COVID-19-Impfstoffinnovation könnte die weltweite Produktion dramatisch beschleunigen
Forscherteam hat erfolgreich ein Schlüsselprotein des Coronavirus umgestaltet
Als Reaktion auf die Notwendigkeit, schnell Milliarden Dosen lebensrettender COVID-19-Impfstoffe zu entwickeln, hat ein wissenschaftliches Team an der University of Texas in Austin erfolgreich ein Schlüsselprotein des Coronavirus neu entwickelt, und die Modifikation könnte weltweit eine wesentlich schnellere und stabilere Produktion von Impfstoffen ermöglichen.
Hierbei handelt es sich um eine 3D-Karte im atomaren Maßstab oder die Molekularstruktur von Hexapro, einer modifizierten Version des SARS-CoV-2-Spike-Proteins, die in einem Artikel in der Zeitschrift Science vom 23. Juli 2020 beschrieben wurde. Sechs Schlüsselmodifikationen, Prolin genannt, sind als rote und blaue Kugeln dargestellt und helfen dabei, das Protein in der Präfusions-Konformation, der Form, die es vor der Infektion einnimmt, einzuschließen.
University of Texas at Austin
Die meisten Coronavirus-Impfstoffkandidaten trainieren das menschliche Immunsystem, ein Schlüsselprotein auf der Oberfläche des SARS-CoV-2-Virus, das so genannte Spike-Protein, zu erkennen, um die Infektion zu bekämpfen. Forscher entwarfen eine neue Version dieses Proteins, das, wenn es in Zellen exprimiert wird, bis zu zehnmal mehr Protein produziert als ein früheres synthetisches Spike-Protein, das bereits in mehreren COVID-19-Impfstoffen verwendet wird. Zusammen mit Kollegen an den National Institutes of Health entwarfen mehrere Mitglieder des UT-Forschungsteams auch die frühere Version des Spike-Proteins, das in mindestens zwei COVID-19-Impfstoffkandidaten gefunden wurde, die sich derzeit in klinischen Studien in den USA befinden.
"Je nach Art des Impfstoffs könnte diese verbesserte Version des Proteins die Größe jeder Dosis verringern oder die Impfstoffproduktion beschleunigen", sagte Jason McLellan, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Molekulare Biowissenschaften und leitender Autor der Arbeit. "In jedem Fall könnte dies bedeuten, dass mehr Patienten schneller Zugang zu Impfstoffen erhalten.
Das neue Protein, HexaPro genannt, ist auch stabiler als die frühere Version des Spike-Proteins, was die Lagerung und den Transport erleichtern dürfte. Es behält seine Form auch unter Hitzestress, während der Lagerung bei Raumtemperatur und durch mehrmaliges Auftauen beim Einfrieren. Solche Eigenschaften sind bei einem robusten Impfstoff wünschenswert.
Die Bill & Melinda Gates Foundation hat durch einen Zuschuss zur Entwicklung der Technologie beigetragen, um Impfstoffe für Menschen in Ländern mit niedrigerem Einkommen zugänglich zu machen. Impfstoffunternehmen mit verschiedenen Plattformtechnologien werden in der Lage sein, COVID-Impfstoffe, die HexaPro verwenden, zu testen und weiterzuentwickeln. McLellan hat auch angedeutet, dass die Partner daran interessiert sind, den Zugang zu der Technologie auf Menschen in den Entwicklungsländern auszudehnen.
"Vier Milliarden Menschen, die in Entwicklungsländern leben, werden Zugang zu einem Impfstoff benötigen, so wie wir alle", sagte McLellan.
HexaPro könnte auch in COVID-19-Antikörpertests eingesetzt werden, bei denen es als Sonde fungieren würde, um das Vorhandensein von Antikörpern im Blut eines Patienten festzustellen und anzuzeigen, ob eine Person zuvor mit dem Virus infiziert war.
Die Erstautorin der Arbeit ist Ching-Lin Hsieh, eine Postdoc-Forscherin in McLellans Labor. Die korrespondierenden Autoren sind McLellan, Ilya Finkelstein, ein außerordentlicher Professor in der Abteilung für Molekulare Biowissenschaften, und Jennifer Maynard, eine Professorin an der Cockrell School of Engineering.
Die Originalversion des Spike-Proteins des Teams bildet die Grundlage von Impfstoffkandidaten, die sich derzeit in klinischen Studien am Menschen befinden, darunter die mRNA-1273 von Moderna und NVX-CoV2373 von Novavax.
Bei Impfstoffen auf Nukleinsäurebasis, die patienteneigene Zellen verwenden, um die viralen Proteine zu erzeugen, die eine Immunantwort auslösen, wie z.B. mRNA-1273, könnte dieses verbesserte Spike-Protein Versionen der nächsten Generation ermöglichen, die eine viel geringere Dosis benötigen, um die gleiche Immunantwort bei einem Patienten auszulösen. Für Subunit-Impfstoffe, die eine Version des eigentlichen Virusproteins als Antigen enthalten, wie NVX-CoV2373, könnten in der gleichen Zeit viel mehr Impfstoffdosen hergestellt werden. So oder so könnte dies vom Produktionsstandpunkt aus gesehen bedeuten, dass der Zugang zu lebensrettenden Impfstoffen beschleunigt wird.
Ausgehend von ihren Erfahrungen bei der Herstellung stabilisierter Proteine als Impfstoffe gegen MERS-CoV, das Coronavirus, das das Nahost-Atmungssyndrom verursacht, und andere Viren, identifizierten die Forscher 100 verschiedene Modifikationen des Spike-Proteins, die ihrer Meinung nach zu einer stabileren, höher exprimierten Version führen könnten. Als nächstes schufen sie 100 verschiedene Versionen des Proteins, indem sie die genetischen Baupläne für jede Version in eine andere Kultur menschlicher Zellen einfügten. Von diesen 100 Versionen des Spike-Proteins waren 26 stabiler oder hatten eine höhere Expression.
Die Forscher nahmen dann vier dieser vorteilhaften Modifikationen sowie zwei von ihrem ursprünglichen stabilisierten Spike-Protein und kombinierten sie zu HexaPro. Als sie die genetischen Baupläne für diese Version des Spike-Proteins in eine menschliche Zellkultur einfügten, produzierten die Zellen zehnmal so viel Protein wie ihr ursprüngliches Protein.
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