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BLICKWINKEL

natürlich pflegend Illustration 1

Ein Gespräch mit Dr. Alice Kleber und Dr. Dirk Sombroek über einzigartige BRAIN-Technologien und die Entwicklungsprogramme TRiP2Sensation und TRiP2Taste für neue Kosmetika und Pflegeprodukte.

BRAIN: Worum geht es im BRAIN-Forschungsbereich BioActives?

Dirk Sombroek: Bei der F&E-Arbeit mit bioaktiven Naturstoffen widmen wir uns zwei wichtigen Themenfeldern: gesunde Ernährung und Pflege der Haut. Ziel bei Letzterem ist die Identifizierung von Substanzen, die in Hautpflegeprodukten einen positiven Effekt auf das Erscheinungsbild und das Wohlbefinden haben oder Hautirritationen vorbeugen. Die Palette der konkreten Problemstellungen hierbei ist sehr groß. So kann beispielsweise die Integrität der Haut aufgrund individueller Veranlagungen durch Stressfaktoren, Alterungsprozesse oder schädliche Umwelteinflüsse belastet werden. Wir nehmen das dann als Entzündung, Brennen, Jucken, Stechen, oder Schwellung wahr.

BRAIN: Was ist das Kernstück dieser Arbeit?

Alice Kleber: Wir haben eine langjährige Expertise bei der Entwicklung von Zellmodellen zur Nachstellung sensorischer Reaktionen der Haut – sogenannte „Cell-based Assays“. Mit diesen Zellmodellen können wir physiologische Abläufe in der Haut simulieren und somit schon im Labor zuverlässig bewerten, welche Reaktionen die Exposition der Haut mit einem bestimmten Stoff hervorruft. Dabei bemühen wir uns darum, diese Zellmodelle möglichst exakt der Situation in und auf der menschlichen Hautzelle anzupassen. Je besser die Modelle gelingen, desto erfolgreicher ist man bei der Identifikation von Wirkstoffen, die für Hautpflegeprodukte infrage kommen.

Dirk Sombroek: Das ist natürlich keine triviale Aufgabe, denn die relevanten Zellen der Haut sind differenziert. Ihr Vermehrungspotenzial und die Lebensdauer außerhalb des Körpers sind sehr begrenzt. Deshalb muss man im Labor mit Modell-Zellen arbeiten, die idealerweise dieselben physiologischen Eigenschaften, aber eine längere Lebenszeit haben.

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Hautreaktionen wie Brennen oder Jucken wollen wir mithilfe eines Wirkstoffs für ein Pflegeprodukt von vorneherein vermeiden.

Dr. Dirk Sombroek

BRAIN: Was ist der Ausgangspunkt dieser Forschungsarbeiten?

Dirk Sombroek: Wir arbeiten sehr zielgerichtet, indem wir von Anfang an eine konkrete Problemstellung im Auge haben, also beispielsweise eine bestimmte Reaktion der Haut, auf die wir abzielen. Diese Reaktion, sei es beispielsweise ein Brennen, Jucken oder eine Hautrötung wollen wir mithilfe eines Wirkstoffs für ein Pflegeprodukt von vorneherein vermeiden oder die Effekte nachträglich lindern. Wir studieren also diese konkrete Problemstellung und untersuchen, welche molekulare Strukturen in den Hautzellen für die Reaktion verantwortlich sind.

Alice Kleber: Anders formuliert: Wir schauen nach, welche Sensoren oder Rezeptoren in der Haut bei einer bestimmten Reaktion aktiviert werden und über welche Signalwege der Reiz weitergeleitet wird. Diese Sensoren oder Rezeptoren nennen wir in der Forschung „Targets“. Auf Grundlage dieses Wissens entwickeln wir dann gezielt Testmodelle, um im Labor prüfen zu können, ob Testsubstanzen auf den Zielsensor eine Wirkung haben.

BRAIN: Was muss man sich unter diesen Signalkanälen oder Targets vorstellen?

Alice Kleber: Bei diesen Hautsensoren handelt es beispielsweise sich um Ionenkanäle wie die „Transient Receptor Potential“-Ionenkanäle, kurz TRP, oder um sogenannte G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, kurz GPCR. Die Sensoren nehmen einen Reiz wahr und lösen in der Zelle, in der sie verankert sind, biochemische oder biophysikalische Prozesse aus. Als Folge der Aktivierung einer solchen Signalkaskade wird am Ende über Nervenbahnen dem Hirn zum Beispiel mitgeteilt, dass die Hautzelle mit einer Substanz in Kontakt getreten ist, die potenziell schädlich sein kann – wir empfinden als Schutzmaßnahme ein Brennen oder Jucken. Aufbauend auf diesen Signalwegen suchen wir im Umkehrschluss Stoffe, die Hautirritationen verhindern oder lindern.

BRAIN: Was passiert auf molekularer Ebene?

Dirk Sombroek: Bei den TRP-Kanälen strömen Ionen über die Zellmembran und rufen je nach Sensorkanal eine bestimmte Reaktion in der Hautzelle hervor. Bei G-Protein-gekoppelten Rezeptoren wird ein Reizstoff gebunden – häufig nach einer Art Schlüssel-Schloss-Prinzip – und in der Folge werden im Stoffwechsel der Hautzelle bestimmte Botenstoffe aktiviert, die ihrerseits eine Reaktion hervorrufen. Der Effekt kann bei beiden Rezeptortypen am Ende derselbe sein. So kann beispielsweise der Calcium-Spiegel in einer Hautzelle ansteigen. Das ist relevant, weil Calcium in Zellen eine wichtige Signalfunktion besitzt und sie zur Ausübung spezifischer Funktionen stimuliert, wie zum Beispiel die Differenzierung oder die Synthese bzw. Sekretion bestimmter Stoffe.

BRAIN: Gibt es weitere Targets, die sie für Kosmetikanwendungen einsetzen?

Dirk Sombroek: Neben diversen Ionenkanälen wie TRPA1, TRPV1 oder TRPM8 und G-Protein-gekoppelten Rezeptoren wie PAR2 oder CNR1/2, die für jeweils spezielle Reaktionen in der Haut verantwortlich sind, gibt es weitere Testsysteme, mit denen wir bereits arbeiten oder die wir gerade erforschen oder etablieren. Die kontinuierliche Verfeinerung und Weiterentwicklung dieser Palette von Screening-Modellen ist ein bedeutender Teil unserer Forschungsarbeit.

BRAIN: Und wie messen Sie solche Veränderungen?

Alice Kleber: Hierfür gibt es je nach Zellmodell ganz unterschiedliche Methoden. Man kann beispielsweise im Zellmodell die Aktivierung eines Rezeptors mit einem Fluoreszenzsignal koppeln. Die Zelle leuchtet dann auf und man kann dieses Signal messen und auswerten. Alternativ kann man das Membranpotenzial messen, also die elektrische Spannung zwischen den Flüssigkeitsräumen diesseits und jenseits der Zellwand. In diesen Flüssigkeitsräumen liegen geladene Teilchen in unterschiedlichen Konzentrationen vor. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Messung des Levels bestimmter Botenstoffe.

BRAIN: Was ist der Vorteil Ihrer Herangehensweise?

Alice Kleber: Diese Zellmodelle erlauben uns die nahezu unbegrenzte und sehr rasche Durchmusterung Tausender Proben – Reinstoffe, aber auch Naturstoffextrakte –, ohne zuvor umfangreiche Sicherheitsbewertungen durchführen zu müssen. Solche Prüfungen werden dann mit den Stoffen gemacht, die im Testsystem eine Aktivität an unserem Zielsensor gezeigt haben. Von 20 Tausend geprüften Naturstoffen bleiben erfahrungsgemäß zirka 20 Entwicklungskandidaten übrig, die im Zellmodell reproduzierbar spezifische Effekte zur Verbesserung der Hautgesundheit gezeigt haben.

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Die von uns verwendeten Zellmodelle erlauben uns die nahezu unbegrenzte und sehr rasche Durchmusterung Tausender Proben.

Dr. Alice Kleber

BRAIN: Was unterscheidet Ihr Vorgehen von anderen Ansätzen?

Alice Kleber: Unsere Herangehensweise ist „Target-basiert“, d. h., wir analysieren, welche Struktur für ein Hautproblem verantwortlich ist, und versuchen, Stoffe zu finden, die einen günstigen Einfluss nehmen. Dabei ist es zunächst unerheblich, um was für einen Stoff es sich handelt. Wir selektieren lediglich, wenn eine bestimmte Stoffkategorie gewünscht ist, wie beispielsweise Naturstoffe. Wir wählen dann denjenigen Kandidaten aus, der das beste Wirkspektrum und die günstigsten Eigenschaften hinsichtlich Verträglichkeit hat, und machen daraus unseren Kosmetik-Inhaltsstoff. Auf diese Weise stellen wir sicher, dass wir wirklich eine optimale Wirkung erreichen können. Andere Unternehmen arbeiten eher „stoffbasiert“ – hier geht die Forschungsarbeit von einem Stoff aus, der eine interessante Marketinggeschichte verspricht, wie zum Beispiel eine besondere Herkunft oder eine schöne Blume, und man untersucht, welche hautförderlichen Eigenschaften der Stoff hat. Natürlich sind auch solche Inhaltsstoffe wirksam, aber man hat im Normalfall nicht den optimalen Kandidaten für das relevante Hautproblem.

BRAIN: Wie geht es nach der ersten Screeningkampagne weiter?

Dirk Sombroek: Typischerweise kommen nach dem Screening die „Retestung“ und die Prüfung an verwandten Targets – man spricht von „Counterscreening“. Das heißt, wir prüfen auf Reproduzierbarkeit und Nebenwirkung oder anders ausgedrückt: auf Selektivität. Dabei haben wir technisch zum Beispiel die Möglichkeit, unsere Zellmodelle mithilfe von Genome-Editing-Methoden zu modifizieren und Funktionen an- oder abzuschalten: eine wichtige Option, wenn man herausfinden möchte, ob ein Aktivstoff wirklich nur diese eine Struktur beeinflusst.

Danach nähern wir uns, sofern möglich, durch speziellere Zellmodelle – dazu zählen Primärzellen aus Gewebeproben, dreidimensionale Modelle oder mehrschichtige Hautsimulationen – immer mehr der In-vivo-Situation an. Diese Methoden eignen sich aus technischen Gründen nicht zur Hoch-Durchsatz-Durchmusterung und werden deshalb erst zur weiteren Charakterisierung von Entwicklungskandidaten, die aus dem Screening hervorgegangen sind, herangezogen. Bildlich gesprochen wird das Nadelöhr, durch das die Testsubstanzen hindurchmüssen, bei jedem Screening-Schritt enger. Insbesondere beim Thema dreidimensionale Zellmodelle arbeiten wir auch an übergeordneten Forschungsprojekten zur Anwendung der Systeme in der Gesundheits- und Kosmetikbranche mit Universitätsgruppen zusammen – konkret mit der Hochschule Mannheim [siehe hierzu den Artikel von Dr. Rüdiger Rudolf in diesem Heft, Anm. d. Red.].

BRAIN: Nach welchen Kriterien wählen Sie Ihre Screening-Ressourcen?

Alice Kleber: Das ist abhängig von der konkreten Aufgabenstellung und den Anforderungen des Kooperationspartners: Möchte man ausschließlich mit Naturstoffen arbeiten oder sind auch synthetische Substanzen interessant? Soll es sich um Extrakte handeln oder sind Reinstoffe gewünscht? Die Vorauswahl der Testkandidaten ist eine weitere besondere Kompetenz innerhalb der BRAIN-Gruppe. Hier spielt die AnalytiCon Discovery eine bedeutende Rolle. Das Unternehmen ist globaler Marktführer auf dem Gebiet der Naturstoff-Bibliotheken mit vollständig aufgeklärten Strukturen und hat Zugang zu rund 15 Prozent aller derzeit bekannten Naturstoffe.

Idealerweise berücksichtigt man bei der Zusammenstellung der Screening-Ressource bereits, sofern bekannt, Eigenschaften der Substanzen, die für eine spätere Nutzung als sicherer Inhaltsstoff relevant sind. Wichtige Kriterien bei der Vorauswahl sind zum Beispiel Kenntnisse über die potenzielle Toxizität eines Stoffs oder über Erfahrungen mit bestimmten Herstellungsverfahren, sofern der Stoff später über einen Produktionsstamm in Form einer Hefe oder eines Bakteriums bereitgestellt werden soll. Hier kommen also auch schon sehr früh Fragen der Effizienz und Wirtschaftlichkeit für konkrete Produktentwicklungen in den Blick. Sehr wichtig ist auch der Zugang, also die Verfügbarkeit des Stoffs. Für die Kosmetikentwicklungen im Labormaßstab benötigt man mindestens 50 bis 100 Gramm einer Substanz.

Dirk Sombroek: Innerhalb der BRAIN-Gruppe können wir im Rahmen unserer Produktentwicklungen übrigens auch auf die Kompetenzen der L. A. Schmitt GmbH zurückgreifen – ein 1925 in Leipzig gegründetes Traditionsunternehmen für Kosmetik- und Wellnessprodukte.

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BRAIN: Arbeiten Sie bei diesen Produktentwicklungen nur mit Naturstoffen?

Dirk Sombroek: Wenn es um Forschungen für Lebensmittel und Getränke geht, arbeiten wir ausschließlich mit Naturstoffen, die wir über die direkte Extraktion aus Biomaterialien gewinnen können – das ist eine der Kernkompetenzen von AnalytiCon Discovery. Effizienter und nachhaltiger kann aber tatsächlich – wenn möglich – die biologische Fermentation mithilfe von Mikroorganismen sein. Bei der Entwicklung von Inhaltstoffen für Kosmetik- und Pflegeprodukte ist die Natürlichkeit der Wirkstoffe kein maßgebliches Kriterium. Hier können auch synthetisch hergestellte Moleküle genutzt werden, und das ist abhängig vom Wunsch der Kunden. Solche Moleküle können über chemische Synthesen auch in großen Mengen produziert werden.

BRAIN: Wie kommen Sie mit Ihren potenziellen Entwicklungspartnern ins Geschäft?

Alice Kleber: Zusammengefasst haben wir unsere aktuellen Angebote für Industriepartner in unseren Entwicklungsprogramen TRiP2Sensation und TRiP2Taste. Wir verfügen über gut bewährte „Cell-based Assays“ und über eine Fülle von Ressourcen, die wir damit testen können. Wir können damit eine qualifizierte Hitkandidatenauswahl für diverse Zielanwendungen zusammenstellen und für diese Kandidaten erste Sicherheitsbewertungen absolvieren und an Probanden testen.

Industriepartner können unsere Hitkandidaten in ihren eigenen Produktsystemen testen und im Erfolgsfall für ihre eigenen Pflegeprodukte nutzen. Wie dieses Geschäft vertraglich zu regeln ist, wird von Fall zu Fall gemeinsam entschieden.

BRAIN: Können Sie ein Beispiel für eine erfolgreiche Industriepartnerschaft nennen?

Alice Kleber: Ein Beispiel für eine erfolgreiche Entwicklungspartnerschaft ist der mit Symrise entwickelte kosmetische Wirkstoff SymSitive® 1609. Dieser Wirkstoff findet sich heute in verschiedenen Hautpflegeprodukten, zum Beispiel in der Eucerin-Serie „UltraSENSITIVE“ von Beiersdorf. Er vermindert Überreaktionen der Haut und wirkt hautberuhigend. Unser Target bei der Selektion des Wirkstoffs war der Ionenkanal TRPV1, der durch Capsaicin aktiviert wird. Er vermittelt auf der Haut ein Brennen und Stechen wie beispielsweise bei der Nutzung von ABC-Wärmepflastern. Durch SymSitive® 1609 kann dieser Effekt gemindert werden.

Kleber Sombroek Brain

Dr. Alice Kleber studierte Biologie an der Universität des Saarlands und an der Eberhard-Karls-Universität in Tübingen. Sie promovierte 2000 in pharmazeutisch-medizinischer Chemie mit einer Arbeit über Cell-based Assays. Seit 2001 ist Alice Kleber bei BRAIN als Research Scientist und Projekt Manager tätig und nimmt seit 2012 die Funktion als Programme Manager für System Products Cosmetics wahr. 

Dr. Dirk Sombroek studierte Chemie an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg und promovierte an der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg. Während dieser Zeit forschte Sombroek am Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) in Heidelberg. 2010 kam er zu BRAIN, wo er heute als Project Manager und Platform Coordinator arbeitet. Innerhalb des Forschungsbereichs BioActives & Performance Biologicals koordiniert Sombroek die Aktivitäten der Innovationsallianz NatLifE 2020.

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