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Nanobodies stoppen SARS-CoV-2 Drei Alpakas gegen Corona

Autor / Redakteur: Dr. Carmen Rotte* / Christian Lüttmann

Britta, Nora und Xenia sind zwar nur Alpakas, doch sie haben entscheidend mitgeholfen, ein potenzielles neues Medikament gegen Covid-19 zu entwickeln. Forscher des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie und der Universitätsmedizin Göttingen haben aus Blutproben der Tiere neuartige „Mini-Antikörper“ gewonnen, die sich in ersten Tests als wirkungsvolle Waffe gegen das Coronavirus erwiesen haben.

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Alpaka Xenia half indirekt dabei, Nanobodies gegen SARS-CoV-2 zu entwickeln.
Alpaka Xenia half indirekt dabei, Nanobodies gegen SARS-CoV-2 zu entwickeln.
(Bild: MPI f. biophysikalische Chemie/ Thomas Güttler)

Göttingen – Antikörper helfen unserem Immunsystem, Krankheitserreger abzuwehren: Sie binden an Viren und machen sie unschädlich. Üblicherweise läuft es so ab, dass ein neuartiger Erreger den Körper infiziert, vom Immunsystem erkannt wird und dieses dann die passenden Antikörper herstellt. So ist man bei der nächsten Infektion mit demselben Erreger besser geschützt und merkt im Idealfall nicht einmal, dass man sich angesteckt hat.

Um schon vor der allerersten Infektion geschützt zu sein, ist es also eine sinnvolle Strategie, Antikörper industriell herzustellen, um sie akut Erkrankten verabreichen zu können. In diesem Fall wirken sie wie ein Medikament, lindern Beschwerden und verkürzen Krankheitsverläufe. Dies ist etwa bei Hepatitis B oder Tollwut etablierte Praxis. Auch bei Covid-19-Infizierten kommen Antikörper als Wirkstoff zum Einsatz. Das Problem: Antikörper industriell zu produzieren, ist so aufwändig und teuer, dass sich die weltweite Nachfrage nicht abdecken lässt.

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie und der Universitätsmedizin Göttingen haben jetzt neue „Mini-Antikörper“ entwickelt, die sich als wirksames Medikament gegen Covid-19 erweisen könnten. Der entscheidende Vorteil gegenüber herkömmlichen industriell produzierten Antikörpern: Die so genannten Nanobodies lassen sich laut den Forschern kostengünstig und schnell in großen Mengen herstellen und könnten sogar den weltweiten Bedarf an Covid-19-Medikamenten decken. Sie werden aktuell für klinische Tests vorbereitet.

Alpakas liefern Baupläne für Mini-Antikörper

Die drei Alpakastuten Britta, Nora und Xenia (v. l.) lieferten die Baupläne für neuartige Covid-19-Nanobodies.
Die drei Alpakastuten Britta, Nora und Xenia (v. l.) lieferten die Baupläne für neuartige Covid-19-Nanobodies.
(Bild: MPI f. biophysikalische Chemie/ Carmen Rotte)

Bei der Herstellung der Nanobodies gegen Sars-CoV-2 halfen dem Team die drei Alpakas Britta, Nora und Xenia aus der Herde am Göttinger Max-Planck-Institut. Die Forscher injizierten den Tieren mehrmals einen Teil des Spike-Proteins, woraufhin die Alpakas Antikörper dagegen produzierten. Nach der letzten Injektion entnahmen die Forscher den Tieren eine kleine Menge Blut. Für die Alpakas war ihr Einsatz damit beendet, die weiteren Schritte erfolgen mithilfe von Enzymen, Bakterien, so genannten Bakteriophagen und Hefen. „Die Belastung für unsere Tiere ist insgesamt sehr gering, vergleichbar mit einer Impfung und Blutuntersuchung beim Menschen“, sagt Dirk Görlich, Direktor am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie.

Aus dem Blut der Alpakas gewannen die Wissenschaftler die Baupläne für rund eine Milliarde verschiedener Nanobodies. Alles Weitere war für Görlichs Team eine über viele Jahre perfektionierte Laborroutine: Die Biochemiker fischten aus der zunächst gewaltig großen Zahl von Nanobodies mithilfe von Bakteriophagen die besten heraus. In weiteren Schritten wurden diese auf ihre Wirksamkeit getestet und in mehreren Design-Zyklen immer weiter verbessert.

Virusinfektionen im Labor nachgestellt

Nicht jeder Antikörper ist neutralisierend für das Coronavirus. Ob und wie gut die Mini-Antikörper SARS-CoV-2 ausschalten, ermittelten Forscherinnen von der Universitätsmedizin Göttingen, indem sie Virusinfektionen an Zellkulturen im Labor nachstellten. „Dabei schauen wir, welche Nanobodies verhindern, dass sich die Viren in Zellkulturen vermehren. Indem wir die Nanobodies in vielen verschiedenen Verdünnungen testen, finden wir heraus, welche Menge ausreicht, um diesen Effekt zu erzielen“, erläutert Antje Dickmanns. Ihre Kollegin Kim Stegmann ergänzt: „Einige der Nanobodies waren wirklich beeindruckend. Weniger als ein Millionstel Gramm dieser Nanobodies in einem Liter Medium genügt, um eine Infektion vollständig zu verhindern.“

Dabei unterscheiden sich die Nanobodies der Göttinger Forscher auf den ersten Blick kaum von Mini-Antikörpern gegen Covid-19 aus anderen Laboren. Sie alle richten sich gegen einen entscheidenden Teil des Coronavirus: die Rezeptor-Bindedomäne – jenen Bereich des Spike-Proteins auf seiner Oberfläche, mit dem das Virus seine Wirtszellen erkennt und in sie eindringen kann. Die Nanobodies heften sich an die Bindedomäne, blockieren sie und verhindern so, dass das Virus Zellen infiziert. „Unsere Nanobodies halten Temperaturen von 95 °C aus, ohne zerstört zu werden oder Aggregate zu bilden“, sagt 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.“

Nanobodies in perfekter Passform

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.
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.
(Bild: MPI f. biophysikalische Chemie/ Thomas Güttler)

Bereits die einfachsten Mini-Antikörper der Göttinger binden bis zu 1000-mal stärker an das Spike-Protein als zuvor entwickelte Nanobodies gegen Covid-19. Sie binden zudem ebenfalls gut an die mutierten Rezeptor-Bindedomänen der Alpha-, Beta-, Gamma- und Delta-Stämme. Zwar hatten die Forscher ihre Alpakas mit einem Teil des Spike-Proteins des ersten bekannten Coronavirus geimpft. Bemerkenswerterweise produzierte das Immunsystem der Tiere aber auch Antikörper, die gegen die bisher entdeckten Varianten des Virus aktiv sind. „Unsere einfachen Nanobodies eignen sich möglicherweise dafür, inhaliert zu werden, um so das Virus in den Atemwegen einzudämmen“, führt Dobbelstein aus. „Da sie sehr klein sind, können sie zudem leicht ins Gewebe eindringen und das Virus direkt am Infektionsort an einer weiteren Ausbreitung hindern.“

Die Bindungseffizienz verbessert sich noch einmal deutlich im „Nanobody-Dreierpack“. Dazu verknüpften die Forscher drei identische Nanobodies so miteinander, dass sie zur Symmetrie des Spike-Proteins passen, das aus drei identischen Bausteinen mit drei Bindedomänen besteht. „Wir bündeln mit dem Dreierpack gewissermaßen die Kräfte: Jeder der drei Nanobodies heftet sich idealerweise an eine der drei Bindedomänen“, erklärt 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.“ Ein weiterer Vorteil: Die Dreier-Nanobodies sind gerade groß genug, damit die Niere sie voraussichtlich im Blut belässt und nicht innerhalb weniger Stunden mit dem Harn ausscheidet. Dies erhöht ihre Verweildauer im Körper und damit die Wirksamkeit.

Auch bei Zweier-Kombinationen reichten geringste Mengen aus, um den Erreger zu stoppen. Dies würde beim Einsatz als Therapeutikum Erkrankte weniger belasten und die Produktionskosten deutlich reduzieren.

Der Weg zu künftiger Covid-19-Therapie

Das Göttinger Team bereitet die Nanobodies nun für den therapeutischen Einsatz vor. „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“, sagt Dobblestein.

Neben dem Neutralisieren der Coronaviren helfen die Nanobodies womöglich auch bei der Proteinfaltung, was für zukünftige Proteinimpfstoffe nützlich ist. So hat das Göttinger Team besondere Nanobodies identifiziert, die eine korrekte Faltung in Bakterien erzwingen, ohne den entscheidenden Bereich des als Ziel anvisierten Spike-Proteins zu blockieren. Das ermöglicht potenziell neuartige Impfstoffe, die kostengünstig erzeugt, schnell an neue Virusvarianten angepasst und mit einfacher Logistik auch in Ländern mit geringer Infrastruktur verteilt werden können, vermuten die Forscher. So haben die drei Alpakas Britta, Nora und Xenia womöglich noch einen weitreichenden Einfluss auf den Verlauf der Corona-Pandemie.

Originalpublikation: Güttler T, Aksu M, Dickmanns A, Stegmann KM, Gregor K, Rees R, Taxer W, Rymarenko O, Schünemann J, Dienemann C, Gunkel P, Mussil B, Krull J, Teichmann U, Groß U, Cordes VC, Dobbelstein M, Görlich D: Neutralization of SARS-CoV-2 by highly potent, hyperthermostable, and mutation-tolerant nanobodies, EMBO J (2021); DOI: 10.15252/embj.2021107985

* Dr. C. Rotte, Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen, 37077 Göttingen

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