Charakterisierung und Optimierung der Wechselwirkung multivalenter Liganden mit viralen Glykoproteinen

Die der Virusinfektion vorangehende Bindung von Hüllviren (z.B. Influenzavirus) an ihre Targetzellen wird über multiple Wechselwirkungen viraler Rezeptorproteine (z.B. Hämagglutinin, HA) mit entsprechenden zellulären Liganden (z.B. Sialinsäure) vermittelt.

Links: Kryo-TEM Aufnahme eines Influenza A-Virus, jeweils ein Hämagglutinin-Trimer ist markiert (Rechteck: Seitenansicht; Kreis: Draufsicht), die weißen Pfeile markieren den mittleren Abstand der HA-Trimere. Mitte: 3D-Struktur des HA-Trimers, errechnet aus kryo-elektronenmikroskopischen Aufnahmen mittels Einzelpartikelmethode, die Sialinsäure-Bindungsstelle ist jeweils rot markiert Rechts: Röntgenkristallstruktur des HA-Trimers (4hmg.pdb), Aminosäuren der Sialinsäure-Bindungsstelle sind rot hervorgehoben.

Solche viralen Bindungssysteme dienen uns als Modell zum Studium des multivalenten Verstärkungs¬effektes. Dazu werden nanopartikuläre Systeme verschiedener Beschaffenheit und Größe unterschiedlich mit Liganden funktionalisiert:

Funktionalisierbare nanopartikuläre Systeme:

  • Gold (2 – 15 nm)
  • CdSe (15 – 20 nm)
  • Polymergele (3 – 100 nm)
  • Nukleinsäure-Template
  • natürliche Scaffolds, z.B. Phagencapside (28 nm)

Funktionalisierungsparameter:

  • Art der terminalen Liganden
  • Länge und Flexibilität der Spacer
  • Besetzungsdichte (= Anteil ligandentragender Seitenketten)

Das Ziel ist, durch einen komplementären Ansatz von direkt abbildenden Verfahren und biochemischen sowie biophysika¬lischen Messmethoden die multivalente Wechselwirkung der Liganden mit den viralen Glykoproteinen zu charakterisieren und schließlich zu optimieren, um allgemein das Prinzip der Multivalenz besser zu verstehen und maßgeschneiderte biokompatible spezifische Hemmer der Virusinfektion entwickeln zu können.

Das Prinzip der Hemmung der Virusbindung: Multivalent bindende funktionalisierte Nanopartikel verhindern die Bindung des Virus an die Zelle

Aus den bisher gewonnenen Erkenntnissen lässt sich ableiten, dass die geometrische Präsentation der Rezeptoren auf Oberflächen (bei Variation von Größe und Form der Trägersysteme sowie ihres Funktionalisierungsgrads) der entscheidende Parameter für die Optimierung multivalenter Wechselwirkungen und damit auch für die Inhibierung der viralen Infektion darstellt.

Der Ansatz wurde inzwischen auch auf andere Virus/Trägersysteme erweitert: Die Aktivität zahlreicher Hüllviren (u. a. auch Vesicular stomatitis virus (VSV)) lässt sich mit Polysulfaten hemmen. Wir untersuchen derzeit, in wie weit die Bindung von VSV als einem typischen Vertreter pathogener Rhabdoviren (bekanntestes Rhabdovirus ist das Tollwutvirus) durch polysulfatfunktionalisierte Gold¬nano¬partikel, deren Größe systematisch variiert wird, ge-hemmt werden kann.

Kryo-TEM von VSV, inkubiert mit 19 nm AuNP-OH (links) bzw. AuNP-SO4Na (rechts). Hydroxylfunktionalisierte Gold¬nano-partikel (AuNP) binden nicht an die VS-Viren, wohingegen polysulfatierte AuNP die VS-Viren dekorieren.

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