Hochdurchsatz-Screening von niedermolekularen Medikamenten für altersbedingte Schlafstörungen mit Drosophila melanogaster

Schlaf, eines der wesentlichen Verhaltensweisen, die für das menschliche Überleben notwendig sind, ist durch zwei Hauptzustände gekennzeichnet: REM-Schlaf (Rapid Eye Movement) und NREM-Schlaf (Non-Rapid Eye Movement)¹. Der NREM-Schlaf besteht aus drei Phasen: N1 (der Übergang zwischen Wachheit und Schlaf), N2 (leichter Schlaf) und N3 (Tiefschlaf, langsamer Wellenschlaf), die den Übergang vom Wachschlaf zum Tiefschlaf darstellen¹. Schlaf spielt eine entscheidende Rolle für die körperliche und geistige Gesundheit². Das Altern reduziert jedoch die Gesamtschlafdauer, die Schlafeffizienz, den Prozentsatz des Slow-Wave-Schlafs und den Prozentsatz des REM-Schlafs bei Erwachsenen³. Ältere Menschen neigen dazu, mehr Zeit im leichten Schlaf zu verbringen als im Slow-Wave-Schlaf, was sie empfindlicher auf nächtliches Erwachen macht. Mit zunehmender Anzahl des Erwachens nimmt die durchschnittliche Schlafzeit ab, was bei älteren Menschen zu einem fragmentierten Schlafmuster führt, das bei Mäusen mit einer übermäßigen Erregung von Hcrt-Neuronen verbunden sein kann⁴. Darüber hinaus trägt ein altersbedingter Rückgang der zirkadianen Mechanismen zu einer früheren Verschiebung der Schlafdauer bei ^5,6. In Kombination mit körperlichen Erkrankungen, psychischem Stress, Umweltfaktoren und Medikamenteneinnahme machen diese Faktoren ältere Erwachsene anfälliger für Schlafstörungen wie Schlaflosigkeit, REM-Schlaf-Verhaltensstörung, Narkolepsie, periodische Beinbewegungen, Restless-Legs-Syndrom und schlafbezogene Atmungsstörungen ^7,8.

Epidemiologische Studien haben gezeigt, dass Schlafstörungen eng mit chronischen Krankheiten bei älteren Menschen verbunden sind⁹, darunter Depressionen¹⁰, Herz-Kreislauf-Erkrankungen 11 und Demenz¹². Die Behandlung von Schlafstörungen spielt eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung und Behandlung chronischer Krankheiten und der Verbesserung der Lebensqualität älterer Erwachsener. Derzeit verlassen sich Patienten hauptsächlich auf Medikamente wie Benzodiazepine, Nicht-Benzodiazepine und Melatoninrezeptoragonisten, um die Schlafqualität zu verbessern¹³. Benzodiazepine können jedoch nach langfristiger Anwendung zu einer Herunterregulierung der Rezeptoren und einer Abhängigkeit führen, was nach Absetzen zu schweren Entzugserscheinungen führt^14,15. Nicht-Benzodiazepin-Medikamente bergen ebenfalls Risiken, darunter Demenz 16, Frakturen¹⁷ und Krebs¹⁸. Der häufig verwendete Melatoninrezeptor-Agonist Ramelteon reduziert die Schlaflatenz, verlängert aber nicht die Schlafdauer und hat aufgrund der umfangreichen First-Pass-Eliminierung Bedenken hinsichtlich der Leberfunktion¹⁹. Agomelatin, ein Melatoninrezeptor-Agonist und Serotoninrezeptor-Antagonist, verbessert depressionsbedingte Schlaflosigkeit, birgt aber auch das Risiko von Leberschäden²⁰. Folglich besteht ein dringender Bedarf an sichereren Medikamenten zur Behandlung oder Linderung von Schlafstörungen. Derzeitige Strategien zur Überprüfung von Arzneimitteln, die auf molekularen und zellulären Experimenten in Kombination mit automatisierten Systemen und Computeranalysen basieren, sind jedoch teuer und zeitaufwändig²¹. Strukturbasierte Strategien zur Entwicklung von Arzneimitteln, die sich auf die Struktur und die Eigenschaften von Rezeptoren stützen, erfordern ein klares Verständnis der dreidimensionalen Struktur von Rezeptoren und verfügen nicht über Vorhersagefähigkeiten für Arzneimittelwirkungen²².

Im Jahr 2000 etablierten Forscher auf der Grundlage der von Campbell und Tobler 1984 vorgeschlagenen Schlafkriterien²³ einfache Tiermodelle, um den Schlaf zu untersuchen 24, darunter Drosophila melanogaster, das schlafähnliche Zustände aufwies^25,26. Trotz der anatomischen Unterschiede zwischen Drosophila und dem Menschen sind viele neurochemische Komponenten und Signalwege, die den Schlaf in Drosophila regulieren, im Schlaf von Säugetieren konserviert, was die Untersuchung menschlicher neurologischer Erkrankungen erleichtert^27,28. Drosophila wird auch in großem Umfang in zirkadianen Rhythmusstudien verwendet, trotz der Unterschiede in den Kernoszillatoren zwischen Fliegen und Säugetieren 29,30,31. Daher dient Drosophila als wertvoller Modellorganismus für die Untersuchung des Schlafverhaltens und die Durchführung schlafbezogener Wirkstoffscreenings.

Diese Studie schlägt einen kostengünstigen und einfachen phänotypbasierten Ansatz für das Screening von niedermolekularen Medikamenten zur Behandlung von Schlafstörungen mit gealterten Fliegen vor. Die Schlafregulation in Drosophila ist hochkonserviert²⁵, und die mit zunehmendem Alter beobachtete Abnahme des Schlafes kann durch die Verabreichung von Medikamenten reversibel sein. Somit kann diese auf Schlafphänotyp basierende Screening-Methode intuitiv die Wirksamkeit von Medikamenten widerspiegeln. Wir füttern die Fliegen mit einer Mischung aus dem zu untersuchenden Medikament und Futter, überwachen und zeichnen das Schlafverhalten mit dem Drosophila Activity Monitor (DAM)³² auf und analysieren die gewonnenen Daten mit dem Open-Source-Datenpaket SCAMP2020 in MATLAB (Abbildung 1). Die statistische Analyse wird mit Hilfe von Statistik- und Grafiksoftware durchgeführt (siehe Materialtabelle). Als Beispiel demonstrieren wir die Wirksamkeit dieses Protokolls, indem wir experimentelle Daten zu Reserpin präsentieren, einem niedermolekularen Inhibitor des vesikulären Monoamintransporters, von dem berichtet wird, dass er den Schlaf erhöht³³. Dieses Protokoll bietet einen wertvollen Ansatz zur Identifizierung von Medikamenten zur Behandlung altersbedingter Schlafprobleme.