Die Suche nach wirkungsvollen Medikamenten wird künftig leichter: Mit einem neuen mathematischen Modell können Forscher jetzt schneller und genauer als bislang vorhersagen, ob ein Arzneimittel zu seinem Wirkungsort gelangt. Die im „Journal of Chemical Physics“ veröffentlichte Methode nutzt ausgeklügelte mathematische Verfahren, um aus chemischen Daten die Route biologisch aktiver Substanzen im Körper – oder auch in einem Ökosystem – zu berechnen.
Biologisch aktive Substanzen müssen im menschlichen Körper eine Vielzahl wässriger Lösungen, Lipidmembranen und Blutbarrieren durchdringen, um zu ihrer jeweiligen Wirkungsstätte vorzudringen. Forscher des Max-Planck-Instituts für Mathematik in den Naturwissenschaften in Leipzig ermöglichen es nun gemeinsam mit Kollegen der Aarhus Universität in Dänemark, die Wege bioaktiver Stoffe im menschlichen Körper zuverlässiger und schneller zu beschreiben als bislang. Sie haben ein neues mathematisches Modell entwickelt, das die freie Hydratationsenergie vieler biologisch aktiver Stoffe berechnet.
Neue Formel macht Auswertung schneller
Das neue Modell basiert auf einer Datenbank, welche die freien Hydratationsenergien von etwa 50 bioaktiven Substanzen enthält. Aus ihnen errechnet die Software der Forscher innerhalb weniger Sekunden die freie Hydratationsenergie weiterer, chemisch ähnlicher Stoffe. Ältere automatisierte Simulationsmodelle auf Basis der gleichen Datenbank brauchten oft Wochen, um ein Ergebnis zu liefern. „Und das war dann häufig ungenau“, sagt Maxim Fedorov vom Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften in Leipzig. Er und seine Kollegen haben eine bereits bestehende Theorie mit modernen mathematischen Methoden weiterentwickelt und so eine neue Formel aufgestellt, die den Zusammenhang zwischen den Strukturen von Molekülen und ihren physikalischen Eigenschaften besser beschreibt.
„Die älteren Modelle nutzen nicht alle Möglichkeiten, die uns die Mathematik heute bietet“, so Fedorov. „Das liegt auch daran, dass neue Entwicklungen in der Mathematik von anderen Disziplinen oft übersehen werden.“ Da die alten Modelle nicht alle mathematischen Kniffe einsetzten, dauerte die Berechnung der freien Hydrationsenergie so lange, dass sie für die Industrie unpraktikabel waren. Daher liegen derzeit nur von 1.000 der insgesamt 20 Millionen bekannten bioaktiven Stoffe entsprechende Werte vor.
Prognose von Substanzbewegung in komplexer Umwelt
Die einfachen Berechnungen der physikalischen Eigenschaft könnten nicht nur im pharmakologischen Bereich Anwendung finden. „Das Modell ist die Grundlage für viele Berechnungen, die mit der Verteilung von Stoffen in komplexen Umgebungen zu tun haben“, so Fedorov. Es gilt für beliebige wässrige Systeme, und der menschliche Körper ist eines davon. „Wir wollen letztlich die Bewegung einer Substanz in einer beliebig komplexen Umgebung vorhersagen.“ So könnten die Ergebnisse auch für die Umweltforschung relevant werden. Sie erlauben es Wissenschaftlern beispielsweise die Verbreitung landwirtschaftlicher Chemikalien in Ökosystemen oder industrieller Abgase und Abwässer in der Luft und Flüssen zu prognostizieren.
(Max-Planck-Gesellschaft, 16.08.2010 – NPO)
