Strategien von Heuschrecken für neue Wirkstoffe nutzen

Heuschrecken sind nicht gerade die klassischen Modelltiere in der Neurobiologie, doch für die Forschung von Christian Gruber an der Medizinischen Universität Wien waren sie genau die richtige Wahl. Denn neue Erkenntnisse über die Biologie dieser Insekten können eine große Wirkung zeitigen. Immerhin bilden sie mit etwa 11.000 Arten eine der größten Tiergruppen unseres Planeten. Speziell die Familie der Wanderheuschrecken hat aufgrund ihres Schwarmverhaltens nahezu alle Kontinente besiedelt. Der größte bekannte Heuschreckenschwarm umfasste mehrere Milliarden Tiere, was einem Gewicht von etwa 27 Millionen Tonnen entspricht. Da diese Insekten das Äquivalent ihres eigenen Körpergewichts an pflanzlichem Material pro Tag vertilgen, ist der landwirtschaftliche Schaden vielerorts beträchtlich. Sieht man von dieser agroökonomischen Schattenseite ab, ist die biomedizinische Perspektive auf die Heuschrecken höchst relevant.

Molekulare Komponenten der Lebensweise

In seinem vom Wissenschaftsfonds FWF geförderten Projekt „Funktion von Oxytocin-Neuropeptiden in Heuschrecken“ hat Gruber in Zusammenarbeit mit dem Biologen Jozef Vanden Broeck vom Department für Tierphysiologie und Neurobiologie an der Universität Leuven in Belgien Interessantes herausgefunden: „Bestimmte Botenstoffe des Nervensystems, sogenannte Neuropeptide, haben eine wichtige physiologische Bedeutung für das Verhalten und den Wasserhaushalt der Heuschrecken“, fasst Gruber zusammen. Bereits in früheren Studien konnte der Biochemiker zeigen, dass diese Neuropeptide auch bei Ameisen die Futtersuche, die Bewegungsaktivität und den Metabolismus regulieren. Beide Insektenarten verfügen über die genetischen Grundlagen eines Hormonsystems, das dem des Menschen entspricht und auf den Neuropeptiden Oxytocin und Vasopressin basiert.

Andockstelle für medizinische Wirkstoffe

Oxytocin ist landläufig als das Kuschelhormon bekannt. Gemeinsam mit dem Hormon Vasopressin beeinflusst es beispielsweise die Wehentätigkeit während des Geburtsvorganges, stimuliert den Milchfluss der Mutter und vieles mehr. Vasopressin spielt insbesondere bei der Regulierung des Wasserhaushalts in den Nieren eine wichtige Rolle, beeinflusst aber auch die Durchblutung der Gebärmutter. „Die große Familie der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (zu denen auch Oxytocin- und Vasopressin-Rezeptoren zählen) sind die bekannteste Gruppe von Angriffspunkten für medizinische Wirkstoffe. 30 Prozent aller erhältlichen Arzneimittel beruhen auf diesen Rezeptoren, zum Beispiel jene gegen Bluthochdruck oder Herzerkrankungen“, erläutert Gruber. Über diese Rezeptoren lassen sich, vereinfacht gesagt, Informationen in das Innere unserer Zellen transportieren. Gleichzeitig werden dabei verschiedene molekulare Signalwege in den Zellen aktiviert. Dies führt zu erwünschten, aber auch unerwünschten Wirkungen.

Kreativität in der Wissenschaft gefragt

Christian Gruber hat seine Forschung der Suche nach zielgerichteten therapeutischen Anwendungen auf Basis pflanzlicher und tierischer Mechanismen gewidmet. „Ich sehe mich manchmal auch als Kreativkünstler: Man eignet sich zwar eine Wissensbasis an, dann kann man aber wirklich jede Frage ‚nach draußen‘ werfen und sie bearbeiten. Vorausgesetzt natürlich, man erhält entsprechende Förderungen. Und man bekommt nicht immer Antworten, damit muss man umgehen lernen“, sagt Gruber. Der mehrfach ausgezeichnete Wissenschaftler war bereits auf verschiedenen Kontinenten und im Regenwald unterwegs. Aktuell beschäftigt ihn die Frage: „Wie können wir uns die verwandten Hormone und Rezeptoren der Insekten für therapeutische Anwendung beim Menschen zunutze machen?“

Die Baupläne der Natur nutzen

Die Details sind äußerst komplex. Mithilfe modernster biologischer und pharmakologischer Methoden nehmen Gruber und sein Team nun Oxytocin-ähnliche Neuropeptide der Heuschrecken genauer unter die Lupe. „Wir haben uns angesehen, wie sich das Hormon Oxytocin bei Heuschrecken selektiv an den Rezeptor bindet. Indem wir diese selektive Signalweiterleitung in Zellen im Tiermodell besser verstehen, können wir sie auch für Menschen nutzen, um Rezeptoren im Gewebe zu unterscheiden und gezielt ansprechen zu können.“ Das neuartige Konzept kann man sich ungefähr so vorstellen: Ein Insekten-Neuropeptid wird auf dessen Struktur untersucht und diese wird mit kleinen chemischen Änderungen nachgebaut, um die Signalweiterleitung besser zu verstehen. Dies könnte in Zukunft helfen, optimierte Wirkstoffe beim Menschen zu generieren.

Synthetisch optimierte Peptidhormone könnten künftig unerwünschte Nebenwirkungen ausschalten, dazu braucht es derzeit noch weiterführende Forschungen. Und: „Was wir über Selektivität bei Neuropeptiden lernen, ist auch auf viele andere menschliche Signalsysteme anwendbar“, so Gruber. Nicht zuletzt kommen die Erkenntnisse aus der Biomedizin auch der Landwirtschaft zugute. Denn sie bieten neue Möglichkeiten zur gezielten Schädlingsbekämpfung und erhöhen damit die Agrarproduktion und die Lebensqualität in den betroffenen Regionen.

Zur Person

Christian Gruber studierte Biochemie an der Universität Tübingen sowie molekulare Biotechnologie an der Queensland University of Technology (QUT) in Australien. Bereits als Student fokussierte er sich auf zyklische Pflanzenpeptide. Ein Lise-Meitner-Projekt des Wissenschaftsfonds FWF hat Gruber nach Österreich und an die Medizinische Universität Wien geführt. Dort arbeitet er aktuell am Zentrum für Physiologie und Pharmakologie. Für seine innovative Forschungstätigkeit wurde Gruber bereits mehrfach ausgezeichnet. Sein Projekt „Funktion von Oxytocin-Neuropeptiden in Heuschrecken“ (2017–2021) wurde vom FWF mit 172.000 Euro gefördert.

Publikationen

Dekan Z., Kremsmayr T., Keov P., Godin M. et al.: Nature-inspired dimerization as a strategy to modulate neuropeptide pharmacology exemplified with vasopressin and oxytocin, in: Chemical Science, Vol. 11, 2021

Muratspahić E., Monjon E., Duerrauer L., Rogers SM: Oxytocin/vasopressin-like neuropeptide signaling in insects, in: Vitamins and Hormones, Vol. 260, 2020

Muratspahić E., Freissmuth M., Gruber CW: Nature-Derived Peptides: A Growing Niche for GPCR Ligand Discovery, in: Trends in Pharmacological Sciences 2019