Mit PAC-MAN gegen Corona

Bislang gibt es weder ein Medikament noch einen Impfstoff gegen das Coronavirus SARS-CoV-2. In den USA arbeitet Stanley Qi von der Universität Stanford mit seinem Forscherteam daran, ein prophylaktisches zelluläres Abwehrsystem gegen SARS-CoV-2 zu entwickeln, das die menschlichen Zellen bei einer Infektion durch den Virus schützt, indem es die Gene des Virus zerstört. Die Wissenschaftler haben ihre Erfindung in der Fachzeitschrift Cell vorgestellt [1].

Li nennt dieses künstliche zelluläre Abwehrsystem PAC-MAN — oder “Prophylaktisches Antivirales CRISPR in menschlichen Zellen”. CRISPR steht für Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. Das sind kurze sich wiederholende DNA-Sequenzen in der DNA von bestimmten Bakterien. Wird das Bakterium durch einen Virus, einen sogenannten Bakteriophagen, infiziert, dann spalten die Cas-Proteine des Bakteriums die DNA des eingedrungenen Virus in kleine Fragmente auf. Diese werden dann zwischen die CRISPR-Sequenzen eingefügt. Bei einem erneuten Virenbefall wird die DNA zwischen den CRISPR-Abschnitten in RNA umgeschrieben: Diese sogenannte Leit-RNA „prüft“ dann die DNA des neu eingedrungenen Virus. Stimmt diese mit der DNA zwischen den CRISPR-Sequenzen überein, wird sie durch die Cas-Proteine zerschnitten. Das Bakterium ist so immun gegen den Virenangriff geworden.

Der Mensch aber ist erschaffen, die Natur zu betrachten und zu imitieren” (“Homo autem ortus est ad mundum contemplandum et imitandum”)

Cicero, De natura deorum, II, 37.

Wie alle CRISPR-Systeme besteht PAC-MAN aus einem Enzym – in diesem Fall dem Enzym Cas13d und vier Strängen Leit-RNA (22 Nucleotide lang), die Cas13d zu den spezifischen Nucleotidsequenzen im Coronavirus führen, die es zerstören soll. Bei diesen Nucleotidsequenzen handelt es sich um hochkonservierte Sequenzen, die in vielen Coronaviren vorkommen, nicht nur in SARS-CoV-2. Diese hochkonservierten Sequenzen befinden sich in Coronavirusgenen, die für das Protein RdRP und Nucleokapsidproteine codieren.

RdRP ist für die Vermehrung des Virus notwendig, die Nucleokapsidproteine schützen die Virus-RNA vor dem Abbau durch menschliche RNAsen. Durch die Zerstörung dieser Nucleotidsequenzen kann PAC-MAN die Vermehrung von SARS-CoV-2 stoppen, da sowohl die Vermehrung der Virus-RNA als auch die Herstellung von Virusproteinen gestört wird.

PAC-MAN ist besonders nützlich für einen Patienten dessen Immunantwort gegen das Virus schwach ist und der z. B. keine Antikörper gegen das Virus bildet. Die Antikörperbildung dauert einige Wochen und das kann in manchen Fällen zu lang sein. Außerdem richten sich die Antikörper häufig gegen Oberflächenproteine des Virus, die sehr schnell ihre Gestalt verändern können und dann von den Antikörpern nicht mehr erkannt werden. Durch diesen sogenannten Antigendrift entkommt das Virus dem Immunsystem. Bei PAC-MAN könnte man durch den parallelen Einsatz mehrerer Leit-RNAs dieses Problem merklich verkleinern und den Zellen eine zusätzliche Waffe gegen das Virus in die Hand geben.

In der Lunge findet der Gasaustausch in den Lungenbläschen statt: Kohlenstoffdioxid wird aus dem Blut in die Lungenbläschen aufgenommen und Sauerstoff aus der Atemluft ins Blut abgegeben. Wenn SARS-CoV-2 in die Lunge eindringt, können sich die Lungenbläschen einer infizierten Person entzünden und mit Flüssigkeit füllen, wodurch der Gasaustausch blockiert wird und der Patient kaum noch atmen kann und auf der Intensivstation an einen Ventilator angeschlossen werden muss.

Die Forscher testeten PAC-MAN in der Zellkultur, an der menschlichen Lungenepithelzelllinie A549. Erst brachten sie PAC MAN in die Zelllinie, dann infizierten sie 24 oder 48 Stunden später die Zellen mit einem künstlich hergestellten abgeschwächten SARS-CoV-2-Virus. Danach maßen die Wissenschaftler die Menge an Virusprotein und Virus-RNA in den infizierten Zellen.

Laut Qi schnitt PAC-MAN sehr gut ab. Es reduzierte die Menge des synthetischen SARS-CoV-2 um 90 %. Als Nächstes planen die Wissenschaftler PAC-MAN in Organoiden der menschlichen Lunge und Tieren, z. B. Frettchen und Rhesusaffen, gegen ein natürliches SARS-CoV-2-Virus zu testen. Anders als im Experiment wollen die Genetiker vor allem wissen, wie gut PAC-MAN in Zellen funktioniert, die bereits mit einem natürlichen SARS-CoV-2-Virus infiziert sind.

Es wird allerdings noch Jahre dauern bis klinische Studien mit PAC-MAN durchgeführt werden können, es wird daher auch keine Rolle bei der Bekämpfung der jetzigen Covid-19-Pandemie spielen. Das größte Hindernis für einen therapeutischen Einsatz besteht für LI darin, PAC-Man über die Atemwege in die Lunge zu bringen. Li hat sich daher mit Michael Connolly vom Lawrence Berkeley National Laboratory des Energieministeriums zusammengetan. Connolly will PAC-MAN mit Nanopartikeln sogenannten Lipitoiden in die Lunge transportieren. Lipitoide sind für den Körper ungiftig und können PAC-MAN in Zellen transportieren, indem sie es in ein winziges Nanopartikel von nur einem milliardstel Meter Breite einkapseln.

“Ein wirksamer Transport von Lipitoiden, gekoppelt mit CRISPR-Targeting, könnte eine sehr wirkungsvolle Therapie zur Bekämpfung von Viruserkrankungen ermöglichen, nicht nur gegen SARS-CoV-2, sondern möglicherweise auch gegen neue Virusstämme mit pandemischem Potenzial “, sagt Connolly.

Weiterführende Literatur

[1]. Timothy R. Abbott, Girija Dhamdhere, Yanxia Liu, Xueqiu Lin, Laine Goudy, Leiping Zeng, Augustine Chemparathy, Stephen Chmura, Nicholas S. Heaton, Robert Debs, Tara Pande, Drew Endy, Marie F. La Russa, David B. Lewis, Lei S. Qi. (2020) Development of CRISPR as an Antiviral Strategy to Combat SARS-CoV-2 and Influenza. Cell, 181 (4): 865–876. DOI: 10.1016/j.cell.2020.04.020

Joe Dramiga

Veröffentlicht von

Joe Dramiga ist Neurogenetiker und hat Biologie an der Universität Köln und am King’s College London studiert. In seiner Doktorarbeit beschäftigte er sich mit der Genexpression in einem Mausmodell für die Frontotemporale Demenz. Die Frontotemporale Demenz ist eine Erkrankung des Gehirns, die sowohl Ähnlichkeit mit Alzheimer als auch mit Parkinson hat. Kontakt: jdramiga [at] googlemail [dot] com

6 Kommentare

  1. Wer weiss – vielleicht ist ja PAC-MAN einmal die Instant-Therapie gegen alles Mögliche: von der Grippe bis zum synthetisch hergestellten Virus, das von einer Terrorgruppe auf die Menschheit losgelassen wird. Denn wenn einmal die Verabreichung klappt, es also eine Möglichkeit gibt, PAC-MAN an seinen Bestimmungsort, zum Beispiel die Lunge, zu bringen, dann kann PAC-MAN ja sehr schnell umprogrammiert und damit an einen neuen Virus angepasst werden. Alles was es dazu braucht ist ein Austausch des Erbgutstückes in PAC-MAN welches dem zu zerstörendem Virus-Erbgutteil entspricht (es klappt wohl für RNA wie DNA-Viren).

    Vom Prinzip her könnte PAC-MAN noch am ehesten mit einer passiven Immunisierung verglichen werden, denn ähnlich wie bei der passiven Immunisierung geht PAC.MAN dank angewandter CRISPR -Technologie hochspezifisch und zugleich sehr generisch/allgemein gegen das Zielvirus vor. PAC-MAN ist jedoch in einer Hinsicht sogar besser als die passive Immunisierung: Die Antikörper, die man bei der passiven Immunisierung verabreicht, richten sich gegen Virusproteine, die an der Oberfläche des Virus vorhanden sind und diese sind bei einigen Viren variabel oder sonstwie vor Angriffen geschützt. PAC-MAN aber richtet sich direkt gegen das Virusgenom und trifft damit einen wunden Punkt (die Achillesferse?) jedes denkbaren Virus. Die Herstellung von Impfseren für die passive Impfung ist zudem aufwendig, gewinnt man sie doch meist aus dem Blut von Menschen, die die Krankheit durchgemacht haben oder durch die (aufwendige) Synthese von monoklonalen Antikörpern. Kurze DNA- oder RNA-Stücke wie man sie für PAC-MAN braucht sind dagegen viel einfacher in grosser Menge herzustellen, denn die Natur (das Reich des Lebendigen) hat schon seit Jahrmilliarden die Technologie um DNA oder RNA effizient zu kopieren.

    Es ist schon erstaunlich wie neue DNA- und RNA-basierte Technologien die Life Sciences neu aufgemischt haben und der Menschheit ganz neue Mittel in die Hand gegeben haben um gegen Krankheiten anzukämpfen ( um etwa Erbkrankheiten zu heilen) oder um neue Pflanzen heranzuzüchten. Es ist nicht nur CRISPR, welches uns näher ans programmierbare Leben herangeführt hat, es sind auch RNA- und DNA basierte Impfstoffe, die uns neue flexible Waffen gegen biologische Abgriffe gegen unsere Spezies in die Hand gegeben haben (the empire strikes back).

    Jetzt müssen wir nur noch darauf hoffen, dass diese neuen RNA und DNA- basierten Technologien vor allem für den Menschen und nicht gegen den Menschen eingesetzt werden.

  2. Pseudovirale Nanobots docken zelltypspezifisch an und schleusen Reparaturkits ein. U.a. Medizinexperten lassen sich kryokonservieren: forever young. In den letzten Jahrtausenden könnten wir Jahrmillionen weiter gekommen sein: 1.01^3000. Die Menschheit nutzt ihr intellektuelles Potenzial kaum. Woran das liegt, ist völlig klar.

  3. Zitat Joe Dramiga
    Bislang gibt es weder ein Medikament noch einen Impfstoff gegen das Coronavirus SARS-Cov-2. […] Es wird allerdings noch Jahre dauern bis klinische Studien mit PAC-MAN durchgeführt werden können, es wird daher auch keine Rolle bei der Bekämpfung der jetzigen Covid-19-Pandemie spielen.

    Da PAC-MAN keine Rolle bei der Bekämpfung der jetzigen Covid-19-Pandemie spielen kann, erlaube ich mir gleich zu fragen, auch wenn es hier einigermaßen off-topic ist, ob Sie kurz Ihre Aufassung (oder vielleicht ein Blog?) über ein Medikament mitteilen könnten, das zurzeit eine große Rolle bei der Behandlung von Covid-19 spielt. Und zwar das Medikament Chloroquin, das seit 70 Jahren erfolgreich zur Bekämpfung der Malaria weltweit erprobt ist und jetzt auch zur Bekämpfung von COVID-19 eingesetzt wird.

    Meine Frage dabei ist: Ist aus Ihrer Sicht etwas dran an die Vorwürfe, dass der Einsatz von Chloroquin in den USA und in Brasilien ein dramatischer Behandlungsfehler sei, weil Chloroquin tödlich ist für Menschen, die den Enzym-Defekt G6PD (Favismus) haben , wobei 20 bis 30 % der Menschen, die Vorfahren haben in Regionen wo die Malaria endemisch ist, diesen genetischen Defekt haben sollen – was der Fall wäre für Afrikaner, sowie Afroamerikaner und Lateinamerikaner. Könnte Ihrer Meinung nach der Einsatz von Chloroquin die Übersterblichkeit in den Covid-19-Hotspot New York und Brasilien erklären?

    PS: Das würde mich hier interessieren Ihre Auffassung darüber zu haben, denn der Gen-Defekt G6PD kommt bei meinen direkten Vorfahren mütterlicherseits vor: Meine Mutter hatte ihn – möglicherweise geerbt von unserer Ur-Ur-Oma aus Madagaskar. Ich würde auf jeden Fall keine Chloroquin nehmen falls ich gegen Covid-19 behandelt werden sollte, und habe auch meine Schwestern gewarnt.

    • Um diese Frage beantworten zu können, liegen zu wenige Daten vor. Wie groß ist der Anteil der Covid-19-Patienten mit dem Enzym-Defekt G6PD in New York und Brasilien? Wie viele von denen wurden mit Chloroquin behandelt? Wie viele von denen sind an der Behandlung mit Chloroquin gestorben und nicht an Covid-19? Das sind nur einige, es gibt noch mehr Fragen, die man zur Übersterblichkeit stellen kann. Ich glaube nicht, dass der prozentuale Anteil von Covid-19-Patienten mit dem Enzym-Defekt G6PD in New York und Brasilien – alleine – die Übersterblichkeit erklären kann.

      Der Enzym-Defekt G6PD ist ein Grund Chloroquin nicht einzusetzen, ein weiterer Grund ist, dass Chloroquin Covid-19-Patienten keinen Nutzen bringt, im Gegenteil, möglicherweise erhöht es auch bei Covid-19-Patienten ohne den Gendefekt wegen schwerer Nebenwirkungen das Sterberisiko.

  4. Zitat Joe Dramiga
    Der Enzym-Defekt G6PD ist ein Grund Chloroquin nicht einzusetzen, ein weiterer Grund ist, dass Chloroquin Covid-19-Patienten keinen Nutzen bringt, im Gegenteil, möglicherweise erhöht es auch bei Covid-19-Patienten ohne den Gendefekt wegen schwerer Nebenwirkungen das Sterberisiko.

    Gerade deswegen bin ich seit Monaten verunsichert… 🙁 In Frankreich toben nämlich seit Anfang an harte Auseinandersetzungen um die Chloroquin. In meiner Heimatstadt Marseille hat der Star-Mediziner, Mikrobiologe und Infektiologe Prof. Didier Raoult in seinem Krankenhaus extrem gute Erfolge bei der Behandlung mit der Chloroquin, mit den niedrigsten Mortalitätsraten weltweit, in Anlehnung an die Chinesen, die ebenfalls sehr erfolgreich die Chloroquin eingesetzt haben sollen. Aus Senegal und Marokko werden ebenfalls von Prof. Raoult Erfolge bei dem Einsatz der Chloroquin gemeldet. Ich kann mir allerdings vorstellen, dass in Marseille, wo der Anteil der Bevölkerung aus Afrika und Nordafrika (sowie bekannte oder unbekannte Vermischungen) signifikant ist, systematisch nach dem Gen-Defekt G6PD getestet wird. Meine Mutter wurde auch im Krankenhaus vor einer schweren Lungenoperation darüber informiert, dass sie diesen Gen-Defekt hatte, sie hatten im Krankenhaus von sich aus getestet.

    Es wird gesagt, dass die Auseinandersetzungen um die Chloroquin einzig ein wirtschaftlicher Konkurrenzkampf zwischen Pharma-Unternehmen sei, denn die Chloroquin ist ein seit langem eingesetztes Medikament und kostet praktisch nichts. Die Pharma-Unternehmen verdienen nichts daran und wollen lieber ein neues Medikament entwickeln, das sie teuer verkaufen könnten. Das würde ich erst einmal nicht als ausgeschlossen und unglaubwürdig halten, es ist klar, dass gewaltige finanzielle Interessen bei der Corona-Pandemie im Spiel sind, es ist in erster Linie ein Geschäft, nicht Altruismus…

    Dass es um Konkurrenz zwischen Pharma-Unternehmen bei der Chloroquin gehen könnte, deutet der neueste Skandal mit einer Fake-Studie, die im Lancet veröffentlicht und kurz darauf nach Protesten aus der internationalen Fachwelt zurückgezogen wurde, siehe:

    Wissenschaftsskandal ersten Ranges: Die manipulierten Hydroxychloroquin-Studien
    .

  5. There had been great rumour in the international community of scientists about chloroquine/hydrochloroquine (CQ/HCQ) as a candidate for covid-19 therapy. And first in vitro experimental results pointed to that and were promising, indeed.

    Nevertheless, in the meantime many large and randomized clinical trials provided strong evidence that CQ/HCQ is not likely to speed up recovery or prevent death in severe cases of covid-19.

    And there’s also strong new evidence from refined in vitro experiments that the drug is not the right one for SARS-CoV 2 infection therapy.

    I have to confess that I had been fascinated by the putative possibility that this cheap and easy-to-synthesize drug could be a remedy for covid-19, too.

    In vitro experiments in studies on the efficiency of CQ/HCQ using Vero cells (cells are derived from epithelial kidney cells of African green monkey and can easily been cultured in vitro) provided some evidence for an anti-SARS-CoV 2 effect and made many scientists almost enthusiastic (I was among those, too).

    CQ/HCQ have shown antiviral effects in many viral diseases e. g. Hep A & B, Dengue, Zika, Polio and other ones .

    In SARS-CoV 2 it was shown that it inhibited quinone reductase 2 and UDP-N-acetyleglucosamine 2-epimerase which are both involved in biosynthesis of sialic acids that are critical components of ligand recognition in many viral infections.

    In SARS-CoV 2 QC/HQC reduces the glycosylation of cell-surface ACE2, which is the receptor of SARS-CoV 2 spike protein.

    CQ/HCQ also alkalize intra-endosomal pH which consequently inhibits endosomal serine proteases furin, cathepsin L cleaving.

    After uptake of virus particles into endosomes by micropinocytosis viral RNA is released into cytosol by a fusion mechanism which brings viral and endosomal membranes into close proximity thus allowing membrane intermix and fusion of viral and endosomal membrane. This fusion mechanism requires cleaving of the bound SARS-CoV 2 spike Protein by serine proteases or serine-threonin proteases.

    Possible candidates for those serine proteases were Cathepsin L and furin which are both strongly inhibited by CQ/HCQ, and the serine-threonine endoprotease TMPRSS2, which is inhibited by CQ/HCQ to much lesser extent.

    Unfotunately, TMPRSS2 was shown to be the most critical endoprotease that cleaves attached SARS-CoV 2 spike protein. And TMPRSS2 is not sufficiently inhibited by CQ/HCQ.

    The effects of CQ/HCQ are much too insubstantial to really make it a good drug for covid-19 therapy.

    Sad but true,

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