Strukturbiologie weist den Weg zu einem Coronavirus-Impfstoff
Strukturbiologie weist den Weg zu einem Coronavirus-ImpfstoffDo, 05.03.2020 — Francis S. Collins
Voraussetzung für eine Infektion mit dem neuen, COVID-19 verursachenden Coronavirus ist, dass es an menschliche Zellen im Atemtrakt andockt und in diese eindringt. Das Andocken erfolgt über das an der Oberfläche des Virus exprimierte Spike-Protein, das dann auch die Fusion von viraler mit menschlicher Zellmembran auslöst und somit eine erstrangige Zielstruktur für antivirale Strategien darstellt. Mit Hilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie konnte nun die 3D-Struktur des Spike-Proteins und damit auch die der andockenden Stelle in atomarer Auflösung entschlüsselt werden. Dieses Wissen bietet eine Basis für die Entwicklung von Impfstoffen und antiviralen Agentien. Francis Collins, NIH-Direktor und ehem. Leiter des "Human Genome Project", gibt einen Überblick über diese Aktivitäten.*
Der gegenwärtige Ausbruch von COVID-19, verursacht durch einen neuen Typ des Coronavirus mit Ursprung in China, hat weltweit enorme Anstrengungen ausgelöst, um die Ausbreitung der Infektion einzudämmen und zu verlangsamen. Allen Bemühungen zum Trotz hat das Virus (Abbildung 1) begonnen sich während des letzten Monats außerhalb Chinas in zahlreichen Ländern und Gebieten zu verbreiten.
Abbildung 1. Das neue Coronavirus - SARS-CoV-2 - , das COVID-19 verursacht. Links: Elektronenmikroskopische Aufnahme von Viren, die von einem US-Patienten isoliert wurden, in einer Zellkultur. Spikes, welche kronenartig die Oberfläche des Virus säumen, haben zur Bezeichnung Coronavirus geführt (Credit: NIAID RML). Rechts: Graphische Darstellung des Coronavirus in der Lunge. Das Virus ist von einer Membran umschlossen, aus welcher das für die Anheftung an und das Eindringen in die Körperzellen verantwortliche Spike-Protein (lila) herausragt.. Ein Kanal-Protein in der Membran (rosa) ist in die Abschnürung des Virus involviert. Im Innern findet sich die genomische RNA (weiße Stränge), daran gebunden viele Kopien des Nucleocapsid-Proteins (blau). Das Virus ist vom Abwehrsystem der Lunge umringt: Mukus (grüne Bänder), sezernierten Antikörpern (gelb) und verschiedenen kleineren Proteinen des Immunsystems (Bild von David S. Goodsell, RCSB Protein Data Bank; doi: 10.2210/rcsb_pdb/goodsell-gallery-019). Beide Bilder wurden von der Redaktion eingefügt.
In den USA sind inzwischen Fälle von infizierten Personen aufgetreten, die kürzlich weder im Ausland gewesen waren noch sich eines Kontakts zu anderen Personen bewusst waren, die kurz zuvor aus China oder anderen Ländern, in denen sich das Virus verbreitet, angekommen wären. Die National Institutes of Health (NIH) und andere US-amerikanische Gesundheitsbehörden sind in höchster Alarmbereitschaft und haben die erforderlichen Ressourcen mobilisiert, um nicht nur zur Eindämmung des Virus beizutragen, sondern auch bei der Entwicklung lebensrettender Maßnahmen zu helfen.
Das virale Spike-Protein als Target für die Impfstoff-Entwicklung und…
Was die Behandlung und Prävention betrifft, gab es kürzlich einige ermutigende Neuigkeiten Ein NIH-finanziertes Forscherteam hat in Rekordzeit die erste 3D-Struktur eines für die Impfstoffentwicklung erfolgversprechenden Zielproteins in atomarer Auflösung erstellt [1]. Es handelt sich dabei um das sogenannte Spike-Protein des neuen Coronavirus, das COVID-19 verursacht. Abbildung 2.
Abbildung 2. Das Spike-Protein des Coronavirus SARS-CoV-2 in atomarer Auflösung. (Credit: McLellan Lab, University of Texas at Austin) Anm.Redn.: Die Struktur ist in der PDB Datenbank unter 6VSB hinterlegt (DOI: 10.2210/pdb6VSB/pdb)
Ein Teil dieses stacheligen Oberflächenproteins (oben im Bild: grüne Ketten) ermöglicht es dem Virus an einen Rezeptor auf menschlichen Zellmembranen zu binden wodurch dann andere Teile des Spikes die Fusion von viralen und menschlichen Zellmembranen auslösen. Dieser Prozess ist die Voraussetzung, dass das Virus in Zellen eindringen und diese infizieren kann.
…ein Impfstoffkandidat
auf Basis dieses Spike-Proteins wird in präklinischen Studien an Mäusen bereits im Impfstoff-Forschungszentrum (VRC) des NIH getestet, das Teil des Nationalen Instituts für Allergien und Infektionskrankheiten (NIAID) ist. Eine frühe klinische Phase-I-Studie am Menschen wird mit diesem Impfstoff voraussichtlich in wenigen Wochen beginnen. Anschließend werden allerdings noch viele weitere Schritte erforderlich sein, um die Sicherheit und Wirksamkeit des Impfstoffs zu testen und dann die Produktion hochzufahren, um Millionen von Dosen zu produzieren.
Auch wenn dieser Zeitplan möglicherweise alle bisherigen Geschwindigkeitsrekorde brechen wird, wird es mindestens ein weiteres Jahr dauern, bis ein sicherer und wirksamer Impfstoff für einen umfassenden Einsatz bereit steht.
Coronaviren sind eine große Familie von Viren darunter gibt es einige, die bei gesunden Menschen eine „Erkältung“ verursachen. Tatsächlich sind diese Viren auf der ganzen Welt verbreitet und bei Erwachsenen für bis zu 30 Prozent der Infektionen der oberen Atemwege verantwortlich.
Der Ausbruch von COVID-19 markiert nun das dritte Mal in jüngster Zeit, dass ein Coronavirus aufgetaucht ist, das bei manchen Menschen schwere Erkrankung und Tod verursacht. Zu den vorhergegangenen Ausbrüchen von Coronaviren gehörten SARS (schweres akutes respiratorisches Syndrom), das Ende 2002 auftrat und zwei Jahre später verschwand, und MERS (nahöstliches respiratorisches Syndrom), das 2012 auftrat und noch weiterhin Menschen in geringer Anzahl infiziert.
Die Strukturanalyse des Spike-Proteins
Rasch nach dem Ausbruch von COVID-19 wurde das neue, eng mit dem SARS-Erreger verwandte Coronavirus, als Ursache erkannt. NIH-finanzierte Forscher, darunter Jason McLellan, ein ehemaliger Student am VRC und jetzt an der University of Texas in Austin tätig, standen schon bereit. Sie hatten jahrelang in Zusammenarbeit mit NIAID-Forschern Coronaviren untersucht, mit besonderem Augenmerk auf die Spike-Proteine.
Gerade einmal zwei Wochen nachdem chinesische Wissenschaftler die erste Sequenzierung des Virusgenoms berichtet hatten [2], designten McLellan und seine Kollegen nach dieser Bauanleitung Proben des Spike-Proteins. Entscheidend war, dass das Team zuvor eine Methode entwickelt hatte, mit der Coronavirus-Spike-Proteine in eine stabile Konformation gebracht werden können, die sowohl eine Strukturanalyse mithilfe der hochauflösenden Kryo-Elektronenmikroskopie erleichtert als auch eine Anwendung zur Entwicklung von Impfstoffen.
Nachdem die Forscher das Spike-Protein in der Konformation stabilisiert hatten, die es einnimmt, bevor es mit einer menschlichen Zelle fusioniert und diese infiziert, rekonstruierten sie in nur 12 Tagen seine 3D-Struktur im atomarer Auflösung. Ihre in Science veröffentlichten Ergebnisse bestätigen, dass das Spike-Protein auf dem COVID-19 verursachenden Virus und das auf seinem nahen Verwandten, dem SARS-Virus, ziemlich ähnlich sind. Das neue Virus scheint an menschliche Zellen fester zu binden als das SARS-Virus; dies könnte erklären, warum es sich leichter von Person zu Person - hauptsächlich durch Übertragung über die Atemwege - zu verbreiten scheint.
Präklinische und Klinische Studien
Das Team um McLellan und seine Kollegen vom NIAID VRC planen auch, das stabilisierte Spike-Protein als Sonde zu verwenden, um natürlich produzierte Antikörper von Menschen zu isolieren, die von der COVID-19 Erkrankung wieder genesen waren. Solche Antikörper könnten die Grundlage für eine Behandlung von Personen bilden, die dem Virus ausgesetzt waren, beispielsweise von Beschäftigten im Gesundheitswesen.
Das NIAID arbeitet jetzt mit dem Biotechnologieunternehmen Moderna (Cambridge, MA) zusammen, um anhand der neuesten Erkenntnisse einen Impfstoffkandidaten zu entwickeln und zwar unter Verwendung der Messenger-RNA (mRNA) des Spike-Proteins, d.i. des Moleküls, das als Vorlage für die Herstellung desProteins dient. Das Ziel dabei ist es, den Körper dazu zu bringen, ein Spike-Protein so zu produzieren, dass es eine Immunantwort und die Produktion von Antikörpern auslöst. Eine frühe klinische Studie mit dem Impfstoff am Menschen wird voraussichtlich in den kommenden Wochen beginnen. Andere Impfstoffkandidaten befinden sich ebenfalls in der präklinischen Entwicklung.
Mittlerweile läuft bereits die erste klinische Studie in den USA zur Evaluierung einer experimentellen Behandlung von COVID-19 (Biosicherheitslabor des University of Nebraska Medical Centers) [3]. Die von NIH gesponserte Studie wird die Sicherheit und Wirksamkeit des experimentellen antiviralen Arzneimittels Remdesivir an stationär aufgenommenen Erwachsenen mit der Diagnose COVID-19 evaluieren. Der erste Teilnehmer ist ein Amerikaner, der nach der Quarantäne auf dem Kreuzfahrtschiff Diamond Princess in Japan heimgeholt worden war.
Das Risiko, in den USA an COVID-19 zu erkranken, ist derzeit gering, aber die Situation ändert sich rasch. Eine der großen Herausforderungen, die das Virus mit sich bringt, ist seine lange Latenzzeit, bevor sich das charakteristische grippeähnliche Fieber, Husten und Atemnot manifestieren. Tatsächlich können mit dem Virus infizierte Personen möglicherweise bis zu zwei Wochen lang keine Symptome zeigen, es inzwischen aber an andere übertragen. (Die gemeldeten Fälle in den USA kann man auf der Website des Centers for Disease Control and Prevention verfolgen.)
Wenn der COVID-19 Ausbruch in den kommenden Wochen und Monaten andauert, können Sie sicher sein, dass das NIH und andere US-amerikanische Gesundheitsorganisationen auf Hochtouren daran arbeiten, dieses Virus zu verstehen und bessere Diagnosen, Behandlungen und Impfstoffe zu entwickeln.
[1] Cryo-EM structure of the 2019-nCoV spike in the prefusion conformation. Wrapp D, Wang N, Corbett KS, Goldsmith JA, Hsieh CL, Abiona O, Graham BS, McLellan JS. Science. 2020 Feb 19. [2] A new coronavirus associated with human respiratory disease in China. Wu F, Zhao S, Yu B, Chen YM, Wang W, Song ZG, Hu Y, Tao ZW, Tian JH, Pei YY, Yuan ML, Zhang YL, Dai FH, Liu Y, Wang QM, Zheng JJ, Xu L, Holmes EC, Zhang YZ. Nature. 2020 Feb 3. [3] NIH clinical trial of remdesivir to treat COVID-19 begins. NIH News Release. Feb 25, 2020.
* Dieser Artikel von NIH Director Francis S. Collins, M.D., Ph.D. erschien zuerst (am 3. März 2020) im NIH Director’s Blog unter dem Titel: "Structural Biology Points Way to Coronavirus Vaccine" https://directorsblog.nih.gov/2020/03/03/structural-biology-points-way-to-coronavirus-vaccine/ . Er wurde von der Redaktion möglichst wortgetreu übersetzt und geringfügig (mit einigen Untertiteln und einer zusätzlichen Abbildung) für den ScienceBlog adaptiert. Reprinted (and translated by ScienceBlog) with permission from the National Institutes of Health (NIH).
Weiterführende Links
NIAID: Coronaviruses.
https://www.niaid.nih.gov/diseases-conditions/coronaviruses
WHO: Coronavirus disease (COVID-19) outbreak.
https://www.who.int/emergencies/diseases/novel-coronavirus-2019
Francis S.Collins, 27.09.2018: Erkältungen - warum möglichweise manche Menschen häufiger davon betroffen sind.