Synthese bakterieller Mimetika von HIV-1 gp120 Glykan-epitopen

Trotz der Fortschritte in der Entwicklung antiviraler Wirkstoffe stellt die Bekämpfung der weltweiten Pandemie - hervorgerufen durch das humane Immunodeficieny Virus (HIV-1) - eine große Herausforderung dar. Die Entwicklung von breit-schützenden und neutralisierenden Antikörpern wird vor allem durch die viralen Gegenstrategien im Immungeschehen erschwert. Die dicht gepackte Anordnung von Mannose-Ketten im Glykoprotein gp120 auf den viralen Hüllproteinen kann dennoch als Achillesferse für die Erkennung durch Antikörper genutzt werden. Eine überschaubare Anzahl von Antikörpern gegen gp120 wurde inzwischen entwickelt, die sehr spezifische Bindungsbereiche erkennen. Die große strukturelle Ähnlichkeit der Mannose-Glykane mit humanen Glykoprotein- Glykanen führt jedoch zu einer niedrigen Immunogenität und einer geringen Bindungsaffinität der viralen Kohlenhydratepitope. Vor kurzem wurde ein dem gp120 verwandtes Glykan in der Kernregion des bakteriellen Lipopolysaccharids des Gram-negativen Bodenbakteriums Rhizobium radiobacter gefunden. In ersten Testexperimenten konnte gezeigt werden, dass diese Glykane mit niedriger Affinität an HIV- Antikörper gebunden werden. Strukturdaten eines gp120 Liganden und dem bakteriellen Glykan im Komplex mit zwei monoklonalen anti-HIV Antikörpern zeigten jedoch das Potential für zusätzliche Bindungsinteraktionen mit den bakteriellen Mannoseketten auf. Darüber hinaus sollten die bakterien- spezifischen Kohlenhydrate als körperfremde Antigene zu einer verstärkten Immunantwort und einer verminderten Autoreaktivität führen. Zwei Hypothesen sollen im Rahmen des Projekts geklärt werden: Können neue modifizierte bakterielle HIV-ähnliche Glykane die viralen gp120 Epitope nachbilden und werden diese Glykane besser von monoklonalen anti-HIV Antikörpern gebunden sowie zur Erzeugung neutralisierender Antikörper genutzt werden? Das Projekt beinhaltet somit die chemische Synthese dieser Oligosaccharide bis zur Größe von Undekasacchariden als modifizierte und Ketten-verlängerte gp120 Mimetika basierend auf der Kombination der strukturell konservierten bakteriellen Lipopolysaccharid-Komponente mit zwei viralen Oligomannose-Ketten. Als Kontroll-Glykane werden die Mannose-Glykane auch ohne den bakteriellen Kohlenhydrat-Anteil hergestellt werden. Die Liganden werden mit funktionellen Spacergruppen ausgestattet um diese mit Biotin sowie kovalent mit Proteinen zu verknüpfen und nachfolgend die Bindung an HIV-spezifische monoklonale Antikörper zu testen. Darüber hinaus werden die Liganden in große Clustermoleküle überführt, um auf Grund der multiplen Präsentation der Epitope eine wesentlich gesteigerte Bindungsaffinität zu gewährleisten. NMR Studien sind geplant, die detaillierten Einblick in die Wechselwirkung der HIV-Antikörper mit den Liganden ermöglichen sollten. Immunchemische Studien erfolgen gemeinsam mit Dr. Kunert am Department für Biotechnologie (BOKU) und mit Dr. Pantophlet der Simon Fraser Universität in Kanada. Sollten die Bindungsstudien erfolgreich verlaufen, können künftig Immunisierungen mit den Neoglykokonjugaten erfolgen um damit gegebenenfalls breit kreuz-reagierende und neutralisierende Antikörper zu erzeugen. Das Projekt sollte daher substanziell zu neuen Zugängen in der anti-HIV Impfstoffentwicklung beitragen, und /oder zu Kombinationstherapien beitragen und einen erheblichen Impakt auf die Strategie des Anti-AIDS Immunogen-Designs erzielen.

Versuche die dicht mit Kohlenhydraten ausgestattete Hülle des Humanen-Immundefizienz- Virus (HIV-1) zur Entwicklung von Impfstoffen zu nutzen sind seit 30 Jahren ohne nennenswerte Erfolge geblieben. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen dass die viralen Kohlenhydratstrukturen an der Oberfläche der Viruspartikel aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit den körpereigenen Zuckerformen nicht zur Aktivierung des Immunsystems führen. Im Rahmen des FWF-Projekts ist es nunmehr gemeinsam mit internationalen Kooperationspartnern gelungen durch Abwandlung der Zuckergrundstrukturen diese Immuntoleranz zu überwinden und neue Perspektiven für die Impfstoffentwicklung gegen HIV aufzuzeigen. Die dem Projekt zugrunde liegende Hypothese, dass die Ähnlichkeit der viralen Zellober- flächenkohlenhydrate mit der Zellwandstruktur eines pflanzenpathogenen Bodenbakteriums zur Erzeugung von potenten HIV-Antikörpern genutzt werden kann, konnte nunmehr bestätigt werden. Durch chemische Synthesen wurde zunächst das bakterielle Kohlenhydratfragment hergestellt, mit synthetischen viralen Teilstrukturen aus Mannose ergänzt und mit verschiedenen Kopplungs-Methoden und mit unterschiedlicher Belegungs- dichte an Modell-Eiweißmoleküle (Rinderserum Albumin) geknüpft. Der kanadische Kooperationspartner hat sodann die in Wien hergestellten Immunreagentien zur Erzeugung von Immunseren bei Ratten eingesetzt, die über ein humanisiertes Immunsystem verfügen. In der Folge zeigte sich dass die resultierenden Ratten-Immunseren neutralisierende Aktivitäten bei fünf von sieben HIV-Stämmen aufwiesen. Eine Zielverbindung zeigte eine unerwartet hohe Bindungsstärke zu bekannten neutralisierenden Antikörpern der PGT- Familie. Diese Antikörperfamilie, die sich in AIDS Patienten im Verlauf von Jahren herausbildet, hat ein breit neutralisierendes Wirkungsspektrum gegen HI-Viren. In einer Röntgenstruktur konnte sodann die Bindung des Kohlenhydratliganden an einen PGT Antikörper im molekularen Detail bestimmt werden und die strukturelle Ähnlichkeit der bakteriellen mit der viralen Zuckerstruktur bewiesen werden (Kooperation mit Scripps Research Institute, USA). Die neuen synthetischen Immunreagentien eröffnen nunmehr die Hoffnung diese breit neutralisierenden und schützenden Antikörper kurzfristig durch aktive Immunisierung bilden zu können. Für die künftige Anwendung sind jedoch andere für Impfstoffe zugelassene Eiweißträger zu verwenden, und darüber hinaus ist auch das Impfschema und eine Wirkungssteigerung durch Reifung der entsprechenden Immunglobuline (IgG) auszuarbeiten. Diese Forschungsfragen werden nunmehr im Rahmen eines Fortsetzungsprojekts gefördert durch die National Institutes of Health (NIH, USA) in Kooperation mit der Simon Fraser Universität (Kanada) untersucht.