Aptamer

Aptamere (von lat. aptus, passen und gr. meros, Gebiet) sind kurze einzelsträngige DNA- oder RNA-Oligonukleotide (25–70 Basen), die ein spezifisches Molekül über ihre 3D-Struktur binden können.^[1]

Beschreibung

Aptamere binden an Proteine, z. B. Wachstumsfaktoren und bakterielle Gifte, niedermolekulare Stoffe, wie Aminosäuren und Antibiotika, und auch an Viruspartikel. Aptamere haben Dissoziationskonstanten im pico- bis nanomolaren Bereich. Sie binden demnach an ihre Zielmoleküle ähnlich stark wie Antikörper. Diese hohe Spezifität wird erreicht, indem sich die 3D-Struktur des Oligonukleotides genau um den Bindungspartner herumfaltet ("adaptive Bindung"). Die wichtigsten Interaktionen neben der Passgenauigkeit sind elektrostatische Wechselwirkungen, Wasserstoffbrücken und Basen-Stapelung (engl. base stacking).

Aptamere werden künstlich (in vitro), nach dem Kriterium einer möglichst hohen spezifischen Bindungsaffinität hergestellt. Dazu erstellt man große Zufallsbibliotheken von Oligonukleotiden unterschiedlicher Basenabfolge, in einer Größenordnung von 10¹⁴ bis 10¹⁵ verschiedenen Sequenzen pro µmol. (Bei einer Oligonukleotidlänge von 40 bis 70 Basen wären deutlich mehr Variationen möglich, bis zu 10⁴², aber solche Mengen sind nicht herstellbar). Aus diesen Sequenzen werden über die „systematische Evolution von Liganden durch exponentielle Anreicherung“ (selection of ligands by exponential enrichment, SELEX^®) diejenigen herausgefiltert, die das gewünschte Molekül am stärksten binden.^[2] Die Aptamer-Kandidaten werden mit immobilisierten Liganden vermischt und die nicht gebundenen weggewaschen. Zurück bleiben Kandidaten, die eine hohe Affinität für das Zielmolekül besitzen. Diese vermehrt man über PCR und beginnt einen neuen Zyklus von Bindung und Wegwaschen der schwächer gebundenen Kandidaten. Nach mehreren Durchgängen erhält man ein oder zwei Oligonukleotide, die als Aptamere bezeichnet werden.

Aptamere vereinen die günstigen Eigenschaften von kleinen Molekülen und Antikörpern. Zu diesen Eigenschaften gehören unter anderem

• hohe Spezifität und Affinität
• chemische Stabilität
• niedrige Immunogenität
• die Fähigkeit der gezielten Beeinflussung von Protein-Protein-Interaktionen

Im Gegensatz zu monoklonalen Antikörpern werden Aptamere chemisch synthetisiert und nicht biologisch exprimiert, was einen erheblichen Kostenvorteil bei ihrer Synthese darstellt. Bei der Synthese können vielfältige Modifikationen, wie beispielsweise der Einbau von Fluoreszenz-Reportermolekülen oder Affinitätstags, vorgenommen werden. Wird ein Aptamer mit Polyethylenglykol (PEG) konjugiert, kann z.B. verhindert werden, dass die ursprünglich sehr kleinen Moleküle zu schnell über die Niere filtriert oder ausgeschieden werden. Dadurch lässt sich die Eliminationshalbwertszeit vom Minutenbereich zu Stunden deutlich erhöhen. Die enzymatische Stabilität von Aptameren lässt sich zudem durch Verwendung chemisch modifizierter oder stereochemisch spiegelbildlicher Nukleotide (Spiegelmere)^[3] verbessern.

Anwendungen

Durch ihre Fähigkeit, die Funktion einzelner Proteine in der Zelle gezielt auszuschalten, gelten Aptamere als vielversprechende molekulare Werkzeuge. Aptamere finden Verwendung als Therapeutika, in der medizinischen Diagnostik und der Umweltanalytik.

Insbesondere in der Onkologie sind mit Aptameren vielversprechende Therapieansätze möglich. Zurzeit gibt es keinen auf Aptameren basierenden Wirkstoff für die Krebstherapie. Mehrere klinische Studien wurden jedoch begonnen. Ende 2006 wurde ein auf der Aptamer-Technologie basierender Kokain-Schnelltest vorgestellt.

Altersbedingte Makuladegeneration (AMD)

Im Dezember 2004 wurde in den USA Pegaptanib als Arzneistoff zugelassen, das nach der europaweiten Zulassung im Februar 2006 seit Mai 2006 in Deutschland im Handel ist. Es ist für die Behandlung gegen die feuchte altersbedingte Makula-Degeneration (AMD) zugelassen. Pegaptanib ist ein 27mer RNA-Aptamer, das mit dem Ziel entwickelt wurde, hochspezifisch und mit hoher Affinität an den Wachstumsfaktor VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor) zu binden.^[4]

Literatur

1. ↑ A. D. Ellington und J. W. Szostak In vitro selection of RNA molecules that bind specific ligands. In: Nature. Band 346, 1990, S. 818–822, PMID 1697402 doi:10.1038/346818a0
2. ↑ C. Tuerk und L. Gold: Systematic evolution of ligands by exponential enrichment: RNA ligands to bacteriophage T4 DNA polymerase. In: Science. Band 249, 1990, S. 505–510, PMID 2200121 doi:10.1126/science.2200121
3. ↑ Vater A, Klussmann S: Toward third-generation aptamers: Spiegelmers and their therapeutic prospects. In: Curr Opin Drug Discov Devel. 6, Nr. 2, März 2003, S. 253–61. PMID 12669461.
4. ↑ E. W. Ng et al.: Pegaptanib, a targeted anti-VEGF aptamer for ocular vascular disease. In: Nat. Rev. Drug. Discov. Band 5, 2006, S. 123–132, PMID 16518379 doi:10.1038/nrd1955 HTML

Weblinks

• Helmhotz Zentrum für Umweltforschung: Aptamere - neue molekulare Erkennungselemente
• Aptamere und Intramere (Vorlesung Universität Marburg)
• Kokain-Schnelltest auf Aptamerbasis
• Pegaptanib gegen AMD