Bioprospektering i Arktiska vatten
-jakten på nya läkemedel från marina
organismer
Johan Svenson - MabCent SFI
Universitetet i Tromsø
Naturprodukter som läkemedel
•
•
•
2
Från början var alla läkemedel naturprodukter
I tusentals år har växt- och djurdelar varit en viktig del av
läkekonsten i kombination med en god del trollkonst
Nuförtiden har ungefär två tredjedelar av dagens läkemedel sitt
ursprung i naturprodukter
18.04.2013
Gammal vetenskap -Pedanius Dioscorides
•
•
•
3
Allt var inte häxkonster
Materia medica (~60 AD) är den första systematiska katalogiseringen
av växter och hur de kunde användas inom medicinen
De fem volymerna användes som referenslitteratur i 1500 år
18.04.2013
Farmakognosi/Bioprospektering
•
•
•
4
Läran om nya bioaktiva naturprodukter kallas för Farmakognosi
Jakten på nya bioaktiva ämnen med ursprung i naturen kallas
generellt för Bioprospektering
Etnofarmakognosi är en variant där man utgår ifrån traditionell
medicin för att finna ”nya” kurer
18.04.2013
Marina naturprodukter
•
•
•
5
De första marina organismerna som studerades var de som såg
spännande ut och de som enkelt gick att samla in
Insamlingar på djupare och kallare vatten var svårt
Marina naturpodukter har därför kommit in på läkemedelsarenan
mycket sent
18.04.2013
Marina naturprodukter
•
•
•
•
SCUBA innebar ett genombrott
Marina naturprodukter är nu ett mycket hett område
2004 blev det första läkemedlet (ZiconotideTM) med marint
ursprung godkänt av FDA
Per 2012 är sju marina naturprodukter godkända av FDA och
flera genomgår kliniska studier
www.coneshell.net
6
18.04.2013
Marina naturprodukter
•
•
•
Sju godkända läkemedel från 22.000 identifierade marina ämnen
1 av 3140 är 1.7-3.3 ggr bättre än ”industrisnittet” på 1 av 510000 testade ämnen
Många fler lovande ämnen indikerar att den marina världen är en
exceptionell källa för nya läkemedel
www.reefguide.org
7
18.04.2013
Arktiska marina organismer
•
•
•
•
8
Dessa organismer upplever sällan temperaturer över 5°C
Många klarar av temperaturer under fryspunkten
Denna ”extrema” biokemi med system optimerade att fungera
vid låga temperaturer är väldigt intressant för industriella
applikationer
Sekundärmetaboliter också av stort intresse
18.04.2013
MabCent
•
•
•
9
För att studera potentialen hos Arktiska marina organismer
startades MabCent 2007
“The paramount objective is to find and develop high-value
bioactive products for scientific and commercial exploitation by
screening compounds from Arctic organisms”
Projektet löper initialt 2007-2014 med en budget på närmare 200
miljoner
18.04.2013
MabCents strategi
•
•
•
10
Samla in och undersöka innehållet i marina organismer från
Norska vatten
Fyra kommersiella partners
Tre plattformar är ansvariga för de olika aktiviteterna
-Marbank –Insamling, identifiering
-Marbio –Screening, isolering
-Smallstruct –Struktur, kemi
18.04.2013
Marbank
•
•
•
•
•
11
MabCents biologiska material samlas in av Marbank
Norges nationella marina biobank
Baserad i Tromsö
Tillgång till tre olika forskningsfartyg upp till 60 meter
Material samlas in flera gånger om året på olika ”tokter” längs den
Norska kusten
18.04.2013
Insamling
12
18.04.2013
Insamling
13
18.04.2013
Insamling
•
•
•
•
14
Det insamlade materialet identifieras ombord på båtarna av
marinbiologer
”Så mycket som möjligt” av varje art fryses in
Genetiskt och mikrobiologiskt material från varje art samlas
också in
Marina bakterier odlas med svårighet
18.04.2013
Distribution
•
•
15
Närmare 1000 olika marina arter finns i Marbanks samling
I tillägg ger metagenomik information om olika mikroorganismer
som ej går att odla
18.04.2013
Vem gör egentligen vad?
•
•
•
Marina mikroorganismer ligger bakom majoriteten av
produktionen av bioaktiva ämnen
Mycket fokus på de marina mikroorganismerna
Metagenomik och molekylärbiologi används för producera
intressanta ämnen utan att ”värdorganismen” behöver kultiveras
Gerwick et al. Chem. & Biol. 19, 2012, 90
16
18.04.2013
Vem gör egentligen vad?
•
17
Storskalig odling av mikroalger genererar tillräckligt med
biologiskt material
18.04.2013
Marbio
•
•
•
•
18
Plattform för provupparbetning och screening
Tar hand om det insamlade biologiska materialet
Frystorkning och extraktion ger ett organiskt extrakt och ett
vattenextrakt
Båda extrakten undersöks vidare
18.04.2013
Fraktionering och screening
•
•
•
19
Semiautomatisk process
Extrakten torkas och fraktioneras m.h.a. kolonnkromatografi
Nio fraktioner samlas in och screenas i en mängd assays
18.04.2013
“Isolera först, testa sen” eller “testa först,
isolera sen”?
•
•
•
•
20
Två skolor inom naturproduktskemi
Båda har visat sig vara framgångsrika
För ny ”kemi” kan det löna sig att leta i spektroskopisk data från
fraktionerna
Den metoden garanterar dock inte att den nya kemin är bioaktiv
18.04.2013
”Testa först, isolera sen” -Bioassay-guidad
fraktionering
•
•
•
•
21
MabCent använder sig av Bioassay-guidad fraktionering
Alla fraktioner screenas och det är endast de fraktioner som
uppvisar lovande bioaktiviteter som studeras vidare
Riskerar att missa intressant kemi men genererar högre flöde
genom systemet
Lämpar sig för semiautomatik och specifika mål
18.04.2013
Screeningsmål
•
•
•
•
Endast fraktioner som uppvisar
aktivitet och dosresponsbeteende studeras
vidare
Fraktioneras vidare med HPLC
till 40 nya fraktioner som
screenas igen
Proceduren upprepas tills
bioaktiviteten återfinns i en
enda fraktion
Från den fraktionen försöker
man sedan isolera det bioaktiva
ämnet
22
18.04.2013
Att hitta nålen
Isolering och dereplikering
•
•
•
•
24
Lovande fraktioner studeras vidare och MS-baserad dereplikering
utförs innan de olika ämnena isoleras
Viktigt att så tidigt som möjligt etablera om det rör sig om ett
känt ämne
Databassökning tillsammans med spektroskopisk data används
Intressanta ämnen efter dereplikering isoleras
18.04.2013
Smallstruct
•
•
•
•
25
Strukturen hos de isolerade
ämnena löses hos
strukturplattformen Smallstruct
NMR och MS är
standardmetoderna som
används
Ofta en flaskhals p.g.a. generellt
små mängder material och
omättade föreningar
Samarbete med teoretiska
kemister löser en del av de
problemen
18.04.2013
Synoxazolidinoner
•
•
•
•
Substanser isolerade
från tunikaten Synoicum
pulmonaria
Antibakteriella ämnen
med ovanlig kemisk
struktur
Flera andra typer av
liknande ämnen har
hittas i samma organism
Oklart ”vem” som
producerat vad
Org. Lett. 2010, 12, 4752-4755, Tetrahedron Lett. 2011, 52, 1804-1806, J.
Org. Chem. 2012, 77, 858-869
Fleromättade fettsyror
•
•
•
•
Populärt kosttillskott
Har också förmågan att selektivt ha ihjäl vissa typer av
cancerceller
En omega-7 fettsyra är för första gången isolerad från
Scaphander lignarius
Kraftigt cytotoxisk jämfört med omega-3 och -6
Marine drugs 2012, 10, 2676-2690
27
18.04.2013
Breitfussin
•
•
•
•
En komplex klass av nya föreningar isolerad från Thuiaria
breitfussi
Mycket besvärlig molekyl att lösa strukturen på p.g.a. omättnad
Atomkraftsmikroskopi (AFM) användes för att lösa den slutgiltiga
strukturen
Flera liknande ämnen isolerade
Angew. Chem. 2012, 51, 12238-12241
28
18.04.2013
Breitfussin AFM
AFM-bild
AFM + overlay
Angew. Chem. 2012, 51, 12238-12241
Lag Tromsø
30
18.04.2013