Gezielte lichtgesteuerte Assoziation und Dissoziation von photochromen Liganden und DNA

In der Photochemie wird Licht als Reagenz eingesetzt; d.h. die chemische Reaktion eines Substrats wird bei Bestrahlung ohne thermische Belastung und ohne Zugabe weiterer Chemikalien ausgelöst. Diese Art der Reaktionsführung erlaubt einerseits eine hohe lokale und zeitliche Auflösung und – bei transparenten Reaktionsmedien – eine Steuerung der Reaktion durch einen externen Stimulus. Dieser Vorteil kann insbesondere dann genutzt werden, wenn die Zugabe von Reagenzien nur mit verhältnismäßig hohem Aufwand zu realisieren ist oder wenn das System bei hohen Temperaturen nicht stabil ist. Eine derartige Situation liegt vor, wenn eine Reaktion in einem biologischen System induziert werden soll, beispielsweise für chemotherapeutische Zwecke in einer Zelle. Im Idealfall wird bei diesem photochemischen Ansatz eine biologisch inaktive Verbindung an den Zielort in dem zu behandelnden Organismus gebracht und erst an dieser Stelle durch Bestrahlung in den aktiven Wirkstoff überführt, der dann seine chemotherapeutische Wirksamkeit entfalten kann (Abbildung 1). Der besondere Vorteil dieser Methode – im Vergleich zur herkömmlichen Chemotherapie ohne Photoaktivierung – liegt in der Einschränkung der Nebenwirkungen, weil die inerte Vorläuferverbindung auf dem Weg zu ihrem Wirkort keine (oder nur wenig) biologische Aktivität aufweist und damit das gesunde Gewebe weniger schädigt. Darüber hinaus erlaubt die photochemische Aktivierung des Substrats eine gezielte und kontrollierte Dosierung des Wirkstoffs mit Hilfe der Bestrahlungsdauer und der Fokussierung der Einstrahlung auf einen ausgewählten Bereich. Dieser photochemische Ansatz wird daher schon lange Zeit erfolgreich in der photodynamischen Therapie (PDT) eingesetzt [1].

<br />Abbildung 1. Schematische Darstellung des Prinzips der photochemischen Wirkstoffaktivierung.

Während der oben beschriebene Einsatz photoaktiver Wirkstoffe jeweils auf einer irreversiblen Photoreaktion beruht, erfahren seit einigen Jahren insbesondere photochrome Systeme bei der Entwicklung von Wirkstoffen mit lichtgesteuerter biologischer Aktivität besondere Aufmerksamkeit. Eine photochrome Verbindung kann durch Lichtabsorption reversibel zwischen zwei Formen geschaltet werden [2]. Dabei können eine oder beide Richtungen des Gleichgewichts durch Absorption elektromagnetischer Strahlung, oder auch durch thermische Relaxation induziert werden. Die beiden Formen des photochromen Gleichgewichts haben in der Regel deutlich unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften. Insbesondere durch die unterschiedliche Lage der Absorptionsmaxima der beiden Formen lässt sich die Lage des Gleichgewichts oftmals durch den Einsatz verschiedener Anregungswellenlängen steuern. Aufgrund dieser Eigenschaften stellen photochrome Prozesse eine sehr attraktive Grundlage für die Entwicklung funktioneller Materialien dar [3].
Im Bereich der photoaktivierbaren Wirkstoffe eröffnen photochrome Verbindungen ebenfalls neuartige Möglichkeiten. Denn über die oben beschriebene Photoaktivierung am Wirkort hinaus kann ein photochromer Wirkstoff aufgrund der Reversibilität der Reaktion auch wieder photoinduziert deaktiviert werden, wenn er nicht mehr benötigt wird [4]. In Kombination mit geeigneten diagnostischen Methoden können somit beispielsweise eine Überdosierung verhindert und weitere Neben- oder Folgewirkungen eingeschränkt werden. Vor diesem Hintergrund werden daher auch photochrome DNA-Liganden intensiv untersucht. DNA-bindende Liganden haben nämlich ein großes Potenzial als Leitstrukturen für die Entwicklung von Wirkstoffen, da ihre Wechselwirkungen mit der DNA die physiologische Funktion der Nucleinsäure deutlich einschränken oder gar unterbinden kann. Allerdings ist die tatsächliche Anwendung von DNA-Liganden in der Chemotherapie, sofern sie die klinischen Phasen überhaupt überstanden haben, wegen ihrer oftmals massiven Nebenwirkungen nicht komplikationsfrei. Daher wäre es insbesondere bei derartigen chemotherapeutischen Ansätzen wünschenswert, durch reversibel photoaktivierte DNA-Liganden eine bessere räumliche und zeitliche Kontrolle über die Aktivierung und Deaktivierung zu gewährleisten. Langfristig könnte daher die Entwicklung von photoschaltbaren DNA-Liganden ein vielversprechender Ansatz in der photodynamischen Chemotherapie sein. Vor diesem Hintergrund wurde in den vergangenen Jahren eine  Reihe von photoschaltbaren DNA-Liganden  entwickelt, die nur in einer  Form des  photochromen  Gleichgewichts mit DNA wechselwirken [5]. So zeigten Mascareñas und Mitarbeiter in maßgebenden Arbeiten, dass eine Modifikation des bekannten DNA-bindenden Proteins bZIP durch Integration einer photochromen Azobenzoleinheit wie in Verbindung E-1 zu einem photoschaltbaren DNA-Liganden führt [6]. In der E-konfigurierten Form E-1 hat der Ligand nur eine sehr geringe Affinität zu derjenigen DNA-Sequenz, an die das natürliche Protein bZIP hochspezifisch bindet. Bei Bestrahlung mit ultraviolettem Licht (UV, 365 nm) hingegen wird in einer E-Z-Isomerisierung das Isomer Z-1 gebildet, das aufgrund seiner Struktur nun die gleichzeitige Bindung beider Peptideinheiten in der großen Furche der DNA ermöglicht und daher eine um den Faktor 60–70 höhere Affinität zur DNA aufweist (Abbildung 2). Durch Bestrahlung von Z-1 mit sichtbarem Licht (VIS, 430 nm) oder durch thermische Relaxation wird das ursprüngliche Isomer E-1 zurückerhalten. Diese Ergebnisse demonstrieren, dass photochrome Systeme für das Schalten von DNA-bindenden Eigenschaften genutzt werden können. Allerdings ist hier zu beachten, dass beide Formen des photochromen Gleichgewichts an DNA binden und sich nur in der Bindungsaffinität deutlich unterscheiden. Darüber hinaus gelingt es mit diesem photochromen System nicht, den stärker bindenden Liganden quantitativ zu generieren, sondern nur in einem photostationären Gleichgewicht mit einem Anteil von max. 95%.

Abbildung 2. Licht-induzierte Modifikation der DNA-bindenden Eigenschaften des photochromen Peptid-Azobenzol-Konjugats E-1.

Mit den Spiropyranderivaten 2a–c wurden ebenfalls exemplarische Vertreter von photochromen DNA-Liganden vorgestellt, die die oben angeführten Nachteile des Azobenzols nicht aufweisen (Abbildung 3) [7]. Diese Verbindungen sind aufgrund ihres großen dreidimensionalen Raumanspruchs nicht in der Lage, in die Bindungsstellen von DNA zu binden. Bei Bestrahlung mit UV-Licht wird hingegen die sterisch anspruchsvolle Spirostruktur aufgelöst, und die Merocyaninderivate 3a–c werden ausgebildet, die mit hinreichender Affinität an DNA binden. Die Assoziation der Liganden mit DNA wird dabei wesentlich durch die kationische Funktionalität, d.h. den Ammoniumalkylsubstituenten, unterstützt. Besonders bemerkenswert ist die Beobachtung, dass die DNA-Intercalatoren 3a–c bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht (> 475 nm) wieder zurück in die Spiroverbindungen 2a–c überführt werden können und so dem DNA-Ligand-Komplex entzogen werden. Somit lassen sich auf diese Weise Ligand-DNA-Komplexe in Abhängigkeit von den Bestrahlungsbedingungen, d.h. mit deutlich unterschiedlichen Anregungswellenlängen für die Hin- und Rückreaktion, reversibel generieren.

Abbildung 3. Licht-induzierte Modifikation der DNA-bindenden Eigenschaften der photochromen Spiropyranderivate 2a–c.

Mit diesen richtungweisenden Ergebnissen wurde demonstriert, dass DNA-Ligand-Komplexe durch Einsatz von Licht gezielt gebildet und wieder aufgelöst werden können. Es sollte allerdings beachtet werden, dass diese Experimente bislang nur ex vivo, also im Reagenzglas, durchgeführt wurden und die Umsetzung in realen biologischen Systemen noch aussteht. Unter Berücksichtigung der latenten physiologischen Funktion von DNA-bindenden Liganden, die in der Chemotherapie bereits effizient genutzt wird, dürften diese Arbeiten jedoch langfristig eine vielversprechende Grundlage für die Entwicklung photoschaltbarer Wirkstoffe sein, die eine gezielte lichtgesteuerte Freisetzung und Deaktivierung von DNA-bindenden Chemotherapeutika ermöglichen.

Literatur

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[2] D. Bléger, Stefan Hecht, Angew. Chem. 2015, 127, 11494-11506.

[3] H. Dong, H. Zhu, Q. Meng, X. Gong, W. Hu, Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 1754-1808.

[4] a) W. A. Velema, W. Szymanski, B. L. Feringa, J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 2178-2191. b) J. Broichhagen, J. A. Frank, D. Trauner, Acc. Chem. Res. 2015, 48, 1947-1960.

[5] Erste Hinweise auf photochrome DNA-Liganden: a) B. Juskowiak, M. Ohba, M. Sato, S. Takenaka, M. Takagi, H. Kondo, Bull. Chem. Soc. Jpn. 1999, 72, 265–277. Weitere repräsentative Beispiele: b) A. Mammana, G. T. Carroll, J. Areephong, B. L. Feringa, J. Phys. Chem. B 2011, 115, 11581-11587. c) H. Ihmels, J. Mattay, F. May, L. Thomas, Org. Biomol. Chem. 2013, 5184-5188. d) K. Liu,  Y. Wen,  T. Shi,  Y. Li,  F. Li,  Y.-l. Zhao,  C. Huang, T. Yi, Chem. Commun. 2014, 50, 9141-9144.

[6] A. M. Caamaño, M. E. Vázquez, J. Martínez-Costas, L. Castedo, J. Mascareñas, Angew. Chem. Int. Ed. 2000, 39, 3104-3107.

[7] a) J. Andersson, S. Li, P. Lincoln, J. Andréasson, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 11836-11837. b) M. Hammarson, J. R. Nilsson, S. Li, P. Lincoln, J. Andréasson, Chem. Eur. J. 2014, 20, 15855-15862.