Development of novel drug-like small molecule stem cell modulators for cardiomyogenesis and investigation of their mode of action
Final Report Abstract
In jüngster Zeit wurden adulte Stamm-/Vorläuferzellen, die der kardialen Zelllinie zugehörig sind, im menschlichen Herzen identifiziert und stellen damit eine neue zelluläre Zielstruktur für neuartige kardiovaskuläre Therapien dar. Neben stammzellbasierten Ansätzen der Zelltransplantation ist die Stimulation der endogenen Regeneration von Herzmuskelgewebe dabei von besonderem Interesse. Das Problem ist allerdings, dass bislang relativ wenig über diese kardialen Stamm-/Vorläuferzellen bekannt ist. Es ist jedoch denkbar, dass derartige Zellpopulationen auf Signale reagieren, die mit solchen identisch sind, welche späte Prozesse der kardiomyogenen (embryonalen) Stammzelldifferenzierung stimulieren. Aus diesem Grund wurden im Arbeitskreis Mercola mit humanen und murinen embryonalen Stammzellen (hECS, mESC) als in vitro Modellsysteme High Content Screening (HCS) Assays etabliert, mit denen neue niedermolekulare Modulatoren sowie Signalwege der kardialen Differenzierung identifiziert und untersucht werden können. Aus diesen Screenings sind eine ganze Reihe an "Hits" generiert worden, die in der Folge mittels biologisch-chemischer und medizinalchemischer Methoden hinsichtlich ihrer pharmazeutischen Eigenschaften und ihrer kardiogenen Wirkung optimiert wurden. Der Fokus lag hier auf der Untersuchung neuer Derivate der Stoffklasse der 1,4-Dihydropyridine (DHP), die im mESC-Assay von den identifizierten "Hits" die am stärksten ausgeprägte Kardiogenese aufwies. Im Rahmen dieser Arbeiten wurden gezielt DHP-Analoga synthetisiert, die als Werkzeuge zur Untersuchung der zugrunde liegenden zellbiologischen Effekte genutzt werden konnten. Insgesamt wurden in einem iterativen Prozess aus Synthese und Testung knapp 200 DHP-Analoga generiert, wobei ca. 50 für genauere biologische Charakterisierungen verwendet wurden. Von besonderem Interesse gestaltete sich der entdeckte Wirkmechanismus, welcher eine neuartige Hemmung des TGFβ-Signalweges durch Stimulation der selektiven Down-Regulation des TGFβ-Rezeptor Typ II darstellt. Hier konnten insbesondere mithilfe von ausgewählten DHPs, die in enantiomerenreiner Form synthetisiert wurden, wichtige Selektivitätsfragen geklärt und Struktur-Aktivitäts-Beziehungen ermittelt werden. In einem ähnlichen Ansatz wurde aus einem hESC-Screening von 550 Modulatoren bekannter Signalwege der Wnt-Inhibitor IWR-1 als Leitstruktur identifiziert und im Rahmen medizinisch-chemischer Modifikationen mit >150 Analoga neuartige Struktur-Aktivitäts- Beziehungen, insbesondere zwischen Hemmung des β-Catenin-abhängigen, kanonischenWnt- Signalweges und der in hESCs beobachteten Kardiogenese, abgeleitet. Aus diesen chemischbiologischen Studien sind IWR-1-Analoga hervorgegangen, die um den Faktor 10 potentere Wnt-Inhibitoren darstellen und um den Faktor 2 besser kardiogen wirksam sind. Zusammen mit dem gleichzeitig verbesserten Stabilitätsprofil liegen nun Substanzen vor, die für Wirksamkeitsstudien in Herzinfarkt-Tiermodellen eingesetzt werden können. Zusammenfassend konnten im Rahmen der in diesem Forschungsaufenthalt bearbeiteten Projekte, neuartige Substanzen und deren Wirkmechanismus identifiziert werden, die die kardiale Differenzierung in embryonalen Stammzellen fördern.
