Die Medizinische Schatztruhe der Natur – Chemiker aus Potsdam erforschen mit afrikanischen Kollegen neue Wirkstoffe aus Pflanzen

George Kwesiga im Labor | Foto: Tobias Hopfgarten
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Quelle: Tobias Hopfgarten
George Kwesiga im Labor
Quelle: Tobias Hopfgarten

Die Natur liefert eine Fülle von medizinisch wirksamen Substanzen. Nur ein Bruchteil davon ist bisher bekannt. Gerade in ärmeren Ländern, in denen die wenigsten Menschen sich teure Medikamente leisten können, werden zahlreiche Erkrankungen mit lokal gesammelten Heilpflanzen behandelt. Chemiker aus Potsdam und Ostafrika erforschen gemeinsam, welche Wirkstoffe vielversprechend sind und wie man sie nachbauen kann, um möglichst vielen Menschen einen Zugang zu ermöglichen.

Die Blüten des Korallenbaumes Erythrina sacleuxii leuchten in einem satten Orange. Der Baum sieht aber nicht nur schön aus, sondern hat auch heilende Eigenschaften. In Ostafrika, wo der Korallenbaum heimisch ist, nutzen die Menschen die medizinische Wirkung seiner Blätter und Wurzeln gegen bakterielle Infektionen und Malaria.

Der Chemiker George Kwesiga untersucht seit vier Jahren, wie die medizinisch wirksamen Moleküle der Pflanze identifiziert, isoliert und im Labor nachgebaut werden können. Der Nachwuchswissenschaftler stammt aus Uganda und arbeitet mithilfe eines Promotionsstipendiums des Deutschen Akademischen Austauschdienstes seit knapp zwei Jahren in Potsdam. Nun ist er fast am Ziel. Die Glasfläschchen auf seinem Arbeitsplatz sind mit orangegelben Pulvern, cremefarbenen Gelen oder hellgelben Kristallen gefüllt – all diese Substanzen sind Ergebnisse der verschiedenen Syntheseschritte, die der Chemiker durchführen muss. Am Ende erhält er eine Reihe von kostbaren Wirkstoffen, die möglicherweise künftig in medizinischen Präparaten eingesetzt werden und dann vielen Menschen helfen könnten. Von der traditionellen Heilpflanze bis zu einem anerkannten Medikament ist es aber ein weiter Weg, den Kwesiga gemeinsam mit Forschungspartnern aus Potsdam beschreitet.

Wie den Korallenbaum gibt es weltweit unzählige Pflanzen, die vor allem regional in der traditionellen Medizin eingesetzt werden. „Es gibt vor Ort viel Wissen über deren Heilkräfte“, erklärt Prof. Dr. Bernd Schmidt. Er ist einer von drei Potsdamer Chemikern, die dieses traditionell überlieferte Wissen gemeinsam mit kooperierenden afrikanischen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern in neue Bahnen lenken. Die Forscher wollen die Inhaltsstoffe der Heilpflanzen analysieren, chemisch synthetisieren und sie damit für deutlich mehr Menschen als bisher nutzbar machen. Schon seit mehr als 20 Jahren arbeiten die Chemikerinnen und Chemiker dafür eng mit Forschenden aus Afrika zusammen.

Neue Hilfe für vernachlässigte Erkrankungen

„Malaria war für uns schon immer ein großes Thema“, erklärt Dr. Matthias Heydenreich. Im Laufe der Jahre sind weitere Krankheiten hinzugekommen, die sich mit pflanzlichen Wirkstoffen behandeln lassen. Gegen Krebs, Diabetes oder Herz-Kreislauferkrankungen könnten Stoffe aus Pflanzen, die zu einem großen Teil noch gar nicht entdeckt sind, sehr wirksam sein. Die Potsdamer Chemiker haben aber auch Erkrankungen im Blick, die in der westlichen Welt unbedeutend sind. Für die Pharmaindustrie sind diese sogenannten vernachlässigten Tropenkrankheiten wenig profitabel, deshalb fehlt es an Medikamenten. Die Leishmaniose – eine durch Parasiten hervorgerufene und von Sandmücken übertragene  Infektionskrankheit – ist ein typisches Beispiel dafür. Jedes Jahr erkranken vor allem in den Tropen Millionen Menschen daran. Die Erreger verursachen Hautgeschwüre und auch schwere Schäden an Leber, Milz oder Knochenmark. Die Infizierten suchen häufig Hilfe bei lokalen Heilern, die ihre Beschwerden mit heimischen Pflanzen lindern.

Vor allem bei Krankheiten wie der Leishmaniose erhoffen sich die Forschenden einen Durchbruch mit den traditionellen und auch mit neuen pflanzlichen Wirkstoffen. Zuerst müssen dafür die chemischen Strukturen der Wirkstoffe aufgeklärt werden. Die Kernresonanzspektroskopie ist die Methode der Wahl, mit der der Experte Matthias Heydenreich alle infrage kommenden Moleküle der Pflanze scannt und durchleuchtet. Vier mächtige Großgeräte mit starken Magneten und einer kompliziert anmutenden Apparatur aus Schläuchen und Kanülen können die Chemiker für diese Analyse nutzen. Alle Proben, die hier eingespeist werden, ergeben am Ende komplizierte Darstellungen von zweidimensionalen Kurven, Grafiken mit Punktwolken und dreidimensionalen Muster aus Bergen
und Tälern. Wer ein geübtes Auge und jahrelange Erfahrung hat, kann aus diesen Abbildungen herauslesen, welche Elemente vorkommen, wie die Atome miteinander verknüpft sind oder welche Bindungen zwischen den Molekülen existieren. Strukturaufklärung nennen es die Fachleute.

Blaupause der Natur

Es ist der erste Schritt auf dem Weg von der Pflanze zum synthetisierten Wirkstoff. Mit der Synthese lassen sich dann gleich mehrere Fliegen mit einer Klappe schlagen: Zum einen sind die Wirkstoffe in der Pflanze nur in sehr geringen Mengen vorhanden.   Um tatsächlich viele Menschen damit versorgen zu können, werden große Mengen benötigt, die mit dem richtigen chemischen Rezept in den Laboren künstlich nachgebaut werden. Zum anderen lassen sich die Stoffe chemisch anpassen, sodass sie sogar noch wirksamer oder besser verträglich werden. Deshalb erforscht Prof. Dr. Heiko Möller, wie die bioaktiven Verbindungen wirken und mit welchen Eiweißstoffen im Körper sie reagieren. Dazu gehört  auch, erst einmal jene Orte zu identifizieren, an denen die Substanzen wirken. Welche Enzyme werden im Körper etwa blockiert oder angeregt? Wo docken die Wirkstoffe an und was ist dafür notwendig? Es gibt viele offene Fragen, die beantwortet werden müssen, um die Wirkweise der Pflanzenmoleküle  zu verstehen.

„Die Natur liefert die Blaupause, wir schauen, welche Strukturen tatsächlich für die heilenden Kräfte verantwortlich sind“, erklärt Bernd Schmidt. Seine Expertise ist auf dem letzten Abschnitt des Wegs gefragt – wenn die Strukturen und Wirkmechanismen aufgeklärt sind und es an die Synthese der Heilsubstanzen geht. Schmidt hat den Blick dafür, welche chemischen Arbeitsschritte notwendig sind, um hier und da eine Atombindung zu verändern oder eine funktionelle Gruppe an ein bestimmtes Molekül hinzuzufügen, um dessen Heilkraft zu optimieren. Und letztlich geht es auch darum, die Wirkstoffe so preiswert wie möglich herzustellen, damit möglichst viele Menschen davon profitieren können.

Knowhow und moderne Labore

In den afrikanischen Ländern steigt das Bewusstsein über den Wert der Heilpflanzen und der Wunsch nach einer wissenschaftlichen Erforschung. „Welche wissenschaftlichen Fakten stecken in der traditionellen Heilkunde? Welche Moleküle und Verbindungen werden von den Pflanzen produziert, die für die Wirkung verantwortlich sind? Diese Fragen werden auch für die Forscher vor Ort immer wichtiger“, sagt Bernd Schmidt. Dank der Kooperation mit Potsdam können Nachwuchswissenschaftler wie Kwesiga hier in den gut ausgestatteten Laboren und mit dem Know-how der Forschungspartner ihre Untersuchungen vorantreiben. Umgekehrt reisen die Potsdamer Forscher regelmäßig nach Ostafrika, führen dort Workshops mit Studierenden und jungen Wissenschaftlern durch   und vermitteln wichtige Methoden, um die Arbeit und Expertise vor Ort zu stärken.

In den Biodiversitäts-Hotspots dieser Welt – in Afrika, Südamerika oder Asien – warten wohl noch unzählige unentdeckte Pflanzen und mit ihnen potenzielle Wirkstoffe gegen alle möglichen Krankheiten. „Einige Forscher schätzen, dass rund 90 Prozent aller   Pflanzen noch nicht bekannt und untersucht sind“,  sagt Matthias Heydenreich. Für die Chemiker gibt es also auch zukünftig viel zu tun. „Wir könnten 100 Jahre daran arbeiten und wären wohl immer noch nicht fertig.“

George Kwesiga ist zuversichtlich, dass er in den kommenden Monaten den letzten Syntheseschritt erfolgreich abschließen und eine der medizinisch wirksamen Substanzen des Korallenbaums chemisch herstellen kann. Insgesamt zehn Arbeitsschritte muss   er absolvieren, bevor er diese Synthese aus verschiedenen chemischen Ausgangsstoffen abgeschlossen hat.  Noch hakt es beim letzten Punkt im Arbeitsprotokoll. „Man braucht viel Geduld“, sagt Kwesiga lächelnd. Wer die sorgsam mit Strukturformeln beschrifteten Fläschchen auf seinem Arbeitsplatz sieht, die von der bisherigen Arbeit zeugen, weiß, dass er eine gute Portion  davon besitzt.ie

Die Forscher

Prof. Dr. Bernd Schmidt studierte Chemie an der RWTH Aachen und ist seit 2006 Professor für Organische Chemie an der Universität Potsdam.
E-Mail: bernd.schmidtuni-potsdamde

Prof. Dr. Heiko Möller studierte Chemie an der Universität Hamburg. Seit 2014 ist er Professor für Analytische Chemie an der Universität Potsdam.

Dr. Matthias Heydenreich studierte Chemie in Halle und Berlin und ist Experte für Kernresonanzspektroskopie in der Arbeitsgruppe für Analytische Chemie.

George Kwesiga studierte Chemie und Mathematik in Nairobi. Seit 2018 forscht er als Promotionsstudent in Potsdam.

 

Die Zusammenarbeit der Chemiker aus Potsdam und Ostafrika wird durch das Förderprogramm KoUP der Universität Potsdam unterstützt. Mit dem Programm möchte die Universität internationale Partnerschaften und gemeinsame Forschungsvorhaben ausbauen. Neben Subsahara-Afrika werden in diesem Jahr Kooperationen mit Argentinien, Australien, Brasilien, Costa Rica, Frankreich, Israel, Kanada, Kolumbien, Polen, Russland, USA, Italien, der Tschechischen Republik, Ungarn und China gefördert.

 

Dieser Text erschien im Universitätsmagazin Portal Wissen - Zwei 2020 „Gesundheit“ (PDF).