Durch Datenberge zum Medikament
Von Jana Mundus
Die Wirkung des Medikaments setzt schon nach wenigen Minuten ein. Die Kopfschmerzen verschwinden, der Magen gibt Ruhe oder das Fieber sinkt. Die Entwicklung solch einer Arznei dauert allerdings Monate, manchmal Jahre. „Mehrere hundert Millionen Euro, in der Regel sogar eine Milliarde Euro, kostet die Entwicklung eines neuen Wirkstoffs“, sagt Joachim Haupt. Der Geschäftsführer der Dresdner Firma PharmAI und sein Team haben eine Möglichkeit gefunden, diese Prozesse deutlich zu beschleunigen.
Aus einem Jahr machen sie ein paar Wochen. Dabei helfen ihnen künstliche Intelligenz und ein schlau programmierter Algorithmus. Es sieht aus wie ein riesiges Universum. Doch keine Sterne strahlen weiß auf dem Bild. Es sind chemische Stoffe. Ein Universum aus zwei Millionen Möglichkeiten. Wird ein Wirkstoff gegen eine Krankheit gesucht, musste bisher im Labor aufwendig getestet werden, welche Stoffe sich für diesen Einsatz eignen. Mit der Idee der Dresdner werden potenzielle Kandidaten viel schneller gefunden. „Wir suchen die Nadel im Heuhaufen, wissen dank unserer Software aber, wie sie aussieht und wo sie liegt“, erklärt es Florian Kaiser, bei PharmAI für die Technologie zuständig.
Der Ansatz dafür wurde in den vergangenen Jahren am Biotechnologiezentrum Biotec der TU Dresden entwickelt. Grundlage ist eine riesige Datenbank, die weltweit von Wissenschaftlern der Kristallkunde gepflegt wird. Sie züchten mithilfe von Proteinen Kristalle, die später mit Röntgenstrahlen bestrahlt werden. Wie diese sich an den Kristallen brechen, ermöglicht Erkenntnisse über die Position der Atome des Proteins. Diese Informationen über die Proteine im menschlichen Körper, von Viren, Krankheiten und Wirkstoffen vergleichen die Gründer von PharmAI mithilfe von Computertechnik miteinander. Die Künstliche Intelligenz wird zum Detektiv im Universum der Stoffe.
Es gleicht einem Puzzle. Durch die programmierten Algorithmen erklären die Bioinformatiker dem Computer, wie die Proteine aussehen. Der Rechner versteht also, wie das korrekte Puzzleteil beschaffen sein muss, das zur Krankheit passt. Eine Verbindung mit anderen Proteinen ermöglichen die sogenannten Bindetaschen. Das sind kleine Vertiefungen auf den Eiweißmolekülen. Der passende Wirkstoff bindet dort wie bei einem Puzzle an und kann seine Wirkung entfalten. Die Dresdner finden auf diesem Weg mögliche Kombinationen für Therapien, die bisher unbekannt sind.
In einem Fall fanden sie aus zwei Millionen Stoffen 125 wahrscheinliche Kandidaten heraus. Das klingt viel, ist aber um ein Vielfaches weniger als bei der bisher gängigen Suche. Die Kandidaten wurden dann zielgenau im Labor überprüft. Sieben davon passten für den angedachten Einsatz.
Im Juni 2019 wurde PharmAI aus der TU Dresden ausgegründet. Zum Team gehören heute acht Mitarbeiter, darunter auch Michael Schroeder, Professor für Bioinformatik an der TU Dresden, der die Idee schon von Anfang an begleitete. „In den vergangenen Monaten haben wir Kundenbeziehungen, ein Netzwerk aufgebaut“, erklärt Joachim Haupt. Das Interesse in der Branche sei groß. Mit der Firma 2bind aus Regensburg wurde außerdem ein Partner gefunden, der die Ergebnisse aus dem Computer praktisch im Labor testen kann.
Die Anfragen erreichen PharmAI vor allem über das nun aufgebaute Netzwerk. Aber auch über die Homepage landen Aufträge beim Unternehmen. „Dann müssen wir wissen, welches Wirkstoffziel gefragt ist“, erläutert Kaiser. Was soll der gesuchte Wirkstoff also können? Gegen welche Krankheitsmerkmale muss er funktionieren? Ist die Aufgabe machbar, geht es los. Im Schnitt sechs Wochen brauchen die Dresdner für ein Ergebnis. Drei bis vier Projekte laufen meist parallel.
Anfangs war die Idee noch, schon etablierte Medikamente für neue Anwendungen zu finden. Doch das sei laut den Gründern in der Realität gar nicht so oft nachgefragt. Wichtiger ist die Suche nach Wirkstoffen gegen neue oder seltene Krankheiten. Gerade bei Letzteren könnte das Einsparpotenzial bei den Pharmaunternehmen durch die neue Methode ein Glück für Betroffene sein. „Wenn die Entwicklung preiswerter wird, kommen vielleicht auch Medikamente auf den Markt gegen Krankheiten, von denen nur wenige betroffen sind“, erklärt es Haupt.
Eine neue Einsatzmöglichkeit für ihre Methode dürfte in der Branche von großem Interesse sein. In ersten Versuchen ist es den Dresdnern gelungen, mögliche Nebenwirkungen von Wirkstoffen frühzeitig durch ihre Software aufzuspüren. „Das sind unerwünschte Effekte, wenn der Wirkstoff an Proteine bindet, an die er nicht binden soll“, erläutert Kaiser. Taucht solch ein negativer Effekt erst spät in den klinischen Studien auf, sind bis dahin bereits hohe Kosten entstanden. „Im schlimmsten Fall zeigen sie sich erst, wenn die Medikamente schon auf dem Markt sind.“ Eine Katastrophe für Patienten und für Pharmaunternehmen.
Noch ist das Verfahren in der Erprobungsphase. „Aber unsere Tests zeigen, dass es funktioniert“, sagt Joachim Haupt. Die Navigation durch das Universum der chemischen Stoffe, sie funktioniert. Viele Millionen Euro kostet die Entwicklung eines Medikaments. Mit einer Idee aus Dresden ließe sich sparen.