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FRANKFURT. Wie das SARS-CoV-2-Virus, der Erreger von COVID-19, menschliche Zellen verändert, konnte jetzt ein Team aus Biochemikern und Virologen der Goethe-Universität und des Universitätsklinikums Frankfurt beobachten. Dabei testeten die Wissenschaftler eine Reihe von Wirkstoffen in Modellversuchen im Labor, von denen einige die Vermehrung des Virus verlangsamten oder stoppten. Diese Ergebnisse ermöglichen es, die Suche nach einem Wirkstoff auf eine geringe Anzahl bereits zugelassener Medikamente zu fokussieren. (Nature DOI: 10.1038/s41586-020-2332-7). Ausgehend von diesen Ergebnissen bereitet ein US-amerikanisches Unternehmen eigenen Angaben zufolge einen Wirkstoff für eine klinische Studie vor. Mit einem weiteren Wirkstoff startet ein kanadisches Unternehmen eine klinische Studie.

Seit Anfang Februar verfügt die Medizinische Virologie des Universitätsklinikums Frankfurt über ein Zellkultur-Modell für das SARS-CoV-2-Virus. Aus Abstrichen zweier infizierter Rückkehrer aus Wuhan gelang den Frankfurter Wissenschaftlern um Prof. Sandra Ciesek die Anzucht des Virus in einer Darmzelllinie (Hoehl et al. NEJM 2020). Mit einer am Institut für Biochemie II der Goethe-Universität Frankfurt entwickelten Technik konnten Forscher beider Institute jetzt erstmals gemeinsam zeigen, wie das SARS-CoV-2-Virus die Wirtszelle verändert. Die Wissenschaftler nutzten dazu eine besondere Form der Massenspektrometrie, die sie erst vor wenigen Monaten entwickelt hatten, die so genannte mePROD-Methode. Mit ihr lässt sich die Menge und Herstellungsrate von tausenden Proteinen bestimmen, die sich zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Zelle befinden.

Die Ergebnisse zeichnen ein Bild vom Verlauf einer SARS-CoV-2-Infektion: Während viele Viren die reguläre Proteinproduktion ihres Wirts zugunsten viraler Proteine herunterfahren, beeinflusst SARS-CoV-2 die Proteinproduktion der Wirtszellen nur wenig – die viralen Proteine scheinen in Konkurrenz zu den Proteinen der Wirtszelle hergestellt zu werden. Stattdessen scheint der Virus zur Erhöhung der Proteinsynthesemaschinerie zu führen. Ein Schwachpunkt, vermuteten die Forscher, und konnten tatsächlich mit Hemmstoffen der Proteinproduktion (Translationsinhibitoren) die Vermehrung des Virus deutlich mindern.

24 Stunden nach der Infektion verursacht das Virus markante Änderungen in der Zusammensetzung der Wirtszellproteine: Während der Cholesterinstoffwechsel reduziert wird, steigen die Aktivitäten im Kohlehydrat-Stoffwechsel und in der Herstellung von RNA zur Proteinproduktion an. Entsprechend konnten die Wissenschaftler die Virus-Vermehrung in den kultivierten Zellen erfolgreich mit Hemmstoffen gegen diese Prozesse stoppen. Ähnlich erfolgreich war der Einsatz eines Wirkstoffes, der die Produktion neuer Bausteine für virales Erbgut hemmt.

Die Ergebnisse haben jenseits des Atlantiks bereits hohe Wellen geschlagen: Wie seit Beginn der Corona-Krise üblich, haben die Frankfurter Forscher diese sofort auf einem Preprint-Server und auf der Webseite des Instituts für Biochemie II (https://www.biochem2.com/research-group/protein-quality-control#nav-coronavirus) zur Verfügung gestellt. Prof. Ivan Dikic, Direktor des Instituts für Biochemie II, kommentiert: „Sowohl die Kultur der `open science´, in der wir unsere wissenschaftlichen Ergebnisse schnellstmöglich teilen, als auch die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Biochemikern und Virologen haben zu diesem Erfolg beigetragen. Das Projekt wurde vor nicht einmal drei Monaten begonnen und offenbart schon jetzt neue therapeutische Ansätze bei COVID-19.“

Prof. Sandra Ciesek, Direktorin des Instituts für Medizinische Virologie am Universitätsklinikum Frankfurt, erläutert: „In einer besonderen Lage wie dieser müssen wir auch in der Forschung neue Wege gehen. Die bestehende Kooperation zwischen den Forschungsgruppen von Prof. Jindrich Cinatl und Dr. Christian Münch aus Virologie und Biochemie machte eine schnelle Fokussierung der Forschung auf CoV-2 möglich. Die bisherigen Ergebnisse sind eine großartige Bestätigung dieses interdisziplinären Ansatzes.“

Zu den Wirkstoffen, die in der Frankfurter Zellkultur die Virusvermehrung stoppten, zählt unter anderem 2-Deoxy-D-Glukose (2-DG), der direkt in den für die Virusvermehrung notwendigen Kohlehydrat-Stoffwechsel eingreift. Das US-amerikanische Unternehmen Moleculin Biotech verfügt über einen Wirkstoff namens WP1122, der 2-DG ähnlich ist, ein Prodrug. Ausgehend von den Ergebnissen der Frankfurter Wissenschaftler bereitet Moleculin Biotech eigenen Angaben zufolge diesen Wirkstoff bereits für klinische Studien vor: https://www.moleculin.com/covid-19/.

Auf Basis eines weiteren der in Frankfurt getesteten Wirkstoffe, Ribavirin, startet jetzt das kanadische Unternehmen Bausch Health Americas eine klinische Studie mit 50 Probanden: https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT04356677?term=04356677&draw=2&rank=1

Dr. Christian Münch, Leiter der Gruppe Proteinqualitätskontrolle am Institut für Biochemie II und korrespondierender Autor, sagt: „Dank der von uns entwickelten mePROD-Technologie konnten wir den Verlauf der Virusinfektion im Labor erstmals detailliert verfolgen. Wir waren uns natürlich der potenziellen Tragweite unserer Ergebnisse bewusst, auch wenn diese in der Zellkultur erzeugt wurden und weiter getestet werden müssen. Dass unsere Ergebnisse nun womöglich in weiterführende in vivo-Studien zur Medikamentenentwicklung münden, ist sicherlich ein großer Glücksfall.“ Auch unter den darüber hinaus getesteten Hemmstoffen, so Münch, gebe es weitere potenziell interessante Kandidaten, die zum Teil sogar bereits für andere Indikationen zugelassen seien.

Prof. Jindrich Cinatl vom Institut für Medizinische Virologie und korrespondierender Autor, erläutert: „Der erfolgreiche Einsatz von Wirkstoffen gegen SARS-CoV-2, die Bestandteile von bereits zugelassenen Medikamenten sind, ist eine große Chance für die Bekämpfung des Virus. Solche Wirkstoffe sind bereits gut charakterisiert, und wir wissen, wie sie von Patienten vertragen werden. Daher wird derzeit weltweit nach solchen Wirkstoffen gesucht. Im Wettlauf mit der Zeit kann unsere Arbeit einen wichtigen Beitrag dazu liefern, in welche Richtungen diese Suche die schnellsten Erfolge verspricht.“

Publikation: SARS-CoV-2 infected host cell proteomics reveal potential therapy targets. Denisa Bojkova, Kevin Klann, Benjamin Koch, Marek Widera, David Krause, Sandra Ciesek, Jindrich Cinatl, Christian Münch. Nature DOI: 10.1038/s41586-020-2332-7, https://www.nature.com/articles/s41586-020-2332-7 (aktiv ab 14.5.2020, 11 Uhr MESZ)

Bilder zum Download: http://www.uni-frankfurt.de/88340061

Bildtexte: Dr. Christian Münch (Foto: Uwe Dettmar) Prof. Dr. rer. nat. Jindrich Cinatl (Foto: Universitätsklinikum Frankfurt)

Mehr zum mePROD-Verfahren: Biochemie-Forscher der Goethe-Uni entwickeln neues Proteomik-Verfahren https://aktuelles.uni-frankfurt.de/aktuelles/biochemie-forscher-der-goethe-uni-entwickeln-neues-proteomik-verfahren/

Kontakt:
Professor Dr. rer. nat. Jindrich Cinatl, Leiter der Forschergruppe Cinatl Institut für Medizinische Virologie, Universitätsklinikum Frankfurt am Main Tel. +49 (0) 69 / 6301-6409, E-Mail: cinatl@em.uni-frankfurt.de,
Homepage: https://www.kgu.de/einrichtungen/institute/zentrum-der-hygiene/medizinische-virologie/forschung/research-group-cinatl/

Dr. Christian Münch, Leiter der Forschergruppe Münch Institut für Biochemie II, Goethe-Universität Frankfurt am Main Tel: +49 (0) 69 6301 6599, E-Mail: ch.muench@em.uni-frankfurt.de
Homepage: http://pqc.biochem2.de

Goethe-Corona-Fonds: Die Goethe-Universität und das Universitätsklinikum Frankfurt haben den Goethe-Corona-Fonds aufgelegt, um zusätzliche Mittel für Personal und Ausstattung zur wissenschaftlichen und klinischen Bewältigung der Krise einzuwerben. Der Fonds soll mit insgesamt 5 Millionen Euro an Spendengeldern ausgestattet werden. Mehr unter https://www.uni-frankfurt.de/86720349/Goethe_Corona_Fonds

FRANKFURT. Ob eine kranke Zelle stirbt, sich teilt oder durch den Körper wandert, reguliert ein ausgeklügeltes Wechselspiel von Botenmolekülen und Rezeptoren in der Zellmembran. Einer der wichtigsten Signalstoffe des Immunsystems ist der Tumornekrosefaktor α (TNFα). Forscher unter Federführung der Goethe-Universität haben nun erstmals in Zellen die molekulare Organisation einzelner Rezeptor-Moleküle und die Bindung von TNFα an die Zellmembran visualisiert.

Damit der Tumornekrosefaktor an einen Membranrezeptor binden kann, muss dieser zunächst aktiviert werden. Das bedeutet, dass der Schlüssel nur unter bestimmten Umständen ins Schloss passt. So wird verhindert, dass beispielsweise eine gesunde Zelle den programmierten Zelltod stirbt. „Im Membranrezeptor TNFR1 wird die Bindung von TNFα über mehrere Cystein-reiche Domänen, kurz CRDs, vermittelt", erklärt Sjoerd van Wijk vom Institut für Experimentelle Tumorforschung in der Pädiatrie an der Goethe-Universität.

Insbesondere die CRD1-Domäne des Rezeptors sorgt dafür, dass TNFα “andocken" kann. Bisher wussten die Forscher, dass sich dann Rezeptor-Moleküle zusammenlagern wie in einem Tanz, bei dem sich zwei, drei oder mehr Partner an den Händen fassen. Nur dass die Dimere, Trimere oder Oligomere aus gleichartigen Untereinheiten, in diesem Fall Rezeptoren, bestehen. Allerdings finden solche „Umbaumaßnahmen“ auch statt, wenn kein TNFα in der Nähe ist. „Trotz der großen Bedeutung von TNFα bei Krankheiten wie Entzündungen und Krebs sind die Physiologie und die Struktur von TNFR1 an der Zellmembran bisher noch weitgehend unbekannt", erklärt Sjoerd van Wijk den Ausgangspunkt für seine Forschung.

Um die Vorgänge an der Zellmembran im Detail zu verstehen, wandte sich van Wijk an Mike Heilemann vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Goethe-Universität. Mit der von ihm entwickelten Kombination aus quantitativer Mikroskopie und hochauflösender Einzelmolekülmikroskopie kann Heilemann einzelne Proteinkomplexe und deren molekulare Organisation in Zellen sichtbar machen. Gemeinsam mit Ivan Dikic (Institut für Biochemie II) und Simone Fulda (Institut für Experimentelle Tumorforschung in der Pädiatrie) an der Goethe-Universität, Harald Wajant vom Universitätsklinikum Würzburg und Darius Widera von der Universität Reading/UK, konnten sie nun den Tanz der Rezeptor-Moleküle beobachten. Finanzielle Unterstützung kam von der Deutschen Forschungsgemeinschaft über den Sonderforschungsbereich 807, „Transport and Communication across Biological Membranes“.

Wie die Forscher in der aktuellen Ausgabe von „Science Signaling“ berichten, liegen die TNFR1-Rezeptoren in Abwesenheit von TNFα als Monomere und Dimere vor. Sobald jedoch TNFα an die Rezeptoren bindet, bilden diese in der Membran Trimere und Oligomere. Gleichzeitig fanden die Forscher Hinweise auf Mechanismen, die das Schicksal der Zelle unabhängig von TNFα bestimmen. Diese könnten bei Entgleisungen wie Krebs oder überschießenden Entzündungsreaktionen, etwa der rheumatoiden Arthritis, relevant sein. „Das eröffnet neue Wege für die therapeutische Regulation“, so van Wijk.

Publikation: C. Karathanasis, J. Medler, F. Fricke, S. Smith, S. Malkusch, D. Widera, S. Fulda, H. Wajant, S. J. L. van Wijk, I. Dikic, M. Heilemann, Single-molecule imaging reveals the oligomeric state of functional TNFα-induced plasma membrane TNFR1 clusters in cells. Sci. Signal. 13, eaax5647 (2020). DOI: 10.1126/scisignal.aax5647

Informationen: Dr. Sjoerd van Wijk, Institut für Experimentelle Tumorforschung in der Pädiatrie, Campus Niederrad, Tel.: (069) 67866574, Email: s.wijk@kinderkrebsstiftung-frankfurt.de 

Prof. Dr. Mike Heilemann, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Campus Riedberg, Tel.: (069) 798 29424, Email: heileman@chemie.uni-frankfurt.de