Maus bekam eine Belohnung, wenn sie den Berührungsstimulus richtig erkannte.“
Dabei zeigte sich, dass die Mäuse, die mit OB‑1 behandelt wurden, das Antippen nicht spürten, ohne dass jedoch andere Arten der Wahrnehmung beeinträchtigt waren. Nach einiger Zeit ließ die Wirkung der Substanz nach und die Berührungsempfindlichkeit der Tiere stieg zurück auf das Normalmaß. Damit hatte OB‑1 die wichtigsten Kriterien für ein mögliches Therapeutikum erfüllt.
„Die Ergebnisse sind aus vielen Gründen ermutigend“, erklärt Prof. Lewin. „Wir haben damit eine neue Therapiestrategie geschaffen, und zwar aus dem Verständnis der Mechanismen heraus, die Berührungsempfindungen in Schmerzen umwandeln. Soweit wir bisher sagen können, beeinflusst die Substanz nur eine ganz spezielle Art von Rezeptoren, die sowohl mit STOML3-Proteinen als auch mit Piezo2-Kanälen ausgestattet sind. Indem wir STOML3 blockieren, können wir die Berührungssensibilität bei gesunden Tieren dämpfen. Noch interessanter ist jedoch, dass der STOML3-Hemmer das Schmerzempfinden von Tieren lindern kann, die nach einer Nervenschädigung – verursacht beispielsweise durch Diabetes – leichte Berührungen als heftige Schmerzen wahrnehmen.“
„Wir würden gerne ein Medikament entwickeln, dass STOML3 hemmt und für klinische Tests an Menschen geeignet ist“, so Prof. Lewin weiter. „Das ist ein langer Weg, doch wenn diese Substanzen bei Menschen auf ähnliche Weise wirken, dann sind wir der Behandlung einer neuropathischen Erkrankung, die sich so verheerend auf das Leben vieler Menschen auswirkt, einen großen Schritt näher gekommen.“
Christiane Wetzel1,10, Simone Pifferi1,9, Cristina Picci1,2, Caglar Gök1, Diana Hoffmann1,3, Kiran K Bali4, André Lampe5, Liudmila Lapatsina1, Raluca Fleischer1, Ewan St John Smith1,6, Valérie Bégay1, Mirko Moroni1, Luc Estebanez1,3, Johannes Kühnemund1, Jan Walcher1, Edgar Specker5, Martin Neuenschwander5, Jens Peter von Kries5, Volker Haucke5, Rohini Kuner4, James F A Poulet1,3, Jan Schmoranzer7, Kate Poole1,8,10 & Gary R Lewin1,3 (2016): „Small-molecule inhibition of STOML3 oligomerization reverses pathological mechanical hypersensitivity.“ Nature Neuroscience. doi:10.1038/nn.4454
1Department of Neuroscience, Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft, Berlin. 2Department of Biomedical Sciences, Section of Cytomorphology, University of Cagliari, Monserrato (California), Italy. 3Neuroscience Research Center and Cluster of Excellence NeuroCure, Charité – Universitätsmedizin, Berlin. 4Institute of Pharmacology, Heidelberg University, Heidelberg, Germany. 5Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP), Berlin. 6Department of Pharmacology, University of Cambridge, Cambridge, UK. 7Freie Universität Berlin, Berlin. 8Department of Physiology and EMBL Australia Node for Single Molecule Science, School of Medical Sciences, UNSW, Sydney, Australia. 9Derzeitige Adresse: Neurobiology Group, SISSA, International School for Advanced Studies, Trieste, Italy. 10Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen. Korrespondenzautoren: Gary R. Lewin und Kate Poole.
Beitragsbild: Die elektrochemischen Messungen wurden auf einem Zellsubstrat mit elastischen Noppen (rot) durchgeführt, darauf die Zelle (grün). Bild: Kate Poole, MDC.
