Antivirale Strategien: Wirk- und Impfstoffe

Schlüsselbereich 2

Koordination: Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI)

Eine zentrale Herausforderung neu-auftretender Virusepidemien ist die Unvorhersehbarkeit des Erregers sowie dessen Eigenschaften. Deswegen ist die Entwicklung antiviraler Strategien mit einer breiten Wirksamkeit gegen diverse virale Erreger aus Virusfamilien mit hohem Risiko für die Entstehung einer Pandemie von entscheidender Bedeutung. Zudem ist die Bildung nachhaltiger Kapazitäten für die schnelle Qualifizierung von Präventions- bzw. Therapiestrategien im Falle einer neuen Pandemie essentiell. 

Forschungsziele

In diesem Bereich wird auf niedermolekulare Wirkstoffe, auf therapeutische Antikörper und auf die Erforschung und Entwicklung Virusvektor-basierter SARS-CoV-2 Impfstoffe fokussiert.

Niedermolekulare Wirkstoffe

Zugelassene, direkt antiviral wirkende Medikamente blockieren meistens die Funktion viruseigener Enzyme, die eine essentielle Rolle bei der Virusvermehrung haben. Insbesondere bei hochmutierenden RNA-Viren werden Wirkstoffe gegen unterschiedliche virale Ziele kombiniert, um die Resistenzbarriere zu erhöhen und den Verlust der Therapiewirksamkeit zu vermeiden. In den vergangenen Jahren war die Entwicklung von Hemmstoffen viraler Proteasen und Polymerasen besonders erfolgreich, mit zahlreichen zugelassenen Wirkstoffen. SARS-CoV-2 verfügt über eine RNA-abhängige RNA Polymerase sowie über zwei Proteasen, welche für die Prozessierung seines Polyproteins in die funktionellen Proteinabschnitte essentiell sind und deren Struktur, zum Teil mit Beteiligung Braunschweiger Wissenschaftler, aufgeklärt wurde. Es sollen strukturbasierte Ansätze, wie beispielsweise in silico Screening und molekulares Docking genutzt und mit enzymatischen Hochdurchsatz-Assays und zellulären antiviralen Assays kombiniert werden, um maßgeschneiderte Wirkstoffe gegen diese wichtigen viralen Ziele zu entwickeln. Dies beinhaltet Wirkstoffforschung und -entwicklung gegen die jeweiligen aktiven Zentren der Enzyme sowie auch die Blockade entscheidender Protein-Protein-Wechselwirkungen und die maßgeschneiderte Entwicklung nukleosidischer Polymerase-Hemmstoffe.

Viren können sich ohne eine Wirtszelle nicht vermehren und sind von der Nutzung zellulärer Kofaktoren abhängig. Hierbei verwenden Viren mit zum Teil vergleichsweise geringer Verwandtschaft dieselben zellulären Faktoren, so dass solche Wirtsfaktoren als attraktive Ziele für die Entwicklung von Medikamenten mit einem breiten antiviralen Wirkspektrum hervortreten. Bekannte Beispiele sind bereits im klinischen Einsatz befindliche Inhibitoren von zellulären Kinasen, welche für die Virusreplikation von Bedeutung sind, sowie Inhibitoren von zellulären Proteinen, welche bei der Faltung von Proteinkomplexen eine essentielle Rolle spielen, wie z.B. Cyclophilin-Inihibitoren (nicht immunsupprimierende Cyclosporine). Es soll Grundlagenforschung zur Struktur und Funktionsweise zellulärer Faktoren im Kontext der Coronavirus-Replikation gefördert werden. Ein besonderer Fokus liegt hier auf der Identifizierung und Charakterisierung von Wirtsfaktoren, die von unterschiedlichen Coronaviren bzw. auch von Viren anderer Familien genutzt werden. Ziel ist es, die Virusinteraktionen mit diesen Faktoren aufzuklären und Strategien zur gezielten Störung dieses Zusammenwirkens zu entwickeln.

Therapeutische Antikörper

Antikörper stellen eine einzigartige und hochgradig adaptive Option für die Entwicklung maßgeschneiderter Therapeutika dar. Die natürliche Ausheilung viraler Infektionen bzw. der effektive Schutz vor einer Neu-Infektion wird entscheidend von hochwirksamen virus-neutralisierenden Antikörpern unterstützt. Die gezielte Entwicklung therapeutischer Antikörper nutzt Immunzellbibliotheken aus rekonvaleszenten Patienten und verwendet unterschiedliche Selektionsverfahren (z.B. Einzelzell-Sequenzierung, Phage Display) zur Identifizierung wirkungsvoller Antikörper. Gefördert werden soll die präklinische Entwicklung von humanen oder humanisierten Antikörpern in geeigneten komplexen Primärzellmodellen und Tiermodellen. Ebenso förderungsfähig ist die Entwicklung neuer Antikörper-Screening Verfahren, die gezielte Optimierung von Antikörper-Effektor Funktionen anhand strukturbasierter Ansätze bzw. durch Modifikation der Fc-Bereiche, sowie auch die Humanisierung hochwirksamer Antikörper aus nicht humanen Antikörper Bibliotheken. 

Impfstoffe

Im Bereich Impfstoffe wird zurzeit verstärkt auf die Entwicklung Vektor- und RNA-basierter Impfstoffkandidaten gesetzt, da diese schnell herzustellen und zum Teil bereits in der klinischen Erprobung sind. Allerdings gibt es bisher keinen solchen zugelassenen Impfstoff, sodass unklar ist, ob diese Impfstoffe erfolgreich sein können. Gefördert wird die präklinische Entwicklung und Validierung unterschiedlicher Impfstrategien (Vektoren, Nukleinsäuren, Proteine und deren Kombinationen) in prädiktiven Tiermodellen. Diese beinhaltet auch die Erprobung innovativer computergestützter Verfahren zur Entwicklung optimierter Antigene für die Induktion breit protektiver anti-Coronavirus Immunität. Ebenfalls im Fokus dieser Fördermaßnahme stehen Untersuchungen zu den Mechanismen der Vakzine-induzierten Protektion beziehungsweise möglicher Immun-Enhancement Prozesse, die bei viraler Reinfektion komplizierte Infektionsverläufe verursachen könnten.

Wirkstoffforschung auf die Entwicklung von Breitband-Coronavirus-Wirkstoffen

Im Kontext des aktuellen Ausbruches haben die COFONI-Partner wesentliche Beiträge zur Bekämpfung der COVID-19 Pandemie geleistet. Im Sinne einer schnellen Pandemie-Reaktion im Bereich antiviraler Wirkstoffe und gefördert durch das Land Niedersachsen und das Deutsche Zentrum für Infektionsforschung hat das HZI wesentliche Teile seiner Wirkstoffforschung auf die Entwicklung von Breitband-Coronavirus-Wirkstoffen ausgerichtet. Durch die schnelle Ertüchtigung der S3-Kapazitäten am HZI und der MHH sowie durch die sofortige Bereitstellung proprietärer Wirkstoffbanken des Helmholtz-Instituts für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS), des HZI sowie der MHH wurde direkt eine Screening-Kampagne niedermolekularer Wirkstoffe gegen Coronaviren initiiert. Aufgrund einer internationalen Kooperation des TWINCORE mit der Scripps University (USA) wurde zudem die weltweit größte Sammlung zugelassener Wirkstoffe bzw. Moleküle in die Screens einbezogen.

Diese Wirkstoffbank (ReFRAME) umfasst rund 14.000 Verbindungen, die entweder bereits zugelassen sind oder zumindest bereits klinisch im Menschen erprobt wurden. Von insgesamt rund 80.000 zur Verfügung stehenden Molekülen konnten durch das interdisziplinäre Forscherteam am HZI (Prof. Thomas Pietschmann, Prof. Ulrich Kalinke, Prof. Mark Brönstrup, Prof. Anna Hirsch) inzwischen mehr als 15.000 Verbindungen profiliert werden. Der Ausbau der S3 Kapazitäten am HZI ermöglicht derzeit, Hunderte an Wirkstoffen im Wochentakt auf SARS-CoV-2 antivirale Aktivität zu testen, und 2021 wird die Kapazität auf mehrere 1.000 Kandidaten pro Woche ausgebaut. 

Interdisziplinäre Zusammenarbeit

Aufgrund der Federführung des HZI in der Wirkstoffforschung des Deutschen Zentrums für Infektionsforschung (DZIF) und der Widmung weiter Teile seines Infektionsforschungsprogramms ausschließlich für die Wirkstoffforschung nimmt das HZI eine Schlüsselrolle bei der akademischen Antiinfektiva-Forschung in Deutschland ein. Im Rahmen dieses Verbundes wird diese Rolle durch die Beiträge des TWINCORE zur Wirkstoffforschung im Bereich von RNA-Viren sowie durch die Koordination der DZIF translationalen Infrastruktur für antivirale Wirkstoffe durch die MHH weiter gestärkt, so dass der Verbund exzellente Voraussetzungen für die Entwicklung von Wirkstoffen bietet. 

Gleichzeitig hat die Verankerung der MHH in das DZIF dazu geführt, dass Wissenschaftler*innen der MHH und der TiHo zusammenarbeiten, um den vom DZIF geförderten MVA-SARS-CoV-2 Vakzine-Kandidaten präklinisch in Tiermodellen zu evaluieren. Am HZI wird unter Federführung von Prof. Carlos Guzmán und Prof. Alice McHardy zudem daran geforscht, Protein-basierte Impfstoffe zu entwickeln. Mit Hilfe einer computergestützten Sequenzoptimierung des Spike-Proteins werden Antigene konzipiert, die wirksame Antikörper gegen das aktuelle Coronavirus und andere Coronaviren stimulieren.

In Zusammenarbeit mit Partnern der TU-Braunschweig und der Firma YUMAB hat das HZI (Prof. Luka Cicin-Sain) bereits drei Antikörper mit starker antiviraler Wirkung identifiziert. In einer engen Partnerschaft zwischen dem DPZ und dem HZI werden zudem herpesvirale Vektoren, zum Teil bereits in Tiermodellen, hinsichtlich ihrer Immunogenität getestet. Gefördert durch das Infrastrukturprojekt TRANSVAC II der Europäischen Kommission erprobt das HZI zehn verschiedene SARS-CoV-2 Impfstoffkandidaten (z.B. Virus-ähnliche Partikel (VLP), Protein-beladene Nanopartikel oder abgetötete B. subtilis-Sporen), um die Entwicklung protektiver mukosaler bzw. parenteraler Impfstoffe gegen Corona zu fördern. Das aus MWK-Mitteln finanzierte R2N-Konsortium etabliert derzeit Zellkulturmodelle zur Reduktion von Tierversuchen in der Infektionsforschung.

Erfolge im Bereich antiinfektiver Strategien

Parallel haben Partner aus Göttingen und von der TiHo bereits wichtige wissenschaftliche Erfolge im Bereich antiinfektiver Strategien veröffentlicht. Prof. Pöhlmann und Kollegen (DPZ Göttingen) konnten wesentliche Aspekte des SARS-CoV-2 Zelleintritts aufklären, ACE2 als Rezeptor identifizieren und einen wichtigen Antikörper-Neutralisierungs-Test entwickeln. Forscher*innen der TiHo haben humane monoklonale Antikörper identifiziert, die nicht nur SARS-CoV-2 sondern auch SARS-CoV-1 neutralisieren. Schließlich haben HZI Wissenschaftler*innen zur Etablierung einer neuen Leitstruktur gegen die SARS-CoV-2 Hauptprotease beigetragen und unter Federführung Göttinger Wissenschaftler*innen wurde die Struktur der viralen RNA-Polymerase aufgeklärt.

Durch diese wissenschaftlichen Erfolge im Bereich der Identifizierung und Charakterisierung entscheidender Therapieziele sowie durch essenzielle Kapazitätsbildung und die Anbindung an das nationale Netzwerk des DZIF schafft die integrierende Wirkung des Forschungsnetzwerks COFONI besondere Chancen für die Entwicklung von Wirk- und Impfstoffen gegen Coronaviren. Prof. Reinhold Förster konnte zeigen, dass das Wiedererscheinen von Effektor-T-Zellen im Blut mit einer Rekonvaleszenz der Patient*innen einhergeht. Ebenfalls werden in dieser Arbeitsgruppe ELISA-basierte Testsysteme der Virusneutralisation entwickelt. Unter Leitung von Prof. Georg Behrens, MHH, und in Kooperation mit Prof. Förster werden die erhobenen Daten mit Virusneutralisationstests von SARS-CoV-2-infizierten Vero-Zellen (Prof. Hedrick Steeck, Universität Bonn) verglichen. Hier wurden sehr starke Korrelationen der Daten beobachtet.

Herstellung therapeutischer SARS-CoV-2-Nanobodies

Prof. Dirk Görlich und Dr. Volker Cordes am Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie in Göttingen haben mit der Herstellung therapeutischer SARS-CoV-2-Nanobodies begonnen. Im Gegensatz zu Antikörpern bestehen Nanobodies aus nur einer Polypeptidkette, was vielfache Vorteile bei der Herstellung und Handhabung bietet. Die anti-SARS-CoV-2-Nanobodies sollen den Eintritt des Virus in Wirtszellen blockieren und dazu beitragen, schwer infizierte Patient*innen zu therapieren.

Zielstruktur ist das virale Spike-Protein, das eine Fusion des Virus mit der Plasmamembran der Wirtszelle ermöglicht und damit eine Injektion des viralen Genoms in die Zelle vermittelt. Um therapeutische Nanobodies (= Nano-Antikörper) zu erzeugen, wurden zunächst Alpakas mit dem viralen Spike-Protein immunisiert. Anschließend wurden Immunbibliotheken aus Blutproben erstellt und über ein sogenanntes „Phage-Display“ Nukleinsäuren isoliert, die für Virus-spezifische Nanobodies kodieren.

Die Herstellung der anti-Spike-Nanobodies erfolgt in Escherichia coli oder der Hefe Pichia pastoris und zwar zu einem Bruchteil der Kosten und in wesentlich größerem Maßstab als bei der Herstellung monoklonaler Antikörper anfallen. Inhibitorische Nanobodies werden in Zusammenarbeit mit Prof. Stefan Pöhlmann durch direkte Virusneutralisationstests ermittelt. Für die klinische Anwendung wird eine Inhalation von Nanobody-Aerosolen kombiniert mit Injektionen in Betracht gezogen.

Kontakt

Prof. Dr. Mark Brönstrup
Abteilungsleiter Chemische Biologie
Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung
Feodor-Lynen-Str. 7-9
30625 Hannover
Mark.Broenstrup(at)helmholtz-hzi.de

Prof. Dr. Thomas Pietschmann
Leiter Abteilung Experimentelle Virologie
TWINCORE –Zentrum für Experimentelle und Klinische Infektionsforschung
Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung
Feodor-Lynen-Str. 7-9
30625 Hannover
Thomas.Pietschmann(at)twincore.de

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