HIV-Heilung made in Hamburg?

Verfasst von Emily Locke

Die Heilung von HIV/AIDS ist noch immer eine der großen medizinischen Herausforderungen unserer Zeit – doch nun bietet sich zum ersten Mal die Chance, das tödliche Virus weltweit auszurotten! Das Start-Up-Unternehmen PROVIREX hat eine neue Technologie zur Genom-Editierung infizierter Zellen entwickelt, mit deren Hilfe das Erbgut des Erregers fehlerfrei entfernt werden kann. Diese Innovation bietet erstmals ein Werkzeug, mit welchem betroffene Patientenzellen dauerhaft und präzise von HIV befreit werden können. Und wo liegt der Ursprung dieses unglaublichen medizinischen Durchbruchs? Nirgendwo anders als in Hamburg, Biomols Heimatstadt! Hier entsteht nun ein neues Zentrum zur Entwicklung von Therapien für schwere Infektionskrankheiten, wie eben HIV, für welches das Biotech-Unternehmen PROVIREX momentan entsprechende Speziallabore in Bahrenfeld errichtet [1]. Dieser Therapie-Hub wird nicht nur die klinische Weiterentwicklung und wirtschaftliche Verwendung der neuen Genom-Editierungstechnologie ermöglichen, sondern auch die Freie und Hansestadt Hamburg im Bereich der modernen Biomedizin europaweit in eine Führungsposition bringen!

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Diese Themen warten auf Sie:

1) HIV – ein bisher unbezwingbares Virus

2) Aus einem Virus werden viele – der Replikationszyklus von HIV

3) Das Virus ist in der Zelle angekommen – was jetzt?

4) Der meist tödliche Verlauf einer HIV-Infektion

5) Die Tücken im Kampf gegen das HI-Virus

6) Ein Hoffnungsschimmer: Neue Genom-Editierungstechnologie aus Hamburg

7) Die nächsten Schritte auf dem Weg zur HIV-Heilung

HIV – ein bisher unbezwingbares Virus

„Die tödliche Seuche AIDS“ – so lautete die im Juni 1983 erschienene Schlagzeile vom SPIEGEL. Doch auch heute noch fordert das humane Immundefizienz-Virus (HIV) Tausende von Toten. Alleine im Jahr 2021 lebten 38,4 Millionen Menschen mit HIV, von denen 650.000 schließlich an AIDS, dem vom HI-Virus hervorgerufenen acquired immunodeficiency syndrome, starben [2]. Der Erreger wird durch Kontakt mit Körperflüssigkeiten wie Blut, Sperma, Vaginalsekret und der Muttermilch übertragen, wobei der häufigste Infektionsweg Anal- oder Vaginalverkehr ohne Verwendung von Kondomen ist. Weitere gängige Infektionsarten stellen die Benutzung kontaminierter Spritzen beim intravenösen Drogenkonsum und die Übertragung auf das Kind durch eine HIV-infizierte Mutter während der Schwangerschaft oder beim Stillen dar [3].

Das HI-Virus stammt aus der Familie der Retroviren. Es sind zwei verschiedene Spezies behüllter Viren bekannt: HIV Typ I und Typ II. Ein Virion hat einen Durchmesser von etwa 100 bis 120 nm und ist damit für ein Virus überdurchschnittlich groß. Im Kapsid befinden sich die für den Viruspartikel überlebenswichtigen Enzyme und akzessorischen Proteine. Für den Replikationszyklus (s. Abb. 1) besonders bedeutend sind dabei die Reverse Transkriptase, Integrase und Protease [4].

Aus einem Virus werden viele – der Replikationszyklus von HIV

HIV vermehrt sich prinzipiell wie jedes andere Retrovirus – doch die Besonderheit dieses Erregers liegt in der Art der Zellen, die er infiziert. Das Virus benötigt nämlich für die Vermehrung Wirtszellen, die den CD4-Rezeptor auf der Oberfläche exprimieren (CD4⁺-Zellen). Jeder Immunologe wird wissen, dass dazu insbesondere die T-Helferzellen zählen. Diese unterstützen andere weiße Blutzellen bei wichtigen immunbiologischen Prozessen, wie beispielsweise die Aktivierung zytotoxischer T-Lymphozyten sowie die Reifung der B-Lymphozyten zu Plasma- und Gedächtniszellen. Infizierte, ruhende CD4⁺-Zellen sind der Grund dafür, dass HIV bisher nicht ausgerottet werden konnte und es nach dem Absetzen einer Therapie mit antiretroviralen Medikamenten oftmals zu Rückfällen kommt.

Vermehren kann sich HIV, wie jedes andere Virus auch, nur mit Hilfe eines Wirtes. Dazu fusioniert die Virushülle zunächst mit der zu infizierenden Zelle. Dies geschieht über die Bindung der viralen Oberflächenproteine GP41 und GP120 an die CD4-Rezeptoren des Wirts, woraufhin es zu einer Konformationsänderung im Transmembranprotein GP41 kommt. Dieser oftmals als „Schnappfedermechanismus“ bezeichnete Prozess verschmilzt die virale und zelluläre Membran miteinander und ermöglicht dadurch die Freisetzung der Erbinformation sowie der Proteine des HI-Virus in das Zellplasma (Abb. 1) [5]. Neben dem CD4-Rezeptor gibt es auch weitere Co-Rezeptoren, die an der Bindung des Virus beteiligt sind: Die Chemokin-Rezeptoren CCR5 und CXCR4. Unterschiede in der Ausprägung dieser Rezeptoren beeinflussen die Ansteckungswahrscheinlichkeit sowie den Verlauf einer HIV-Infektion [6].

Abbildung 1: Replikationszyklus von HIV. Die Bindung an die Wirtszelle stellt den ersten Schritt der Infektion dar. Sie erfolgt unter anderem über das Hüllenprotein gp120 des HI-Virus. Durch eine Clathrin-vermittelte Endozytose gelangt das Virus in die Zelle, wo es seine virale RNA freisetzt. Diese wird mit Hilfe der Virus-eigenen Reversen Transkriptase in cDNA umgeschrieben, welche anschließend in das Wirtsgenom integriert wird. Mittels der Proteinbiosynthese-Maschinerie der Wirtszelle werden neue Viruspartikel hergestellt und neue Viren aufgebaut. Im letzten Schritt erfolgt dann die Freisetzung der neuen Viren (Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:HIV-replication-cycle-de.svg). 

Der meist tödliche Verlauf einer HIV-Infektion

Auf diese Weise breitet sich das Virus immer weiter im Körper aus – doch wie verläuft eine typische Infektion eigentlich? Zunächst kommt es meist nach einer Inkubationszeit von etwa drei bis sechs Wochen zu einer akuten Infektion (Abb. 2). Damit gehen Symptome wie Fieber, Abgeschlagenheit und Kopfschmerzen einher – Infizierten geht also ähnlich wie bei einem grippalen Infekt [8]. Das ist auch der Grund, weshalb eine akute HIV-Infektion leider meist unerkannt bleibt. 

Die daraus resultierende fehlende Behandlung hat zur Folge, dass die Infektion in die latente Phase übergeht. Diese dauert meist mehrere Jahre und ist nicht von schwerwiegenden körperlichen Symptomen begleitet. Trotzdem werden die CD4⁺-T-Helferzellen des Körpers kontinuierlich zerstört, wodurch das Immunsystem geschwächt wird. Gleichzeitig steigt die Zahl der Kopien viraler RNA kontinuierlich an. Ein Nicht-Behandeln der Infektion führt zu einem weiteren gravierenden Abfall der Zahl an CD4⁺-Zellen und zu einer massiven Zunahme der Menge an Virus-RNA. Der Verlauf endet schließlich in einem schweren Immundefekt, der dann als AIDS bezeichnet wird (Abb. 2). Dadurch kann es zu opportunistischen Erkrankungen, zum Kaposi-Sarkom, zu malignen Lymphomen und meist schlussendlich zum Tod des Patienten kommen [9]. 

Abbildung 2: Verlauf einer typischen HIV-Infektion. Nach der Infektion mit dem HI-Virus nimmt die Zahl der CD4⁺-Helferzellen stark ab. Die erste Phase der Infektion wird als akute Phase bezeichnet, in der die Viruslast auch den ersten Hochpunkt erreicht. Nach etwa neun Wochen beginnt die mehrere Jahre dauernde Latenzzeit, die meistens ohne schwerwiegende Symptome verläuft. Durch die kontinuierliche Zerstörung der T-Zellen und die stetige Zunahme an Viruspartikeln geht die Infektion schließlich in die letzte Phase über, deren Symptome dann als AIDS zusammengefasst werden (Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Verlauf_einer_HIV_Infektion1.svg).

Die Tücken im Kampf gegen das HI-Virus

Eine Heilung gegen HIV blieb bisher aus. Trotzdem gibt es sogenannte antiretrovirale Therapien (ART) und hochaktive antiretrovirale Therapien (HAART), die durch eine Kombination verschiedener Medikamente zumindest in der Lage sind, die Virusvermehrung im Körper zu verlangsamen und den Ausbruch einer AIDS-Erkrankung fast vollständig zu verhindern. Doch wieso ist es so schwierig, HIV zu bekämpfen? Immerhin gibt es für alle möglichen anderen (viralen) Erkrankungen wirksame Medikamente oder sogar Impfstoffe.

Das Hauptproblem ist die Tatsache, dass das HI-Virus die Zellen des Immunsystems infiziert. Während sich der Körper eigentlich gegen einen anderen Krankheitserreger wehren will, beginnen die infizierten Immunzellen stattdessen, Virusproteine zu produzieren und neue Viren freizusetzen. So entzieht sich das Virus geschickt dem Angriff seitens antiviraler Medikamente und des Immunsystems. Ein weiterer entscheidender Aspekt, der die Entwicklung wirksamer Arzneimittel und Impfstoffe erschwert, ist die ungewöhnliche Überlebensfähigkeit von HIV, die durch eine hohe Mutationsrate bedingt ist. Diese entsteht durch den extrem fehlerbehafteten Prozess der reversen Transkription, der wiederholte Veränderungen des Erbguts hervorruft [10]. Die dadurch häufig auftretenden Mutationen der Oberflächenproteine machen es der Medizin schwer, das Virus mit antiretroviralen Medikamenten oder Impfstoffen zu bekämpfen und verschaffen dem HI-Virus so einen Evolutionsvorteil. Zur Verdeutlichung: von den Influenza-Viren entwickeln sich in derselben Zeit auf der gesamten Welt nicht einmal halb so viele neue Varianten wie vom HI-Virus in einem einzelnen, infizierten Menschen [4].

Ein Hoffnungsschimmer: Neue Genom-Editierungstechnologie aus Hamburg

Doch nach vielen Jahrzehnten der Forschung könnte nun endlich das Ziel erreicht sein: Eine Heilung von HIV und AIDS ist in Sicht. Das Start-Up PROVIREX aus Hamburg hat eine neue Technologie entwickelt, mit der es erstmals gelingen könnte, infizierte Zellen dauerhaft und präzise von HIV zu befreien. Sie basiert auf Forschungsarbeiten von Prof. Joachim Hauber am Leibniz-Institut für experimentelle Virologie, ebenfalls ansässig in Hamburg, und Prof. Frank Buchholz an der Technischen Universität Dresden. Das Prinzip des innovativen Therapieansatzes beruht auf einer ortsspezifischen Genomchirurgie-Technologie, um chromosomal integrierte virale Genome, sogenannte Proviren, mittels einer „Genschere“ präzise auszuschneiden (Abb. 3) [11].

Bei dieser Genschere handelt es sich um eine hochspezifische Designer-Rekombinase, genannt Brec1 (Broad Range Recombinase 1). Die Rekombinase erkennt eine asymmetrische Gen-Sequenz mit einer Länge von 34 Basenpaaren, die in den LTRs (long terminal repeats) einer Mehrzahl von klinisch relevanten HIV Typ I-Stämmen und -Subtypen zu finden ist. Im Gegensatz zu anderen Abschnitten des HIV-I-Genoms scheint diese Sequenz hoch konserviert und daher weniger anfällig für Mutationen zu sein [12]. Ein Vorteil gegenüber bereits etablierten Genom-Editierungs-Technologien, wie beispielsweise CRISPR-Cas, besteht darin, dass Brec1 unabhängig von der DNA-Reparatur des Wirts funktioniert. Durch CRISPR-Cas verursachte DNA-Doppelstrangbrüche müssen über homologe Reparatur bzw. non-homologous end-joining wieder zusammengesetzt werden. Bei Brec1 ist dies nicht der Fall: Die Rekombinase setzt das Erbgut der infizierten Zellen nach dem Entfernen der proviralen HIV-DNA selbstständig wieder korrekt zusammen und verursacht keine Mutationen (Abb. 3). Sie arbeitet mit Nukleotidpräzision und produziert völlig fehlerfreie Rekombinanten! Darüber hinaus zeichnet sich Brec1 durch eine hohe Spezifität aus und zeigt unvergleichliche und dauerhafte antivirale Wirkungen in vitro und in vivo. PROVIREX bestätigt, dass die Viruslast im Plasma auf Werte unterhalb der Nachweisgrenzen der empfindlichsten Testsysteme sinkt und außerdem kein Rückfall zu beobachten ist [13].

Abbildung 3: Der therapeutische Mechanismus von Brec1. Die in das Genom der Wirtszelle integrierte HIV-DNA (provirale DNA) wird von LTRs flankiert. Brec1 erkennt eine spezifische Gen-Sequenz, welche in den LTRs zahlreicher HIV-Typen vorkommt. Dadurch kann die Rekombinase die provirale DNA gezielt entfernen und darüber hinaus den DNA-Doppelstrang-Bruch selbstständig und fehlerfrei wieder zusammensetzen. Die ausgeschnittene Virus-DNA wird daraufhin abgebaut (Quelle: https://www.provirex.de/).

Dieses kurze Video vom Leibniz-Institut für experimentelle Virologie veranschaulicht den Mechanismus der Brec1-Rekombinase:  Funktionsweise der BREC1-Rekombinase

Die nächsten Schritte auf dem Weg zur HIV-Heilung

Noch findet die innovative Technologie keine Anwendung, denn wie bei jedem neuen Therapieansatz müssen zunächst einige klinische Studien durchlaufen werden, bevor die neue Technik auf den Markt kommt. In Kooperation mit dem Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf (UKE) wird der Ansatz jedoch bereits für klinische Prüfungen vorbereitet. Zunächst soll er im Rahmen einer Stammzelltherapie bei acht HIV-Patienteninnen und -Patienten in der Klinik für Stammzelltherapie des UKE unter Leitung von Nicolaus Kröger evaluiert werden. Entsprechende Förder- und Investitionsmittel wurden bereits vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), dem Hamburger Senat und der ForTra gGmbH für Forschungstransfer der Else Kröner-Fresenius-Stiftung bereitgestellt [11]. Außerdem entwickelt PROVIREX parallel neue Verabreichungsformen von Desginer-Rekombinasen, die eine leichtere und direkte Applizierung mittels einer Injektion ermöglichen sollen [1].

Doch es endet nicht bei HIV: Bei der neuen Rekombinase-basierten Genom-Editierung handelt es sich um eine Plattformtechnologie, die für viele andere Anwendungsgebiete interessant ist und zahlreiche weitere Behandlungen vereinfachen könnte. PROVIREX wird auch zukünftig an erstklassigen Arzneimitteln für neuartige Therapien (advanced therapy medicinal products; ATMPs) arbeiten und damit hoffentlich die Bekämpfung weiterer lebensbedrohlicher, persistierender Virusinfektionen ermöglichen [12]. Doch zunächst einmal verfolgen wir bei Biomol weiterhin gespannt den medizinisch und gesellschaftlich historischen Durchbruch auf dem Weg zur Heilung von HIV und AIDS – made in Hamburg!

Besonderen Dank an PROVIREX für die Erlaubnis, das Bild sowie das Video zur Brec1-Funktionsweise verwenden zu dürfen.

Quellen

[1] https://www.hamburg.de/bwfgb/16615938/grundsteinlegung-campus-schlueterstrasse/, letzter Zugriff: 17.11.2022

[2] https://www.unaids.org/en, letzter Zugriff: 17.11.2022

[3] https://www.cdc.gov/hiv/risk/estimates/riskbehaviors.html, letzter Zugriff: 17.11.2022

[4] https://de.wikipedia.org/wiki/HIV, letzter Zugriff: 17.11.2022

[5] Wilen, C. B., Tilton, J. C., Doms, R. W. HIV: cell binding and entry. Cold Spring Harbor perspectives in medicine vol 2,8 (2012).

[6] Winkler, C. et al. Genetic restriction of AIDS pathogenesis by an SDF-1 chemokine gene variant. ALIVE Study, Hemophilia Growth and Development Study (HGDS), Multicenter AIDS Cohort Study (MACS), Multicenter Hemophilia Cohort Study (MHCS), San Francisco City Cohort (SFCC). Science 279(5349):389-93 (1998).

[7] V. Poletti, F. Mavilio. Interactions between Retroviruses and the Host Cell Genome. Molecular therapy. Methods & clinical development vol 8, 31–41 (2018).

[8] Schafberger, A., Sweers, H. HIV / AIDS – Heutiger Wissensstand. Deutsche AIDS-Hilfe e. V. (2008).

[9] https://www.aidshilfe.de/hiv-symptome-verlauf, letzter Zugriff: 17.11.2022

[10] Korber, B. et al. Evolutionary and immunological implications of contemporary HIV-1 variation, British Medical Bulletin, vol 58,1:19–42 (2001).

[11] https://www.bionity.com/de/news/1166076/neuer-ansatz-zur-heilung-von-hiv.html, letzter Zugriff: 17.11.2022

[12] Karpinski, J et al. Directed evolution of a recombinase that excises the provirus of most HIV-1 primary isolates with high specificity. Nat Biotechnol 34, 401–409 (2016).

[13] https://www.provirex.de/, letzter Zugriff: 17.11.2022

Preview-Bild: https://unsplash.com/photos/cI8T6zeDbZw