Holle nano-objecten gemaakt van DNA kunnen virussen vangen en onschadelijk maken

Tot op heden zijn er geen effectieve antidota tegen de meeste virale infecties. Een interdisciplinair onderzoeksteam van de Technische Universiteit van München (TUM) heeft nu een nieuwe aanpak ontwikkeld: ze verzwelgen en neutraliseren virussen met nanocapsules die zijn gemaakt van genetisch materiaal met behulp van de DNA-origami-methode. De strategie is al getest tegen hepatitis en adeno-geassocieerde virussen in celculturen. Het kan ook succesvol zijn tegen coronavirussen.

Er zijn antibiotica tegen gevaarlijke bacteriën, maar weinig antidota om acute virale infecties te behandelen. Sommige infecties kunnen worden voorkomen door vaccinatie, maar het ontwikkelen van nieuwe vaccins is een langdurig en arbeidsintensief proces.

Nu stelt een interdisciplinair onderzoeksteam van de Technische Universiteit van München, het Helmholtz Zentrum München en de Brandeis University (VS) een nieuwe strategie voor de behandeling van acute virale infecties voor: het team heeft nanostructuren ontwikkeld gemaakt van DNA, de stof waaruit ons genetisch materiaal, dat virussen kan vangen en onschadelijk kan maken.

DNA nanostructurenstructure

Nog voordat de nieuwe variant van het coronavirus de wereld in de wacht zette, werkten Hendrik Dietz, hoogleraar biomoleculaire nanotechnologie aan de afdeling Natuurkunde van de Technische Universiteit van München, met zijn team aan de constructie van objecten ter grootte van een virus die zichzelf assembleren.

In 1962 ontdekten de bioloog Donald Caspar en de biofysicus Aaron Klug de geometrische principes volgens welke de eiwitomhulsels van virussen zijn opgebouwd. Op basis van deze geometrische specificaties ontwikkelde het team rond Hendrik Dietz van de Technische Universiteit van München, ondersteund door Seth Fraden en Michael Hagan van de Brandeis University in de VS, een concept dat het mogelijk maakte kunstmatige holle lichamen ter grootte van een virus te produceren.

In de zomer van 2019 vroeg het team of dergelijke holle lichamen ook als een soort ‘virusval’ konden worden gebruikt. Als ze aan de binnenkant bekleed zouden worden met virusbindende moleculen, zouden ze virussen stevig moeten kunnen binden en zo uit de circulatie kunnen halen. Hiervoor zouden de holle lichamen echter ook voldoende grote openingen moeten hebben waardoor virussen in de schalen kunnen komen.

“Geen van de objecten die we destijds met behulp van DNA-origamitechnologie hadden gebouwd, zou een heel virus hebben kunnen opslokken – ze waren gewoon te klein”, zegt Hendrik Dietz achteraf. “Het bouwen van stabiele holle lichamen van deze omvang was een enorme uitdaging.”

De kit voor een virusval

Uitgaande van de geometrische basisvorm van de icosaëder, een object dat bestaat uit 20 driehoekige oppervlakken, besloot het team de holle lichamen voor de virusval te bouwen van driedimensionale, driehoekige platen.

Om de DNA-platen samen te voegen tot grotere geometrische structuren, moeten de randen enigszins worden afgeschuind. De juiste keuze en positionering van bindpunten aan de randen zorgen ervoor dat de panelen zichzelf assembleren tot de gewenste objecten.

“Op deze manier kunnen we nu de vorm en grootte van de gewenste objecten programmeren met de exacte vorm van de driehoekige platen”, zegt Hendrik Dietz. “We kunnen nu objecten met maximaal 180 subeenheden produceren en opbrengsten tot 95 procent behalen. De route daarheen was echter behoorlijk rotsachtig, met veel iteraties.”

Virussen worden betrouwbaar geblokkeerd

Door de bindingspunten aan de randen van de driehoeken te variëren, kunnen de wetenschappers van het team niet alleen gesloten holle bollen maken, maar ook bollen met openingen of halve schalen. Deze kunnen vervolgens worden gebruikt als virusvallen.

In samenwerking met het team van prof. Ulrike Protzer, hoofd van het Instituut voor Virologie van de TUM en directeur van het Instituut voor Virologie van het Helmholtz Zentrum München, heeft het team de virusvallen getest op adeno-geassocieerde virussen en hepatitis B-viruskernen.

“Zelfs een simpele halve schaal van de juiste maat laat een meetbare vermindering van virusactiviteit zien”, zegt Hendrik Dietz. “Als we aan de binnenkant vijf bindingsplaatsen voor het virus plaatsen, bijvoorbeeld geschikte antistoffen, kunnen we het virus al voor 80 procent blokkeren, als we er meer opnemen, bereiken we volledige blokkering.”

Om te voorkomen dat de DNA-deeltjes onmiddellijk worden afgebroken in lichaamsvloeistoffen, heeft het team de afgewerkte bouwstenen bestraald met UV-licht en de buitenkant behandeld met polyethyleenglycol en oligolysine. De deeltjes waren dus 24 uur stabiel in muizenserum.

Een universeel constructieprincipe

Nu is de volgende stap het testen van de bouwstenen op levende muizen. “We hebben er alle vertrouwen in dat dit materiaal ook goed wordt verdragen door het menselijk lichaam”, zegt Dietz.

“Bacteriën hebben een stofwisseling. We kunnen ze op verschillende manieren aanvallen”, zegt prof. Ulrike Protzer. “Virussen daarentegen hebben geen eigen stofwisseling, daarom zijn antivirale middelen bijna altijd gericht tegen een specifiek enzym in een enkel virus. Zo’n ontwikkeling kost tijd. Als het idee om virussen eenvoudig mechanisch te elimineren kan worden gerealiseerd , zou dit breed toepasbaar zijn en dus een belangrijke doorbraak, vooral voor nieuw opkomende virussen.

De uitgangsmaterialen voor de virusvallen kunnen tegen redelijke kosten biotechnologisch in massa worden geproduceerd. “Naast de voorgestelde toepassing als virusval, schept ons programmeerbare systeem ook andere mogelijkheden”, zegt Hendrik Dietz. “Het zou ook denkbaar zijn om het te gebruiken als multivalente antigeendrager voor vaccinaties, als DNA- of RNA-drager voor gentherapie of als transportmiddel voor medicijnen.”