Forschung

Zahlreiche Experimente haben die Lokalisation von Frataxin in den Mitochondrien erlaubt und die Schlussfolgerung ergeben, dass Frataxin auf die eine oder andere Weise beim Transport, der Lagerung oder der Manipulation der Eisenatome in den Mitochondrien beteiligt ist.

Ohne die exakte Rolle des Proteins zu kennen, kann man doch behaupten, dass das Fehlen von Frataxin zu einer anormalen Anhäufung von Eisen in den Mitochondrien führt, und zwar auf Kosten des Eisens, das normalerweise im Zytoplasma (Flüssigkeit der Zelle) vorhanden ist. Weil das Eisen im Zellplasma fehlt, entwickeln die Zellen eine Tendenz, mehr und mehr Eisen anzuziehen. Dieses wird sich dann, wegen des Mangels an Frataxin, in noch größeren Dosen in den Mitochondrien anhäufen.

Wissenswert ist dabei, dass das Eisen extrem toxisch ist, weil es mit Sauerstoff direkt reagiert und dabei sogenannte freie Radikale hervorbringt, die ihrerseits auf die Zelle höchst toxisch wirken.

Vor kurzem haben Forscher aufgezeigt, dass Frataxin mit Eisen reagiert, indem sich kugelförmige Gebilde formen (bis zu sechzig Frataxinmoleküle verbinden sich), in denen sich das Eisen dann ansammelt. Wenn sich diese Beobachtung bestätigt, könnten diese Frataxinkomplexe als Lagerort für Eisen dienen, mit der Konsequenz, dass das vorhandene Eisen weniger toxisch wirkt, und das übrige in den Mitochondrien vorhandene Eisen korrekt verwendet wird. Insofern wird das in die Mitochondrien importierte Eisen nicht zu Unmengen gelagert, sondern für die Synthesen der Proteine verwendet, die Eisen nämlich brauchen, um zu funktionieren.


Die Friedreich'sche Ataxie bekämpfen


Wie auch immer der genaue Mechanismus abläuft, der zur Toxizität des Eisens führt - bewiesen ist inzwischen, dass er beim Fortschreiten der Krankheit eine vordergründige Rolle spielt. Aufgrund der angenommenen Zunahme der freien Radikale, die diese Eisenansammlung mit sich bringt, wurde eine Strategie in Erwägung gezogen, die auf der Verabreichung von Antioxydantien basiert, und für die ein Testprotokoll aufgezeichnet wird.

Unter den zahlreichen Substanzen, die antioxidierend wirken, haben sich die Forscher für jene interessiert, die das Eisen nicht reduzieren (damit keine freien Radikale gebildet werden können!). Ihre Wahl fiel auf Idebenon, das sich im Organismus besser verbreitet als Coenzym Q10, eine verwandte Substanz, die beim Menschen natürlich vorkommt. Diese Behandlung hat nicht direkt das Eisen selbst im Visier, sondern zielt darauf ab, die Zellen vor den toxischen Auswirkungen des Eisens zu schützen.

Die Resultate, die man bei den mehr als fünfzig Patienten erzielte, erweisen sich als vielversprechend. Nach einer Behandlung von einigen Wochen wurde eine Verminderung der Herzbeschwerden beobachtet, ohne dass dabei Nebenwirkungen bemerkt wurden. Bei einer gewissen Anzahl Betroffener war sogar noch begleitet von einer Verbesserung der Stimme und der Feinmotorik zu bemerken.

Es ist noch zu früh, um definitive Schlüsse zum Nutzen des Medikaments ziehen zu können, aber schon jetzt besteht die Hoffnung, in den Verlauf der Krankheit eingreifen zu können. Anzunehmen ist, dass sich in nächster Zukunft mit Idebenon verwandte Substanzen für viele Patienten sogar als noch wirksamer herausstellen werden. In einer etwas entfernteren Zukunft könnte die Entwicklung der Gentherapie es ermöglichen, die Krankheit an ihrer Wurzel zu bekämpfen, das heißt an den defekten Genen.


Gemäss Äußerungen von Pierre Rustin, Forscher bei INSERM








Friedreich'sche Ataxie: Drei Jahre nach der Identifikation des Gens eine erste Hoffnung, den Verlauf der Krankheit hemmen zu können


Pierre Rustin, Jürgen Christoph von Kleist-Retzow, Karine Chantrel-Groussard, Daniel Sidi, Arnold Munnich und Agnès Rötig

Die Friedreich'sche Ataxie ist die häufigste vererbbare menschliche Ataxie. Es ist eine neurodegenerative, autosomal rezessive Krankheit, die etwa eine Person auf 50'000 trifft, d.h. momentan 1500 bis 2000 Personen in Frankreich. Die neurologische Erkrankung wird in den meisten Fällen von einer Erkrankung des Herzens begleitet, die sich als die tödlich erweisen kann.

1996 wurde das für die Friedreich'sche Ataxie verantwortliche Gen dank der Zusammenarbeit der französischen und kanadischen Forschergruppen von Michel Koenig und Massimo Pandolfo identifiziert. Diese Gruppen haben zum ersten Mal bei einer autosomal rezessiven, genetischen Krankheit gezeigt, dass die Zunahme der Wiederholungen eines Triplets in einem Gen (dem Frataxin-Gen) für die Krankheit verantwortlich ist. Diese, im ersten Intron des Gens vorhandene übermässige Wiederholung der Triplets, wird bei praktisch allen Patienten wiedergefunden und variiert zwischen 150 bis 1000 bei erkrankten Personen, verglichen mit 7 bis 25 bei der übrigen Bevölkerung. Diese Trinukleotidexpansion bewirkt eine quantitative Verminderung der Messenger-RNA, was letztlich in einem Funktionsverlust des kodierten Proteins Frataxin resultiert.

1997, also ein Jahr später, gelang verschiedenen Arbeitsgruppen, die mit der Hefe Saccharomyces cerevisiae arbeiteten, die mitochondriale Lokalisierung des Frataxins. Dabei konnte gezeigt werden, dass der Funktionsverlust des Proteins eine abnormale Anhäufung von Eisen in der mitochondrialen Matrix bewirkt.
Zur gleichen Zeit zeigten wir, dass ein generelles Defizit an mitochondrialen Eisen-Schwefel-Proteinen bei Endomyocard-Biopsien junger Patienten zu beobachten war. Hingegen zeigten sich überraschenderweise weder bei den Lymphocyten, den Fibroblasten, noch bei den Skelettmuskeln der Patienten biochemische Erkrankungen, was erklärt, weshalb die mitochondriale Herkunft der Friedreich'schen Ataxie so lange unerkannt geblieben war. Wir ergänzten also diese Arbeit, indem wir zeigten, dass ein identisches Defizit bei Mutanten der Hefe vorkommt, begleitet von anderen Störungen der Enzyme der mitochondrialen Atmungskette.



Die Funktion des Frataxins muss noch präzise definiert werden. Bei der Beobachtung der Anhäufung von Eisen in den Mitochondrien sah es zuerst vernünftig aus, dem Frataxin eine Rolle in der Kontrolle des Eisentransports in den Mitochondrien zuzuschreiben. Die anormale intra-mitochondriale Anhäufung von Eisen, die zu einer Produktion von Sauerstoffradikalen führt, könnte die sekundäre Zerstörung der Eisen-Schwefel Proteine erklären, die bekanntlich mit superoxiden Anionen sehr empfindlich reagieren.
Trotzdem können auch andere Hypothesen in Erwägung gezogen werden, die ebenfalls überzeugend dem biochemischen Phänotyp gerecht werden könnten. So besagt eine andere Hypothese, das Frataxin könne direkt oder indirekt Einfluss haben auf die Kontrolle der freien Radikale in den Mitochondrien, und so auf sekundäre Weise die intramitochondriale Homöostase des Eisens stören, was zur Zerstörung der Eisen-Schwefel-Proteine führt.
Aus diesem Gesichtspunkt ist interessant zu bemerken, dass das vererbte Defizit an alpha-Tocophenol, einer antioxidierenden Substanz, die bekannt ist für ihr natürliches Vorkommen in den mitochondrialen Membranen, eine von der Friedreich'schen Ataxie klinisch kaum unterscheidbare Krankheit bewirkt.
Gemäss einer letzten Hypothese schließlich, soll das Frataxin mehr oder weniger direkt in die Synthese der Schwefel-Eisen-Proteine eingreifen. Hier sammelt sich das Eisen, auf Grund des Funktionsverlustes des Frataxins an einer Integration in diese Proteine gehindert, anormal in der mitochondrialen Matrix. Dieser Mechanismus würde den sehr spezifischen Mangel an Eisen-Schwefel-Proteinen vollkommen erklären, während die restlichen Bestandteile der Mitochondrien nicht signifikant zu leiden scheinen, zumindest nicht in der Anfangsphase der Krankheit beim Menschen.
Mit dieser letzten Hypothese übereinstimmend haben jüngste Forschungen aufgezeigt, dass Yfh1-deletierte Hefen (das Homolog zum Frataxin), die in einem Milieu mit kontrolliertem Eisengehalt kultiviert werden, immer ein Defizit an Schwefel-Eisen-Proteinen aufweisen, ohne dass übermäßige Eisenansammlungen in den Mitochondrien beobachtet würden.

Es ist momentan schwierig, was den primären Aktionsmechanismus des Frataxins betrifft, zu einem Schluss zu kommen. Das Schema im Bild 1 fasst den Zyklus, der diese drei verschiedenen Hypothesen verbindet, zusammen. In allen Fällen kommt es zu einer Eisenakkumulation, zum Verlust von Eisen-Schwefel-Proteinen und zur Produktion von superoxiden Anionen .



Darauf aufbauend haben wir Substanzen gesucht, welche einen solchen Zyklus unterbrechen könnten, ungeachtet dessen, welcher Primärmechanismus zugrunde liegt . Dazu haben wir ein in vitro-System benützt (ein Homogenat aus menschlichem Herz), in welchem die Manipulation der Eisenmenge es uns erlaubte, eine Zerstörung der Eisen-Schwefel-Proteine zu induzieren, welche der in vivo beobachteten identisch war. Aus dieser Studie ging hervor, dass jene antioxidierenden Substanzen, welche wie das Vitamin C das Eisen reduzieren konnten, dessen Toxizität noch erhöhten.
Obwohl die wasserlöslichen, chelatisierenden Substanzen des Eisens (EDTA, desferral) die membranären Komponenten gut schützten, führten sie, indem sie das Eisen der Membranen in die wässrige Phase verschoben, zu einer massiven Zerstörung der löslichen Eisen-Schwefel-Proteine, und stellten daher keine besonders versprechende Substanzen für eine zukünftige Behandlung der Krankheit dar.

Daher machten wir uns daran, antioxidierende Substanzen zu finden, welche oxidiert verabreicht werden könnten – das Eisen also nicht reduzieren würden – und die anschließend in situ reduziert würden, um eine effektive antioxidierende Wirkung auf die Superoxyde zu haben.
Dies führte uns dazu, verschiedene Analoge des Ubiquinons zu testen, welche, einmal durch die Atmungskette reduziert, tatsächlich eine antioxidierende Wirkung ausüben können.
So scheint es nun möglich, sowohl die membranären als auch die löslichen Enzyme in unserem in vitro-System zu schützen.



Da einige dieser Analoge im Ausland als Medikamente erhältlich waren und keine bekannten, schädlichen Nebenwirkungen beim Menschen verursachten, testeten wir eines dieser Analoge, nämlich Idebenon, ein kurzkettiges Anolog von Ubiquinon, an einigen Patienten.
Die Behandlung – die Einnahme von drei Tabletten pro Tag (5 mg/kg/d) – hatte, wie sich zeigte, eine spektakuläre Wirkung auf die Hypertrophie des Herzens bei den drei Patienten (1Kind und 2 junge Erwachsene). Nach einer Behandlung von nur wenigen Monaten (4-9 Monate) konnte eine Reduktion der Dicke der zuvor hypertrophierten Wände um 30 bis 40 % beobachtet werden. Außerdem lässt auch die allgemeine Verbesserung des Gesundheitszustands und der Kontrolle der Feinmotorik auf eine breitere Wirkung hoffen, insbesondere auf der neurologischen Ebene, bei einer längeren Behandlungsdauer.

Im Anschluss an dieses vorbereitende Experiment hat im April 1999 ein offenes therapeutisches Experiment begonnen, an welchen über fünfzig Patienten, sowohl Kinder als auch Erwachsene, beteiligt sind und das zwei Jahre dauern wird.

Aber bereits nach drei Monaten Behandlung zeigen die Resultate der an den zehn ersten Kindern durchgeführten Herzuntersuchungen bei acht von ihnen eine signifikante Abnahme der Hypertrophie. Somit bestätigen sich die Hoffnungen, die durch den vorbereitenden Versuch an den drei vorerst behandelten Patienten geschürt worden waren.
Dies müsste auch schnell dazu führen, dass die nötigen Mittel dazu gefunden werden, die Produktion von Idebedon wieder aufzunehmen, da diese Substanz, die bisher ausschließlich von der Firma Takeda in Japan hergestellt wurde, nach den uns verfügbaren Informationen, von dieser nicht mehr produziert wird.

Es hat somit nur drei Jahre gebraucht, bis ein erster Weg zur Behandlung dieser genetischen Krankheit gefunden wurde. Es handelt sich hierbei um eine direkte Folge der fantastischen Fortschritte, die in den letzten Jahren bei der Dekryptierung der menschlichen Gene realisiert wurden, da sie von der Identifikation des beteiligten Gens und der Etablierung des physiopathologischen Mechanismus der Krankheit ausgeht.