Im Labor Hergestellte Miniproteine könnten Das Coronavirus Daran Hindern, Zellen Zu Infizieren

Synthetische Peptide, die humane Antikörper gegen COVID-19 imitieren, könnten billiger und einfacher herzustellen sein.

Während die Welt auf einen COVID-19-Impfstoff wartet, konzentrieren sich viele Forscher auf die Entwicklung wirksamer Therapeutika, die schnell und kostengünstig eingeführt werden können. Monoklonale Antikörper - eine potenziell vielversprechende, im Labor hergestellte Therapie, die auf Antikörpern basiert, die aus dem Blut extrahierter Patienten gewonnen wurden - machten kürzlich Schlagzeilen, als Präsident Trump einen noch nicht zugelassenen Antikörpercocktail der Firma Regeneron erhielt. Und der Pharmakonzern Eli Lilly gab kürzlich in einer kleinen klinischen Studie bekannt, dass sein monoklonaler Antikörper das Risiko einer Krankenhauseinweisung bei 300 Personen mit leichten oder mittelschweren COVID-19-Symptomen verringert.

David Baker, Biochemiker am Institute for Protein Design der University of Washington, und seine Kollegen glauben jedoch, dass sie eine noch bessere Therapie entwickeln können. Sie haben ein synthetisches Peptid entwickelt - eine kurze Reihe von Aminosäuren, die Bausteine von Proteinen -, die 20-mal kleiner sind als ein monoklonaler Antikörper, der an das berüchtigte „Spike“-Protein auf der Oberfläche des SARS-CoV-2-Virus binden soll Partikel. Dies würde die Bindung des Virus an die ACE-2-Rezeptoren auf menschlichen Zellen direkt blockieren und ähnlich wie ein Antikörper funktionieren, der vom Immunsystem einer infizierten Person produziert wird. Baker und seine Kollegen haben diese „Miniprotein-Inhibitoren“im September in Science beschrieben. Obwohl die Studie diese synthetischen Proteine nur im Labor testete und in vitro Viruspartikel mit Affenzellen mischte, zeigen unveröffentlichte Daten, dass sie Mäuse und Hamster vor einer SARS-CoV-2-Infektion schützen können.

„Wir haben diese [winzigen Proteine] nach 'ersten Prinzipien' von Grund auf neu aufgebaut und mithilfe von Computern alle biochemischen Details eines theoretischen Proteins modelliert, das am Virus haften könnte“, erklärt Baker, der mehr als nur digitales Design erhalten hat Zwei Millionen Kandidaten-Miniproteine haben die Daten mithilfe von Algorithmen zerkleinert, 118.000 Kandidatengene herausgesiebt, die diese Proteine codieren, die Proteine von Grund auf neu hergestellt und sie im Labor direkt gegen das Virus getestet. Dabei wurde festgestellt, dass sieben Designs effektiv an sie binden können und damit den Virus deaktivieren.

Im Laufe von 3,5 Milliarden Jahren hat die Evolution eine unglaubliche Reihe von Proteinen und Peptiden hervorgebracht. In den letzten Jahren haben Biochemiker einige davon aufgespürt und verwendet, um neue Medikamente zu entwickeln, wie beispielsweise Eptifibatide, ein Thrombozytenaggregationshemmer, der zur Vorbeugung von Herzinfarkten verabreicht wird und dessen Wirkstoff aus dem Gift der südlichen Zwergklapperschlange gewonnen wird. Die Proteindatenbank, ein Online-Repository für Proteinsequenzen und Lehrmittel, enthält die Aminosäuresequenzen und vollständigen 3D-Strukturen für mehr als 160.000 Peptide und Proteine - aber die natürliche Welt enthält Hunderte Millionen Proteine.

"Es ist sehr schwierig, in der Natur ein Peptid zu entdecken, das genau das tut, was Sie wollen", erklärt Gaurav Bhardwaj, ebenfalls Biochemiker am Institut für Proteindesign, der jedoch nicht an der wissenschaftlichen Studie beteiligt war. Er versucht, ein maßgeschneidertes Peptid zu entwickeln, das die Replikation von SARS-CoV-2 in menschlichen Zellen verhindert. "Jetzt können wir die möglichen Designkonfigurationen für ein Peptid rechnerisch untersuchen, um genau die Funktionen auszuführen, die wir wollen."

Die Funktion jedes Proteins hängt von seiner Struktur ab. Wechselwirkungen zwischen den Atomen der Aminosäuren des Proteins führen dazu, dass sich diese Ketten in weniger als einer Sekunde zu einer komplexen Anordnung von Spiralen und Falten zusammenlagern. Während die Kette der Aminosäuren wächst, stapeln sich diese Helices und gewellten Blätter übereinander und umeinander zu einer schwindelerregend komplexen Reihe von Falten, und es sind diese Falten, die Proteinen ihre Form und Funktion verleihen. Es war jedoch eine schwierige Aufgabe, herauszufinden, wie aus einer Aminosäuresequenz eine bestimmte Falte wird, und erst in den neunziger Jahren - mit ständig wachsenden Datenbanken mit Proteininformationen - konnten Wissenschaftler beginnen, Sequenzen mit Formen zu verknüpfen.

"Wir können völlig neue Proteine herstellen, die in der Natur noch nie gesehen wurden, weil wir jetzt die Natur der Proteinfaltung verstehen", sagt Baker. "Unsere Fähigkeit, Computer zum Entwerfen von" de novo "-Proteinen zu verwenden, hat sich erst in den letzten Jahren wirklich bewährt. Wir hätten uns möglicherweise nicht auf COVID-19 anwenden können, wenn die Pandemie vor fünf Jahren stattgefunden hätte."

Viele Organisationen, darunter die Gates Foundation, die Open Philanthropy Foundation und zuletzt das Komitee des Breakthrough Prize, haben diese Arbeit unterstützt. Obwohl sich monoklonale Antikörper gegen SARS-CoV-2 bereits in klinischen Studien befinden, haben seine Miniprotein-Inhibitoren laut Baker ein noch größeres Potenzial zur Bekämpfung der Pandemie, da sie 20-mal kleiner sind und daher billiger in der schnellen und konsistenten Herstellung wären.

Synthetische Peptide weisen ein enormes Potenzial auf, mit geringen Kosten skaliert zu werden, um robuste, maßgeschneiderte Behandlungen herzustellen, sagt Sarel Fleishman vom Weizmann Institute of Science in Israel, der nicht an der Studie beteiligt war. Aber sie befinden sich immer noch auf unbekanntem Gebiet, was sie im Wettlauf um eine Heilung benachteiligt, sagt er. „Der Hauptvorteil der Behandlung mit monoklonalen Antikörpern besteht darin, dass sie vollständig„ menschlich “sind, was bedeutet, dass sie bereits mit unserem Immunsystem kompatibel sind. Sie bergen also ein viel geringeres Risiko als synthetische Proteine “, sagt er. Das Überwinden regulatorischer Hürden wird mit monoklonalen Antikörpern viel einfacher sein, da die Regulierungsbehörden bereits verstehen werden, womit sie im Vergleich zu einer neuen und unbewiesenen Technologie zu tun haben.

Obwohl synthetische Peptide ein enormes Potenzial haben, müssen wir vorsichtig sein, wenn wir zu optimistisch sind, fügt der Biochemiker Erik Procko von der University of Illinois hinzu, der als Postdoktorand in Bakers Team arbeitete, aber nicht Teil dieser spezifischen Studie war. "Die Pharmakokinetik von Miniproteinen" - die Art und Weise, wie der menschliche Körper sie metabolisieren, absorbieren und ausscheiden kann - "wird ein Hindernis für ihre Nützlichkeit als Arzneimittel sein", sagt Procko. "Eli Lilys Antikörper-Medikament bleibt einen Monat lang im Körper. Für ein kleines Miniprotein wird es eine Herausforderung sein, diese Stabilität im Blut zu erreichen. “

Baker räumt ein, dass sowohl Fleishman als auch Procko Recht haben: „Unsere Miniproteine müssen die gleichen klinischen Studien wie monoklonale Antikörper durchlaufen“, sagt er, „obwohl es erwähnenswert ist, dass Aufsichtsbehörden wie die FDA über umfangreiche Erfahrungen mit allen Arten verfügen von Drogen- und Therapiemodalitäten. “

Sowohl Procko als auch Baker stellen fest, dass Miniproteine sehr wahrscheinlich durch Inhalation direkt in die Lunge verabreicht werden müssen. Forscher der University of California in San Francisco haben eine solche Aerosolformulierung entwickelt. Die Technologie, die als "AeroNabs" bezeichnet wird, wird von einem Inhalator oder Nasenspray verabreicht. Etwa dreimal so groß wie Baker's Miniproteine, ist die U. C. S. F. Diese basieren auf „Nanokörper“-Partikeln, die im Immunsystem von Tieren wie Lamas vorkommen, und funktionieren ähnlich: Sie binden an das „Spike“-Protein von SARS-CoV-2 und verhindern, dass es mit dem ACE-2-Rezeptor auf menschlichen Zellen fusioniert.

"Es ist unwahrscheinlich, dass monoklonale Antikörper die Atemwege der Lunge erreichen, wenn sie als injizierbares Medikament verabreicht werden", erklärt Aashish Manglik von U. C. S. F., Teil des Teams, das AeroNabs entwickelt hat. Er und seine Kollegen haben ihre Innovation im August in der Preprint-Datenbank bioRxiv beschrieben. Nur 2 Prozent der in den Blutkreislauf injizierten monoklonalen Antikörper neigen dazu, die Lungenräume zu erreichen, die Regionen der Lunge, durch die das Virus bei den meisten Menschen eindringt - aber ein über Aerosol abgegebenes Medikament könnte diese Luftsäcke erreichen und könnte dies auch dienen sowohl als Therapeutikum als auch als Prophylaxe, sagt Manglik. "Wir sehen dies als nützlich bei Patienten an, die sich in einem frühen Stadium der Infektion befinden, oder bei Menschen mit hohem Infektionsrisiko, wie z. B. Mitarbeitern an vorderster Front und im Gesundheitswesen", sagt er. „Aus technischer Sicht ist es jedoch nur phänomenal, was Baker geschafft hat, alles prospektiv zu gestalten und nicht auf einer vorhandenen Struktur in der Natur zu basieren. Es ist eine aufregende Zeit in der Proteinwissenschaft."

Beat Christen vom Institut für Molekulare Systembiologie in Zürich, der nicht an der Forschung von Baker oder Manglik beteiligt war, stimmt zu, dass es eine aufregende Zeit ist. "Die synthetische Biologie schreitet bei der Entwicklung von Impfstoffen und Therapeutika sehr schnell voran. In sehr kurzer Zeit haben wir viele Dinge in den Vordergrund gerückt, und die Unternehmenswelt reagiert mit vielen Ausgründungen und Start-ups, die sich auf diesem Gebiet angesiedelt haben", sagt er.

Mit zunehmendem Unternehmensinteresse kann jedoch das Vertrauen der Öffentlichkeit nachlassen - wie dies vor zwei Jahrzehnten bei gentechnisch veränderten Lebensmitteln der Fall war. Die Technologie wurde größtenteils als teuer und unnötig angesehen, da sie eher auf Unternehmensgewinnmotiven als auf öffentlichen Bedürfnissen beruhte. Synthetische Peptide - viele völlig „unnatürlich“und „noch nie zuvor auf der Erde gesehen“- laufen Gefahr, in dieselbe Falle zu tappen.

"Aber mit COVID-19 steht die Menschheit vor einer klaren, großen Herausforderung", sagt Christen. "Wenn die synthetische Biologie mit neuen Lösungen und neuen Therapien einen Beitrag leisten kann, werden die Menschen die Notwendigkeit leicht erkennen."

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