Wirkstoffentwicklung à la Ameise

Berlin -

Schweizer Wissenschaftler haben eine Software entwickelt, die Eigenschaften von Wirkstoffen voraussagt – und somit Nebenwirkungen verhindern kann. Das Programm nimmt sich dabei das Verhalten von Ameisen zum Vorbild. Die Forscher hoffen, auf diese Weise den besten Wirkstoff für bestimmte Krankheiten zu finden. Künftig könnte es aus Sicht der Wissenschaftler sogar möglich sein, Medikamente für einzelne Patienten zu entwickeln.

Die traditionelle Methode, Wirkstoffe zu entwickeln, beschreiben die Forscher der Technischen Hochschule Zürich als „langwierigen Prozess des Anpassens und Ausprobierens“. Unerwünschte Nebeneffekte kämen oft erst zutage, wenn der Wirkstoff getestet werde.

Die Wissenschaftler haben daher eine Software entwickelt, mit der sich bereits am Computer vorhersagen lässt, welche unerwünschten Nebeneffekte ein Molekül haben wird. „Unser Ziel ist, Probleme möglichst früh zu erkennen und nur die vielversprechendsten Wirkstoffe zu synthetisieren“, so Studienleiter Professor Dr. Gisbert Schneider. Viele Kandidaten, die neben positiven auch unerwünschte Effekte mit sich brächten, könnten so frühzeitig aussortiert werden.

Der Algorithmus, den die Wissenschaftler entwickelt haben, prüft innerhalb von wenigen Minuten die Wechselwirkung des jeweiligen Moleküls mit 640 menschlichen Proteinen. Ein Testlauf mit Fenofibrat hat den Forschern zufolge sowohl bereits bekannte als auch bisher unbekannte Wechselwirkungen aufgezeigt, auf die einige bislang ungeklärte Nebenwirkungen zurückzuführen sein könnten.

Die Software kann aber auch Molekülbausteine kombinieren und somit neue Wirkstoffe vorschlagen. Dafür nutzt das Programm einen sogenannten „Ameisenalgorithmus“: Wie eine Ameisenkolonie auf Futtersuche durchforstet die Software den Molekülbaukasten nach Komponenten mit den gewünschten Eigenschaften und vergibt Noten an die einzelnen Bausteine. Bei den Ameisen ist das die Markierung eines Weges zum Futter mit einem Duftstoff.

Im nächsten Schritt werden die Komponenten neu kombiniert und bewertet. Dabei kann die „Duftnote“ für gute Kombinationen verstärkt werden, während die „Duftnote“ für schlechtere Bausteine schwindet. Wie in einer Ameisenkolonie findet der Algorithmus so durch Ausprobieren den besten Weg zum Ziel. „In der Robotik werden Ameisenalgorithmen eingesetzt, um beispielsweise Fertigungsprozesse zu optimieren, aber wir haben den Trick nun auf die Wirkstoffentwicklung übertragen“, so Schneider.

Dadurch, dass viele Prozesse parallel laufen und miteinander kommunizieren, können mit dem Simulationsmodell innerhalb weniger Stunden neue Wirkstoffe und die nötigen chemischen Syntheseschritte analysiert werden. In einem nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler das Modul an einen Syntheseroboter anschließen, um Design und Synthese vollständig zu automatisieren.

Mit der Software könnte in Zukunft auch der passende Arzneistoff für einzelne Patienten ausgewählt werden, sodass mit möglichst wenigen Nebenwirkungen behandelt werden könnte. „Wenn man dem Algorithmus die zusätzliche Information geben könnte, wie die Proteinwelt des Patienten aussieht, könnte er die Wechselwirkungen berechnen, die bei diesem bestimmten Patienten zu erwarten sind“, sagt Schneider.