Alpaca-gegenereerde nanobody neutraliseert een eiwit dat essentieel is voor herpes-infectie

Brandende, blaren, pijn: meer dan 40 miljoen mensen wereldwijd zijn elk jaar besmet met het herpesvirus. Het virus kan een ernstige bedreiging vormen voor pasgeborenen en mensen met een verzwakt immuunsysteem. Onderzoekers in Hamburg en Göttingen hebben nu een mini-antilichaam gegenereerd dat een eiwit neutraliseert dat essentieel is voor de infectie. De bevindingen, gepubliceerd in Natuurhoud de belofte van nieuwe therapieën om in de nabije toekomst ernstige herpesinfecties te behandelen en te voorkomen.

Eenmaal geïnfecteerd, blijft het herpesvirus voor het leven in het lichaam. Degenen die getroffen zijn, dragen een latente infectie. Het verbergt zich voor het immuunsysteem in zenuwcellen en wacht, grotendeels inactief, voor de juiste timing. Wanneer de gelegenheid zich voordoet, bijvoorbeeld wanneer het immuunsysteem verzwakt is of onder stress is – vermenigvuldigt het virus opnieuw om nieuwe ‘gastheren’ te infecteren.

Ongeveer 60% van de menselijke bevolking draagt ​​het herpes simplex-virus type 1 (HSV-1), die meestal laesies voor gezichtshuid veroorzaakt, bekend als koortslippen. Bijna 20% heeft genitale herpes, die voornamelijk worden veroorzaakt door het gerelateerde herpesvirus HSV-2, maar ook door HSV-1.

Wat voornamelijk pijnlijk en onaangenaam is voor anders gezonde personen kan drastische, soms fatale gevolgen hebben voor mensen met reeds bestaande aandoeningen. Ernstige gevallen kunnen het centrale zenuwstelsel beïnvloeden. Pasgeborenen lopen met name het risico: als de moeder een actieve herpesinfectie heeft, kan het kind gemakkelijk besmet raken tijdens de geboorte. Deze neonatale herpes resulteren vaak in permanente neurologische schade en kan zelfs fataal zijn voor het kind.

De geneesmiddelen die momenteel op de markt zijn, zijn alleen effectief in het geval van een actieve herpesinfectie en kunnen niet profylactisch of in het geval van een latente, niet-actieve infectie worden gebruikt.

Eiwit combineert celmembranen

Om een ​​gastheercel te infecteren, legt het herpesvirus eerst aan op zijn buitenste celmembraan. Daarna combineert het zijn membraan envelop met die van de gastheercel. Het virus brengt vervolgens zijn genetische materiaal in de aangevallen cel vrij om nieuwe kopieën van zichzelf te produceren.

Een belangrijk eiwit voor deze fusie is een speciaal eiwit dat glycoproteïne B (GB) wordt genoemd. Het is “energie-geladen” en gebruikt deze energie om de virus envelop te smelten met het celmembraan, waardoor het virale genetische materiaal de cellen kan penetreren.

Tijdens dit fusieproces verandert GB zijn driedimensionale vorm. Het zou daarom een ​​veelbelovend doelwit zijn voor drugs. Tot nu toe zijn er echter geen antivirale middelen die zich richten op GB, omdat kritische gebieden van het eiwit ontoegankelijk of beschermd zijn.

Onderzoekers van het Leibniz Institute for Virology (LIV), de University of Hamburg (UHH) en University Medical Center Hamburg-Eppendorf (UKE), gevestigd in het Centre for Structural Systems Biology (CSSB) in Hamburg, en het Max Planck Institute (MPI) voor multidisciplinaire sciens in Götingen in Götingen in Götingen in Götingen in Götingen in Götingen in Götingen in Götingen in Götingen in Götingen in Götingen in Götingen in Götingen in Götingen in Götingen in Götingen in Götingen in Götingen in Götingen in Götingen in Götingen in Göting Ingesloten in het GB-complex in het GB-complex in het GB-complex in het GB-complex.

Ze bepaalden de structuur met hoge resolutie door cryogene elektronenmicroscopie (cryo-EM), beeldverwerking en structurele modellering. De microscopen en geavanceerde technieken beschikbaar bij de geavanceerde licht- en fluorescentiemicroscopie en cryo-EM-faciliteiten van de CSSB maakten dit werk mogelijk.

Het Göttingen-team isoleerde een mini-antilichaam, bekend als een nanobody, van een geïmmuniseerde alpaca. Dit nanobody neutraliseert GB bij zeer lage concentraties. Het bindt aan de fusion-ready vorm van GB en blokkeert de bewegingen en de energierafeling die nodig is voor membraanfusie.

Alpacas, lama’s en andere kamelen bezitten antilichamen die structureel eenvoudiger zijn dan een typisch antilichaam van zoogdieren. In het laboratorium kunnen deze in grootte worden verminderd om zogenaamde nanobodieën te vormen. In Hamburg produceerden onderzoekers in het laboratorium van Kay Grünewald, hoofd van de afdeling Structurele Cell Biology in LIV, UHH en CSSB, een GB -eiwitbereiding dat collega’s in Göttingen vervolgens werden gebruikt om een ​​alpaca te immuniseren, die de productie van antilichamen veroorzaken.

“De stress op onze Alpaca Max was erg laag, vergelijkbaar met een vaccinatie- en bloedtest bij mensen”, legt Dirk Görlich, directeur bij de MPI en hoofd van de afdeling Cellular Logistics uit. Na het doneren van bloed werd het werk van Max gedaan. De rest van het werk werd uitgevoerd in het laboratorium met behulp van hightech-apparatuur, enzymen, bacteriën, bacteriofagen en computers. Uiteindelijk worden nanobodieën microbiologisch geproduceerd – in een proces vergelijkbaar met dat van het brouwen van bier.

In de volgende stap gebruikten de onderzoekers het bloedmonster om de blauwdrukken te verkrijgen voor ongeveer een miljard verschillende nanobodies. Slechts een kleine fractie hiervan was echter gericht tegen het eigenlijke doelwit. Met behulp van bacteriofagen isoleerde het Göttingen-team de GB-specifieke nanobodieën en produceerde vervolgens individuele kandidaten microbiologisch. Deze werden vervolgens in Hamburg getest op hun antivirale activiteit.

“Tijdens dit proces konden we precies één nanobodie identificeren dat een sterk neutraliserend effect heeft. Het is vooral opwindend dat het werkt tegen zowel HSV-1 als HSV-2”, meldt Görlich.

In Hamburg slaagde het team erin de 3D-structuur van native van HSV-2 GB te verduidelijken gebonden aan het nanobody. Dit model en de andere zeer nauwkeurige cryo-EM-modellen voor de pre- en post-fusion-toestanden-opgelost met behulp van het team van Maya Topf, hoofd van de integratieve virologie van de afdeling bij LIV, UKE und CSSB, die geavanceerde computertools toepaste voor modelbouw en validatie-weergegeven insights in kritieke locaties van GB, waarbij het mechanisme van neutralisatie werd gedecipheerd.

“Onze resultaten suggereren dat de binding van het nanobodie voorkomt dat het eiwit van vorm verandert, wat de stap is die nodig is om de membranen te fuseren. Dit voorkomt infectie”, zegt Grünewald.

De ontdekkingen van de teams beloven een nieuwe aanpak voor het behandelen en voorkomen van herpesinfecties. “De nanobodies kunnen niet alleen worden gebruikt om bestaande medicijnen aan te vullen voor het behandelen van herpesinfecties. In de toekomst kunnen ze ook mensen beschermen die risico lopen tegen herpes -infectie of de herhaling van een latente infectie”, zegt Benjamin Vollmer, hoofd wetenschapper, wetenschapper in het project in Grünewald’s groep en eerste auteur van de studie.

“Er is nog een lange weg te gaan, maar mensen met een zwak immuunsysteem zullen des te meer profiteren van deze innovatieve antilichamen. Deze omvatten bijvoorbeeld pasgeborenen, met HIV geïnfecteerde individuen en mensen met kanker, auto-immuunziekten of een komende orgaantransplantatie.” Als een zwangere vrouw bijvoorbeeld lijdt aan een actieve herpesvirusinfectie, zou een profylactische toediening van de nanobodieën aan de aanstaande moeder de pasgeborene kunnen beschermen tegen besmet.

De patentaanvraag om de nanobodies verder te ontwikkelen voor klinisch gebruik en om industriële partners aan te trekken is al ingediend.