Nanobodies zum Schutz vor SARS-CoV-2 und Covid-19

Antikörper als Covid-19-Therapeutika erscheinen als ein plausibles Konzept. Aber der Weg dorthin ist steinig. Teilweise enttäuschten diese Wirkstoffe im klinischen Alltag, teilweise lassen bestimmte Antikörper aber auch weiterhin hoffen. Gewisse Erwartungen kann man auch an eine spezielle Antikörpergruppe knüpfen, die Kameliden, also Alpakas und Lamas, synthetisieren. Darauf macht Professor Dr. Ram Sasisekharan in einem  Beitrag im »New England Journal of Medicine« aufmerksam.

Nanobodies bestehen nur aus zwei schweren Ketten. Das bringt Vorteile mit sich. Sie sind besser wasserlöslich, besitzen eine höhere Hitzebeständigkeit und eine größere Stabilität. Durch ihre geringere Größe und ihre spezielle Form können sie zudem tiefer in Gewebe eindringen und so auch Antigene binden, die für konventionelle Antikörper nur schwer erreichbar sind. Außerdem sind sie einfacher zu produzieren. Schon seit Beginn der Corona-Pandemie forschen Arbeitsgruppen weltweit an Nanobodies gegen Covid-19.  So entwickelte etwa ein internationales Forscherteam um Paul-Albert König von der Universität Bonn multivalente Nanobodies, die SARS-CoV-2 zu neutralisieren vermochten. Die Ergebnisse wurden im Februar im Fachjournal »Science« publiziert. 

Das Team infizierte Lamas und Alpakas mit SARS-CoV-2 und isolierte anschließend Nanobodies aus dem Blut der Tiere. Vier neutralisierende Vertreter (E, U, V und W) dieser speziellen Antikörper charakterisierte das Team näher. Drei Nanobodies (U, V und W) erkennen ein gemeinsames Epitop auf dem trimeren Spike-Protein, wenn es in der Präfusionskonformation vorliegt. Der E-Nanobody bindet dagegen an eine Schleife des Proteins, die aus den Aminosäuren R466 bis P491 besteht. Diese überlappt mit der Rezeptorbindedomäne.

Neutralisationsassays für SARS-CoV-2 zeigten für die Nanobodies eine ähnliche Neutralisationskapazität wie analoge monoklonale Antikörper. Nur die Varianten E, U und W waren in der Lage, die Bindung von SARS-CoV-2 an das Angiotensin-konvertierende Enzym 2 (ACE2) auf Wirtszellen zu verhindern.

Interessant ist der Mechanismus, mit dem dies erreicht wird. Denn durch die Bindung der Antikörper an das Spike-Protein wird ein irreversibles Umklappen von der funktionstüchtigen Präfusionskonformation in die inaktive Postfusionskonformation induziert.

Im nächsten Schritt konstruierten die Wissenschaftler Nanobody-Fusionen. Diese besitzen zwei Antigen-Bindungsstellen in einem Molekül. Dazu fusionierten sie jeweils zwei Nanobodies, zum Beispiel E+V, V+E, E+W und W+E.

Sie konnten demonstrieren, dass der stärkste dimerisierte Nanobody (V+E) an alle drei Spike-Proteine des Trimers bindet. Dadurch scheinen die Rezeptorbindedomänen stabilisiert zu werden, was in der Folge die proteolytische Spaltung des Spike-Proteins und damit den Wechsel in die irreversible Postfusionskonformation verhindert. Diese sogenannten biparatopischen Nanobodies neutralisierten die SARS-CoV-2-Infektion auch dann noch, wenn das Antikörperkonstrukt um den Faktor 62 im Vergleich zu den einzelnen Nanobodies verdünnt war. Das entspricht einer verbesserten Bindungsstärke um mindestens das 22-Fache.

Bemerkenswert war zudem, dass bei der Viruspassage in Vero E6-Zellen in Gegenwart der Nanobodies E, U, V und W, aber nicht in Gegenwart der biparatopischen Nanobody-Konstrukte V+E oder E+V, Escape-Varianten des Coronavirus isoliert werden konnten, die Mutationen innerhalb der Epitopregionen aufwiesen. Diese Beobachtung unterstreicht den Vorteil der gleichzeitigen Ausrichtung auf mehr als ein Epitop.

Vielleicht sollte man auch noch erwähnen, dass die Bindung des V-Nanobody nicht die Aminosäuren 417, 484 und 501 des Spike-Proteins umfasst, die bei den Virusmutanten aus Großbritannien, Südafrika und Brasilien identifiziert wurden. Dies könnte bedeuten, dass der biparatope Antikörper V+E (oder E+V) gegen diese Varianten wirksam sein könnten.

Obwohl Nanobodies für den Einsatz bei einer Vielzahl von Krankheiten, von Krebs bis hin zu Infektionskrankheiten, klinisch getestet werden, wurde bisher nur Caplacizumab (ein bivalenter Nanobody gegen den Von-Willebrand-Faktor) durch die Europäische Arzneimittelagentur (EMA) und die US-amerikanische Zulassungsbehörde (FDA) für die Behandlung von thrombotischer thrombozytopenischer Purpura und Thrombose zugelassen.