Sogenannte multivalente Nanosysteme können einer Studie zufolge dazu beitragen, Grippeviren unschädlich zu machen. Zu diesem Ergebnis kommt ein Forschungsverbund aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Freien Universität Berlin, der Humboldt-Universität zu Berlin sowie des Robert-Koch-Instituts. In einem Projekt, bei dem Vertreterinnen und Vertreter der Chemie, Physik, Virologie und der Bildgebung zusammenarbeiteten, entwickelte das Forscherteam zwei neue Strategien zur Hemmung von Influenza-A-Viren (IAV). Gefördert wurde das Projekt durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 765 „Multivalenz als chemisches Organisations- und Wirkprinzip“ an der Freien Universität. Die Ergebnisse wurden in drei Artikeln in den Fachzeitschriften Angewandte Chemie International Edition und Nano Letters veröffentlicht.

„Im ersten Ansatz wird die Flexibilität und Funktionalität kugelförmiger Nanogele mit einer Größe von 250 Nanometern in einer Weise optimiert, dass sich diese optimal an IAV binden und verformen, um sich bei Kontakt mit dem IAV an die Virusoberfläche anzupassen“, erklärt der Chemiker Prof. Dr. Rainer Haag. Die Nanogele, die als Inhibitoren, also als Hemmstoffe, fungieren, blockierten auf diese Weise den Kontakt zwischen der Virusoberfläche und den Zelloberflächen bis zu 98 Prozent. Folglich könne der Virus nicht in die Zelle eindringen, und eine Infektion werde mit sehr geringen Konzentrationen des Nano-Inhibitors deutlich reduziert. „Mithilfe sogenannter Kyro-EM-Bilder wird die Anpassungsfähigkeit der 3D-Nanogele an die Virusoberfläche verdeutlicht“, sagt Rainer Haag (Abbildung 1). Die Virushemmung sei durch weitere biophysikalische Techniken untermauert worden.

Ziel des zweiten Ansatzes ist es, Grippeviren durch die Verwendung eines stacheligen Nanopartikels (Abbildung 2) unschädlich zu machen. „Die Oberfläche der IAV ist durch sogenannte Spikeproteine ebenfalls stachlig. Indem der Nanopartikel die Oberflächenbeschaffenheit der Influenzaviren nachahmt, wird die Bindungsgrenzfläche zwischen dem Partikel und dem Virus im Vergleich zu glatten Oberflächen erhöht“, erklärt Rainer Haag. Nachgewiesen werden konnte dieser Prozess ebenfalls durch Kryo-EM-Bilder und Geometriesimulationen. Zudem habe sich gezeigt, dass die Bindung nur bei einer bestimmten Länge der Spikes verbessert werden kann. „Mithilfe dieser Informationen wird ein 3D-Nano-Inhibitor mit dualem Wirkmechanismus synthetisch hergestellt, der sowohl die Virusadhäsion als auch die Virusfreisetzung aus den Zellen effizient blockieren kann“, konstatiert Rainer Haag.

„Saisonale und pandemische Ausbrüche von IAV stellen aufgrund unvorhersehbarer Antigenverschiebung und -drift sowie der Infektion des Menschen durch hochpathogene tierische IAV-Stämme eine Herausforderung für das öffentliche Gesundheitswesen dar“, sagt Rainer Haag. Inhibitoren, die entweder die Haftung des Virus an Zellen vollständig blockieren oder durch einen dualen Wirkmechanismus die Bindung und Freisetzung von Viruspartikeln an Zelloberflächen hemmen, wirkten effizient gegen eine Virusinfektion. „Im Prinzip können diese Strategien auch auf andere Atemwegsviren angewendet werden“, erklärt Rainer Haag. Möglich sei etwa, die Strategien auch bei der Behandlung des Coronavirus anzuwenden. Dazu seien jedoch noch weitere Forschungen notwendig.

Weitere Informationen

Publikationen

• Sumati Bhatia, Malte Hilsch, Jose Luis Cuellar Camacho, Kai Ludwig, Chuanxiong Nie, Badri Parshad, Matthias Wallert, Stephan Block, Daniel Lauster, Christoph Böttcher, Andreas Herrmann, Rainer Haag: Adaptive flexible sialylated nanogels as highly potent influenza A virus inhibitors. Angewandte Chemie International Edition, DOI 10.1002/anie.202006145
• Chuanxiong Nie, Badri Parshad, Sumati Bhatia, Chong Cheng, Marlena Stadtmüller, Alexander Oehrl, Yannic Kerkhof, Thorsten Wolff, Rainer Haag: Topology-matching design of an influenza neutralizing spiky nano-inhibitor with a dual mode of action. Angewandte Chemie International Edition, DOI 10.1002/anie.202004832
• Chuanxiong Nie, Marlena Stadtmüller, Hua Yang, Yi Xia, Thorsten Wolff, Chong Cheng, Rainer Haag, Spiky nanostructures with geometry-matching topography for virus inhibition, Nano Letters, DOI 10.1021/acs.nanolett.0c01723

Kontakt

Prof. Dr. Rainer Haag, Institut für Chemie und Biochemie, Freie Universität Berlin, Telefon: 030-838-52633, E-Mail: haag@chemie.fu-berlin.de