Mit 3D-Druckern lassen sich effizient technische Werkstoffe und medizinische Implantate herstellen. Diese Art von Produktion ist auch unter dem Namen Additive Fertigung bekannt.

Sollen die Produkte aus mehreren Materialien bestehen und mehrere Funktionen ausüben, gibt es aber noch Hürden zu nehmen – Materialeigenschaften müssen aufeinander abgestimmt, die Präzision der Bauteile gesteigert werden. Auch ist es bislang nicht möglich, die Qualität des Fertigungsprozesses schon während des Druckens zu kontrollieren.

Diese Herausforderungen geht ein neues Projekt an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) an, das mit Unterstützung bei der Erstellung des Projektantrages durch das Servicezentrum Forschung und Technologietransfer (SFT) eingereicht wurde. 

Das SFT berät Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der JMU bei der Beantragung von Mitteln aus den Europäischen Fonds EFRE und ESF. Die Bezeichnung EFRE bedeutet Europäischer Fonds für regionale Entwicklung, ESF steht für Europäischer Sozialfonds. Diese Fonds sind die wichtigsten Instrumente der EU zur Stärkung des wirtschaftlichen, sozialen und territorialen Zusammenhalts.

Geld für zwei wissenschaftliche Personalstellen

Das bayerische Wissenschaftsministerium fördert so Jürgen Grolls Projekt „Maßgeschneiderte Komponenten für die Additive Fertigung multimaterialer Produkte (für Technik und Klinik)“ aus EFRE-Mitteln mit rund 880.000 Euro. Das Vorhaben ist Anfang Mai 2023 an den Start gegangen und läuft vier Jahre; das Fördergeld wird für zwei wissenschaftliche Personalstellen eingesetzt. 

Projektleiter Professor Jürgen Groll ist Inhaber des Lehrstuhls für Funktionswerkstoffe der Medizin und der Zahnheilkunde. Sein Team will in Kooperation mit neun kleinen und mittleren Unternehmen Additive Fertigungstechnologien weiterentwickeln.

Worauf das EFRE-geförderte Projekt abzielt

Ein Ziel ist die Implementierung von Algorithmen des maschinellen Lernens, die beim 3D-Druck in Echtzeit Fertigungsfehler erkennen und ihnen sofort gegensteuern, indem sie die Druckparameter anpassen. Das Projektteam strebt auch die Kombination verschiedener Verfahren an, um die Herstellung bislang nicht druckbarer multifunktionaler Werkstücke möglich zu machen. Außerdem sollen für den 3D-Druck maßgeschneiderte neue Polymer- und Keramikwerkstoffe entwickelt werden.

Einsatzgebiete sind unter anderem patientenspezifische Implantate für Hart- und Weichgewebe, etwa im Bereich des Gesichtsschädels, wobei eingedruckte Fasergerüste der mechanischen Verstärkung des Bauteils dienen oder nach dem Herauslösen eine gerichtete Porenstruktur für das Einwachsen von Zellen liefern. Aber auch die Herstellung von Bioreaktoren, in denen die zellbeladenen Gerüste kultiviert werden, können individuell gefertigt werden.

Ein Technologietransfer auch in technische Applikationen, zum Beispiel der additiven Fertigung von porösen keramischen Membranen zu Filter- und Separationszwecken, wird angestrebt.

Beteiligte kleine und mittlere Unternehmen

• Bavaria Filaments, Freilassing
• BioCer Entwicklungs-GmbH, Bayreuth
• Curasan AG, Kleinostheim
• nanoplus Advanced Photonics Gerbrunn GmbH
• HuemmerSeidl GbR / NEROW, Rügheim
• Peter Brehm GmbH, Weisendorf
• ppPrint GmbH, Bayreuth
• TUTOGEN MEDICAL GmbH, Neunkirchen am Brand
• Ingenieurbüro Christian Reil (CR-3D), Cham

15 Jahre Expertise für Additive Fertigung

Am Würzburger Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe der Medizin und der Zahnheilkunde besteht eine mehr als 15-jährige Expertise in der Anwendung von 3D-Druck-Verfahren. 

Hier werden Additive Fertigungstechniken wie 3D-Pulverdruck, Digital light processing oder Stereolithographie verwendet, um Trägerstrukturen für Zellen, patientenspezifische keramische Implantate und Bioreaktoren für die Zellkultur zu fabrizieren. Der Lehrstuhl deckt die gesamte Fertigungskette ab: das Design der Strukturen, die Entwicklung von Materialien, die für den Druckvorgang maßgeschneidert sind, die Fertigung selbst sowie die Nachbehandlung zur Einstellung der gewünschten Materialeigenschaften.

Das EU-Förderprogramm EFRE

Das Förderprogramm EFRE der Europäischen Union unterstützt Projekte zum Technologietransfer zwischen Hochschulen und kleinen und mittleren Unternehmen (KMU). Forschende sollen die Unternehmen bei aktuellen Fragestellungen unterstützen – mit dem Ziel, weitere Innovationen in KMU anzuregen und diese auf einem sich entwickelnden Markt früh in eine Position als Technologieführer zu bringen.

Kontakt

Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe der Medizin und der Zahnheilkunde: https://www.fmz.uni-wuerzburg.de/ 

Pressemitteilung der Universität Würzburg vom 19. Juni 2023

Wer ein erhöhtes Blutungsrisiko hat, kann in verschiedenen medizinischen Situationen, wie etwa nach einer schweren Verletzung oder vor einer großen Operation, auf eine Blutplättchentransfusion angewiesen sein, um Blutungen oder einen übermäßigen Blutverlust zu verhindern. Vor allem Krebspatientinnen und -patienten sind auf Thrombozytenspenden angewiesen, da die Therapien die Blutzellenbildung häufig stören. Der demografischen Alterung und steigenden Zahl an Krebspatienten steht jedoch eine sinkende Verfügbarkeit von Blut- und Thrombozytenspenden gegenüber, was in Zukunft zu Engpässen bei der Transfusion von Thrombozytenkonzentraten führen dürfte. Dieses Ungleichgewicht stellt auch in Deutschland eine drängende Herausforderung für die Gesundheitssysteme dar.

Wie lässt sich die Blutplättchenproduktion verbessern?

Zoltan Nagy könnte mit seiner neuen Forschungsgruppe, deren Aufbau von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Emmy Noether-Programms mit mehr als 1,7 Millionen Euro gefördert wird, zur Lösung beitragen. Titel seines Forschungsvorhabens: Einzelzell-basierte Kartierung der Megakaryozytenentwicklung. Die Megakaryozyten gehören mit bis zu 0,1 mm zu den größten Zellen des menschlichen Organismus und sind für die Produktion der Blutplättchen verantwortlich. „Die effiziente Herstellung von Blutplättchen im Labor wird durch unser begrenztes Verständnis des Reifungsprozesses behindert, durch den sich Vorläuferzellen im Knochenmark in voll entwickelte Blutplättchen bildende Megakaryozyten verwandeln“, schildert Nagy die Ausgangslage. 

Und genau hier setzt Nagys neue Emmy-Noether-Forschungsgruppe an. Sie will die Schlüsselfaktoren und molekularen Mechanismen untersuchen, welche die Entwicklung der Megakaryozyten steuern. Dazu analysiert Nagy mit seinem Team, das derzeit aus zwei Doktoranden besteht, mittels Einzelzell-RNA-Sequenzierung die genetische Aktivität innerhalb einzelner Zellen in verschiedenen Reifungsstadien.

Darüber hinaus wollen die Nachwuchswissenschaftler durch Genmanipulationsexperimente in bestimmte Gene eingreifen, um deren Rolle bei der Reifung von Megakaryozyten zu beobachten und so potenzielle neue Angriffspunkte für Interventionen zur Verbesserung der Blutplättchenproduktion zu finden.

Megakaryozytenentwicklung im Knochenmark - außergewöhnliches Forschungsumfeld in Würzburg

„Ich bin meinen Kolleginnen und Kollegen sowohl auf nationaler als auch auf internationaler Ebene sehr dankbar für ihre unschätzbare Unterstützung und Zusammenarbeit, die wesentlich zum Erfolg dieses Förderantrags beigetragen hat", betont Zoltan Nagy. Der 38-Jährige fährt fort: „In Würzburg habe ich ein außergewöhnliches Forschungsumfeld mit zahlreichen vielversprechenden Möglichkeiten gefunden, die von großem Nutzen für den Fortschritt meines Forschungsprogramms sind. Dazu gehört das kürzlich gegründete hochmoderne Single-Cell-Center Würzburg des Helmholtz-Instituts für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI), das die Entwicklung unserer Methode mit einem Seed Grant unterstützt hat. Außerdem freue ich mich darauf, gemeinsam mit den Teams der Würzburger Thrombozytengruppe und des Rudolf-Virchow-Zentrums für Integrative und Translationale Bildgebung (RVZ) innovative Ansätze in der Megakaryozytenforschung zu entwickeln.“

Prof. Bernhard Nieswandt, Direktor des Instituts für Experimentelle Biomedizin des Universitätsklinikums Würzburg gratuliert Zoltan Nagy ganz herzlich zu seiner außergewöhnlichen Leistung und sagt: „Die Einwerbung des renommierten Emmy-Noether-Stipendiums zeigt die außergewöhnliche Qualität der Forschung von Dr. Nagy und unterstreicht das günstige Umfeld der Würzburg Platelet Group, in dem sich talentierte junge Wissenschaftler entfalten können.“

Über Zoltan Nagy: Neue Grenzen in der Megakaryozytenforschung erschließen

Nach seinem Biologiestudium im Szeged, Ungarn, begann Zoltan Nagy ein Praktikum bei der Würzburg Platelet Group, wo seine Faszination an Blutplättchen geweckt wurde. Er schloss seinen PhD am University College Dublin, Irland, unter der Leitung von Dr. Albert Smolenski ab. Während seiner Postdoc-Ausbildung im Labor von Prof. Yotis Senis an der Universität Birmingham, Großbritannien, führte Dr. Zoltan Nagy innovative Forschungsarbeiten zur Biologie der Blutplättchen und Megakaryozyten durch, die zu bedeutenden Fortschritten auf diesem Gebiet beigetragen haben. Er konzentrierte sich auf Proteine, die eine zentrale Rolle bei der Produktion und Funktion von Blutplättchen spielen, und führte fortschrittliche Methoden zur Untersuchung dieser Zellen ein.

Im Jahr 2019 wechselte Nagy in die Arbeitsgruppe von Prof. Bernhard Nieswandt an der Universität Würzburg und begann mit Unterstützung der PostDoc-Plus-Förderung der Graduate School of Life Sciences mit dem Aufbau eines eigenständigen Forschungsprogramms zu Megakaryozyten. Seine Forschungsaktivitäten weiteten sich weiter aus, als er 2021 die Rolle des Projektleiters im DFG-geförderten Transregio/Sonderforschungsbereich 240 „Platelets“ übernahm, wo er maßgeblich zur Etablierung von Einzelzell-RNA-Sequenzierungsmethoden zur Untersuchung von Megakaryozyten beitrug. Diese Entwicklungen und Fortschritte bilden die solide Grundlage für sein aktuelles Programm.

PDF der Pressemitteilung in englischer Sprache.

Jedes Jahr erhalten allein in Deutschland rund 7.000 Menschen die Diagnose Multiples Myelom. Dauerhaft geheilt werden kann diese Krebserkrankung, die von veränderten Plasmazellen im Knochenmark ausgeht, noch nicht. Denn auch nach vermeintlich erfolgreicher Therapie müssen die Betroffenen immer mit einem Rezidiv rechnen. Als große Hoffnungsträger gelten Immuntherapien mit Antikörpern oder Gen-manipulierten T-Zellen, den so genannten CAR-T-Zellen. Prof. Dr. Hermann Einsele, Direktor der Medizinischen Klinik und Poliklinik II des Universitätsklinikums Würzburg und Sprecher des neu gegründeten NCT WERA, hat eine internationale Studie mitkonzipiert und entwickelt, die jetzt erstmals in randomisierter Form eine Überlegenheit der CAR-T-Zelltherapie gegenüber einer konventionellen Behandlung beim fortgeschrittenen Multiplen Myelom (in der 2. und 4. Therapielinie) gezeigt hat. Die Ergebnisse wurden im New England Journal of Medicine (doi: 10.1056/NEJMoa2303379) veröffentlicht und gerade auf dem europäischen Hämatologen-Kongress in Frankfurt (European Hematology Congress EHA 2023) als Meilenstein in der Myelom-Therapie bewertet.

Patienten, die auf Lenalidomid refraktär waren, profitierten von einmaliger Cilta-Cel-Infusion

In der Phase-3-Studie CARTITUDE-4 wurden Patientinnen und Patienten mit einem Lenalidomid-refraktären Multiplen Myelom entweder mit der CAR-T-Zelltherapie Ciltacabtagene Autoleucel, kurz Cilta-Cel, oder mit einer wirksamen Standardtherapie nach Wahl des Behandelnden therapiert. „Der Einsatz von Lenalidomid ist als Frühtherapie und auch als Erhaltungstherapie weit verbreitet“, erläutert Hermann Einsele. „Jedoch entwickeln die Betroffenen häufig eine Resistenz gegen den Immunmodulator, sodass sie auf diese Therapie nicht mehr ansprechen. Bei Patienten mit einer Lenalidomid-refraktären Erkrankung ist die Prognose extrem ungünstig, das mediane erkrankungsfreie Überleben bei bisherigen Therapien liegt bei unter zwölf Monaten. Daher besteht ein dringender Bedarf an neuen, frühzeitig wirksamen Therapien.“

Geringeres Risiko für Fortschreiten des Multiplen Myeloms oder Tod

In früheren Studien wurde bereits gezeigt, dass die chimäre Antigenrezeptor-T-Zell-Therapie Cilta-Cel, die gegen das B-Zell-Reifungsantigen (BCMA) gerichtet ist, bei Personen mit rezidiviertem oder refraktärem Multiplem Myelom zu einem frühen langanhaltendem tiefen Ansprechen führt. „Im direkten Vergleich mit der Standardbehandlung konnten wir nun zeigen, dass die CAR-T-Zell-Therapie mit einer einzelnen Cilta-Cel-Infusion zu einem deutlich geringeren Risiko für ein Fortschreiten der Erkrankung oder den Tod führt“, freut sich Hermann Einsele, der bei der Studie als Letztautor fungiert. 

Insgesamt wurden für die Phase-3-Studie 419 Patientinnen und Patienten randomisiert, 208 Personen erhielten die Behandlung mit Cilta-Cel und 211 die Standardtherapie. In der Intention-to-treat-Analyse betrug das progressionsfreie Überleben nach zwölf Monaten in der Cilta-Cel-Gruppe 75,9 % und in der Standardbehandlungsgruppe 48,6 %. In der Cilta-Cel-Gruppe wiesen außerdem mehr Personen als in der Standardbehandlungsgruppe ein Gesamtansprechen (84,6 % gegenüber 67,3 %), ein vollständiges Ansprechen oder besser (73,1 % gegenüber 21,8 %) und keine minimale Resterkrankung (60,6 % gegenüber 15,6 %) auf. Noch beeindruckender war die Per-Protokoll-Analyse der Patienten, welche tatsächlich mit einer CAR-T-Zell-Infusion behandelt wurden: Die Ansprechrate betrug 99,4 % - das heißt: nur 1 von 176 behandelten Patienten sprach nicht an. 86 % der Patienten konnten eine komplette Remission erreichen und 90 % waren nach zwölf Monaten noch krankheitsfrei.

Hoffnung auf längere Krankheitsfreiheit und Heilungsoptionen durch frühe Anwendung

„Die bisherigen Ergebnisse mit der CAR-T-Zell-Therapie beim Multiplen Myelom – nach 6 Linien Vorbehandlung ein krankheitsfreies Überleben von 34.9 Monaten – lassen erhoffen und vermuten, dass die hier erfolgte frühere Anwendung nach 1 bis 3 Vortherapien bei dem exzellenten Ansprechen noch deutlich längere Krankheitsfreiheit und sogar Heilungsoptionen eröffnet“, resümiert Hermann Einsele.

Die Hentschel-Stiftung mit Sitz in Würzburg fördert die Schlaganfallforschung, um die Behandlung der Betroffenen zu verbessern. Die Hentschel-Stiftung schreibt hierzu erneut deutschland-weit für eine herausragende Doktorarbeit oder eine hochrangige wissenschaftliche Publikation zum Thema „Schlaganfall“ einer jungen Wissenschaftlerin/eines jungen Wissenschaftlers den

Hentschel-Preis 2023

aus.

Der Preis ist mit 5.000 € dotiert und kann geteilt werden. Der Preis soll an jüngere Wissenschaftler/innen (Altersgrenze 40 Jahre) verliehen werden, die herausragende Leistungen in der Schlaganfallforschung aufzuweisen haben.

Förderungswürdig sind Arbeiten aus der Grundlagenforschung, der klinischen Forschung sowie aus der Versorgungsforschung. Die Arbeit muss in deutscher oder englischer Sprache verfasst sein. Die Preisvergabe erfolgt gemäß einer Entscheidung des Vorstands der Hentschel-Stiftung Würzburg im Rahmen des 8. Würzburger Schlaganfallsymposiums, das am 26.10.2023 stattfinden wird.

Bewerbungen sollten die betreffende Arbeit, einen Lebenslauf mit Lichtbild und ein Schriftenverzeichnis umfassen und in fünffacher Ausfertigung bis zum 01.08.2023 postalisch geschickt werden an:

Prof. Dr. Jens Volkmann

Direktor der Neurologischen Klinik und Poliklinik
Universitätsklinikum Würzburg
Josef-Schneider-Str. 11
D - 97080 Würzburg

Informationen zur Stiftung finden sie unter:

www.hentschel-stiftung.de  

Nicht alle Menschen reagieren gleich auf denselben Infektionserreger: Manche erkranken sehr schwer, andere nur leicht, wieder andere womöglich gar nicht.

Für diese Variabilität gibt es viele verschiedene Ursachen. Ein wichtiger Grund ist, dass sich das Erbgut verschiedener Menschen voneinander unterscheidet. So können zum Beispiel im Genom einzelne Bausteine ausgetauscht sein – Fachleute sprechen in diesem Fall von Einzelnukleotid-Polymorphismen (single nucleotide polymorphisms, SNPs).

Wie beeinflussen solche kleinsten genetischen Unterschiede zwischen verschiedenen Menschen die Aktivierung des Immunsystems? Das haben Forschende aus Jena, Marburg und Würzburg in einer neuen Studie analysiert, die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht ist.

Die Federführung der Studie lag bei den Professoren Oliver Kurzai (Universität Würzburg / Leibniz-HKI) und Johannes Schumacher (Universität Marburg). Erstautor:innen sind Antje Häder und Dr. Sascha Schäuble, beide vom Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie (Leibniz-HKI). Oliver Kurzai leitet am Leibniz-HKI eine Forschungsgruppe sowie das Nationale Referenzzentrum für Invasive Pilzinfektionen.

Mindestens 745 reQTLs in Monozyten gefunden

SNPs, die in Abhängigkeit von Bakterien oder Pilzen die Antwort der Zelle beeinflussen, nennt man reQTLs (response expression quantitative trait loci, reQTLs). Alleine in einem bestimmten Typus von Immunzellen, den Monozyten, identifizierte das Forschungsteam bei 215 Testpersonen mindestens 745 reQTLs, die die Aktivierung dieser Zellen beeinflussen, nachdem diese Kontakt mit Bakterien oder Pilzen hatten.

Der Einfluss ist komplex und variiert je nach Erreger. Einige reQTLs beeinflussen eher die Antwort auf bakterielle Erreger, andere eher die Antwort auf den Schimmelpilz Aspergillus fumigatus. Unter den aktivierten Genen, die durch reQTLs reguliert werden, sind insbesondere auch Gene, die zentrale immunlogische Zellfunktionen steuern. Die in der Studie gefundenen reQTLs könnten auch mit anderen Erkrankungen in Zusammenhang stehen, wie Krebs, Autoimmunität, Entzündungs- und Infektionskrankheiten.

Basiswissen für eine personalisierte Infektionsmedizin

„Unsere Studie leistet einen wichtigen Beitrag, um besser zu verstehen, wie der genetische Hintergrund einer Patientin oder eines Patienten die Auseinandersetzung mit Infektionserregern beeinflusst“, sagt Professor Oliver Kurzai. „Darüber müssen wir noch viel mehr lernen, wenn wir bei der Behandlung von Infektionskrankheiten einmal zu einer personalisierten Medizin kommen wollen, wie sie in der Krebstherapie schon länger etabliert ist – also zu einer Behandlung, die individuell auf jeden einzelnen Patienten und jede einzelne Patientin abgestimmt ist.“

Doch die neuen Daten zeigen auch, wie kompliziert eine klinische Umsetzung sein wird: „Für jeden Erreger scheint es andere genetische Marker zu geben, die die Immunantwort des Menschen regulieren – es bleibt also noch viel zu tun!“

Publikation

Häder, A., Schäuble, S., Gehlen, J. et al. Pathogen-specific innate immune response patterns are distinctly affected by genetic diversity. Nature Communications 14, 3239 (2023). Open Access: https://doi.org/10.1038/s41467-023-38994-5 

Kontakt

Prof. Dr. Oliver Kurzai, Institut für Hygiene und Mikrobiologie, Universität Würzburg, T +49 931 31-46160, oliver.kurzai@ uni-wuerzburg.de 

Prof. Dr. Johannes Schumacher, Institut für Humangenetik, Universität Marburg, T +49 6421 58-66232, johannes.schumacher@ uni-marburg.de 

einBlick - Das Online-Magazin der Universität Würzburg vom 13.06.2023

Dr. Markus Diefenbacher ist Gruppenleiter am Mildred-Scheel-Nachwuchszentrum für Krebsforschung (MSNZ) der Universität Würzburg und des Universitätsklinikums Würzburg. Mit Wirkung vom 1. Juni 2023 wurde er als Associated Editor des Fachjournals Oncogene der Nature Publishing Group nominiert.

Als einziger deutscher Wissenschaftler wird Diefenbacher in den kommenden drei Jahren das renommierte Journal vertreten. Die Ernennung kommt einer Auszeichnung für seine Forschungsarbeiten über den Einfluss des Ubiquitin-Systems auf die Tumorentwicklung gleich.

„Oncogene hat sich einen ausgezeichneten Ruf in der Tumorforschung erworben, und ich fühle mich geehrt, als Associated Editor Teil dieses renommierten Journals zu sein“, sagt der Würzburger Wissenschaftler. Die Fachzeitschrift ist eine der weltweit führenden Publikationen für Krebsforschung. Sie fokussiert sich auf die zelluläre und molekulare Biologie von Krebs, die Resistenz gegen Krebstherapien und die Entwicklung von neuen Ansätzen zur Verbesserung der Überlebenschancen.

Die Tätigkeit als Associated Editor

In seiner Funktion als Associated Editor tritt Markus Diefenbacher als Botschafter des Journals auf. Er evaluiert Manuskripte und benennt Gutachterinnen und Gutachter für die Evaluierung nach dem Peer-Review Prinzip. Zudem gestaltet er aktiv die Ausrichtung und Schwerpunktsetzung des Journals mit.

„Die Wahl von Markus Diefenbacher durch Oncogene zeigt, dass er und das Thema seiner Arbeiten international wahrgenommen und als relevant für die onkologische Forschung eingeschätzt werden. Die Ernennung ist ein persönlicher Erfolg für ihn, aber auch für das MSNZ-Programm der Deutschen Krebshilfe, das sich die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses in der Onkologie auf die Fahnen geschrieben hat“, freut sich Dr. Martin Czolbe, wissenschaftlicher Koordinator des MSNZ.

Werdegang des Wissenschaftlers

Markus Diefenbacher, ein gebürtiger Karlsruher, promovierte im Fach Genetik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Auf das Thema Tumorforschung spezialisierte er sich während seiner Arbeiten als Postdoc am Cancer Research UK London Research Institut (CRUK-LRI) und am The Francis Crick Institute London.

Seit seinem Wechsel nach Würzburg 2015 hat seine Arbeitsgruppe internationales Renommee für die Entwicklung von neuen translationalen in-vivo-Modellen sowie von Organoiden erworben, die als präklinische Testplattformen zur Erprobung neuer Therapeutika Verwendung finden.

Quelle: https://www.nature.com/onc/editors 

Kontakt

Dr. Markus Diefenbacher, Mildred-Scheel-Nachwuchszentrum für Krebsforschung (MSNZ) Würzburg, T +49 931 31-88167, markus.diefenbacher@ uni-wuerzburg.de 

Webseite Dr. Markus Diefenbacher: www.diefenbacher-lab.com 

einBlick - Das Online-Magazin der Universität Würzburg vom 13.06.2023

In Europa ist die im Jahr 2020 vom Coronavirus SARS-CoV-2 ausgelöste Pandemie inzwischen weitgehend unter Kontrolle. Doch warum sich dieses Virus so effizient ausbreiten kann, ist immer noch unklar. Ein Forschungsteam um Simone Backes, Gerti Beliu und Markus Sauer  der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) hat nun in einer Veröffentlichung in der „Angewandte Chemie“ gezeigt, dass einige bisherige Annahmen neu überdacht werden müssen.

So bindet das Virus nicht mit mehreren Oberflächenproteinen gleichzeitig an mehrere Rezeptoren der zu infizierenden Zelle. Diese Vermutung war bislang ein Erklärungsversuch, wie die Viren ihre Infektiosität erhöhen. Die Bindung an einen einzelnen Rezeptor führt auch nicht dazu, dass in der Folge weitere Rezeptoren an das Virus andocken. Die Würzburger Forschungsgruppe lieferte nun den Beweis, dass ein einziges Virus an einen einzigen Rezeptor bindet und so die Tür für eine hoch effiziente Infektion öffnet.

Worüber bisher nur spekuliert werden konnte

SARS-CoV-2 trägt durchschnittlich 20 - 40 stachelähnliche Spike-Proteine auf seiner Oberfläche. Mit diesen bindet es sich an ACE2-Rezeptoren in der Membran seiner Zielzellen, zum Beispiel in der Nase und im Rachen des Menschen. Werden diese Rezeptoren mit Antikörpern blockiert, kann die Zelle nicht mehr infiziert werden. „Dies legt nahe, dass die Bindung des Virus an den ACE2-Rezeptor der entscheidende Schritt der Infektion ist“, erklärt Sauer.

Die ACE2-Rezeptoren und ihre Interaktion mit den viralen Spike-Proteinen mikroskopisch sichtbar zu machen, war bisher nicht möglich. Daher blieb Vieles der Spekulation überlassen – etwa die Frage, ob die Viren mit mehreren Spikes an mehrere Rezeptoren binden, um den Eintritt in die Zelle zu erleichtern.

Es wurde auch für wahrscheinlich gehalten, dass die Rezeptoren in der Membran nicht einzeln, sondern paarweise oder in Dreiergruppen vorliegen, um somit effizienter an die trimerischen Spike-Proteine zu binden. Oder dass sie erst nach der Bindung an ein Spike-Protein zu solchen Gruppen zusammengeführt werden. Beides hängt stark von der Dichte der ACE2-Rezeptoren in der Membran ab.

Super-Resolution-Mikroskopie brachte Durchblick

Hier wollten die Würzburger Forschenden Klarheit schaffen: Sie markierten Antikörper mit Farbstoffen, um die Rezeptoren sichtbar und zählbar zu machen. Dazu nutzen sie verschiedene Zelllinien, die als Modellsysteme für die SARS-CoV-Infektion verwendet werden, und die in der Arbeitsgruppe von Markus Sauer entwickelte einzelmolekülempfindliche Super-Resolution-Mikroskopie-Methode dSTORM.

Es zeigte sich, dass zum Beispiel Vero-Zellen, die oft als Modell für eine Infektion mit SARS-CoV-2 verwendet werden, nur einen bis zwei ACE2-Rezeptoren pro Quadratmikrometer Zellmembran aufweisen. Das ist sehr wenig: „Bei anderen Membranrezeptoren liegt diese Zahl oftmals zwischen 30 und 80“, so Sauer weiter.

„Der mittlere Abstand zwischen benachbarten ACE2-Rezeptoren beträgt circa 500 Nanometer. Er ist damit wesentlich größer als ein Viruspartikel, das nur 100 Nanometer durchmisst“, sagt Backes. Die Vorstellung, dass ein Viruspartikel mit mehreren Spike-Proteinen gleichzeitig an mehrere Rezeptoren binden kann, sei daher sehr unwahrscheinlich, fügt sie hinzu.

ACE2-Rezeptoren sind immer einzeln

Die nächste offene Frage: Liegen die Rezeptoren auch als Paare oder Dreiergruppen in der Membran vor? „Nein. Sie kommen dort ausschließlich einzeln vor. Und das bleibt auch so, wenn ein virales Spike-Protein an sie gebunden hat“, sagt Beliu, Gruppenleiter am Rudolf-Virchow-Zentrum. Für eine Infektion reiche es aus, wenn ein einziger Spike an einen einzigen Rezeptor bindet.

Mit diesen Ergebnissen konnte das JMU-Team viele ursprünglich aufgestellten Hypothesen zur Interaktion viraler Partikel mit mehreren ACE2-Rezeptoren widerlegen. Es zeigte auch, dass Wirtszellen mit einer höheren ACE2-Expression erwartungsgemäß leichter infiziert werden. Aber auch die Lipidzusammensetzung der Membran und weitere Faktoren beeinflussen die Infektionseffizienz.

Das JMU-Team will möglichst viel Detailwissen über den Zelleintrittsmechanismus von Coronaviren sammeln, um den Infektionsvorgang besser zu verstehen. Dies könnte letztlich zu einer besseren Prävention und zur Entwicklung besserer Medikamente gegen COVID-19 beitragen. Als nächstes wollen die Würzburger Forscher den Eintrittsmechanismus mit hochauflösender Lichtblatt-Mikroskopie analysieren.

Förderung

Die beschriebenen Arbeiten wurden vom Europäischen Forschungsrat, der Deutschen Forschungsgemeinschaft und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.

Publikation

Coronaviruses Use ACE2 Monomers as Entry-Receptors. Patrick Eiring, Teresa Klein, Simone Backes, Marcel Streit, Marvin Jungblut, Sören Doose, Gerti Beliu, Markus Sauer, Angewandte Chemie International Edition, e202300821, 27. März 2023, https://doi.org/10.1002/anie.202300821  

Kontakt

Prof. Dr. Markus Sauer, Rudolf Virchow Center - Center for Integrative and Translational Bioimaging und Lehrstuhl für Biotechnologie und Biophysik, Biozentrum, University Würzburg, Germany +49 931 31-88687, m.sauer@ uni-wuerzburg.de

Dr. Gerti Beliu, Rudolf Virchow Center - Center for Integrative and Translational Bioimaging, University Würzburg, Germany, +49 931 31-89733, gerti.beliu@uni-wuerzburg.de Dr. Simone Backes, Institute for Virology and Immunbiology, University Würzburg, simone.backes@ uni-wuerzburg.de

Dr. Daniela Diefenbacher, Pressestelle, Rudolf Virchow Center - Center for Integrative and Translational Bioimaging, University Würzburg, +49 931 31-88631, daniela.diefenbacher@ uni-wuerzburg.de 

einBlick - Das Online-Magazin der Universität Würzburg vom 13.06.2023