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Gesundheit+Medizin

DNA-Konstrukte fangen Viren

Virenfallen
Virenfallen aus DNA (weiß), ausgekleidet mit Virus-bindenden Molekülen (blau). (Bild: Elena-Marie Willner / DietzLab / TUM)

Bisher gibt es gegen die meisten Virus-Infektionen keine wirksamen und breit einsetzbaren Gegenmittel – auch gegen das Coronavirus Sars-Cov-2 nicht. Doch jetzt haben Forscher eine neue Strategie zur Virenbekämpfung entwickelt: Virenfallen aus DNA. Ihre mit der Methode des DNA-Origami aus Erbgut-Material hergestellten Nanokapseln können Viren binden und so unschädlich machen. In ersten Tests konnten diese Virenfallen Hepatitisviren und Adeno-assoziierte Viren in Nährlösungen und Zellkulturen nahezu vollständig neutralisieren. Sollte sich das auch im Tierversuch bestätigen, wären solche DNA-Virenfallen eine vielseitig einsetzbare Waffe gegen virale Erreger.

Gegen gefährliche Bakterien gibt es Antibiotika – gegen viele Virus-Infektionen ist die Medizin dagegen nahezu machtlos. Das demonstriert auch die aktuelle Corona-Pandemie: Zwar können Medikamente wie Remdesivir oder Dexamethason schwere Verläufe von Covid-19 etwas abmildern oder verkürzen. Aber wirklich stoppen lässt sich die Infektion durch diese Mittel bislang nicht. Antikörper-Präparate wiederum haben zwar das Potenzial, das Immunsystem wirksam gegen Sars-CoV-2 oder andere virale Erreger zu unterstützen, sie sind aber hochspezifisch und sehr teuer. Der einzig wirksame Schutz gegen Covid-19 sind bislang Impfungen, doch diese sind nicht für alle Viren ähnlich schnell und leicht zu entwickeln – für einige von Viren verursachten Krankheiten gibt es bis heute weder Heilmittel noch Impfstoff.

DNA als Baumaterial

Einen neuen Ansatz gegen Viren haben nun Christian Sigl von der Technischen Universität München und seine Kollegen entwickelt. Ausgangspunkt dafür war die schon vor Jahrzehnten gemachte Entdeckung, dass sich unser Erbmaterial DNA hervorragend dazu eignen, robuste und vielseitige Nanokonstrukte herzustellen. Das Bindungsverhalten der DNA-Bausteine befähigt sie zur Selbstorganisation. Bei der Methode des DNA-Origami werden DNA-Stränge durch gezielte Modifikation dazu gebracht, sich selbstorganisiert zu den gewünschten Strukturen zusammenzufinden. Sigl und seine Kollegen fragten sich daher, ob man aus solchen DNA-Konstrukten nicht auch biomechanische Virenfallen konstruieren könnte. Würde man sie innen mit Virus-bindenden Molekülen auskleiden, könnte sie Viren fest an sich binden und damit aus dem Verkehr ziehen.

Dafür musste das Team aber zunächst DNA-Hohlkörper herstellen, die ausreichend große Öffnungen für die Viren aufweisen. „Keines der Objekte, die wir bis dato mit der Technologie des DNA-Origami gebaut hatten, wäre in der Lage gewesen, ein ganzes Virus sicher einschließen zu können – sie waren schlicht zu klein“, erklärt Sigls Kollege Hendrik Dietz. „Stabile Hohlkörper von dieser Größe zu bauen, war eine riesige Herausforderung.“ Den Forscher fanden jedoch nach einigen Tests eine Möglichkeit, durch die sie verschieden große Ikosaeder aus DNA erzeugen können. Diese aus 20 Dreiecksflächen bestehenden Hohlkugeln sind ähnlich geformt wie die Kapside vieler Viren und aus Dreiecken aus DNA-Streben zusammengefügt. Indem Sigl und sein Team die Bindungsstellen an den Kanten der Dreiecke variieren, können sie nicht nur geschlossene Hohlkugeln, sondern auch Kugeln mit Öffnungen oder Halbschalen erzeugen. Diese können dann als Virenfallen verwendet werden.

Tests mit Hepatitis und Adeno-assoziierten Viren erfolgreich

Wie gut diese DNA-Konstrukte als Virenfallen funktionieren, untersuchte das Forschungsteam dann in mehreren Tests mit Adeno-assoziierten Viren (AAV) und Hepatitis-B-Viren (HBV). Dafür gaben sie DNA-Halbschalen zu Nährlösungen oder Zellkulturen mit diesen Viren hinzu und beobachteten, was passierte. Damit die DNA-Konstrukte in den Körperflüssigkeiten nicht sofort abgebaut werden, bestrahlte das Team sie zuvor mit UV-Licht und behandelte sie mit Polyethylenglykol und Oligolysin. Dadurch blieben die Partikel in Mäuseserum über 24 Stunden stabil. Die Neutralisationstests zeigten: „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.“

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Nach Ansicht der Forscher bieten die DNA-Virenfallen eine neue Möglichkeit, Viren unschädlich zu machen und so Infektionen zu bekämpfen. Der Vorteil der DNA-Konstrukte liegt dabei vor allem darin, dass sie leicht auf verschiedenen Viren angepasst werden können. „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 Co-Autorin Ulrike Protzer vom Deutschen Zentrum für Infektionsforschung in München. Ein weiterer Vorteil: Die Ausgangsmaterialien der Virusfallen lassen sich biotechnologisch in Massenproduktion zu vertretbaren Kosten herstellen. Als Nächstes wollen die Wissenschaftler ihre Virenfallen an lebenden Mäusen und anderen Tieren testen. „Wir sind sehr zuversichtlich, dass dieses Material auch vom menschlichen Körper gut vertragen wird“, sagt Dietz.

Quelle: Christian Sigl (Technische Universität München) et al., Nature Materials, doi: 10.1038/s41563-021-01020-4

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