Inhibitionsprinzipien der SARS-CoV-2 Proteasen

Sie sind Enzyme, die große Eiweiße zu kleineren verarbeiten und sie spielen in der Vermehrung einiger Viren eine Rolle: Proteasen. Medikamente zur Behandlung zum Beispiel von HIV und Hepatitis C hemmen die entsprechenden Proteasen. Auch bei Coronaviren sind zwei dieser Enzyme essentiell. Derzeit gibt es einige wenige Substanzen, die diese hemmen können. Eine davon ist zur Behandlung der Hepatitis-C-Infektion zugelassen. Eine neue Messmethode, die von Emmanuel Heilmann aus der Forschungsgruppe der Virologin Dorothee von Laer an der Medizinischen Universität Innsbruck entwickelt wurde, kann die früheste Aktivität der SARS-CoV-2 Proteasen erkennen. So lassen sich besonders effektive Substanzen finden, um die Vermehrung von Coronaviren zu stoppen. Das Projekt soll das tatsächliche Hemmpotenzial, die Zelldurchlässigkeit und sogar die Toxizität der Wirkstoffe gleichzeitig erkunden. Das spart auf dem Weg zur Medikamentenentwicklung wichtige Zeit.

In diesem Projekt wurde ein sicheres System auf Basis eines für Menschen ungefährlichen Virus entwickelt, um zu untersuchen, wie verschiedene Proteine von Coronaviren Resistenzen entwickeln. Da Resistenzmutationen die Wirksamkeit antiviraler Medikamente abschwächen, werden oft umstrittene "Gain-of-Function"-Versuche mit gefährlichen Erregern durchgeführt, um die Effekte neuer Mutationen zu verstehen. Mit der hier entwickelten Methode ist es möglich, derartige Versuche zu umgehen. Viren kommen nahezu überall vor. Die meisten sind harmlos, einige können jedoch Krankheiten verursachen, so etwa das Coronavirus SARS CoV 2. Zur Prävention oder Behandlung viraler Infektionen stehen antivirale Medikamente zur Verfügung. Viren passen sich jedoch sehr schnell an und können Resistenzen entwickeln, um die Wirkung von Medikamenten zu umgehen. Um diesem Problem zuvorzukommen, wird unter kontrollierten Laborbedingungen normalerweise sogenannte "Gain-of-Function"-Forschung betrieben, bei der untersucht wird, wie Viren resistenter oder übertragbarer werden. Ziel ist es, frühzeitig Impfstoffe und Therapien zu entwickeln oder zu verbessern. Diese Forschung ist jedoch umstritten, da sie mit gefährlichen Erregern arbeitet, was häufig zu Sicherheitsbedenken und Finanzierungskürzungen führt. In diesem Projekt wurde daher ein alternatives System auf Basis eines für Menschen harmlosen Virus entwickelt, womit diese Versuche vermieden werden können. Unsere Ergebnisse zeigen, dass dieses System vorhersagen kann, wie sich ein wichtiges Protein des Coronavirus - die "main protease" (Mpro) - verändern kann, um Resistenzen gegen antivirale Medikamente zu entwickeln. Diese Protease wirkt wie eine "molekulare Schere", die essenziell für die ersten Schritte des Infektionszyklus des Virus ist. Medikamente können diese Funktion blockieren - wenn dies aufgrund einer Resistenzentwicklung nicht mehr möglich ist, ist das Medikament unwirksam und das Virus kann sich weiter vermehren und ausbreiten. Das hier entwickelte System wurde genutzt, um die Evolution der Protease Mpro in Anwesenheit der Wirkstoffe Nirmatrelvir (Paxlovid) und Ensitrelvir (Xocova) zu untersuchen. In den letzten Projektphasen wurde zudem die Vielseitigkeit dieser Methode gezeigt, indem damit auch eine Protease eines anderen Coronavirus (MERS CoV) untersucht und später auch das SARS-CoV-2 Spike-Protein miteinbezogen werden konnte. Die so gewonnenen Ergebnisse liefern wertvolle Erkenntnisse zu viraler Evolution ohne die Sicherheitsrisiken traditioneller "Gain-of-Function"-Forschung und unterstreichen die Bedeutung solcher Studien für zukünftige Herausforderungen der virologischen Forschung.