Die Fähigkeit von Lebewesen, Licht zu erzeugen, wird als Biolumineszenz bezeichnet. Sie ist das Nebenprodukt einer biochemischen Reaktion, wenn sogenannte Luziferasen chemische Verbindungen aus der Gruppe der Luziferine enzymatisch umwandeln. Im Fall des Leuchtkäfers handelt es sich bei dem Enzym um die sogenannte Firefly-Luciferase. Einer der Ersten, der das Potenzial dieses Enzyms erkannte, war der Biochemiker Keith Wood. Er klonierte 1984 das Luziferase-Gen und baute es erstmalig in einen anderen Organismus ein. Heraus kam eine Tabakpflanze, die lumineszierte, sobald in ihren Zellen bestimmte Signalwege aktiviert wurden.
Im Vergleich zu fluoreszenten Nachweismethoden haben Luziferase-basierte Testsysteme einen entscheidenden Vorteil: Sie benötigen zur Anregung keine externe Lichtquelle. Dies äußert sich in einem niedrigen Hintergrund und ermöglicht somit eine hohe Sensitivität, die sie zu einem attraktiven Werkzeug in der Wirkstoffentwicklung, aber auch in vielen anderen Sparten der Biowissenschaften macht.
Medikamentenentwicklung im neuen Licht
Mit Hilfe biolumineszenter Reporter können Wirkstoffkandidaten identifiziert, weitergehend charakterisiert und hinsichtlich ihres Wirkprofils und -mechanismus analysiert werden. Maßgebend für die Interpretation der Daten ist immer das im jeweiligen Testsystem erzeugte Lichtsignal.
Das Prinzip: Ist ein Signalweg mit einer Krankheit assoziiert, sind Forschende daran interessiert, ein Medikament zu entwickeln, das die schädigende Reizweiterleitung in diesem Signalweg unterbricht. Die „Biolumineszente Reporter-Technologie“ wird genutzt, diese sichtbar zu machen. So kann sie unter anderem für Medikamenten-Screenings genutzt werden. Dabei unterbricht ein effektiver Wirkstoffkandidat die Reizweiterleitung und bewirkt am Ende der Signalkette, dass keine Luziferase entsteht. Das Luziferin kann nicht umgesetzt werden und es gibt kein Lichtsignal.
Und wie hilft das Luziferase-Enzym jetzt bei der Suche nach neuen Wirkstoffen? Um diese Frage zu beantworten, muss man wissen, wie Wirkstoffe in Zellen wirken: Bei der Suche nach neuen Wirkstoffen können viele Moleküle in den Körperzellen ein potenzieller Angriffspunkt (Target) sein. Ausschlaggebend ist, dass dieses Target im Krankheitsgeschehen eine wichtige Rolle spielt. Es kann zum Beispiel die Oberfläche einer Krebszelle sein oder ein Botenstoff, der im Körper eine Entzündungsreaktion hervorruft. Ist ein Target gefunden, erfolgt die Suche nach einem geeigneten Wirkstoffkandidaten, der daran binden kann. Dieses sogenannte Target Engagement hemmt schließlich die krankheitsauslösende Funktion des Targets oder ruft eine gesundheitsfördernde Reaktion hervor.
Dem Wirkstoff auf der Spur
Was so einfach klingt, ist langwierige Detektivarbeit. Target-Engagement-Assays unterstützen bei der Suche nach einem geeigneten Wirkstoff und beschleunigen damit den Prozess der Medikamentenentwicklung. Diese Testsysteme können unter anderem die Bindung an das Target nachweisen, weitergehend charakterisieren und den Eintritt des Wirkstoffs in die Zelle verifizieren. Dies geschieht mithilfe lichtemittierender Moleküle: Bei Testsystemen, die auf Bioluminescence Resonance Energy Transfer (BRET) basieren, wird die Luziferase, an das Target gekoppelt. Ein fluoreszenzmarkiertes Molekül (Tracer) bindet eben genau daran. Durch die daraus entstehende Nähe zwischen Fluorophor und Luziferase entsteht ein Energietransfer, der in einem Lichtsignal resultiert. Bindet nun ein Wirkstoff an den potenziellen Angriffspunkt verdrängt dieser den Tracer. Das Signal wird schwächer und die Wirkstoff-Target-Bindung wird schließlich messbar.
Diese Art des Target Engagement ermöglicht es, die Bindung an das Target in lebenden Säugetierzellen zu messen. Das reduziert die Fehleranfälligkeit und erlaubt Forschenden, gezielt und effizient Substanzen zu untersuchen, die als Wirkstoffkandidaten in Frage kommen.