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Wissenschaftler erstellen Opioide mit Hefe

Hefe ist eine Art von Mikroorganismen, die üblicherweise zur Herstellung von Brot, Wein und Bier verwendet wird. Jetzt hat ein Forscherteam von der Stanford University, CA, es von Essen und Trinken weggelenkt und es auf die medizinische Welt angewandt, indem es Hefe verwendete, um Opioide herzustellen.
Hefe (im Bild) ist ein Mikroorganismus, der häufig zur Herstellung von Brot, Bier und Wein verwendet wird.
Bildnachweis: Stephanie Galanie

Senior-Autorin Christina Smolke, Associate Professor für Bioengineering in Stanford, und Kollegen veröffentlichen ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Wissenschaft.

Opioide sind die am häufigsten verwendeten Schmerzmittel in den USA. Sie arbeiten an Opioidrezeptoren im zentralen Nervensystem und im Magen-Darm-Trakt, wodurch die Intensität der Schmerzsignale reduziert wird, die an das Gehirn gesendet werden.

Zu den Opioidarten gehören Hydrocodon, Codein, Methadon, Heroin und Morphin, die aus dem Schlafmohn stammen.

Laut Smolke und Kollegen kann die Herstellung einer Charge Opioid-Medikamente etwa ein Jahr dauern. Die Mohnblumen müssen von Farmen in Ländern, die für den Anbau zugelassen sind - wie Australien und Teile Europas - geerntet und verarbeitet werden, bevor sie an pharmazeutische Fabriken in den USA geliefert werden. Die aktiven Wirkstoffmoleküle werden dann aus der Pflanze extrahiert und zu Opioidmedikamenten verarbeitet.

Aber könnte dieser zeitaufwendige Prozess vermieden werden, wenn Wissenschaftler Opioide mit Hefe herstellen könnten?

Die genetische Veränderung von Hefe beinhaltete 23 Enzyme aus Pflanzen, Bakterien und Ratten

Gegenwärtig werden pflanzliche Arzneimittel unter Verwendung chemischer Verfahren erzeugt, die die aktiven Verbindungen extrahieren und konzentrieren. Aber das Stanford-Team hat einen neuen Ansatz entwickelt, um Opioide herzustellen.

Forscher haben bereits genetisch modifizierte Hefe, um Artemisinin - eine Droge, die ursprünglich vom süssen Wermutbaum stammte, der verwendet wird, um Malaria zu behandeln - unter Verwendung der Biosynthese zu produzieren. Dies beinhaltete die Zugabe von modifizierten DNA-Abschnitten aus sechs Enzymen in Hefezellen, um sie neu zu programmieren. Der Prozess hat sich als erfolgreich erwiesen, mit etwa einem Drittel der weltweiten Artemisinin, die jetzt mit diesem Ansatz geschaffen wurde.


Mithilfe von 23 Enzymen aus Pflanzen, Bakterien und Ratten konnten die Forscher Hefe genetisch modifizieren, um ein Opioid namens Hydrocodon herzustellen.
Bildnachweis: Stephanie Galanie und Christina Smolke

Smolke und Kollegen sagen jedoch, dass der Biosynthese-Prozess, den sie zur Herstellung von Opioiden unter Verwendung von Hefe verwendeten, viel schwieriger war; Es brauchte 23 Enzyme aus Pflanzen, Bakterien und Ratten, um die Hefe genetisch zu modifizieren, um Hydrocodon zu erzeugen.

"Dies ist die komplizierteste chemische Synthese, die jemals in Hefe entwickelt wurde", sagt Smolke.

Schlafmohn und einige andere Pflanzen produzieren ein Molekül namens (S) -Reticulin, das natürlich zu einer Variante namens (R) -Reticulin reformiert wird. Diese Variante initiiert die Produktion von schmerzlindernden Molekülen.

Die Forscher fügten das Enzym hinzu, das Reticulin zu der Hefe rekonfiguriert, fanden aber, dass es nicht genug Hydrocodon produzierte. Als solche modifizierten sie genetisch jedes nachfolgende Enzym im Rekonfigurierungsprozess, um die Hydrocodonproduktion zu erhöhen.

Die Zugabe der 23 modifizierten Enzyme zu den Hefezellen ermöglichte die Umwandlung von Zucker - der Hauptbrennstoffquelle - zu Hydrocodon innerhalb von 3-5 Tagen. "Enzyme machen und brechen Moleküle. Sie sind die Action-Helden der Biologie", sagt Co-Autorin Stephanie Galanie.

Mit diesem Verfahren konnte das Team auch Thebain, einen Vorläufer anderer Opioidverbindungen, herstellen. Während Thebain, das auf diese Weise entwickelt wurde, noch in pharmazeutischen Fabriken verarbeitet werden müsste, würden die Forscher sagen, es würde die Produktion beschleunigen, indem das Bedürfnis nach Mohnwachstum beseitigt würde.

Könnte dieser neue Prozess zum Missbrauch von Opioiden beitragen?

Während Opioide wirksame Schmerzmittel sind, spielen sie auch eine Schlüsselrolle beim Missbrauch von verschreibungspflichtigen Medikamenten. Im Jahr 2012 wurden schätzungsweise 2,1 Millionen Menschen in den USA mit Opioiden in Verbindung gebracht. Seit 1999 hat sich die Zahl der Todesfälle durch verschreibungspflichtige Schmerzmittel im Land mehr als vervierfacht.

Smolke und Kollegen geben zu, dass ihr neuer Ansatz bei der Opioidentwicklung Anlass zu Besorgnis geben könnte, wie sich dies auf den Missbrauch der Droge auswirken könnte. Sie sagen, dass, wenn der Prozess vergrößert und in Betrieb genommen würde, er unter strenger Regulierung stehen müsste.

"Wir wollen, dass es einen offenen deliberativen Prozess gibt, um Forscher und politische Entscheidungsträger zusammenzubringen", sagt Smolke. "Wir brauchen Optionen, um sicherzustellen, dass die biobasierte Produktion von medizinischen Verbindungen auf verantwortungsvollste Art und Weise entwickelt wird."

Während Opioide in den USA hochgradig missbrauchte Drogen sind, stellt das Stanford-Team fest, dass es immer noch rund 5,5 Milliarden Menschen auf der Welt gibt, die nur begrenzten oder keinen Zugang zu Schmerzmitteln haben.

Sie sagen, die genetische Modifikation von Hefe in Opioide könnte die Kosten der Medikamente reduzieren und ihre Reichweite auf Orte ausweiten, an denen der Zugang zu Schmerzmitteln gering ist. Darüber hinaus könnten sie Medikamente zur Behandlung anderer Erkrankungen wie Arthritis, Infektionskrankheiten und Krebs entwickeln.

Smolke fügt hinzu:

"Die von uns produzierten Moleküle und die von uns entwickelten Techniken zeigen, dass es möglich ist, wichtige Medikamente von Grund auf nur mit Hefe herzustellen. Wenn wir verantwortungsbewusst entwickelt werden, können wir allen, die es brauchen, Medikamente zur Verfügung stellen."

Im vergangenen Monat, Medizinische Nachrichten heute berichteten über eine Studie, in der Personen mit chronischen Rückenschmerzen, die psychiatrische Störungen haben, 75% häufiger Opioid-Missbrauch betreiben.

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