A rational design strategy and validation for protease-resistant fusion-inhibitor antiviral peptides

Viren, die sich in eine fettige Membran einhüllen – bekannt als behüllte Viren –, müssen ihre äußere Schicht mit einer menschlichen Zelle verschmelzen, um eine Infektion zu verursachen. Dazu nutzen sie einen molekularen Schlüssel, das Spike-Protein, das eine dramatische Formveränderung durchläuft, um das Virus und die Zelle miteinander zu verriegeln. Wissenschaftler wissen seit langem, dass man diesen Prozess stoppen könnte, indem man einen Köder erschafft: ein kurzes Stück Protein, das einen Teil des eigenen Schlüssels des Virus nachahmt. Dieser Köder würde an das Spike-Protein binden, den Mechanismus blockieren und so das Eindringen des Virus in die Zelle verhindern. Während diese Strategie in einem Reagenzglas gut funktioniert, ist sie als Medikament historisch gesehen gescheitert, da der menschliche Körper voller Enzyme ist, die wie molekulare Scheren wirken und diese Proteinköder zerschneiden, bevor sie ihre Aufgabe erfüllen können.

Ein Forschungsteam hat nun einen Weg gefunden, diese Scheren auszutricksen. Sie entdeckten, dass genau das Enzym, das das Virus nutzt, um Zellen zu entriegeln, auch dasjenige ist, das die Proteinköder zerstört. Durch das Studium der spezifischen Stellen, an denen dieses Enzym schneidet, gestalteten sie die Proteinköder neu, sodass sie für die Scheren unsichtbar sind, während sie weiterhin die Fähigkeit behalten, das virale Schloss zu blockieren. In Tests an lebenden Zellen und an Mäusen erwiesen sich diese neuen, robusteren Köder als wesentlich langlebiger als die ursprünglichen Versionen, was einen vielversprechenden Weg zu einer sicheren, präventiven Behandlung eröffnet, die vor dem Kontakt eines Menschen mit dem Virus verabreicht werden könnte.

Die Geschichte beginnt mit einer spezifischen Art von Virus, SARS-CoV-2, das COVID-19 verursacht. Wie viele andere Viren verlässt es sich auf ein Spike-Protein, um die Abwehrkräfte menschlicher Zellen zu durchbrechen. Im Inneren des Virus gibt es eine Region namens Heptad-Repeat 2, oder HR2, die entscheidend für den Fusionsprozess ist. Wissenschaftler versuchten zuvor, ein kurzes Stück dieser HR2-Region als Medikament einzusetzen. Die Idee war, dass dieses Stück umherwandern und an die eigene HR2-Region des Virus binden würde, was dessen Hände effektiv zusammenbindet, sodass es nicht mit der Zelle verschmelzen kann. In einem Organismus sind diese kurzen Proteinstücke jedoch fragil. Die Forscher vermuteten, dass ein spezifisches Enzym in den menschlichen Atemwegen, genannt TMPRSS2, für die Zerstörung der Proteinköder verantwortlich war. Dieses Enzym ist essenziell für den Eintritt des Virus in die Zellen, da es das Spike-Protein schneidet, um es zu aktivieren. Das Team stellte die Hypothese auf, dass dasselbe Enzym auch die therapeutischen Köderproteine zerschneidet und sie damit nutzlos macht.

Um dies zu testen, nahmen die Forscher die ursprünglichen Proteinköder und setzten sie in einer Laborschale dem TMPRSS2-Enzym aus. Innerhalb einer Stunde hatte das Enzym die Köder vollständig in Stücke geschnitten. Als sie diese zerstückelten Fragmente in einem Zellfusions-Experiment testeten, stellten sie fest, dass die Fragmente jegliche Fähigkeit verloren hatten, das Virus zu stoppen. Dies bestätigte, dass das Enzym tatsächlich der Übeltäter hinter dem Scheitern der Köder war. Der nächste Schritt bestand darin, herauszufinden, wo genau das Enzym schnitt. Unter Verwendung einer Technik, die die chemische Zusammensetzung von Molekülen identifiziert, lokalisierten sie drei spezifische Stellen an den Proteinködern, an denen das Enzym die Schnitte ausführte. Diese Stellen waren reich an den basischen Bausteinen von Proteinen, auf die das Enzym gezielt abzielt.

Bewaffnet mit diesem Wissen setzte sich das Team daran, die Köder neu zu gestalten. Sie mussten die drei Schnittstellen so verändern, dass das Enzym sie nicht mehr erkennt, mussten dabei aber vorsichtig sein, die Form des Köders nicht so stark zu verändern, dass er nicht mehr an das Virus binden kann. Um dies zu lösen, nutzten sie zwei verschiedene Strategien, um die besten Ersatzstoffe zu finden. Zuer Sie erstellten eine riesige Bibliothek mit Millionen von leicht variierten Köder-Versionen und testeten, welche die Zielstruktur des Virus immer noch fest band. Zweitens untersuchten sie die genetischen Aufzeichnungen von SARS-CoV-2-Varianten, die in der Natur vorkommen, um zu sehen, welche Veränderungen bereits aufgetreten waren, ohne das Virus zu beschädigen. Durch die Kombination dieser beiden Ansätze identifizierten sie drei neue Versionen des Proteinköders, die resistent gegen das Enzym, aber dennoch effektiv beim Binden waren.

Die Forscher synthetisierten daraufhin diese drei neuen Proteine und testeten sie. Sie bestätigten, dass das Enzym sie nicht mehr schneiden konnte. In Zell-Experimenten stoppten alle drei neuen Köder erfolgreich die Fusion des Virus mit den Zellen, selbst in Anwesenheit des Enzyms. Eine Version, die die Forscher HR2-NHN nannten, schnitt am besten ab. Um zu verstehen, warum diese spezifische Version so gut funktionierte, nutzte das Team eine leistungsstarke Bildgebungstechnik namens Kryo-Elektronenmikroskopie, um ein detailliertes 3D-Bild des an sein Ziel gebundenen Köders zu erstellen. Sie fanden heraus, dass eine der Änderungen, die sie vornahmen, zwar eine starke elektrische Anziehung zwischen dem Köder und dem Virus entfernte, aber eine neue, stabile Verbindung schuf, die sie ebenso fest zusammenhielt. Diese strukturelle Erkenntnis erklärte, warum der neue Köder so potent war.

Die wahre Prüfung kam, als die Forscher von Zellschalen zu lebenden Tieren übergingen. Sie verwendeten Mäuse, die anfällig für eine Variante von SARS-CoV-2 waren. In diesen Experimenten verabreichten sie den ursprünglichen Köder und den neuen, robusteren HR2-NHN-Köder zu unterschiedlichen Zeiten vor der Infektion der Mäuse mit dem Virus. Wenn sie kurz vor der Infektion verabreicht wurden, funktionierten beide Versionen gut. Als die Forscher jedoch zwölf Stunden vor der Infektion der Mäuse warteten, hatte der ursprüngliche Köder den Großteil seiner Kraft verloren. Der neue HR2-NHN-Köder hingegen blieb hochwirksam. Er schützte die Mäuse weiterhin, selbst wenn er einen vollen Tag vor der Einführung des Virus verabreicht wurde. In einem separaten Experiment maßen sie, wie lange die Köder in den Lungen der Mäuse aktiv blieben. Die Schutzwirkung des ursprünglichen Köders verblasste mit einer Halbwertszeit von etwa acht Stunden, während der neue Köder elf Stunden lang anhielt. Dieser Unterschied bedeutete, dass der neue Köder ein deutlich längeres Zeitfenster für die Prävention der Infektion bot.

Die Studie untersuchte auch, wie diese Köder gegen verschiedene Stämme des Virus, einschließlich der Omicron-Variante, abschnitten. Während der neue Köder gegen Omicron etwas weniger effektiv war als gegen den ursprünglichen Stamm, übertraf er den alten Köder dennoch. Die Forscher merkten an, dass die Änderungen am Köder ihm helfen könnten, effizienter in Zellen einzudringen oder andere in der Zelle befindliche Enzyme zu widerstehen, was diese zusätzliche Resilienz erklären könnte. Die Arbeit zeigt, dass es möglich ist, ein proteinbasiertes Antiviralikum zu entwickeln, das keine komplexen chemischen Modifikationen benötigt, um im Körper zu überleben. Indem sie lediglich ein paar Buchstaben im Code des Proteins änderten, um die natürlichen Scheren des Körpers zu umgehen, schufen die Forscher einen Wirkstoffkandidaten, der stabiler und länger wirksam ist.

Dieser Ansatz bietet eine neue Art, über die Bekämpfung viraler Infektionen nachzudenken. Anstatt sich auf teure chemische Beschichtungen zu verlassen, um ein Medikament zu schützen, können Wissenschaftler nun die Schwächen des Virus selbst und die natürliche Umgebung des Körpers nutzen, um bessere Medikamente zu entwickeln. Der Erfolg dieser Strategie mit SARS-CoV-2 deutet darauf hin, dass sie auch auf andere gefährliche Viren angewendet werden kann, die ähnliche Fusionsmechanismen nutzen, wie etwa Ebola, Nipah und HIV. Die Forscher sehen eine Zukunft voraus, in der ein einfaches Nasenspray, das diese neu gestalteten Proteine enthält, als Präventivmaßnahme eingesetzt werden könnte, um Menschen vor der Exposition gegenüber einem Virus zu schützen oder eine Infektion in ihren frühen Stadien zu stoppen. Die Ergebnisse liefern einen klaren, praktischen Bauplan, um aus fragilen Proteinfragmenten robuste, lebensrettende Werkzeuge zu machen.