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Virenfallen aus DNA

Hohlkörper aus Erbgutmaterial können Viren einfangen und unschädlich machen

Virenfallen
Nano-Halbschalen aus DNA können Viren an sich binden und unschädlich machen. Besonders gut gut funktioniert dies, wenn ihre Innenseite zusätzlich mit virenbindenden Antikörpern (blau) ausgekleidet ist. © Elena-Marie Willner/ TU München, DietzLab

Neuer Ansatz gegen Viren: Künftig könnte winzige biomechanische Fallen aus DNA dabei helfen, Viren unschädlich zu machen. Forscher haben halbkugelförmige Nanokonstrukte aus den Erbgutmolekülen konstruiert, die groß genug sind, um Viren einzuschließen. Mittels Antikörpern im Innern „locken“ sie die Viren hinein und binden sie. In Tests mit Zellkulturen konnten diese Virenfallen Hepatitisviren und Adeno-assoziierte Viren nahezu vollständig neutralisieren, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature Materials“ berichten.

Die Corona-Pandemie demonstriert, wie schwer es ist, wirksame Mittel gegen Viren zu finden. Während Impfungen vor Covid-19 und einigen anderen viralen Infekten schützen können, existiert gegen die meisten viralen Erreger kein Gegenmittel. Auch beim Coronavirus SARS-CoV-2 können Medikamente wie Remdesivir oder Dexamethason die Erkrankung nur leicht abmildern. Antikörper-Präparate können ebenfalls helfen, sind aber teuer und hochspezifisch.

Selbstorganisierte Nanokonstrukte aus DNA

Einen ganz neuen Ansatz haben nun Forscher um Christian Sigl von der Technischen Universität München entwickelt. Sie haben das Erbgutmolekül DNA genutzt, um daraus maßgeschneiderte Nanostrukturen zum Einfangen von Viren zu konstruieren. Möglich wird dies durch die Methode des DNA-Origami, bei dem DNA-Stränge durch gezielte Modifikation dazu gebracht werden, sich selbstorganisiert zu den gewünschten Strukturen zusammenzufinden.

Für ihre Virenfallen koppelten die Forscher jeweils mehrere Stränge zu dreieckigen Grundeinheiten zusammen. Die Positionierung von Bindungsstellen an den Kanten sorgte dafür, dass sich diese Platten sich von selbst zu ikosaedrischen Hohlkugeln zusammensetzten. „Inzwischen können wir Objekte mit bis zu 180 Untereinheiten erzeugen und erreichen Ausbeuten von bis zu 95 Prozent. Der Weg dahin war allerdings recht steinig“, berichtet Sigls Kollege Hendrik Dietz.

Zu Virenfallen umfunktioniert

Der Clou dabei: Die ikosaedrische Form und die Größe der Hohlkugeln passt perfekt zu Form und Größe vieler Viren. Denn deren Kapsid – die innere Proteinhülle – bildet ebenfalls ein Ikosaeder – ein Ikosaeder – eine 20-flächiges Gebilde aus dreieckigen Grundeinheiten. Der Innenraum der DNA-Fallen ist je nach Variante bis zu 280 Nanometer groß und bietet damit genügend Platz für die meisten Viren. „Stabile Hohlkörper von dieser Größe zu bauen, war eine riesige Herausforderung“ sagt Dietz.

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DNA-Konstrukte
Kryo-Elektronenmikroskopische Aufnahmen von DNA-Nanoschalen.© Christian Sigl/ TU München, DietzLab

Um diese DNA-Konstrukte zu Virenfallen zu machen, nutzten die Forscher halbe DNA-Schalen, in die die Viren gerade hineinpassen. „Schon eine einfache Halbschale passender Größe zeigt eine messbare Reduzierung der Aktivität der Viren“, berichtet Dietz. „Bringen wir auf der Innenseite fünf Bindungsstellen für das Virus an, beispielsweise passende Antikörper, erreichen wir bereits eine Blockierung des Virus von 80 Prozent, bauen wir mehr ein, erreichen wir eine komplette Blockade.“

Neutralisation von bis zu 99 Prozent der Viren

Dies bestätigten Tests mit Adeno-assoziierten Viren (AAV) und Hepatitis-B-Virionen (HBV) in Lösungen und Zellkulturen. Damit die DNA-Konstrukte in den Körperflüssigkeiten nicht sofort abgebaut werden, bestrahlte das Team sie mit UV-Licht und behandelte sie mit Polyethylenglykol und Oligolysin. Dadurch blieben die Partikel in Mäuseserum über 24 Stunden stabil. In Tests mit den Hepatitis-B-Viren fingen die halbkugeligen Virenfallen bis zu 99 Prozent der Viren ein und verhinderten ihre Anlagerung. In Zellkulturen verhinderten sie die Anlagerung der AAV-Partikel an die Zelloberflächen.

„Diese Experimente demonstrieren, dass die Virenfallen auch unter physiologischen Bedingungen mit lebenden Zellen funktionieren“, schreiben Sigl und sein Team. Ergänze Versuche ergaben zudem, dass die Antikörpern bestückten Virenfallen stärker neutralisierend wirken als freie, im Serum gelöste Antikörper. „Das zeigt, dass unsere Hüllen die bereits potente Neutralisation solcher antiviralen Antikörper ergänzen können“, so die Forscher.

Vielseitig einsetzbar

Nach Ansicht der Wissenschaftler bieten die DNA-Virenfallen eine neue Möglichkeit, Viren unschädlich zu machen und so Infektionen zu bekämpfen. Zudem lassen sich die Nanokonstrukte an verschiedene Viren anpassen und sind damit vielseitig einsetzbar. Wie die Tests ergaben, können die Virenfallen durch ihre maßgeschneiderte Passform sogar ohne Antikörperbestückung die Aktivität der Viren verringern.

„Sollte sich die Idee realisieren lassen, Viren einfach mechanisch zu eliminieren, so wäre das breit anwendbar und damit ein wichtiger Durchbruch insbesondere für neu auftretende Viren“, sagt Koautorin Ulrike Protzer vom Deutschen Zentrum für Infektionsforschung in München. Ein weiterer Vorteil: „Unsere Ikosaeder-Schalen bestehen aus DNA, die haltbar, kommerziell verfügbar und leicht zu funktionalisieren und zu modifizieren ist“, so die Forschenden.

Weitere Tests geplant

Als nächsten Schritt möchte das Forschungsteam ihre DNA-Virenfallen in Versuchen mit lebenden Mäusen testen. „Wir sind sehr zuversichtlich, dass dieses Material auch vom menschlichen Körper gut vertragen wird“, sagt Dietz. Dann wären solche Nanokonstrukte eines Tages möglicherweise sogar geeignet, um Infektionen mit dem Coronavirus SARS-CoV-2 oder neuen, heute noch unbekannte viralen Erregern einzudämmen.

Je nach Ausrüstung des Innenraums – ob mit Antikörpern, Genmaterial oder auch Impfstoff-Bausteinen – könnten sich solche DNA-Konstrukte jedoch auch für andere Zwecke als die direkte Virenbekämpfung einsetzen: „Denkbar wäre es auch als multivalenter Antigenträger für Impfungen, als DNA- oder RNA-Träger für die Gentherapie oder als Transportvehikel für Arzneimittel einzusetzen“, erklärt Dietz. (Nature Materials, 2021; doi: 10.1038/s41563-021-01020-4)

Quelle: Technische Universität München

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