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Forschung – Produktentwicklung2018-07-01T16:33:37+00:00

Ionenkanäle

Ionenkanäle sind Transmembranproteine, die eine Bewegung von Ionen (Kationen und Anionen) in die Zelle und aus der Zelle heraus ermöglichen. Sie sind an wichtigen Prozessen des Zellstoffwechsels, wie z.B. Zellhomöostase und Signaltransduktion beteiligt und können dadurch eine essentielle Rolle bei der Entstehung von Krankheiten spielen. In der Humanforschung ist die Bedeutung von Ionenkanälen z.B. bei Erkrankungen des Nervensystems, des Verdauungstraktes oder der Haut sowie bei chronischen Schmerzen, hinreichend bekannt, in der Veterinärmedizin und insbesondere beim Nutztier ist dieser Bereich bisher nur wenig erforscht.

Spezifische Ionenkanal-Modulatoren haben großes Potential für die effektive Behandlung wichtiger Erkrankungen des Nutztiers. Die Identifizierung solcher Modulatoren stellt jedoch eine große Herausforderung dar, da herkömmliche Screening-Verfahren zur Wirkstoffkandidaten-Identifizierung nicht anwendbar sind. Die Erforschung von Ionenkanälen erfordert besondere wissenschaftliche Expertise im Bereich der Elektrophysiologie. Das hat dazu geführt, dass im Humanbereich die Wirkstoffentwicklung für Ionenkanal-Targets meist von kleinen, hochspezialisierten Firmen durchgeführt wird, die sich ausschließlich auf die Untersuchung von Ionenkanälen konzentrieren. Trotz der großen Herausforderungen kommen bereits einige Ionenkanal-Modulatoren erfolgreich bei der Therapie von Herz-Kreislauf-Erkrankungen oder Epilepsie zum Einsatz, weitere vielversprechende Kandidaten befinden sich in klinischen Studien.

Im Gegensatz zur Humanmedizin ist das Gebiet der Ionenkanäle in der Tiermedizin noch weitestgehend unerforscht. Bei den meisten Spezies sind weder die genetischen Sequenzen der Kanäle bekannt, noch gibt es Informationen zur funktionellen Expression in relevanten Geweben. Es konnte allerdings mithilfe molekularbiologischer Methoden gezeigt werden, dass sich die Expressionsmuster zwischen den Spezies – auch im Vergleich zum Menschen – signifikant unterscheiden. Die Übertragung von Ergebnissen aus der Humanmedizin aufs Tier ist daher kaum möglich.

PerformaNat fokussiert sich darauf, Ionenkanal-Modulatoren für die Prävention gegen bedeutende Erkrankungen von Nutztieren zu entwickeln. Die identifizierten Wirkstoffe sollen insbesondere in der Tierernährung zum Einsatz kommen.
Mithilfe molekularbiologischer Methoden werden dazu relevante Ionenkanäle in verschiedenen Spezies charakterisiert. Durch die umfangreiche Expertise im Bereich Transport- und Elektrophysiologie können diese Wirkstoffe dann schrittweise vom Zellmodel bis in klinische Studien validiert werden.
Eine besondere Kanalfamilie stellt die „transient receptor potential“ – Familie dar. Sie gehören zur Gruppe der nicht-selektiven Kationenkanäle.

TRP-Kanäle


Die Bezeichnung „transient receptor potential“ (TRP) ist auf eine im Jahre 1960 entdeckte Mutante der Fruchtfliege Drosophila Melanogaster (trp343) zurückzuführen, die eine veränderte Sensorik auf bestimmte Lichtreize zeigte. TRP-Kanäle sind für die Wahrnehmung verschiedenster Reize verantwortlich. Einige werden durch Temperaturänderungen aktiviert, was eine Unterscheidung zwischen Kälte, Wärme oder Hitze ermöglicht.

TRP-Kanäle haben aber nicht nur eine Funktion in der Reizwahrnehmung, sie machen ca. 20% der im Körper vorhandenen Ionenkanäle aus – damit haben TRP-Modulatoren ein enormes Potential wichtige Funktionen des Stoffwechsels an verschiedensten Stellen zu beeinflussen. PerformaNat hat sich auf den Bereich der Identifizierung und Charakterisierung von TRP-Modulatoren, die in der Tierernährung zum Einsatz kommen können, spezialisiert.

Transport- und Elektrophysiologie


Zur Rolle der TRP-Kanäle bei Nutztieren ist bisher nur wenig bekannt. Um die Eigenschaften von Ionenkanälen zu charakterisieren, sind sehr komplexe, aufwändige Methoden erforderlich. Dazu gehören sowohl Patch-Clamp-Messungen, als auch die Ussing-Kammer-Methode.

Diese elektrophysiologischen Techniken ermöglicht es, die Funktionen einzelner TRP-Kanäle zu untersuchen und geeignete Modulatoren zu identifizieren. TRP-Kanal-Modulatoren sind häufig sehr spezies-spezifisch und ihre Wirkung ist stark konzentrationsabhängig, weshalb viele verschiedene Untersuchungen durchgeführt werden müssen, um geeignete Kandidaten für die weitere Produktentwicklung zu identifizieren. Neben Studien an isolierten Zellen sind vor allem elektrophysiologische Messungen an vitalem Magen-Darm-Gewebe nötig, um die Funktion bestimmter Ionenkanäle sowie den Einfluss von Modulatoren auf die Darmbarriere charakterisieren zu können. Mithilfe radioaktiver Isotope kann in der Ussing-Kammer insbesondere der Nährstofftransport genau analysiert werden. Auch Dosis-Wirk-Beziehungen lassen sich mit dieser Methode darstellen. Darauf aufbauend können dann gezielt Wirkstoffe in Fütterungsstudien eingesetzt werden.

Analytik und Wirkstoffcharakterisierung

Die chemische Analytik besteht aus den Bereichen qualitative, quantitative und Strukturanalytik. Nach der Untersuchung auf die Art des Stoffes (qualitativ) folgt die Mengenbestimmung (Quantifizierung).

Im Vordergrund steht die Identifizierung von Biomarkern, welche Rückschlüsse auf den Stoffwechsel und dessen Beeinflussung zulassen. Es kommen chromatographische Techniken wie z.B. Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) oder Säulenchromatografie zum Einsatz. Diese Techniken ermöglichen es Substanzgemische aufzutrennen, die einzelnen Substanzen zu identifizieren und anschließend quantitativ zu bestimmen.

Zur Senkung der Nachweisgrenze oder zur Detektion schwer nachweisbarer Analyten werden chemische Modifikationen eingesetzt. Zudem werden Nachweisreaktionen durchgeführt, die direkte Messungen von Ionenkonzentrationen ermöglichen.

Charakterisierung des Zielmoleküls

Mit Hilfe molekularbiologischer Methoden wird die Änderung der Expression von Zielgenen durch pflanzliche Wirkstoffe untersucht. Dazu erfolgen unter anderem umfangreiche Screenings von potentiellen Modulatoren in Zellkulturmodellen oder ex vivo Experimenten.

Neben Expressionsanalysen der Proteine und Biomarker mittels q-RT-PCR, erfolgen zusätzlich Untersuchungen mit Hilfe von Western Blots, ELISAs und weiteren molekularbiologischen Methoden.  Da insbesondere für Nutztierspezies nur wenige spezifische Antikörper für die genaue Detektion von Proteinen verfügbar sind, wird hier auch an der Etablierung alternativer Detektionsverfahren gearbeitet.

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