Viren sind kleinste Mikroorganismen, die über Bindungsstellen verfügen, mit denen sie sich an die Oberfläche von Zellen anheften und diese anschließend infizieren können. Die meisten bisher verfügbaren antiviralen Pharmazeutika greifen Viren an nur einer dieser Bindungsstellen an. Forscher der Freien Universität Berlin arbeiten an einem neuen antiviralen System, das viele dieser Bindungsstellen gleichzeitig blockiert. An diesem Forschungsprojekt, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wird, sind auch das Robert Koch-Institut, die Humboldt-Universität Berlin und die Charité beteiligt. Das neue antivirale System besteht aus nanoskaligen Gerüsten, an die Biomoleküle gekoppelt werden. Die so modifizierten Nanosysteme könnten die Basis für neue antiviral wirkende Arzneimittel sein. Bisher entwickelte Systeme richten sich gegen Influenza- und Herpesviren.

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Viren sind kleinste Mikroorganismen, die mit einer Größe von nur 0,02 bis 0,2 µm unter dem Lichtmikroskop nicht sichtbar sind. Aus diesem Grund wurden sie lange Zeit nicht erkannt. Erst 1935 konnte der Amerikaner Wendell M. Stanley das Tabakmosaikvirus als erstes Virus überhaupt isolieren und unter dem Elektronenmikroskop betrachten.

Viren kommen ubiquitär vor und es gab sie bereits vor Milliarden Jahren. Sie haben die Evolution beeinflusst und sich selbst immer wieder neu erfunden bzw. weiterentwickelt. Viren sind äußerst vielfältig, sowohl was ihre Morphologie betrifft als auch in Bezug auf die Größe ihres Genoms und die Art ihrer Vermehrung. Sie sind deshalb so unterschiedlich, weil jedes Virus auf eine bestimmte Art von Zellen spezialisiert ist(1) . Da Viren keine selbstständigen Lebewesen sind, also keinen eigenen Stoffwechsel und keine Fähigkeit zur selbstständigen Reproduktion besitzen, sind sie abhängig von einer Wirtszelle. Diese Tatsache macht die Entwicklung antiviraler Therapien besonders schwierig, da die Virusaktivitäten gehemmt werden müssen ohne die Wirtszellen ernsthaft in Mitleidenschaft zu ziehen.

Bislang gibt es noch keine Medikamente, die gleichzeitig viele Kontaktstellen eines Virus hemmen können. Genau hier setzt nun die Forschungsgruppe der Freien Universität Berlin an. Es soll ein effizientes antivirales System entwickelt werden, das gleich an vielen Kontaktstellen die Virus-Zell-Bindung stört. Ein viraler Replikationszyklus durchläuft fünf Phasen: Zunächst erfolgt die Anhaftung des Virus an die Wirtszelle (Schritt 1). Nach dem Eindringen des Virus in die Wirtszelle (Schritt 2) kommt es zu dessen “Uncoating“ (Schritt 3), wobei unter anderem die Proteinhülle entfernt und die virale DNA oder RNA freigesetzt wird. Ist die Erbinformation des Virus einmal in der Wirtszelle, erfolgt durch selbige die Synthese neuer viraler Komponenten (Schritt 4). Es kommt zur Ansammlung der Komponenten zu einem neuen Virus und schließlich zur Freisetzung neu gebildeter Viren durch die Wirtszelle (Schritt 5).

Für die Virus-Inaktivierung muss also mindestens einer dieser fünf Schritte des viralen Replikationszyklus gestört werden. Bei dem neu entwickelten Ansatz handelt es sich um ein Nanosystem, an das Biomoleküle gekoppelt werden, die sich auch in den Zellen des menschlichen Körpers befinden und von den Viren genutzt werden, um in die Wirtszellen zu gelangen(2) . Bei dieser Art der Virusbekämpfung wird also gleich der erste Schritt, das Anhaften des Virus an die Wirtszelle, blockiert. So gelangt das Virus gar nicht erst ins Innere der Zelle und die Replikation des Virus wird verhindert.

Dabei kann jedes Nanogerüst mit Dutzenden von Biomolekülen besetzt werden, die gleichzeitig an viele Andockstellen des Virus binden. Das Nanosystem imitiert also gewissermaßen die Zelloberfläche. Das Virus bindet sich daran, verfängt sich ähnlich wie in einem Spinnennetz(3) und könnte somit inaktiviert werden.

Bislang wurden zwei Varianten des antiviralen Nanosystems entwickelt: eine gegen Grippeviren - wobei als Biomoleküle Sialinsäuren an das Nanogerüst gekoppelt werden. Im Fall einer Grippevirus-Infektion binden die Influenza-Viren an sialinsäurehaltige Rezeptoren an der Zelloberfläche. Diese Variante fängt die Grippeviren ab und verhindert dadurch das Eindringen in die Lungenepithelzellen.

Die zweite Variante richtet sich gegen Herpesviren. Hier werden anstatt großer Biomoleküle einfache Sulfat-Ionen - die Zielstrukturen dieser Viren - an Graphen gekoppelt. Graphen ist ein zweidimensionales Kohlenstoffgerüst und eignet sich als Trägersubstanz, da es sehr biegsam, gleichzeitig aber auch sehr stabil ist. Anders als die linearen Nanosysteme gegen Grippeviren wickeln diese extrem dünnen zweidimensionalen Kohlenstoffgitter die Herpesviren ein wie eine Frischhaltefolie.

Ein großer Vorteil dieser neu entwickelten Nanosysteme besteht darin, dass sie für das jeweilige Virus maßgeschneidert werden können. Das Nanosystem bietet zudem weitere Anwendungsmöglichkeiten weit über den Einsatz zur Bekämpfung von Viren hinaus. So erforscht die Gruppe der Freien Universität derzeit auch den Einsatz der Graphen-basierten Träger zur Entfernung von Bakterien aus dem Wasser.

Das Nanosystem ist ein weiteres Beispiel für erfolgreiche interdisziplinäre Forschung in den Life Sciences. Das Zusammenwirken von Disziplinen wie der Nanotechnologie, der Virologie und der Molekularbiologie hat ein vielversprechendes neues System mit vielen Einsatzmöglichkeiten hervorgebracht. Weitere Forschungsarbeiten zur Optimierung der Trägersubstanzen sind allerdings nötig, damit das Potenzial dieser Nanosysteme bestmöglich genutzt werden kann.


Literaturtipps:
(1) http://www.planet-wissen.de/natur/mikroorganismen/viren/pwiedieentdeckungderviren100.html
(2) http://www.fu-berlin.de/presse/informationen/wissenschaft/2017/201707/haag-nanosystems.html
(3) https://www.universities-berlin.de/impressions/170908-sfb-765/index.html