title: Lectin from Triticum vulgaris (WGA) as an antiviral agent against SARS-CoV-2
Creators: name: Auth, Janina
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024

description: Hintergrund und Ziele: Bis Juli 2023 führte die Coronavirus disease 19 (COVID-19) Pandemie zu mehr als 6,9 Mio. Todesfällen und über 767 Millionen bestätigten Infektionen mit dem neuartigen Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). Trotz der schnellen Verfügbarkeit von Impfstoffen sowie Fortschritten in der Therapeutikaentwicklung gibt es nach wie vor Bevölkerungsgruppen, bei welchen ein ausreichender Schutz vor einem schweren COVID-19 Verlauf aufgrund von Vorerkrankungen, fehlender Immunantwort oder mangelnder Verfügbarkeit von Impfstoffen nicht gegeben ist. Besonders im Hinblick auf die mögliche Entstehung neuer Virusvarianten mit gesteigerter Übertragbarkeit und/oder Virulenz ist die Entwicklung effektiver Prophylaktika und Therapeutika nach wie vor von großer Wichtigkeit. Es ist darüber hinaus zu befürchten, dass die Übertragung viraler Erreger von Tieren auf den Menschen auch in Zukunft eine große Bedrohung darstellen wird, sodass die Verfügbarkeit effektiver, breit wirksamer antiviraler Stoffe im Sinne einer „pandemic preparedness“ eine immer größere Rolle spielen wird. Naturstoffe zeigen dabei ein großes Potenzial, bspw. aufgrund geringer Nebenwirkungen oder breiter Verfügbarkeit. Zu den Naturstoffen mit bekannter antiviraler Wirkung gegen verschiedene andere Coronaviren gehören u.a. auch unterschiedliche Vertreter der Lektine. Ziel dieser Arbeit war die Evaluierung eines Lektins aus dem Keim der Weizenpflanze Triticum vulgaris, Wheat germ agglutinin (WGA), auf potenzielle antivirale Wirkung gegen SARS-CoV-2 und dessen Variants of Concern (VOCs) in vitro. Methoden: Zum Testen der antiviralen Wirkung von WGA gegen SARS-CoV-2 wurden Vero B4-Zellen, Nierenzellen der Grünen Meerkatze, sowie Calu-3 Zellen, humane Adenocarzinomzellen der Lunge, mit SARS-CoV-2 Wildtyplinie aus Wuhan (Wuhan Typ) oder VOCs infiziert und anschließend für drei Tage mit WGA behandelt. Mittels qRT-PCR- sowie Western Blot Analysen der Überstände wurde die dosisabhängige Wirkung von WGA auf die Virusfreisetzung untersucht. Um mögliche unspezifische Einflüsse von WGA auf die Zellviabilität der verwendeten Zellen auszuschließen, wurden Neutralrot-Tests durchgeführt. Mittels time-of-addition Experimenten mit Zugabe von WGA nach, vor oder während der Infektion wurden Rückschlüsse auf die molekulare Wirkweise im Replikationszyklus gezogen. Die Aufklärung des genauen mode of action (MOA) erfolgte schließlich mit Hilfe von Pull-Down Assays. Dabei wurden Streptavidin Beads und SARS-CoV-2 mit biotinyliertem oder nicht-biotinyliertem WGA inkubiert und die abzentrifugierten Beads anschließend auf virale RNA untersucht. Um Rückschlüsse auf die Spezifität der antiviralen Wirkung ziehen zu können, wurde darüber hinaus durch unsere Kooperationspartner die Wirkung von WGA gegen verschiedene andere Erkältungsviren sowie gegen das humane Coronavirus OC43 (HCoV-OC43) untersucht. Dazu wurden Hämagglutinations-Hemm-Tests sowie Analysen in infizierten Zellen mittels ELISA und Bestimmung der Zellviabilität durchgeführt. Ergebnisse und Beobachtungen: WGA zeigte eine starke dosisabhängige antivirale Wirkung gegen SARS-CoV-2 Wuhan Typ ohne dabei toxische Effekte auf Vero B4 und Calu-3 Zellen in den entsprechenden Konzentrationen aufzuweisen. In Vero B4 Zellen inhibierte WGA die Infektion mit einer mittleren inhibitorischen Konzentration (IC50) von &lt;10 ng/mL bei Behandlung der Zellen für drei Tage nach Infektion. Bei Vorinkubation der Viren und Anwesenheit von WGA während der Infektion sowie Zugabe von WGA nur während der Infektion zeigte sich eine ähnlich starke Hemmung der Virusreplikation mit IC50-Werten von ebenfalls &lt; 10 ng/mL. Diese frühe Wirkung deutete auf eine direkte Bindung an das Virus als möglichen MOA hin. In den durchgeführten Pull-Down Assays konnte schließlich virale RNA bei Zugabe von biotinyliertem WGA in den abzentrifugierten Beads detektiert werden, was die direkte Bindung des Lektins an SARS-CoV-2 bestätigte. Auch in Calu-3 Zellen hemmte WGA die Replikation des Wuhan Typs sowie der untersuchten VOCs, wobei sich hier Varianten-abhängige Unterschiede in der Wirksamkeit zeigten. Während der Wuhan Typ mit einer IC50 von ≈ 10 ng/mL blockiert wurde, zeigte WGA IC50-Werte von ≈ 50 ng/mL für Alpha, ≈ 100 ng/mL für Beta, &gt; 1 µg/mL für Gamma sowie keine Hemmung der Replikation für Delta. Diese Ergebnisse deuteten auf das Spike Protein als mögliche Bindungsstelle für WGA hin, da hier viele der Mutationen der VOCs lokalisiert sind. Zuletzt konnte in unserem kooperierenden Labor ein antiviraler Effekt von WGA gegen HCoV-OC43 mit einer IC50 von ≈ 600 ng/mL gezeigt werden, während die übrigen getesteten Erkältungsviren nicht gehemmt wurden. Dies deutete auf eine Coronavirus-spezifische Aktivität hin und unterstrich die Hypothese des Spike Proteins als mögliche Bindungsstelle. Schlussfolgerungen: WGA inhibiert die Infektion mit SARS-CoV-2 Wuhan Typ, den VOCs Alpha, Beta, Gamma und Delta sowie HCoV-OC43 in unterschiedlich starkem Maße. Die antivirale Wirkung wird durch eine direkte Bindung von WGA an SARS-CoV-2, vermutlich an das Spike Protein, vermittelt und scheint ein Coronavirus-spezifischer Effekt zu sein. Somit zeigt WGA keine breite antivirale Wirkung, was einen flächendeckenden Einsatz zur Infektionsprophylaxe erschwert. Weitere Experimente zur Identifikation der genauen Bindungsstelle sind nötig, um existierende und zukünftige Coronaviren und deren Varianten auf ihre Hemmbarkeit durch WGA untersuchen zu können. Eine potenzielle Anwendungsmöglichkeit gegen hemmbare Viren könnte eine topische Applikation, bspw. in Form eines Nasen- oder Rachensprays, sein.