22.09.2020 - US Naval Research Lab

Methode zur sicheren Untersuchung von COVID-19 und anderen ansteckenden Krankheiten entwickelt

Nanopartikelsonde untersucht grundlegende Wechselwirkungen zwischen SARS-CoV-2-Spike-Proteinen und menschlichen Zellen

Wissenschaftler und Forscher des U.S. Naval Research Laboratory und des National Center for Advancing Translational Sciences (NCATS) legten ACS Nano ihre Erkenntnisse über ihre Zusammenarbeit bei der Entwicklung von SARS-CoV-2-Nanopartikelsonden vor, die zur Untersuchung grundlegender Wechselwirkungen zwischen SARS-CoV-2-Spike-Proteinen und menschlichen Zellen eingesetzt werden.

Es ist bekannt, dass SARS-CoV-2 über seine externen "Spike"-Proteine, die die Oberfläche bedecken, an Angiotensin-Converting-Enzym-2-(ACE2)-Rezeptoren bindet, die das Virus zur Bindung an und zum Eindringen in menschliche Zellen verwendet.

"Wir haben Pseudoviren auf der Basis von Nanopartikeln entwickelt, die an die Wirtszelle binden und sich im Inneren von Zellen verfolgen, ohne ansteckend zu sein", sagte Dr. Eunkeu Oh, ein NRL-Biophysiker. "Dies eröffnet die Möglichkeit, dieselbe Strategie auf verschiedene andere Infektionskrankheiten auszudehnen.

Zusammen mit Forschern des NCATS, das zu den National Institutes of Health (NIH) gehört, arbeiteten sie an der Entwicklung nichtinfektiöser Sonden zur Untersuchung von SARS-CoV-2, dem ursächlichen Virus der aktuellen COVID-19-Pandemie.

"Einfach ausgedrückt: Wenn man das Virus aus den Zellen heraushält, verhindert man, dass es sich repliziert, vermehrt und die Infektion verschlimmert", sagte Dr. Mason Wolak, stellvertretender Leiter der Abteilung für optische Nanomaterialien des NRL. "Die letztendlichen Ziele der Zusammenarbeit sind die Aufklärung der grundlegenden Mechanismen, durch die SARS-CoV-2 eine Infektion verursacht, sowie das Screening und die Identifizierung potenzieller Medikamente zur Hemmung dieser Mechanismen.

Eine Sache, die die Wissenschaftler faszinierte, war die Fähigkeit der Quantenpunkt-Nanopartikel, die Translokation von ACE2 von der Zellmembran in das Innere der Zelle durch einen Prozess namens Endozytose zu induzieren. Kirill Gorshkov, Ph.D., ein NCATS-Forscher, sagte, dass Experimente zur Blockierung der Endozytose die Internalisierung des Quantenpunkt-Pseudovirus und des ACE2-Rezeptorkomplexes verhinderten.

"Wir hatten zwar eine gewisse Vorstellung davon, dass dies möglich ist, aber das Ausmaß, in dem dies bei sehr geringen Mengen von Quantenpunkt-Pseudoviren auftrat, legte nahe, dass wir ein leistungsfähiges System zur Verfolgung der Virusanheftung und der Auswirkungen auf die Zelle in Echtzeit haben, da diese Quantenpunkte fluoreszieren", sagte Gorschkow.

Die am NRL entwickelten Nanopartikelsonden bestehen aus mehreren Spike-Protein-Untereinheiten, die auf der Oberfläche eines lichtemittierenden Quantenpunktkerns angebracht sind.

"Wir bezeichnen diese Sonden als 'Pseudo-Viren', weil sie die Form des SARS-CoV-2-Virus annähern und gleichzeitig ihre physiologischen Wechselwirkungen mit menschlichen Zellen nachahmen", so Wolak. "Licht, das von den Pseudoviren ausgestrahlt wird, ermöglicht die räumlich-zeitliche Verfolgung ihrer Interaktion mit menschlichen Zellen.

Wolak fuhr fort, dass die Bindung an ACE2 als der erste Schritt des Virus in Richtung einer zellulären Infektion angesehen wird. Die erfolgreiche Hemmung dieser Bindung hat eine extrem hohe Priorität bei der Suche nach therapeutischen Interventionen zur Milderung der Auswirkungen der Pandemie auf die militärische und öffentliche Gesundheit.

"Der Schutz der Gesundheit der eingesetzten Kampfflugzeuge ist von größter Bedeutung, um die Einsatzbereitschaft zu gewährleisten und die Flotte einsatzbereit zu halten", sagte Wolak. "Marineschiffe stellen das ultimative 'geschlossene System' dar - die Kämpfer teilen sich enge Räume, in denen eine soziale Distanzierung kaum realistisch durchzusetzen ist. Daraus ergeben sich Bedingungen, die reif sind für schnelle und ausgedehnte Ausbrüche, wie der auf der USS Theodore Roosevelt berichtete, die den Missionserfolg bedrohen".

NRL und NCATS entwerfen und testen derzeit die Durchführbarkeit von Hochdurchsatztests für die zelluläre Bildgebung, um ganze Bibliotheken von Therapeutika auf die Hemmung der Spike/ACE2-Bindung und Internalisierung zu untersuchen.

"Dies öffnete auch die Tür für Hochdurchsatztests neuer Medikamente, die durch die anderen Ansätze am NCATS aufgedeckt wurden, um die Verbindungen mit unserem System kreuzvalidieren zu können und um völlig neue therapeutische Modalitäten zu testen, die am NCATS und anderswo sowohl biochemisch am NRL als auch in zellbasierten Assays am NCATS entwickelt wurden", sagte Gorschkow.

Diese am NCATS durchgeführten Tests würden ein Screening von bis zu 1.536 Arzneimitteltargets pro Experiment ermöglichen.

"Unser Team am NRL bringt Weltklasse-Expertise auf dem Gebiet der Quantenpunkt/Nanopartikel für biologische Anwendungen mit", sagte Oh. "Die Zusammenlegung unserer Ressourcen mit dem Fachwissen des NCATS-Teams führte zu Forschungsarbeiten, die von einem Team allein nicht durchgeführt werden könnten.

Weitere Forschung ist geplant, um den Mechanismus zu untersuchen, der die Infektiosität von SARS-CoV-2 mit mutierten Spike-Proteinen erhöht. Das NRL/NCATS-Team plant auch, die Möglichkeit zu untersuchen, die Pseudoviren für eine ortsspezifische intrazelluläre Medikamentenverabreichung zu nutzen, um die Replikationsmechanismen von SARS-CoV-2 zu stören.

Wolak sagte: "Es ist sehr wichtig, darauf hinzuweisen, dass das Spike-haltige Pseudovirus das Potenzial für eine breite Anwendung der intrazellulären Medikamentenverabreichung hat, um nicht nur COVID19 zu bekämpfen, sondern jede Krankheit, die auf Zellen mit ACE2-Rezeptoren abzielt.

Gorschkow sagte, er hoffe, dass die Forschung die nächste Generation zukünftiger Forscher anregt und stimuliert, sich auf eine Entdeckungsreise zu begeben.

"Ich hoffe, dass diese Geschichte dazu dient, junge Köpfe in das Reich dessen zu entführen, was möglich ist, wenn Menschen zusammenarbeiten, sowohl wissenschaftlich als auch anderweitig", sagte Gorschkow. "Indem wir diese starken Beziehungen knüpfen, können wir unsere Anstrengungen synergetisch bündeln und aus völlig unterschiedlichen Perspektiven und Blickwinkeln zu neuen Lösungen kommen".

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