Bisher gibt es gegen Sars-CoV-2 kein wirksames Gegenmittel, auch wenn einige Wirkstoff-Kandidaten den Verlauf von Covid-19 zumindest abzuschwächen scheinen. Das könnte sich künftig ändern. Denn eine deutsche Forschergruppe hat erstmals genauer entschlüsselt, wie und wo das Coronavirus in die Proteinproduktion unserer Zellen eingreift. Dabei haben sie mehrere Ansatzstellen für eine Blockade des Virus identifiziert. In ersten Tests mit Zellkulturen konnten Hemmstoffe für diese Stoffwechselwege die Virenvermehrung stoppen, wie die Wissenschaftler berichten. Einige dieser Mittel sind zudem bereits zugelassen oder werden in klinischen Studien geprüft.
Sars-CoV-2 ist, wie alle Viren, für seine Vermehrung auf die Maschinerie der Wirtszelle angewiesen. Um neue Kopien seines RNA-Erbguts und der für seine Hülle und Kapsel benötigen Proteine zu erzeugen, kapert der Erreger die Stoffwechselwege, die die Zelle sonst zur Herstellung ihrer eigenen Bestandteile nutzt. Nachdem das Coronavirus in die Zellen eingedrungen ist, wandert ein Teil seines RNA-Strangs direkt zu den Ribosomen, den Proteinfabriken der Zelle, die auf Basis dieses Codes virale Enzyme herstellen. Diese sorgen dann dafür, dass das Virenerbgut umkopiert wird und als Schablone für neue Virengene und Proteine dienen kann. Die Produktion dieser Tochterviren übernimmt dann wieder die Zellmaschinerie des Wirts. Wie das neue Coronavirus dabei genau vorgeht und wie die Infektion der Zelle ihren eigenen Proteinstoffwechsel beeinflusst, war jedoch bislang weitgehend ungeklärt.
Ansatz bei der Proteinsynthese
Neue Einblicke verschafft nun eine Methode, die Denisa Bojkova vom Universitätsklinikum Frankfurt und ihre Kollegen zur Erforschung des von Sars-CoV-2 veränderten Zellstoffwechsels eingesetzt haben. Dafür infizierten sie zunächst eine schon für die Zucht anderer Viren bewährte Kultur von menschlichen Darmzellen mit dem Coronavirus. Dann beobachteten sie mithilfe einer speziellen Variante der Massenspektrometrie, wie sich die Protein-Biosynthese in den befallenen Zellen veränderte. „Die von uns entwickelte mePROD- Methode ermöglicht zeitlich hochauflösende Messungen: Wir können die schnellen, innerhalb von Minuten ablaufenden Reaktionen der Zelle auf Stress messen“, erklärt Seniorautor Christan Münch vom Universitätsklinikum das Verfahren. „Damit können wir nun Tausende von Proteinen in definierten Zeitabständen nach einer Behandlung simultan quantifizieren.“ Dadurch konnte das Team erstmals genau nachvollziehen, wie sich die Menge und Produktion von rund 6000 Proteinen in den ersten 24 Stunden nach Infektion der Zelle verändert.
Die Auswertungen ergaben, dass Sars-CoV-2 deutliche Veränderungen in der Translation und Proteinsynthese der Wirtszelle verursacht. Diese fallen aber anders aus als bei eng verwandten Coronaviren wie Sars-CoV oder Mers-CoV. Diese Viren hemmen die Produktion zelleigener Proteine, um diese Ressourcen und molekularen Rohstoffe dann für die Herstellung viraler Proteine zu nutzen. Bei Sars-CoV-2 zeigt sich diese Hemmung dagegen nicht, wie die Forscher berichten. Stattdessen scheint das Virus die Zellmaschinerie für die Übersetzung von Gencodes in Proteine und für die Proteinproduktion insgesamt anzukurbeln. „Da Komponenten der Translations-Maschinerie in höheren Raten umgesetzt wurden, haben wir vermutet, dass die Replikation von Sars-CoV-2 anfällig gegenüber einer Hemmung der Translation reagieren könnte“, so Bojkova und ihre Kollegen. Deshalb testeten sie den Effekt zweier bekannter Hemmstoffe auf diesen Schritt der Proteinsynthese. Das Ergebnis: „Beide Wirkstoffe hemmten die Virus-Replikation signifikant und in nicht-toxischen Konzentrationen, so die Forscher.
Vielversprechende Wirkstoff-Kandidaten
Doch es gibt noch weitere Ansatzstellen für Hemmstoffe gegen das Coronavirus. So ergaben die Experimente, dass der Erreger den Cholesterin-Stoffwechsel der Zelle herunterregelt, dafür aber den Kohlehydrat-Stoffwechsel anregt. Als die Wissenschaftler 2-Deoxy-D-Glukose (2-DG) zugaben, einen Hemmstoff, der an einem zentralen Enzym dieser Glykolyse ansetzt, zeigte dies Wirkung: Auch auf diesem Wege konnten die Forscher die Virenvermehrung in der Zellkultur stoppen. Das Interessante daran: Die US-amerikanische Firma Moleculin Biotech hat bereits einen Wirkstoff entwickelt, der dem Hemmstoff 2-DG sehr ähnlich ist. Sie bereitet nun erste klinische Studien mit diesem Mittel vor. Sogar noch weiter fortgeschritten ist die Entwicklung bei einem weiteren, von den Frankfurter Forschern identifizierten Ansatz. In ihren Tests erwies sich Ribavirin als wirksam gegen Sars-CoV-2. Bei diesem Mittel handelt es sich um eine Substanz, die ein für die Produktion von RNA-Bausteinen benötigtes Enzym hemmt. Weil das Coronavirus diese RNA-Bausteine für seine Vermehrung braucht, erwies sich auch dieser Hemmstoff als in der Zellkultur wirksam. „Ribavirin hemmt die Sars-CoV-2-Replikation schon bei geringen niedermolekularen und klinisch machbaren Konzentrationen“, berichten Bojkova und ihre Kollegen.
Zusammenfassend haben die Wissenschaftler damit gleich mehrere vielversprechende Ansatzstellen gegen das Coronavirus identifiziert – und einige davon könnten mit schon existierenden Wirkstoffen abgedeckt werden. „Wir waren uns natürlich der potenziellen Tragweite unserer Ergebnisse bewusst, auch wenn diese in der Zellkultur erzeugt wurden und weiter getestet werden müssen“, sagt Münch. „Dass unsere Ergebnisse nun womöglich in weiterführende in vivo-Studien zur Medikamentenentwicklung münden, ist sicherlich ein großer Glücksfall.“ Sein Kollege Jindrich Cinatl ergänzt: „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.“
Quelle: Denisa Bojkova (Universitätsklinikum Frankfurt) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-020-2332-7