Hittills, det finns inga effektiva motgifter mot de flesta virusinfektioner. Ett tvärvetenskapligt forskarlag vid Tekniska universitetet i München (TUM) har nu utvecklat ett nytt tillvägagångssätt:de uppslukar och neutraliserar virus med nanokapslar skräddarsydda av genetiskt material med hjälp av DNA-origamimetoden. Strategin har redan testats mot hepatit och adeno-associerade virus i cellkulturer. Det kan också visa sig vara framgångsrikt mot coronavirus.

Det finns antibiotika mot farliga bakterier, men få motgift för att behandla akuta virusinfektioner. Vissa infektioner kan förebyggas genom vaccination, men att utveckla nya vacciner är en lång och mödosam process.

Nu ett tvärvetenskapligt forskarlag från Münchens tekniska universitet, Helmholtz Zentrum München och Brandeis University (USA) föreslår en ny strategi för behandling av akuta virusinfektioner:Teamet har utvecklat nanostrukturer gjorda av DNA, ämnet som utgör vårt genetiska material, som kan fånga virus och göra dem ofarliga.

DNA nanostrukturer

Redan innan den nya varianten av coronaviruset satte världen på is, Hendrik Dietz, Professor i biomolekylär nanoteknik vid fysikavdelningen vid Münchens tekniska universitet, och hans team arbetade med konstruktionen av virusstora objekt som sätter ihop sig själva.

1962, biologen Donald Caspar och biofysikern Aaron Klug upptäckte de geometriska principerna enligt vilka proteinhöljena hos virus är uppbyggda. Baserat på dessa geometriska specifikationer, teamet kring Hendrik Dietz vid Münchens tekniska universitet, med stöd av Seth Fraden och Michael Hagan från Brandeis University i USA, utvecklat ett koncept som gjorde det möjligt att framställa konstgjorda ihåliga kroppar lika stora som ett virus.

Sommaren 2019, teamet frågade om sådana ihåliga kroppar också kunde användas som en slags "virusfälla". Om de skulle vara fodrade med virusbindande molekyler på insidan, de ska kunna binda virus tätt och därmed kunna ta dem ur cirkulationen. För detta, dock, de ihåliga kropparna skulle också behöva ha tillräckligt stora öppningar genom vilka virus kan ta sig in i skalen.

"Inget av objekten som vi byggde med hjälp av DNA-origami-teknik vid den tiden skulle ha kunnat uppsluka ett helt virus - de var helt enkelt för små, " säger Hendrik Dietz i efterhand. "Att bygga stabila ihåliga kroppar av den här storleken var en enorm utmaning."

Satsen för en virusfälla

Med utgångspunkt från den grundläggande geometriska formen av icosahedron, ett föremål som består av 20 triangulära ytor, teamet bestämde sig för att bygga de ihåliga kropparna för virusfällan från tredimensionella, triangulära plattor.

För att DNA-plattorna ska monteras till större geometriska strukturer, kanterna måste vara något avfasade. Rätt val och placering av bindpunkter på kanterna säkerställer att panelerna självmonteras till önskade föremål.

"På det här sättet, vi kan nu programmera formen och storleken på de önskade objekten med hjälp av den exakta formen på de triangulära plattorna, ", säger Hendrik Dietz. "Vi kan nu producera föremål med upp till 180 subenheter och uppnå en avkastning på upp till 95 procent. Vägen dit var, dock, ganska stenigt, med många iterationer."

Virus blockeras tillförlitligt

Genom att variera bindningspunkterna på trianglarnas kanter, teamets forskare kan inte bara skapa slutna ihåliga sfärer, men även sfärer med öppningar eller halvskal. Dessa kan sedan användas som virusfällor.

I samarbete med prof. Ulrike Protzers team, chef för Institutet för Virologi vid TUM och chef för Institutet för Virologi vid Helmholtz Zentrum München, teamet testade virusfällorna på adenoassocierade virus och hepatit B-viruskärnor.

"Även ett enkelt halvskal av rätt storlek visar en mätbar minskning av virusaktivitet, " säger Hendrik Dietz. "Om vi ​​sätter fem bindningsställen för viruset på insidan, till exempel lämpliga antikroppar, vi kan redan blockera viruset med 80 procent, om vi införlivar fler, vi uppnår fullständig blockering."

För att förhindra att DNA-partiklarna omedelbart bryts ned i kroppsvätskor, teamet bestrålade de färdiga byggstenarna med UV-ljus och behandlade utsidan med polyetylenglykol och oligolysin. Partiklarna var således stabila i musserum under 24 timmar.

En universell konstruktionsprincip

Nu är nästa steg att testa byggstenarna på levande möss. "Vi är mycket övertygade om att detta material också kommer att tolereras väl av människokroppen, säger Dietz.

"Bakterier har en ämnesomsättning. Vi kan attackera dem på olika sätt, " säger prof. Ulrike Protzer. "Virus, å andra sidan, inte har sin egen ämnesomsättning, vilket är anledningen till att antivirala läkemedel nästan alltid riktas mot ett specifikt enzym i ett enda virus. En sådan utveckling tar tid. Om idén att helt enkelt mekaniskt eliminera virus kan förverkligas, detta skulle vara allmänt tillämpligt och därmed ett viktigt genombrott, speciellt för nya virus.

Utgångsmaterialen till virusfällorna kan masstillverkas biotekniskt till en rimlig kostnad. "Utöver den föreslagna applikationen som en virusfälla, vårt programmerbara system skapar också andra möjligheter, " säger Hendrik Dietz. "Det skulle också vara tänkbart att använda det som en multivalent antigenbärare för vaccinationer, som en DNA- eller RNA-bärare för genterapi eller som ett transportmedel för läkemedel."