Plattformtechnologie beschleunigt Forschungen gegen Covid-19

Einer der wichtigsten Faktoren im Kampf gegen Covid-19 ist Zeit. Bisherige Prozesse, wie die Suche nach einem effizienten Medikament oder die Produktion von reinen Impfstoffen in sehr großen Mengen, müssen beschleunigt, optimiert und zum Teil neu gedacht werden. Da sich das Virus laufend verändert, sind neue Erkennungsverfahren vonnöten, die – bei erfolgreicher Impfstoff- oder Medikamentenentwicklung – sofort anzeigen, welche Medikamente gegen die jeweilige Mutation des Virus wirksam sind und welche nicht. Eine Maßnahme, die auch bei anderen Virenklassen von größter Wichtigkeit sein wird.

Forscher des Austrian Centre of Industrial Biotechnology (acib) haben in Zusammenarbeit mit österreichischen Universitäten sowie Industriepartnern eine entscheidende innovative High-Speed-Technologie im Kampf gegen Covid-19 entwickelt: „Unsere Plattformtechnologie BOSS – ‚Biotechnologische Optimierung durch Selektions-Systeme‘ – ermöglicht, Bakterienkulturen im Labor so umzuprogrammieren, dass durch ihr rasches Wachstum neue potentielle Medikamente aus vielen Millionen von Varianten ohne großen Aufwand identifizieren werden könnten – und das über Nacht“, verrät Projektleiter Prof. Rainer Schneider, Key-Researcher des Austrian Centre of Industrial Biotechnology (acib) und Professor am Institut für Biochemie an der Universität Innsbruck. Als Plattform für unterschiedliche Prozesse könnte BOSS – neben der Entdeckung von neuen potentiellen Medikamenten und Vorhersage derer Wirkung bei neuen Viren-Varianten – der Industrie zudem erlauben, rasch optimierte Verfahren zur Produktion einer Reihe an Biopharmazeutika zu etablieren. Angefangen bei Antikörpern oder Impfstoffen über Insulin und Interferon bis hin zu Tumortherapeutika.

Den Schalter des SARS-CoV-2-Virus auf Off

Zur Umprogrammierung der Bakterien wandten die Forscher eine bestimmte Strategie an. „Wir haben das Bakterienwachstum mit dem Protein, dass das Virus für seine Vermehrung braucht, verknüpft. Beim SARS-CoV-2-Virus ist das Protein namens ‚Mpro-Protease‘ unser Angriffsziel, eine ‚Achillessehne‘ des Coronavirus“, so Schneider. Proteasen sind Steuerelemente, die wie winzige, molekulare Scheren lange Sequenzen aneinanderhängender Aminosäuren, aus denen Eiweiße bestehen, an bestimmten Stellen durchtrennen. Die Position der Schnittstelle bestimmt dabei die jeweilige Funktion oder Aktivität des Makromoleküls. Im menschlichen Körper sind das Stoffwechselwege oder die Verdauung, für einen Coronavirus die Grundlage seiner Vermehrung. „Der Trick der BOSS-Technologie ist, ein essentielles Wachstumprotein von Bakterien so zu verändern, dass es von der Virusprotease erkannt, zerschnitten und somit zerstört wird. Das Bakterium kann daraufhin nicht mehr wachsen. Außer, ich behandle es mit einer Substanz, sprich einem Wirkstoff, der die Aktivität der Protease inhibiert.

Nun ist es möglich, aus einer Vielzahl von Medikamenten-Kandidaten in kurzer Zeit jene Substanzen zu identifizieren, die die gewünschten Eigenschaften einer möglichen Waffe gegen SARS-CoV-2 zeigen", erklärt Schneider das Prinzip der Plattformtechnologie. BOSS, so sind sich die Forscher einig, könnte medikamentöse Lösungsansätze gegen Covid-19 aus unterschiedlichsten Bereichen schon bald maßgeblich beschleunigen und, so hoffen die Forscher, Leben retten.

FASTCURE

Eines dieser Projekte ist das weltweit größte computerbasierte Screening-Projekt namens FASTCURE, das steirische Forscher ins Leben gerufen haben. Im internationalen Konsortium sind federführend das Biotech-Start-up Innophore, das acib und die Universität Graz, sowie die Universität Innsbruck und namhafte internationale Partner wie die Harvard Universität, Google und die ShanghaiTEch University daran beteiligt. Mehr als zwei Milliarden Wirkstoffe werden gegen Covid-19 getestet. „In FASTCURE erstellen wir auch eine Datenbank, die die Wirksamkeit von Medikamenten bei möglichen Mutationsvarianten des Virus überprüft“, erklärt Innophore CEO und acib-Senior Scientist Christian Gruber. Neben virtueller Einzelsimulationen von marktzugelassenen Medikamenten auf eine potenzielle Wirksamkeit hin, müssen vielversprechende Kandidaten im Labor experimentellen Tests und klinischen Trials unterzogen werden. „Die BOSS-Technologie könnte diese Tests schon bald um ein Vielfaches beschleunigen und Daten deutlich umfassender validieren, als es mit bislang verwendeten In-Silico-Verfahren möglich war“, so Schneider.

Antikörpertests

Die BOSS-Technologie wird ebenso für die Auffindung von effizienten Antikörpern für passive Immunisierungen gegen SARS-CoV-2 eingesetzt werden. Der erste nicht kommerzielle Antikörpertest zur Bestimmung, ob eine Immunreaktion auf das SARS-CoV-2-Virus vorliegt, wurde in einem jüngsten Projekt unter der Leitung der BOKU zusammen mit dem acib, der Vetmeduni und dem New Yorker Mount Sinai Hospital entwickelt und in einer Aussendung der BOKU kürzlich erst vorgestellt.

Für die schnelle Entwicklung einer passiven Immunisierung (das heisst Unterstützung des Patienten durch Gabe von Fremdantikörpern gegen das Virus) könnte die BOSS-Technologie zum Beispiel Bakterienvarianten selektionieren, die hoch-affine Antikörper gegen SARS-CoV-2 in großen Mengen produzieren. Ein menschliches Immunsystem wird sozusagen im Kleinen simuliert. Schneider: „Nur jene Bakterien setzen sich durch, die eine für sie vorher toxisch gemachte Variante des entsprechenden Virusproteins mithilfe dieser Antikörper inaktivieren können.“

Industrieplattform für Impfstoffe und Massenschnelltests

Das BOSS-Selektionssystem wird bei der Entwicklung und Produktion von Massentests zudem sicherstellen, dass nur reine Virusproteine vorliegen und es zu keinen Verunreinigungen kommt. Falschpositivmeldungen würden somit vermieden, wodurch die Tests eine höhere Aussagekraft erlangen.Im Rahmen eines vierjährigen Kooperationsprojektes zwischen dem acib, der Universität Innsbruck, der Universität für Bodenkultur und dem internationalen Pharmaunternehmen Boehringer Ingelheim RCV hat das BOSS-In-vivo-Selektionssystem bereits praktisch seinen Nutzen bewiesen. Nun soll die mehrfach patentierte Plattformtechnologie dazu eingesetzt werden, in naher Zukunft verbesserte Biotech-Werkzeuge zu entwickeln. „So kann bei SARS-CoV-2 im Bedarfsfall zügig mit der großtechnischen Produktion von Impfstoffen und Therapeutika aber auch entscheidender Komponenten für verbesserte COVID19-Massenschnelltests begonnen werden“, so Schneider abschließend.