Wissenschaftler rund um die Welt forschen auf Hochtouren nach Möglichkeiten, die Verbreitung des SARS-CoV-2-Virus einzudämmen und die Coronapandemie in den Griff zu bekommen. Und sie entdecken immer mehr potenzielle Wege, das Virus unschädlich zu machen. Nun haben Wissenschaftler des Göttinger Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie und der Universitätsmedizin Göttingen eine weitere, vielversprechende Methode entwickelt, die Viren auszuschalten, bevor sie sich im Körper ausbreiten können. Sogenannte Nanobodies, die zudem kostengünstig produziert werden können, binden und neutralisieren das Virus bis zu 1.000-Mal besser als zuvor entwickelte Mini-Antikörper.
Normalerweise helfen Antikörper unserem Immunsystem auf natürliche Weise, Krankheitserreger abzuwehren, indem sie an Viren binden und diese neutralisieren. Industriell hergestellte Antikörper werden bereits zur Behandlung von Virenerkrankungen eingesetzt. Beispielsweise bei Hepatitis B oder Tollwut wirken sie dann wie ein Medikament und lindern Beschwerden und verkürzen Krankheitsverläufe. Das Problem ist jedoch, dass eine Produktion von Antikörpern so aufwändig und teuer ist, dass sie für eine Behandlung von COVID-19-Patienten nicht weltweit eingesetzt werden können. Die neu entwickelten Nanobodies könnten hier laut Aussagen der Forscher die Lösung sein.
“Sie vereinen erstmals extreme Stabilität und höchste Wirksamkeit gegen das Virus und dessen Alpha-, Beta-, Gamma- und Delta-Varianten“, betont Dirk Görlich, Direktor am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie. Auf den ersten Blick funktionieren die Nanobodies genauso wie die bereits verwendeten Antikörper. Sie heften sich an die Bindedomäne des Virus, blockieren sie und verhindern eine Infektion der Zellen. Gegenüber den herkömmlichen Antikörpern haben sie aber entscheidende Vorteile. “Unsere Nanobodies halten Temperaturen von 95°C aus, ohne zerstört zu werden oder Aggregate zu bilden“, erklärt Matthias Dobbelstein, Professor und Direktor des Instituts für Molekulare Onkologie an der Universitätsmedizin Göttingen. “Das sagt uns zum einen, dass sie im Körper lange genug aktiv bleiben könnten, um zu wirken. Zum anderen lassen sich temperaturstabile Nanobodies viel einfacher herstellen, verarbeiten und lagern.“
“Nanobody-Dreierpack”
Bereits die einfachsten Mini-Antikörper würden bis zu 1.000-Mal stärker an das Spike-Protein binden als zuvor entwickelte Nanobodies gegen Covid-19, betonen die Wissenschaftler. Zudem würden sie sehr gut an die mutierten Rezeptor-Bindedomänen der Alpha-, Beta-, Gamma- und Delta-Stämme binden. “Unsere einfachen Nanobodies eignen sich möglicherweise dafür, inhaliert zu werden, um so das Virus in den Atemwegen einzudämmen“, so Dobbelstein. “Da sie sehr klein sind, können sie zudem leicht ins Gewebe eindringen und das Virus direkt am Infektionsort an einer weiteren Ausbreitung hindern.“
Um diese Bindungseffizienz noch weiter zu verbessern, verknüpften die Forscher drei identische Nanobodies so miteinander, dass der entstandene “Nanobody-Dreierpack“ zur Symmetrie des Spike-Proteins – das aus drei identischen Bausteinen mit drei Bindedomänen besteht – passt. “Wir bündeln mit dem Dreierpack gewissermaßen die Kräfte: Jeder der drei Nanobodies heftet sich idealerweise an eine der drei Bindedomänen“, sagt Thomas Güttler, Wissenschaftler in Görlichs Team. “So entsteht eine praktisch irreversible Bindung. Der Dreierpack lässt das Spike-Protein nicht wieder los und neutralisiert das Virus sogar bis zu 30.000-fach besser als die Einzel-Nanobodies.“
Damit die Niere die Nanobodies nicht innerhalb weniger Stunden wieder ausscheidet, ist der Dreierpack gerade groß genug, damit er voraussichtlich im Blut bleibt und die Wirksamkeit durch die längere Verweildauer im Körper erhöht wird.
“Nanobody-Zweierpack”
Als weitere Möglichkeit koppelten Görlich und sein Team jeweils zwei Nanobodies aneinander. Diese sollten das Spike gemeinsam binden, indem sie unterschiedliche Bereiche auf der Rezeptor-Bindedomäne erkennen. “Die Bindung dieser ‘Tandems‘ ist so stark, dass sie sehr resistent gegen die nun allgegenwärtigen Mutationen sind, mit denen sich das Virus dem Immunsystem zu entziehen versucht“, erklärt Metin Aksu, ebenfalls wissenschaftlicher Mitarbeiter in Görlichs Team.
Das Gute an allen drei Möglichkeiten – der einfachen, sowie der Zweier- und Dreier-Kombination – war, dass schon geringste Mengen ausreichen, um das Virus zu stoppen. Dadurch würden nicht nur die Produktionskosten sinken, auch die Patienten würden durch einen Einsatz der Nanobodies als Therapeutikum weniger belastet.
Alpakas als Schlüssel zum Erfolg
“Nanobodies stammen aus Alpakas und sind deutlich kleiner und einfacher aufgebaut als herkömmliche Antikörper“, erklärt Görlich. Um die Nanobodies gegen Sars-CoV-2 zu produzieren, wurde den drei Alpakas Britta, Nora und Xenia aus der Herde am Göttinger Max-Planck-Institut mehrmals ein Teil des Spike-Proteins injiziert, woraufhin die Tiere Antikörper gegen diesen Proteinteil bildeten. Im Anschluss an die letzte Injektion wurde den Alpakas Blut entnommen. Damit sei ihr Einsatz beendet gewesen, sagt Görlich. Die weiteren Schritte seien mithilfe von Enzymen, Bakterien, sogenannten Bakteriophagen und Hefen erfolgt. “Die Belastung für unsere Tiere ist insgesamt sehr gering, vergleichbar mit einer Impfung und Blutuntersuchung beim Menschen.“
Das Blut der Alpakas lieferte den Forschern im nächsten Schritt die Baupläne für rund eine Milliarde verschiedener Nanobodies, aus denen die Biochemiker mit Bakteriophagen die besten herausfischten. Diese wurden dann auf ihre Wirksamkeit getestet und “in mehreren Design-Zyklen immer weiter verbessert”. Ob und inwieweit die Nanobodies das Coronavirus neutralisierten, versuchten Forscherinnen um Dobbelstein herauszufinden, indem sie Virusinfektionen an Zellkulturen im Labor nachstellten. “Dabei schauen wir, welche Nanobodies verhindern, dass sich die Viren in Zellkulturen vermehren”, erläutert Antje Dickmanns. “Indem wir die Nanobodies in vielen verschiedenen Verdünnungen testen, finden wir heraus, welche Menge ausreicht, um diesen Effekt zu erzielen.“ Einige der Nanobodies seien wirklich beeindruckend, betont Dickmanns Kollegin Kim Stegmann. “Weniger als ein millionstel Gramm dieser Nanobodies in einem Liter Medium genügt, um eine Infektion vollständig zu verhindern. Bei den Dreierpacks genügt sogar nochmals zwanzigmal weniger.“
Auch Mutationen kein Problem
Antikörper, die Menschen durch eine Infektion mit dem SARS-CoV-2-Virus oder durch eine Impfung entwickeln, wirken ebenso wie bereits entwickelte therapeutische Antikörper und Nanobodies nicht immer 100%ig gegen Mutationen. Der Grund ist, dass das Spike-Protein durch Mutation so verändert ist, dass die Antikörper das Virus nicht mehr neutralisieren können. Ganz anders die neuen Nanobodies. Obwohl die Alpakas mit einem Teil des Spike-Proteins des ersten bekannten Sars-CoV-2-Virus geimpft wurden, produzierte ihr Immunsystem auch Antikörper, die gegen die Alpha-, Beta-, Gamma- und Delta-Varianten des Virus. “Sollten sich unsere Nanobodies bei einer zukünftigen Variante als zu wenig wirksam erweisen, können wir die Alpakas erneut immunisieren. Da sie bereits gegen das Virus geimpft sind, würden sie sehr schnell ihre Antikörper an die neuen Varianten anpassen“, ist Güttler zuversichtlich.
Impfung mit Nanobodies?
Als nächstes wollen die Göttinger Wissenschaftler die Nanobodies für den therapeutischen Einsatz vorbereiten. “Wir wollen die Nanobodies möglichst schnell für den sicheren Einsatz als Wirkstoff testen, damit sie schwer Erkrankten zugutekommen sowie jenen, die nicht geimpft wurden oder keinen effektiven Impfschutz aufbauen können”, betont Dobbelstein. Unterstützt werden die Forscher dabei von Experten für Technologietransfer: Dieter Link (Max Planck Innovation), Johannes Bange (Lead Discovery Center, Dortmund) und Holm Keller (kENUP Foundation). Finanzielle Unterstützung kommt von der Max-Planck-Förderstiftung.
Neben einem Weg zu einer potenziellen COVID-19-Therapie haben Görlich und sein Team vielleicht sogar eine Möglichkeit zu einem neuen Impfstoff entdeckt. Spezielle Nanobodies erzwingen eine korrekte Faltung in Bakterien, blockieren aber nicht den entscheidenden Bereich des Spike-Proteins. So könnten potenziell Impfstoffe kostengünstig produziert und auch schnell an neue Virusvarianten angepasst werden. “Dass Nanobodies bei der Proteinfaltung helfen können, war bisher nicht bekannt und ist für die Forschung und pharmazeutische Anwendung äußerst interessant“, sagt Görlich.
Titelbild: Zwei der neuentwickelten Nanobodies (blau und magenta) binden an die Rezeptor-Bindedomäne (grün) des Coronavirus-Spike-Proteins (grau) und verhindern dadurch die Infektion mit Sars-CoV-2 und dessen Varianten. © Max-MPI f. biophysikalische Chemie/ Thomas Güttler
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