Daten, er zijn 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 voor de behandeling van acute virale infecties. Sommige infecties kunnen worden voorkomen door vaccinatie, maar het ontwikkelen van nieuwe vaccins is een lang en moeizaam proces.

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

DNA nanostructuren

Nog voordat de nieuwe variant van het coronavirus de wereld on hold zette, Hendrik Dietz, Hoogleraar Biomoleculaire Nanotechnologie aan de afdeling Natuurkunde van de Technische Universiteit van München, en zijn team werkten aan de constructie van objecten ter grootte van een virus die zichzelf in elkaar zetten.

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

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

"Geen van de objecten die we destijds hadden gebouwd met behulp van DNA-origami-technologie zou in staat zijn geweest om een ​​heel virus te verzwelgen - ze waren gewoon te klein, ", zegt Hendrik Dietz achteraf. "Het bouwen van stabiele holle lichamen van dit formaat was een enorme uitdaging."

De kit voor een virusval

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

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

"Op deze manier, we kunnen nu de vorm en grootte van de gewenste objecten programmeren met behulp van 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 daar was echter, vrij rotsachtig, met veel herhalingen."

Virussen worden betrouwbaar geblokkeerd

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

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

"Zelfs een eenvoudige halve schil van de juiste grootte laat een meetbare vermindering van de virusactiviteit zien, ", zegt Hendrik Dietz. "Als we aan de binnenkant vijf bindingsplaatsen voor het virus plaatsen, bijvoorbeeld geschikte antilichamen, we kunnen het virus nu al voor 80 procent blokkeren, als we meer opnemen, we bereiken volledige blokkering."

Om te voorkomen dat de DNA-deeltjes direct in lichaamsvloeistoffen worden afgebroken, het team bestraalde de afgewerkte bouwstenen met UV-licht en behandelde de buitenkant 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, anderzijds, 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 van het eenvoudig mechanisch elimineren van virussen kan worden gerealiseerd, dit zou 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, ons programmeerbare systeem creëert ook andere mogelijkheden, ", zegt Hendrik Dietz. "Het zou ook denkbaar zijn om het te gebruiken als een multivalente antigeendrager voor vaccinaties, als DNA- of RNA-drager voor gentherapie of als transportmiddel voor medicijnen."