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PSI: stetig voran im Kampf gegen Corona
Welche Personen sind besonders anfällig für eine Infektion mit Sars-CoV-2? Wie lassen sich Proteine des Virus möglichst effektiv lahmlegen? Und warum sind einige Virusmutanten so viel infektiöser als die ursprüngliche Variante? In der Covid-19-Forschung beschreitet das Paul Scherrer Institut PSI viele unterschiedliche Wege, um Antworten auf diese und andere Fragen zu finden.
Im November 2020 breitete sich eine durch Mutation entstandene Variante des neuartigen Coronavirus Sars-CoV-2 im Südosten Englands aus. Die Medien tauften sie «die britische Variante», die Wissenschaft spricht von B.1.1.7. und nach neuer WHO-Nomenklatur ist es die Alpha-Variante. Schnell stellte sich heraus, dass diese Mutante ungefähr 1,6-mal ansteckender ist als das ursprüngliche Coronavirus. Kurz darauf entdeckte man weitere Varianten, etwa die Beta-Variante in Südafrika und jetzt die Delta-Variante in Indien.
Alle besorgniserregenden Virusvarianten haben eins gemeinsam: Veränderungen in dem Bereich des Viruserbguts, das den Bauplan für ein wichtiges Protein enthält, das Spike-Protein. Dieses Eiweiss sitzt an der Oberfläche des Virus und ist eine Art Greifarm, mit dem der Erreger an menschliche Zellen andockt, um sie anschliessend zu infizieren.
Proteine wie das Spike-Protein bestehen aus einer Aneinanderreihung verschiedener Bausteine, den Aminosäuren. Dabei besitzt nicht jede Aminosäure dieselbe Bedeutung für die Funktionsfähigkeit des Proteins. Bereits im Frühsommer 2020 hatten Forschende in Berlin mit Unterstützung des PSI in Computermodellen ermittelt, welche Aminosäuren im Spike-Protein für das Virus besonders wichtig sind. Dabei zeigte sich, dass Position 501 – neben einigen anderen Stellen – quasi prädestiniert dafür ist, durch Mutationen verändert zu werden. «Später wurde dann N501Y als eine der Schlüsselmutationen in den entstandenen Coronavirusvarianten entdeckt», sagt Gebhard Schertler, Leiter des Forschungsbereichs Biologie und Chemie am PSI und Co-Autor der Studie. Aufgrund der Mutation wird an der Position 501 des Proteins eine andere Aminosäure eingebaut und dadurch die Bindung an den Rezeptor verstärkt. Sowohl Alpha, Beta als auch Gamma tragen diese Mutation.
Die Studie ist ein eindrücklicher Beweis dafür, wie gut sich die Entwicklung des Virus vorhersagen lässt, wenn die Struktur seiner Bestandteile und die der beteiligten Gegenstücke an den menschlichen Zellen bekannt sind.
Coronaproteine made in Villigen
Mit Mutanten des Coronavirus beschäftigt sich auch Molekularbiologe Roger Benoit vom Labor für Biologie im Nanobereich. Er möchte die molekularen Details ergründen, die dazu führen, dass bestimmte Virusvarianten infektiöser sind als andere. Dafür stellt er im Labor Proteine her, die durch Genmutationen verändert sind, und untersucht, wie sie an den Rezeptor binden.
Benoit hat eine Anleitung veröffentlicht, wie man einen Teil des Spike-Proteins mit einfachen Mitteln in Zellkulturen im Labor herstellen kann. Für viele Coronaforschende weltweit sind diese Virusproteine eine begehrte Ressource, denn man kann sie gefahrlos im Labor untersuchen und muss nicht mit dem kompletten, infektiösen Virus arbeiten. «Mein Ziel war es, dass alle, die an Corona forschen, dieses Protein selbst produzieren können – sogar im kleinsten Zellkulturlabor», sagt der PSI-Forscher.
Tests haben bestätigt, dass Benoits Produktionsmethode funktioniert. «Ich bekomme fast wöchentlich Anfragen aus der weltweiten Forschungscommunity zu meiner Herstellungsmethode», erzählt er.
Benoit ist nicht der einzige am PSI, der sich auf die Produktion von Coronavirusproteinen versteht. «Wir arbeiten hier seit vielen Jahren mit sehr herausfordernden Proteinen», sagt Jacopo Marino, Postdoc im PSI-Labor für biomolekulare Forschung. Er hat mit einem Team das Nukleokapsidprotein hergestellt. Dieses Protein bildet eine schützende Hülle um das Erbgut des Virus und ist damit essenziell für dessen Funktion und Vermehrung. Mit dem am PSI produzierten Protein untersucht das Universitätsspital Zürich in breit angelegten Antikörpertests, wie viele Menschen sich in der Schweiz tatsächlich mit dem Virus infiziert haben, sprich wie hoch die Dunkelziffer der Coronafälle ist.
Das Tor in die Zelle
Sars-CoV-2 benutzt als Eintrittspforte in die menschliche Zelle ein ganz bestimmtes Protein: das sogenannte Angiotensin-konvertierende Enzym 2, kurz ACE2. Sehr viele Zellen im menschlichen Körper bilden dieses Protein auf ihrer Oberfläche aus; das Virus dockt daran an und verschafft sich so Zutritt: Ohne ACE2 also keine Infektion.
Trotzdem ist noch vieles über das ACE2-Protein unbekannt. Wo genau im Körper sitzt das Protein überall, und vor allem: Wie verändern Vorerkrankungen oder die Einnahme von Medikamenten sein Auftreten im Körper? Unterscheidet sich seine Verteilung bei Männern und Frauen?
Diesen Fragen will Cristina Müller vom Zentrum für Radiopharmazeutische Wissenschaften nachgehen. Sie entwickelt ein Diagnoseverfahren, das zeigen soll, wie und in welchen Organen des Körpers ACE2 ausgebildet ist. «Dann liesse sich auch untersuchen, welchen Einfluss das auf eine Infektionsanfälligkeit oder die Schwere eines Krankheitsverlaufs hat», erzählt sie. «Ist es beispielsweise gut oder schlecht, wenn jemand viele ACE2-Moleküle ausbildet?»
Cristina Müller will für die Beantwortung dieser Frage die Bildgebungsmethode der Positronenemissionstomografie nutzen: Dieses Verfahren erzeugt dreidimensionale Bilder von lebenden Organismen, indem es die Verteilung einer radioaktiv markierten Substanz im Körper sichtbar macht. Müller und ihr Team sind dabei, eine solche Substanz – Radiotracer genannt – zu entwickeln. «In Zellkultur und Tierversuch haben wir gesehen, dass eine erste Variante eines solchen Radiotracers selektiv an ACE2 bindet – und wirklich nur daran», sagt Cristina Müller. Nun gehe es darum, den Radiotracer weiter zu optimieren, sodass seine Bindung an ACE besser und das Protein dadurch sichtbarer wird. Ziel ist es, dass die Substanz bald auch im Menschen getestet werden kann.
Auch bei diesem Projekt haben Modelle zum Erfolg beigetragen: Xavier Deupi vom Labor für Simulation und Modellierung hat die Bindung der Substanz an ACE2 am Computer untersucht. So liess sich abschätzen, wo dieser für eine radioaktive Markierung am besten verändert werden kann, ohne die Bindung zu beeinträchtigen.
Ein Blick auf die Details lohnt sich in puncto Covid-19 auch bei menschlichem Lungengewebe. So untersucht Marco Stampanoni vom Labor für Makromoleküle und Bioimaging in einem Projekt mit der Universität Bern Lungengewebsproben von Covid-19-Patienten mit dreidimensionaler Röntgenmikroskopie an der SLS. Denn die Lunge eines mit Corona infizierten Menschen leidet nicht nur unter der Infektion selbst, sondern oft vor allem an der heftigen Reaktion des Immunsystems, durch die sich Wasser und Immunzellen in den Lungenbläschen sammeln. Dieses ist ein wesentlicher Grund dafür, dass die Patienten bei schweren Verläufen der Infektion nicht mehr ausreichend atmen können. Stampanonis langfristiges Ziel ist es, neue Diagnosetechniken für Frühdiagnosen oder personalisierte Follow-up-Untersuchungen zu entwickeln.
Welche Zellen kapert das Coronavirus?
Je älter man ist, desto höher ist die Gefahr, an einer Infektion mit dem Coronavirus zu sterben. G. V. Shivashankar, Leiter des Labors für Biologie im Nanobereich, hat zusammen mit Kooperationspartnerin Caroline Uhler vom MIT in den USA eine aussergewöhnliche These entwickelt: Die Steifheit von Zellen soll für den Krankheitsverlauf eine entscheidende Rolle spielen – und mit zunehmendem Alter nimmt die Steifheit etwa bei Lungenzellen zu. Demnach können sich Coronaviren in älteren Zellen sehr viel besser vermehren. Basierend auf dieser These haben Shivashankar und Uhler erste Wirkstoffe identifiziert, die zur Behandlung anderer Krankheiten auf dem Markt sind, aber auch gegen Covid-19 helfen sollten. «Überraschenderweise fanden wir heraus, dass bereits klinische Studien zu einer der Medikamentengruppen mit Covid-19-Patienten laufen», erzählt Shivashankar. Wir werden also bald wissen, ob diese Medikamente tatsächlich helfen.»
Forschende haben zudem beobachtet, dass das Coronavirus selektiv die Zellen im Atemwegstrakt befällt, die Zilien besitzen. Zilien sind lange Zellfortsätze, die sich durch Schleim hin und her bewegen und so Bakterien, Viren und Staub aus den Atemwegen herausbefördern. In der frühen Infektionsphase dringen Coronaviren über die Zellen der Flimmerhärchen in die Atemwege ein. Noch weiss man aber nicht, welche Rolle die Zilien spielen: Ziehen sie die Viren an? Dienen sie ihnen als eine Art Gerüst, über das sie in die Zellen eintreten können? Kapern die Viren die Zilien?
Dieser Frage widmet sich Takashi Ishikawa, ebenfalls vom Labor für Biologie im Nanobereich. Gemeinsam mit Roger Benoit züchtet er Zellen aus menschlichen Bronchien. Zu einem Teppich dieser mit Flimmerhärchen behafteten Zellen gibt er Coronaviren, die genetisch so verändert sind, dass sie menschliche Zellen zwar noch befallen, sich darin aber nicht mehr vermehren können. «So wollen wir den Eintrittsmechanismus mithilfe eines Elektronenmikroskops genau beobachten.» Ishikawa hofft, dass seine Erkenntnisse dann helfen werden, Risikogruppen zu identifizieren oder sogar ein Medikament zu entwickeln.
Proteine durchleuchten und lahmlegen
Die Struktur von Proteinen zu entschlüsseln, ist eine Spezialität des PSI. Mit der Röntgenstrahlung der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS lassen sich die winzigen Virusbausteine auf der Ebene einzelner Atome betrachten. Gleich drei Experimentierstationen an den Strahllinien der PSI-Gruppe für Makromolekulare Kristallografie werden seit vielen Jahren dafür benutzt. Wenn man die genaue Struktur eines Virusproteins kennt, kann man exakt dazu passende medizinische Wirkstoffe suchen oder chemisch zusammenbauen.
Seit Beginn der Pandemie haben Messungen, die mit Covid-19 in Zusammenhang stehen, an der SLS Vorrang. Einer der ersten Wissenschaftler, der sich um Messzeit bewarb, war Donghyuk Shin von der Goethe-Universität Frankfurt. Er entschlüsselte an der SLS die Struktur des Virusproteins PLpro (Papain-like Protease) und identifizierte es als möglichen Angriffspunkt für zukünftige Medikamente. Blockiert man das Protein, bremst man die Virusproduktion aus und stärkt gleichzeitig die angeborene Immunantwort der menschlichen Zellen, sodass der Körper dann womöglich in der Lage ist, sich aus eigener Kraft gegen das Virus zur Wehr zu setzen.
Andere Coronaproteine, die an der SLS durchleuchtet wurden, sind die Makrodomäne und das Nukleokapsidprotein. In einer Kooperation mit dem Coronavirusexperten Sheng Cui von der Chinese Academy of Medical Sciences nimmt das Team um Meitian Wang vom PSI-Labor für Makromoleküle und Bioimaging eine Helikase unter die Lupe, ein anderes potenzielles Ziel für Medikamente gegen Covid-19. Dieses Enzym stellt sicher, dass sich das Erbgut des Virus in den Zellen eines infizierten Menschen vermehren kann.
Ausserdem versuchen die Forschenden Substanzen zu finden, die an die Virusproteine binden und sie blockieren. Dabei lassen sie mögliche Wirkstoffe auf Kristalle der Virusproteine einwirken. Eine spätere Strukturbestimmung an der SLS verrät, ob und wo im Protein die Moleküle gebunden haben. Im relativ jungen Verfahren des Fragment Screening werden statt kompletter Wirkstoffe nur Fragmente von Molekülen hinzugegeben, die für vielversprechende Wirkstoffe typisch sind. Aus den vielen Einzelinformationen erhoffen sich die Forschenden eine Antwort darauf, wie ein wirkungsvolles Medikament aussehen kann.
Auf mögliche Hemmstoffe testen Forschende am PSI auch die 3CL-Protease. Dieses Virusenzym schneidet nach der Vermehrung die viruseigenen Proteine zurecht, sodass neue, vermehrungsfähige Coronaviren entstehen. «Die 3CL-Protease ist ein sehr vielversprechender Angriffspunkt für Medikamente am Coronavirus», sagt Meitian Wang. «Ohne dieses Protein kann das Virus nicht funktionieren.»
Die Untersuchungen an diesem Protein finden in Zusammenarbeit mit dem Pharmaunternehmen Idorsia und mit anderen Forschungsgruppen statt, etwa an der Universität im niederländischen Groningen. «Normalerweise braucht es 10 bis 15 Jahre, um ein neues Medikament zu entwickeln», sagt Wang. «Aber jetzt, da so viele an dem gleichen Ziel forschen, sind wir vermutlich etwas schneller.»
Mit ihren Aktivitäten leisten Forschende des PSI wichtige Beiträge dazu, das neue Sars-CoV-2-Virus besser zu verstehen und wirksame Strategien gegen seine Ausbreitung und zur Behandlung Infizierter zu entwickeln. Auch in diesem Fall zeigt sich: Vernetzung innerhalb der Spitzenforschung, die komplexen und extrem leistungsfähigen Anlagen des PSI sowie die exzellenten Forschenden, die in der Schweiz und am PSI arbeiten, sind die elementaren Voraussetzungen dafür.
Text: Paul Scherrer Institut/Brigitte Osterath