Synergistische Hemmung der Replikation von SARS-CoV-2 durch Pyrimidinanaloga und Inhibitoren der Pyrimidinsynthese

Das wurde erreicht:

Im Projekt wurde untersucht, wie sich antivirale Pyrimidin-Analoga mit Inhibitoren der zellulären Pyrimidinsynthese kombinieren lassen, um die Replikation von SARS-CoV-2 und anderen RNA-Viren besonders wirksam zu hemmen. Ausgangspunkt war die Beobachtung, dass N4-Hydroxycytidin (NHC), der aktive Wirkstoff von Molnupiravir, zum Einbau fehlerhaft paarender Nukleotide in die virale RNA führt und dadurch eine „error catastrophe“ auslöst. Gleichzeitig reduzieren Hemmstoffe der Pyrimidinbiosynthese – etwa DHODH- oder CTPS-Inhibitoren – die Verfügbarkeit natürlicher Nukleotide, die Viren für die Genomreplikation benötigen. Die zentrale Idee des Projekts war es daher, beide Wirkmechanismen zu kombinieren, um die Effektivität antiviraler Nukleosidanaloga zu steigern.

Tatsächlich konnten in Zellkulturen, in humanen Lungenorganoiden und z. T. auch in Tiermodellen ausgeprägte Synergien zwischen Molnupiravir bzw. NHC und DHODH-Inhibitoren gezeigt werden. Konzentrationen, die einzeln kaum antiviral wirkten, führten in Kombination zu einer drastischen Reduktion der Viruslast. Dieses Prinzip ließ sich auch auf andere Nukleosidanaloga wie 4'-Fluorouridin übertragen, das in Verbindung mit DHODH-Hemmern gegen eine Reihe unterschiedlicher RNA-Viren – darunter SARS-CoV-2, Influenza-A-Viren, Henipaviren und Ebolaviren – deutlich stärker wirkte. 

Darüber hinaus zeigte sich, dass nicht nur DHODH-, sondern auch CTPS-Inhibitoren eine deutliche Verstärkung der NHC-Wirkung bewirken können. In Zellkulturen ließ sich die Replikation verschiedener SARS-CoV-2-Varianten und Influenza-Subtypen fast vollständig unterdrücken. Ein unerwartetes Ergebnis ergab sich jedoch im SARS-CoV-2-Hamstermodell: Während CTPS-Inhibitoren allein dort eine deutliche antivirale Wirkung zeigten, führte die Kombination mit Molnupiravir nicht zu einer zusätzlichen Verbesserung, sondern schwächte die positive Wirkung sogar ab. Dieses abweichende In-vivo-Verhalten markiert eine der wichtigsten überraschenden Erkenntnisse des Projekts.

Ein weiterer wichtiger Befund betrifft die Mutagenese durch NHC. Da Molnupiravir die Virusevolution beschleunigen kann, wurde untersucht, ob in vitro Resistenzvarianten entstehen, die die Wirkung therapeutischer Antikörper umgehen. Tatsächlich führte die Behandlung mit NHC zur raschen Selektion von Escape-Mutationen im Spike-Protein. Dies legt nahe, dass die Therapie mit Molnupiravir auch zur Entstehung neuer Virusmutanten in Patienten führen könnte.

Auf der Grundlage NHC-vermittelter Mutagenese wurde eine Methode entwickelt, mit der sich durch Selektion in Zellkulturen Escape-Mutanten der Viren für verschiedene therapeutische Antikörper identifizieren und deren Binderegionen kartieren lassen. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine vorausschauende Bewertung der Wirksamkeit von Antikörpern gegenüber zukünftigen Virusvarianten.

Insgesamt zeigen die Projektergebnisse, dass Pyrimidin-Analoga in Verbindung mit Inhibitoren der Pyrimidinsynthese ein vielversprechender Ansatz für breit wirksame antivirale Therapien sind, gleichzeitig aber sorgfältig auf mögliche Resistenzentwicklung und auf ihre Kompatibilität in vivo geprüft werden müssen. Die Kombination aus therapeutischem Potenzial, neu gewonnenen mechanistischen Einsichten und methodischer Weiterentwicklung trägt bei zur Weiterentwicklung antiviraler Strategien gegen aktuelle und zukünftige Epidemien.