Wie das Team Virustrap sich mit DNA-Schalen an Viren heftet
Viren sind eine unberechenbare Bedrohung für die weltweite Gesundheit, für Wirtschaft und Gesellschaft - das wissen wir spätestens seit der SARS-CoV-2 Pandemie. Seit Beginn der Pandemie sind mehrere Millionen Tote zu beklagen. Noch immer fehlt es an wirksamen Therapeutika gegen SARS-CoV-2 und neu auftretende Varianten. Tatsache ist: Auch gegen viele anderen Viren gibt es bis heute keine Therapeutika. Potenzierende Viruslast, hohe Mutationsraten und limitierte Angriffspunkte sind Viren inhärent, machen sie zu wahren „Überlebenskünstlern“ und stellen hohe Anforderungen an die Wirkstoffentwicklung. Das große Verlangen die Pandemie zu überwinden, verhalf neuen Technologien auf der Basis von mRNA und ebenso neuen Wegen in der drug delivery zum schnellen Durchbruch in der Impfstoffentwicklung - entgegen den Erwartungen vieler Experten.
Analog dazu braucht es Durchbrüche in der antivirale Wirkstoffentwicklung. Es braucht hochinnovative Ansätze, die eine Bekämpfung von viralen Infektionen ermöglichen. Deswegen unterstützt die SPRIND mit dieser Challenge neue technologische Ansätze für Sprunginnovationen zur Bekämpfung von viralen Infektionen.
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Ziel der Challenge: Neue Ansätze für die Wirkstoffentwicklung antiviraler Therapeutika
Ziel der Challenge ist es mit bahnbrechenden Technologien das Repertoire an antiviralen Therapeutika zu erweitern, damit in Zukunft neue Behandlungsmöglichkeiten zur Auswahl stehen und Patient:innen schnell geholfen werden kann. Die Challenge Teams entwickeln Ansätze für Breitbandvirostatika und Plattformtechnologien zur schnellen Entwicklung antiviraler Wirkstoffe. Am Ende der Challenge soll der aus dem Lösungsansatz hervorgegangene Wirkstoff in einem der Entwicklungsstufe angepassten Proof of Concept getestet werden.
CRISPR/CAS13
Team CRISPR antivirals nutzt das antivirale CRISPR/Cas-Abwehrsystem, das in Millionen von Jahren der Evolution von Bakterien perfektioniert wurde, um die Vermehrung und die zytopathischen Wirkungen von RNA-Viren wie SARS-CoV-2 durch Spaltung ihres viralen Genoms und ihrer mRNA zu blockieren.
iGUARD platform
Das iGUARD-Team entwickelt molekulare Therapeutika der nächsten Generation auf RNAi-Basis gegen Atemwegsviren und nutzt dabei maschinelles Lernen zur automatischen Identifizierung von Zielstrukturen sowie eine optimierte Vektorplattform für die Verabreichung und präklinische Validierung in humanen, patientenrelevanten Modellen.
Virustrap
Das Team Virustrap nutzt die DNA-Origami-Technologie, um Fallen für Viren im Nanomaßstab zu bauen.
MucBoost
Das Team MucBoost entwickelt ein Upgrade gegen Krankheitserreger: zur Verstärkung der antiviralen Wirksamkeit von Schleim.
Die Teilnahme an der Challenge fordert die Teams voll und ganz. Wir begleiten und fördern Sie deshalb intensiv und individuell. Dazu gehört die Finanzierung der Teams genauso wie eine individuelle Betreuung durch eine:n Challenge Coach:in, der:die einschlägige Erfahrung im Challenge-Bereich hat und selbst schon Innovationen mit hohem Impact umgesetzt hat.
Im ersten Jahr der Challenge hat die SPRIND die Arbeit der Teams bereits mit bis zu 700.000 Euro finanziert, im zweiten Jahr mit bis zu 1,5 Millionen Euro sowie im laufenden dritten Jahr mit bis zu 2,5 Millionen Euro. Damit sich die Teams voll und ganz auf ihre Innovationen konzentrieren können, finanzieren wir schnell und unbürokratisch.
Noch einen Schritt weiter gedacht: Ideen mit dem Potential für Sprunginnovationen müssen in den Markt gebracht werden, um Patient:innen zugute zu kommen. Deswegen unterstützt die SPRIND Projekte mit Sprunginnovationspotential auch nach Ende der Challenge weiter.
Im Oktober 2023 hat die Expertenjury im Auftrag der SPRIND die Teilnehmer für die dritte und letzte Stufe der Challenge "Broad-Spectrum Antivirals" ausgewählt. Vier Teams erhalten für die kommenden zwölf Monate jeweils bis zu 2,5 Millionen Euro für die Weiterentwicklung ihrer radikal neuen Wirkstoffe gegen virale Krankheiten.
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Science-Youtuber Jacob Beautemps stellt bei Breaking Lab die sechs Challenge-Teams der 2. Stufe vor
Revolution in der Medizin? Jacob Beautemps schaut sich die CRISPR CAS Technologie genauer an
Unsere Jury aus Wissenschaftler:innen und Science Entrepreneurs wählt unter allen Bewerbungen die Teams aus, die das Zeug dazu haben, Sprunginnovationen umzusetzen.
Joachim Spatz
Karin Mölling
Detlev Riesner
Nikolaus Rajewsky
Manfred Schubert-Zsilavecz
Holger Reithinger
vom 28.02.2022
Was ist eine „Innovation Challenge“? Welche Rolle spielen dabei Wettbewerb und Kooperation? Und worum geht es bei den aktuellen Challenges der SPRIND? Unser Host Thomas Ramge fragt: Dr. Diane Seimetz, Mitgründerin von Biopharma Excellence und Innovationscoach, sowie Dr. Jano Costard, Challenge Officer der Bundesagentur für Sprunginnovationen
Sie haben weitere Fragen?
Wenn Sie Fragen oder Anregungen haben, können Sie uns gerne unter challenge@sprind.org kontaktieren.
Prof. Dr. Hendrik Dietz hat eine Vision: Viren einfangen und unschädlich machen. Dazu will er kleine, flache Schalen nutzen, die im Blut umher schwimmen und sich an Viren heften. Die Beschichtung verhindert, dass die Viren mit Zelloberflächen in Kontakt kommen. “Die Idee ist die Oberfläche der Viruspartikel so zu beeinträchtigen, dass es nicht mehr erfolgreich eine menschliche Zelle infizieren kann”, erklärt Dietz, der an der Technischen Universität München den Lehrstuhl für Biomolekulare Nanotechnologie innehat.
Die kleinen Schalen bauen der 45-Jährige und sein Team aus DNA Molekülen. Diese werden als Bausteine für den Aufbau präziser dreidimensionaler Strukturen im Nanometerbereich verwendet. Die Technik basiert auf den komplementären Basenpaaren der DNA, die es ermöglichen, bestimmte Sequenzen zu entwerfen, die sich zu stabilen Strukturen zusammenfügen, die aus mehrfach verkreuzten DNA Doppelhelizes bestehen.
Die kleinen Schalen bauen der 45-Jährige und sein Team aus DNA Molekülen. Diese werden als Bausteine für den Aufbau präziser dreidimensionaler Strukturen im Nanometerbereich verwendet. Die Technik basiert auf den komplementären Basenpaaren der DNA, die es ermöglichen, bestimmte Sequenzen zu entwerfen, die sich zu stabilen Strukturen zusammenfügen, die aus mehrfach verkreuzten DNA Doppelhelizes bestehen.
Ein Gedanke, der ihn nicht mehr losließ. Dietz beginnt sich für Viruserkrankungen zu interessieren. “Ich fand es schockierend, dass man gegen die große Mehrzahl von Viruserkrankungen nicht viel tun kann. In manchen Fällen kann man mit Impfungen vorbeugen, aber wenn ich erstmal krank bin, habe ich meistens Pech gehabt: Entweder ich komme durch oder nicht.”
Die DNA-Schalen bieten die Möglichkeit, eine Vielzahl von Viren einzukapseln. Dazu wird die Innenseite der Schale modular je nach Virustyp mit unterschiedlichen Klebstoffen beschichtet. Je nach Zielvirus verwendet das Team spezielle Polymere und Antikörper, um die Viren an die Schalen zu binden. "Die Antikörper werden einfach eingekauft und auf die Schalen aufgetragen", sagt Dietz. "Der Nachteil ist, dass die Herstellung der Antikörper teuer ist, was auch die Kosten für potenzielle Medikamente in die Höhe treibt. Langfristig wollen wir daher von Antikörpern wegkommen und mit Hilfe von künstlicher Intelligenz Virusbinder konstruieren, die zu den Oberflächeneigenschaften der Viren passen und die wir leichter herstellen können.”
Die DNA-Schalen bieten die Möglichkeit, eine Vielzahl von Viren einzukapseln. Dazu wird die Innenseite der Schale modular je nach Virustyp mit unterschiedlichen Klebstoffen beschichtet. Je nach Zielvirus verwendet das Team spezielle Polymere und Antikörper, um die Viren an die Schalen zu binden. "Die Antikörper werden einfach eingekauft und auf die Schalen aufgetragen", sagt Dietz. "Der Nachteil ist, dass die Herstellung der Antikörper teuer ist, was auch die Kosten für potenzielle Medikamente in die Höhe treibt. Langfristig wollen wir daher von Antikörpern wegkommen und mit Hilfe von künstlicher Intelligenz Virusbinder konstruieren, die zu den Oberflächeneigenschaften der Viren passen und die wir leichter herstellen können.”
Mit dieser als DNA Origami bekannten Fabrikationsmethode beschäftigt sich der Physiker schon lange. "Das Ziel war immer, irgendwann neue Medikamente zu machen", erzählt Hendrik Dietz und fügt hinzu: "Aber die Frage war: Wo setzt man DNA-Origami am sinnvollsten ein, in welchem Kontext erzielt man Wirkung die man nicht ohne weiteres mit existierenden Methoden erreichen kann?” 2018 hat es dann Klick gemacht:
“Ich hatte damals zwei Bildschirme. Auf dem einen waren die Schalenprototypen, die wir damals eher als Forschungsprojekt ohne unmittelbare Anwendung entworfen hatten, und auf der anderen Seite hatte ich ein Bild von einem Virus. Und dann dachte ich, was passiert eigentlich, wenn ich das Virus in so eine Schale stecke?”
“Ich hatte damals zwei Bildschirme. Auf dem einen waren die Schalenprototypen, die wir damals eher als Forschungsprojekt ohne unmittelbare Anwendung entworfen hatten, und auf der anderen Seite hatte ich ein Bild von einem Virus. Und dann dachte ich, was passiert eigentlich, wenn ich das Virus in so eine Schale stecke?”
Die Qualität des Klebers muss dabei nicht perfekt sein und auch die Platzierung auf der Schale muss nicht optimal sein. Denn die Schalen erhöhen die Haftwirkung durch ihr Design selbst deutlich.
Derzeit konzentriert sich das Virustrap-Team darauf, die Eindämmung von Virusinfektionen mit der Virusfalle in Tierversuchen nachzuweisen. Ein Testvirus mit dem sich das Team beschäftigt ist das Chikungunya-Virus. Chikungunya ist eine tropische Infektionskrankheit, die durch Mücken übertragen wird. Eine Behandlung oder Impfung gibt es bisher nicht. In einer ersten Reihe von Tierversuchen wurde Mäusen eine tödliche Dosis der Viren gegeben. Während die Kontrollgruppe an Tag fünf verstarb, überlebten alle Mäuse, die mit Chikungunya-Virusfallen behandelt wurden. “Ich kann es selbst noch nicht ganz glauben, weil es einfach so gut funktioniert hat. Es war ein geradezu binärer Effekt”, freut sich Dietz über den Erfolg.
Derzeit konzentriert sich das Virustrap-Team darauf, die Eindämmung von Virusinfektionen mit der Virusfalle in Tierversuchen nachzuweisen. Ein Testvirus mit dem sich das Team beschäftigt ist das Chikungunya-Virus. Chikungunya ist eine tropische Infektionskrankheit, die durch Mücken übertragen wird. Eine Behandlung oder Impfung gibt es bisher nicht. In einer ersten Reihe von Tierversuchen wurde Mäusen eine tödliche Dosis der Viren gegeben. Während die Kontrollgruppe an Tag fünf verstarb, überlebten alle Mäuse, die mit Chikungunya-Virusfallen behandelt wurden. “Ich kann es selbst noch nicht ganz glauben, weil es einfach so gut funktioniert hat. Es war ein geradezu binärer Effekt”, freut sich Dietz über den Erfolg.
Die Virusfallen sollen außerhalb der Zellen wirken. Es ist am naheliegendsten, sie zu spritzen. Aber auch Anwendungen über ein Nasenspray oder in Form einer Tablette sind denkbar, müssen allerdings noch getestet werden. Wie der Körper auf die Virenfallen reagieren wird, muss ebenfalls noch gründlich getestet werden. Dietz ist optimistisch: "Bei Mäusen scheinen unsere Virenfallen soweit gut verträglich zu sein. Strukturierte DNA, wie sie in den Schalen vorkommt, kommt in der Natur auch so gar nicht vor. Die Virenfallen könnten also gewissermaßen unter dem Radar der Immunabwehr fliegen.”
"Ich glaube fest an den Wert unserer Erfindung. Die Vorstellung, was wäre, wenn man sich um Virusinfektionen keine Sorgen mehr machen müsste, treibt mich an. Die gesellschaftlichen Implikationen wären einfach enorm.”
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