Targeted Drug Delivery – RNA-vermittelte Therapieoption gegen HSV-1

Ausgangssituation

TEM-Aufnahme einer mit HSV-1 infizierten Zelle auf einem Kokulturträger.

Infektionen mit dem Herpes-simplex-Virus gehören zu den häufigsten Erkrankungen der Haut. Mehr als 90 Prozent der Weltbevölkerung sind mit dem Herpes-simplex-Virus Typ-1 (HSV-1) infiziert. Neben den charakteristischen Hautläsionen können HS-Viren auch schwerwiegende Erkrankungen unter Beteiligung anderer Organe wie des Auges (herpes corneae) sowie des Zentralnervensystems (herpes enzephalitis, herpes meningitis) hervorrufen und zum Teil tödlich verlaufen. Eine wirkungsvolle Therapie der Herpes-Infektion gibt es bis heute nicht. Für die Behandlung von HSV-Infektionen werden bislang ausschließlich Virostatika, meist Nucleosidanaloga, eingesetzt. Diese können lediglich die Symptome lindern und die Infektionszeit verkürzen, jedoch nicht die Reaktivierung des Virus verhindern. Ein Ziel ist es daher, einen alternativen Therapieansatz zur Behandlung der HSV-1-Infektion zu entwickeln.

RNA-Interferenz-vermittelter Therapieansatz

Neuronale Zelllinie (PC12).

Eine mögliche Alternative zu den bislang verwendeten Virostatika stellen RNA-basierte Wirkstoffe dar. Mithilfe des Verfahrens der RNA-Interferenz (RNAi) lassen sich einzelne Gene zielgenau abschalten, zum Beispiel diejenigen, welche mit der Vermehrung von HSV-1 in Verbindung stehen. Dazu werden kurze Abschnitte von RNA-Molekülen (siRNA oder miRNA) in die Zellen eingebracht, wo sie zielgerichtet die Expression der maßgeblich an der Virusreaktivierung, Verbreitung bzw. Replikation beteiligten Schlüsselproteine inhibieren, um so den Ausbruch einer latenten Herpeserkrankung dauerhaft zu unterdrücken.

Nanotechnologie für gezielte Wirkstoffapplikation

Kultivierung des HSV-1-Infektionsmodells.

Aufbau des Kokultur-Testsystems.

Eines der Hauptprobleme bei der Anwendung der RNAi-Methode liegt im zielgerichteten Transport der RNA-Moleküle in die Zellen und in der Art der Verabreichung. RNA ist ein von Natur aus instabiles Molekül, welches von körpereigenen Enzymen rasch zerstört wird. Des Weiteren weisen RNA-Moleküle aufgrund ihrer negativen Ladung eine äußerst geringe Membrangängigkeit auf. Um diese Probleme zu lösen und den Einsatz von RNA-Molekülen als Wirkstoff in der Herpes-Infektionstherapie zu ermöglichen, entwickeln wir in Kooperation mit der Hebrew University of Jerusalem eine Formulierung aus spezifischen RNAs und einem bioabbaubaren Polymer mit Dimensionen im Nanometerbereich – ein sogenanntes RNA-Nano-Carrier-System. Eine solche Formulierung kann die nicht membrangängigen, instabilen RNA-Moleküle vor der Zerstörung durch das körpereigene Abwehrsystem schützen und ihre Aufnahme über die Haut ermöglichen. Diese gezielte Wirkstofffreisetzung (Targeted Drug Delivery) soll durch Kopplung der Nanopartikel an virale Hüllproteinfragmente oder spezifische Antikörperfragmente ermöglicht werden, welche gegen ein spezifisches Epitop neuronaler Zellen gerichtet sind. Dadurch können sie spezifisch an latent mit HSV-1 infizierte Nervenzellen gebunden werden. Durch Kopplung viraler Hüllproteinfragmente an Nanopartikel kann eine gezielte Freisetzung für alle Zelltypen erreicht werden.

Kompetenzen und Technologien

Reaktivierung des HSV-1 im Kokultur-Testsystem.

Seit Jahren werden am Fraunhofer IGB komplexe zellbasierte Testsysteme entwickelt. Diese Expertise wird zum Nachweis der Wirksamkeit und Verträglichkeit des Oligonukleotid-basierten Wirkstoffes und dessen Formulierung eingesetzt. Mithilfe des Activity-Selectivity (AS)-Assays kann die Wirksamkeit und gleichzeitig die Verträglichkeit der RNA-Nano-Carrier-Formulierung untersucht werden [1]. Begleitende Untersuchungen zur immunmodulatorischen Wirkung der Carrier werden mit dem am IGB entwickelten und patentierten zellbasierten Pyrogenassay durchgeführt [2]. Zell- bzw. Membrangängigkeit sowie fortführende Wirksamkeitsstudien der mit spezifischen miRNA-beladenen Nano-Carrier werden in einem etablierten Kokultursystem durchgeführt. Mit dem ebenfalls patentierten In-vitro-HSV-1-Infektionsmodell können abschließend die Hautgängigkeit, der zielgerichtete Transport sowie die spezifische Inhibition der Virusreaktivierung durch die RNA-Nano-Carrier an einem komplexen Testsystem untersucht werden [3, 4].

Ausblick

Schematischer Aufbau und TEM-Aufnahme des HSV-1.

Durch Einsatz der RNAi-Technologie soll ein Ausbruch der HSV-1 gezielt und möglicherweise dauerhaft verhindert und damit der Leidensdruck vieler Betroffener wesentlich vermindert werden. Es ist zu erwarten, dass diese neue Technologie auch auf andere Viruserkrankungen adaptiert werden kann und dadurch ein großes Potenzial im Einsatz zur antiviralen Therapie aufweist.

Literatur

[1] Burger-Kentischer, A.; Finkelmeier, D.; Keller, P.; Bauer, J.; Eickhoff, H., Kleymann, G. et al. (2011) A screening assay based on host-pathogen interaction models identifies a set of novel antifungal benzimidazole derivatives. Antimicrob Agents Chemother. 55(10): 4789-801

[2] Zellbasiertes Testsystem zur Identifizierung und Differenzierung von Keimspektren (2009) DE 10 2006 031 483

[3] In vitro-Testsystem für virale Infektionen (2012) DE 10 2010 023 156

[4] Hogk, I.; Rupp, S.; Burger-Kentischer, A. (2013) 3D-Tissue model for herpes simplex virus-1 infections. Methods in Molecular Biology, in press.

Förderung

Wir danken der Fraunhofer-Gesellschaft für die Förderung des Projekts »Novel Drug/Gene Delivery Systems for Herpes Simplex Virus (HSV) Therapy« im Rahmen des Programms ICON.

Projektpartner

  • Hebrew University of Jerusalem, Institute for Drug Research (IDR), Jerusalem, Israel