Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Kunstmatig virus voor nieuwe medicijnen in gentherapie

Onderzoekers uit Leiden, Eindhoven en Nijmegen zijn er onder leiding van de Universiteit Wageningen in geslaagd om een kunstmatig virus te ontwikkelen. Dit kan gebruikt worden om in de toekomst nieuwe generaties medicijnen langs natuurlijke weg ‘in te pakken’ en af te leveren in zieke cellen. De ontdekking is gepubliceerd in Nature Nanotechnology.

De groei van het artificieel virus: het staartje is het DNA, het dikke gedeelte is de groeiende eiwit-schil.

Therapeutisch DNA

Nieuwe inzichten in de werking van virussen bieden perspectief voor het ontwerpen van kunstmatige virussen voor medicijnafgifte en andere toepassingen, schrijven de onderzoekers in de laatste online editie van het wetenschappelijk tijdschrift Nature Nanotechnology. De onderzoekers denken hierbij vooral aan therapieën om genetische defecten te corrigeren.

Traditionele versus nieuwe medicijnen

Traditionele medicijnen bestaan uit relatief kleine moleculen die meestal zonder al te veel moeite op de plaats terecht komen waar ze moeten zijn. Dat gaat lastiger met nieuwere typen medicijnen die momenteel worden ontwikkeld en die bestaan uit grote biomoleculen zoals eiwitten en nucleïnezuren, bouwstenen voor DNA. Voor de toepassing van DNA voor gentherapie is het van belang dat het molecuul in zijn geheel wordt afgeleverd in zieke cellen in het lichaam om daar zijn werk te doen. Omdat DNA van nature uit zichzelf niet in staat is cellen binnen te dringen en ook snel wordt afgebroken, worden hiervoor natuurlijke virussen gebruikt die ongevaarlijk gemaakt zijn. Deze kunnen efficiënt binnendringen in cellen en het therapeutische DNA afgeven.

Trucjes van virussen nabootsen

Het proces van het ongevaarlijk maken van natuurlijke virussen behoeft nog wel verbetering, want onbedoelde bijwerkingen mogen niet optreden. Daarom wordt ook onderzoek gedaan naar alternatieve ‘virus-achtige’ toedieningsvormen op basis van synthetische moleculen. Deze zijn echter veel minder effectief omdat het niet eenvoudig is de trucjes van virussen na te bootsen. 
Een eerste belangrijke stap in het nabootsen van virussen is het precies inpakken van individuele DNA-moleculen met een beschermend laagje moleculen. Dit klinkt eenvoudiger dan het is, want tot nu toe lukt het inpakken nog niet goed met synthetische moleculen.

Kunstmatige viruseiwitten

In plaats van synthetische chemie hebben de onderzoekers gezocht naar het ontwerpen en maken van kunstmatige viruseiwitten. Zij maakten daarbij gebruik van recente fundamentele theoretische inzichten in de cruciale aspecten van het proces van het inpakken van genetisch materiaal door natuurlijke viruseiwitten. De onderzoekers hebben elk van deze cruciale aspecten ‘vertaald’ in verschillende eiwitblokken van simpele opbouw, geïnspireerd op die van natuurlijke eiwitten als zijde en collageen. De zo ontworpen kunstmatige viruseiwitten zijn geproduceerd door gebruik te maken van de natuurlijke machinerie van gistcellen. Als de kunstmatige viruseiwitten worden gemengd met DNA vormt zich spontaan een sterk beschermend eiwitlaagje om elk DNA molecuul, zodat ‘kunstmatige virussen’ ontstaan. Het vormingsproces van deze kunstmatige virussen is in veel opzichten hetzelfde als dat van natuurlijke virussen, zoals het Tabaksmozaïekvirus dat diende als model voor het kunstmatige virus.

Gentherapie en Nanotechnologie

De eerste generatie kunstmatige viruseiwitten is volgens de onderzoekers net zo goed in het afleveren van DNA in gastheercellen als de bestaande synthetische toedieningsvormen. De grote precisie waarmee deze eiwitten DNA-moleculen inpakken, biedt veel mogelijkheden om ook andere trucjes van virussen in te bouwen. Die kunnen hopelijk leiden tot veilige en effectieve toedieningsvormen voor nieuwe generaties medicijnen, met name in de gentherapie. Bovendien kunnen deze kunstmatige virussen ook verder ontwikkeld worden voor de vele andere toepassingen waarvoor virussen nu al gebruikt worden zoals in de bio- en nanotechnologie.

Leidse inbreng

De Leidse inbreng komt van de natuurkundige dr. Daniela Kraft. Zij ontwikkelde samen met dr. Willem Kegel (Universiteit Utrecht) en dr. Paul van der Schoot (TU Eindhoven) een theoretisch natuurkundig model dat het vormingsproces van een natuurlijk virus, Tabaksmozaïekvirus, beschrijft. Door het Tabaksmozaïekvirus te bestuderen, ontdekte ze hoe de viruseiwitten ervoor zorgen dat de genetische informatie volledig ingepakt en beschermd wordt. Het trucje van het virus bestaat eruit om de juiste balans te houden tussen de energetische kosten om de eiwitstructuur in de schil te veranderen en de winst van de binding tussen de eiwitten en het RNA-molecuul. Kijk voor het wetenschappelijke artikel hierover onder ‘Zie ook’. Door gebruik te maken van drie functionele eiwitblokken kon dit trucje naar kunstmatige eiwitten vertaald worden. Het vormingsproces van deze kunstmatige virussen volgt het theoretische model dat voor het natuurlijke virus ontwikkeld werd.

Design and self-assembly of simple coat proteins for artificial viruses. Armando Hernandez-Garcia et all. Nature Nanotechnology, 2014.169, published 24 August 2014

Zie ook

A Kinetic Zipper Model and the Assembly of Tobacco Mosaic Virus, Daniela J. Kraft, Willem K. Kegel, Paul van der Schoot, publicatie in Biophysical Journal 2012