NECESSITY-Neue SARS-CoV-2 modulierende chem. Konstrukte

Enzyme spielen in der Vermehrung von Viren eine entscheidende Rolle, deren Inhibition ist eine etablierte therapeutische Strategie z.B. gegen HIV-Infektion. Unter Tausenden von Enzym- bindenden Molekülen eignen sich jedoch nur wenige tatsächlich als Wirkstoff. Im Rahmen dieses internationalen Projektes haben sich drei Forschungsstandorte vernetzt, um aufbauend auf der exakt bekannten 3d-Struktur eines SARS-CoV-2 Enzyms passende Inhibitoren zu finden. Vladimir Cryštof und sein Team (Olmütz/CZ) synthetisieren ca. 9.000 Verbindungen, die am Helmholtz Zentrum (Berlin/D) unter Christian Feiler durch Veränderung der Röntgenstrahlbeugung in einem Hochdurchsatzverfahren auf Bindung an ein SARS-CoV-2 Enzym getestet werden. Im vom FWF geförderten Projektteil werden von den Koautoren und Forschungspartnern Theresia Dunzendorfer-Matt (Medizinische Universität Innsbruck) und Eduard Stefan (Universität Innsbruck) in einem re-iterativen Prozess vorselektionierte Moleküle auf direkte Hemmung der Enzymreaktion im Reagenzglas und in gezüchteten Zellen untersucht. Die Substanzen werden nach Effizienz in vitro, Spezifität in einem Biosensorsystem und Resistenzentwicklung aussortiert und schließlich virologisch von Christian Drosten (Charité Berlin/D) gefiltert. Ziel dieses FWF-Projektes ist die Bereitstellung einer Selektion an Molekülen als Startmaterial für Wirkstoffe. Die geplante partiell automatisierte Pipeline lässt sich prinzipiell auch auf die Entwicklung anderer Medikamente anwenden. 2022-05-11 created by TDMpage 1 1

Wir haben im Rahmen dieses Projektes einen wichtigen Schritt hin zur Entwicklung neuer Medikamente gegen CoronaViren gesetzt um bei steigender Zahl von resistenten Viren auf etablierte Therapien gegen schwere Infektionsverläufe gerüstet zu sein. Wir haben einen neuen Wirkstoff-Baustein entdeckt, der gezielt an ein zentrales Enzym von SARSCoV2 bindet, diesen Befund mit Röntgenstrukturdaten abgesichert und die Bindung durch gezielte Veränderungen des Bausteines deutlich verbessert. Konkret durchsuchten wir eine hauseigene, vielfältige Sammlung von 336 kleinen Molekülen mithilfe von Kristallstrukturanalysen, um Stoffe zu finden, die an die SARS-CoV-2 Hauptprotease (das lebenswichtige "Scheren-Enzym") des Virus andocken. So identifizierten wir ein bislang nicht beschriebenes Molekül, das hochspezifisch im aktiven Zentrum des Enzyms bindet und das für das Virus lebenswichtige Eiweiß funktionell blockiert. Auf Basis dieser Struktur planten und bauten wir eine kleine Reihe gezielter Varianten, um die Bindung zu stärken und besser zu verstehen, welche Bereiche der Enzymtasche besonders wichtig für die spezifische Bindung sind. Durch diese strukturgeleitete Optimierung gelang es uns, die Bindungsstärke deutlich zu erhöhen - bis hin zu Varianten die bereits bei sehr niedriger Konzentration oder Dosierung wirksam sind, eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung nebenwirkungsarmer Therapien. Unsere Messungen und Computersimulationen zeigen, dass für diese molekulare Blockade nicht nur "statische" Berührpunkte zählen, sondern vor allem, wie stabil und koordiniert ein Molekül über die Zeit an mehreren Stellen des Enzymzentrums festhält. Besonders die Zusammenarbeit von drei angrenzenden Teilbereichen der aktiven Tasche ist entscheidend für eine dauerhafte Bindung. Diese Erkenntnis hilft, künftige Wirkstoffe gezielt so zu gestalten, dass sie diese Kontaktstellen gleichzeitig und stabil ausnutzen. Obwohl unser optimierter Wirkstoff relativ gut bindet, hemmt er das Enzym bislang nur eher schwach und zeigt in Zellen vorerst nur geringe Wirkung. Das ist in frühen Entwicklungsphasen üblich, macht aber klar, dass weitere Verbesserungen nötig sind - zum Beispiel eine noch stärkere Nutzung zentraler Kontaktzonen oder die Verlängerung in benachbarte Bereiche des Enzymzentrums. Unsere Strukturdaten liefert dafür einen soliden Startpunkt. Chemisch neue, gut verstandene Andockpunkte an viralen Enzymen sind wertvoll - für die Verfeinerung bestehender Therapien und für die Vorbereitung auf künftige Corona Virus-Bedrohungen. Praktisch könnte dies mittelfristig zu besser wirksamen, verträglichen und widerstandsfähigen Medikamenten führen; gesellschaftlich stärkt es die PandemieVorsorge; wirtschaftlich kann es die Entwicklung zielgerichteter Therapien beschleunigen.