Köderpartikel täuschen das Coronavirus, während es sich entwickelt

Sie könnten wie Zellen aussehen und sich wie Zellen verhalten. Aber eine neue potenzielle COVID-19-Behandlung ist eigentlich ein geschickt getarnter Trickster, der Viren anzieht und sie bindet, wodurch sie inaktiv werden.

Da das sich ständig weiterentwickelnde SARS-CoV-2-Virus einst vielversprechende Behandlungen wie monoklonale Antikörpertherapien zu umgehen beginnt, interessieren sich Forscher zunehmend für diese „Köder“-Nanopartikel. Köder-Nanopartikel imitieren normale Zellen und saugen Viren wie ein Schwamm auf und hindern sie daran, den Rest des Körpers zu infizieren.

In einer neuen Studie machten sich synthetische Biologen der Northwestern University daran, die Designregeln aufzuklären, die erforderlich sind, um Köder-Nanopartikel effektiv und resistent gegen das Entweichen von Viren zu machen. Nach dem Entwerfen und Testen verschiedener Iterationen identifizierten die Forscher eine breite Palette von Ködern – alle mit unterschiedlichen Methoden herstellbar – die unglaublich wirksam gegen das ursprüngliche Virus sowie gegen mutierte Varianten waren.

Tatsächlich waren Köder-Nanopartikel bis zu 50-mal wirksamer bei der Hemmung natürlich vorkommender Virusmutanten im Vergleich zu herkömmlichen, proteinbasierten Hemmstoffen. Beim Test gegen eine virale Mutante, die solchen Behandlungen widerstehen soll, waren Köder-Nanopartikel bis zu 1.500-mal wirksamer bei der Hemmung von Infektionen.

Obwohl noch viel mehr Forschung und klinische Bewertungen erforderlich sind, glauben die Forscher, dass Köder-Nanopartikel-Infusionen eines Tages möglicherweise zur Behandlung von Patienten mit schweren oder anhaltenden Virusinfektionen eingesetzt werden könnten.

Die Studie wurde Ende letzter Woche (7. April) in der Zeitschrift veröffentlicht Klein. In dem Papier testete das Team Köder-Nanopartikel gegen das übergeordnete SARS-CoV-2-Virus und fünf Varianten (einschließlich Beta, Delta, Delta-Plus und Lambda) in einer Zellkultur.

„Wir haben gezeigt, dass Decoy-Nanopartikel wirksame Inhibitoren all dieser verschiedenen Virusvarianten sind“, sagte Joshua Leonard von Northwestern, Co-Senior-Autor der Studie. „Auch Varianten, die anderen Medikamenten entgehen, sind unseren Köder-Nanopartikeln nicht entgangen.“

„Während wir die Studie durchführten, tauchten weltweit immer wieder verschiedene Varianten auf“, fügte Neha Kamat von Northwestern, Co-Senior-Autorin der Studie, hinzu. „Wir haben unsere Köder immer wieder gegen die neuen Varianten getestet, und sie haben einfach weiter funktioniert. Es ist sehr effektiv.“

Leonard ist außerordentlicher Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen an der Northwestern McCormick School of Engineering. Kamat ist Assistenzprofessor für Biomedizintechnik in McCormick. Beide sind wichtige Mitglieder des Northwestern Center for Synthetic Biology.

„Evolutionärer Rock und ein harter Ort“

Da das SARS-CoV-2-Virus mutiert ist, um neue Varianten zu schaffen, sind einige Behandlungen bei der Bekämpfung des sich ständig weiterentwickelnden Virus weniger wirksam geworden. Erst letzten Monat hat die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) beispielsweise mehrere Behandlungen mit monoklonalen Antikörpern ausgesetzt, weil sie gegen die Omicron-Untervariante BA.2 versagten.

Aber selbst dort, wo Behandlungen versagen, haben die Köder-Nanopartikel in der neuen Studie nie an Wirksamkeit verloren. Leonard sagte, dies liege daran, dass die Köder SARS-CoV-2 „zwischen einem evolutionären Felsen und einem harten Ort“ platzierten.

SARS-CoV-2 infiziert menschliche Zellen, indem es sein berüchtigtes Spike-Protein an den menschlichen Angiotensin-Converting-Enzym-2-Rezeptor (ACE2) bindet. ACE2, ein Protein auf der Oberfläche von Zellen, bietet einen Eintrittspunkt für das Virus.

Um Köder-Nanopartikel zu entwerfen, verwendete das nordwestliche Team Partikel in Nanogröße (extrazelluläre Vesikel), die auf natürliche Weise von allen Zelltypen freigesetzt werden. Sie veränderten Zellen, die diese Partikel produzieren, um das Gen für ACE2 zu überexprimieren, was zu vielen ACE2-Rezeptoren auf den Oberflächen der Partikel führte. Als das Virus mit dem Köder in Kontakt kam, verband es sich fest mit diesen Rezeptoren und nicht mit echten Zellen, wodurch das Virus keine Zellen infizieren konnte.

„Damit das Virus in eine Zelle gelangt, muss es an den ACE2-Rezeptor binden“, sagte Leonard. „Köder-Nanopartikel stellen eine evolutionäre Herausforderung für SARS-CoV-2 dar. Das Virus müsste einen völlig anderen Weg finden, um in Zellen einzudringen, um die Verwendung von ACE2-Rezeptoren zu vermeiden. Es gibt keinen offensichtlichen evolutionären Fluchtweg.“

Zukünftige Vorteile

Zusätzlich zu ihrer Wirksamkeit gegen arzneimittelresistente Viren haben Köder-Nanopartikel mehrere weitere Vorteile. Da es sich um biologische (und nicht um synthetische) Materialien handelt, ist es weniger wahrscheinlich, dass die Nanopartikel eine Immunantwort hervorrufen, die Entzündungen verursacht und die Wirksamkeit des Medikaments beeinträchtigen kann. Sie weisen auch eine geringe Toxizität auf, was sie besonders gut geeignet macht zur Verwendung bei anhaltender oder wiederholter Verabreichung zur Behandlung schwerkranker Patienten.

Als die COVID-19-Pandemie begann, erlebten Forscher und Kliniker eine beunruhigende Lücke zwischen der Entdeckung des Virus und der Entwicklung neuer Medikamente zu seiner Behandlung. Bei der nächsten Pandemie könnten Köder-Nanopartikel eine schnelle und wirksame Behandlung bieten, bevor Impfstoffe entwickelt werden.

„Die Täuschungsstrategie ist eines der unmittelbarsten Dinge, die Sie ausprobieren können“, sagte Leonard. „Sobald Sie den Rezeptor kennen, den das Virus verwendet, können Sie mit dem Bau von Köderpartikeln mit diesen Rezeptoren beginnen. Wir könnten einen solchen Ansatz möglicherweise beschleunigen, um schwere Krankheiten und Todesfälle in den entscheidenden frühen Stadien zukünftiger Viruspandemien zu reduzieren.“