Hoe UGent'ers werken aan een middel tegen covid-19

(31-03-2020) Niet enkel zorgverleners kloppen deze dagen overuren. Ook veel onderzoekers werken 7 dagen op 7 aan een oplossing voor covid-19. Wij zoomen in op de queeste van viroloog Xavier Saelens, eiwitbiotechnoloog Nico Callewaert en hun team.

Terwijl het overgrote deel van de UGent’ers noodgedwongen telewerkt, gonst het in enkele labo’s van bedrijvigheid. Virologen, biotechnologen en medische wetenschappers zijn er – op voldoende afstand van elkaar – op zoek naar manieren om covid-19 klein te krijgen.

In het UZ Gent lopen onder meer klinische tests met Leukine, een al bestaand geneesmiddel dat zou kunnen helpen de longfunctie te herstellen bij patiënten met covid-19, in de faculteit Farmaceutische Wetenschappen onderzoekt men de mogelijkheid om een diagnose te stellen via analyse van de eiwitten in bloedstalen, en verschillende onderzoekers uit de faculteit Diergeneeskunde zijn druk in de weer met vaccin-onderzoek.

BioRxiv

Ook op het Tech Lane Ghent Science Park – het vroegere Technologiepark – in Zwijnaarde zijn nog labo’s open. Een twintigtal onderzoekers uit de teams van prof. Xavier Saelens en prof. Nico Callewaert, beide horend bij het VIB-UGent Centrum voor Medische Biotechnologie en de vakgroep Biochemie en Microbiologie, werken hier aan een veelbelovend kandidaat-antiviraal middel tegen SARS-CoV-2, de wetenschappelijke naam voor ‘het nieuwe coronavirus’.

Afgelopen weekend, op 28 maart 2020, publiceerden ze een manuscript over hun onderzoek op BioRxiv, een website waar wetenschappelijke artikelen vervroegd openbaar kunnen worden gemaakt, in afwachting van peer review en publicatie in een wetenschappelijk tijdschrift.

Antivirale middelen

Het team van Saelens en Callewaert zet de eerste stappen in de ontwikkeling van een zogenaamd antiviraal middel. Anders dan een vaccin doet een antiviraal middel geen beroep op de – relatief trage – eigen immuunrespons van het lichaam, maar werkt het rechtstreeks en onmiddellijk op het virus in.

“Er zijn twee grote categorieën in de antivirale middelen,” legt Saelens uit: “Enerzijds heb je de small compounds. Dat zijn kleine moleculen die je meestal als pilletje inneemt. Zo zijn er voor covid-19 nog nauwelijks kandidaten. Het antimalariamiddel hydroxychloroquine is er een die momenteel onderzocht wordt. Anderzijds heb je de antistoffen. Dat zijn veel grotere moleculen – eiwitten – die net als onze eigen antistoffen elk een specifieke ziekteverwekker kunnen herkennen en zich eraan vasthechten. Sommige antistoffen slagen er niet alleen in zich aan het virus te binden, maar kunnen het virus ook neutraliseren. Dat is de piste die wij bewandelen.”

Antivirale middelen zijn in het bijzonder interessant voor ouderen en personen met een verzwakt immuunsysteem. Ook met een vaccin slagen zij er immers niet altijd in voldoende antistoffen aan te maken om een virusaanval af te slaan.

Lama’s en kegeleiwitten

Het verhaal van Saelens’ en Callewaerts antistof begint in 2016. In dat jaar werd een lama geïnjecteerd met oppervlakte-eiwitten van twee verwanten van het – toen nog niet bekende – SARS-CoV-2 virus om op die manier een immuunrespons uit te lokken. Die verwante virussen waren SARS-CoV-1, het coronavirus dat in 2003 voor de SARS-epidemie zorgde, en MERS-CoV, een ander coronavirus dat sinds 2012 geregeld dodelijke slachtoffers maakt.

Uit het bloed van de lama haalden de onderzoekers verschillende antistoffen. Een daarvan bleek uitstekend aan het SARS-CoV-1 virus te kunnen binden. In samenwerking met internationale collega’s ontdekte het team de exacte bindingsplaats: een specifiek deel van het kegelvormige eiwit dat voorkomt op het oppervlak van coronavirussen en dat virologen het S-eiwit (van het Engelse spike) noemen.

Van SARS-CoV-1 naar SARS-CoV-2

Antistofonderzoek 2Fast forward naar 2020. Al snel na de uitbraak in Wuhan werd de genetische code van ‘het nieuwe coronavirus’, SARS-CoV-2 gepubliceerd. Xavier Saelens: “Uit die code kunnen we 1-op-1 de code en structuur van het S-eiwit, waarvan alle coronavirussen een variant hebben, afleiden. Ik zag onmiddellijk dat het S-eiwit op SARS-CoV-2 maar weinig verschilde van dat op SARS-CoV-1. De plaats waar onze antistof aan bindt, is precies dezelfde, op één aminozuur na. Toen wist ik dat we iets belangrijk in handen hadden.”

Er volgde spoedoverleg met staff scientist Bert Schepens en collega Nico Callewaert, die vertelt: “Het was een cruciaal moment. We moesten beslissen: er voluit voor gaan op basis van erg beperkte data en dus heel erg veel risico nemen, of te laat komen. Xavier en ik hebben die twintigste januari elk tien minuten apart nagedacht. Het werd ‘go’ en sindsdien hebben we niet meer omgekeken.” Het ‘Covid-19 Response team’ van het Centrum voor Medische Biotechnologie was een feit. Tien mensen – later twintig – werden op het project aan het werk gezet. Al snel konden zij aantonen dat hun antistof inderdaad op het nieuwe S-eiwit kon binden, zij het niet zo sterk als bij SARS-CoV-1. Maar kon de antistof het virus ook neutraliseren?

“Aan een antistof die wel bindt aan het virus, maar het niet tegenhoudt heb je weinig,” zegt Xavier Saelens. “Bij een besmetting met SARS-CoV-2 hecht het virus zich vast aan een specifiek deeltje in het celmembraan van menselijke cellen. Het versmelt dan zijn eigen membraan met dat van de cel en injecteert zijn genetisch materiaal in de cel, waardoor deze ‘gastheercel’ ontregeld wordt en het virus begint te kopiëren en te verspreiden. Het is dat proces dat een antiviraal middel bij voorkeur moet stoppen, door de binding van het virus met de gastheercel te voorkomen – vaak zelfs door letterlijk in de weg te zitten.”

In het pas gepubliceerde manuscript tonen de onderzoekers aan dat hun antistof ook daarin slaagt, althans voor een goede benadering van het SARS-Cov-2 virus. En met een aangepaste antistof. Om maar te zeggen: het had wel wat voeten in de aarde.

Pseudotype virus to the rescue!

SARS-CoV-2 is immers niet zomaar een virus waar je even mee kan gaan experimenteren. Zelfs niet in een labo. Dergelijk virusonderzoek gebeurt in gespecialiseerde en zwaar beveiligde labo’s, met verlaagde luchtdruk, sluizen, en strikte veiligheidsprotocols. De UGent en VIB zijn er samen zo een aan het bouwen (niet halsoverkop vanwege de crisis – de bouw is al even bezig), maar voorlopig moeten ze het nog even zonder stellen.

Enter het pseudotype virus! Een verzwakte afgeleide van bijvoorbeeld het rabies virus (het virus dat hondsdolheid veroorzaakt), waarop virologen de buitenkant van andere virussen kunnen enten. Compleet met een handig verklikker-eiwit om na te gaan in welke mate gastheercellen geïnfecteerd zijn. Geweldig toch? Toen de onderzoekers zo'n pseudotype virus vermomden als SARS-CoV-2 en het in vitro (in plastic weefselkweekflessen om precies te zijn) in contact brachten met de juiste menselijke cellen bleek hun antistof het virus … niet te neutraliseren!

De binding van de lama-antistof met het S-eiwit bleek alsnog te weinig stabiel om de infectie te voorkomen.  Door eiwit-engineering werd gelukkig ook deze horde genomen: het team van Nico Callewaert koppelde de lama-antistof (die zich daar overigens uitstekend toe leent – vandaar ook het gebruik van deze dieren) aan een veel groter stuk eiwit dat alle menselijke antistoffen met elkaar gemeen hebben. Die aanpak werkte: de uitgebreide antistof neutraliseerde het virus.

“Dat is een beproefde methode,” vertelt Callewaert. “Bovendien helpt deze uitbreiding van de lama-antistof – die uiteindelijk lichaamsvreemd is – ook om de samengestelde antistof langer te laten overleven in ons lichaam, waardoor een eenmalige injectie hopelijk kan volstaan.” Callewaerts team checkte ook of de nieuw geconstrueerde antistof vlot geproduceerd kan worden, eens het nodig wordt. “In de eiwitgeneesmiddelindustrie gebruikt men vaak gekweekte hamstercellen of gist om in grote hoeveelheden eiwitten te produceren. Beiden bleken in staat om onze antistof te produceren.”

Next steps

Het mag duidelijk zijn – en dit is dan nog een vereenvoudigde weergave – dat onderzoek naar antivirale middelen een fascinerend huzarenstukje is. We vragen Saelens naar de volgende stappen.

“We zijn nu bezig – nog niet hier – met testen op het SARS-CoV-2 zelf. Dat loopt voorlopig goed: we stelden vast dat ook SARS-CoV-2 zelf wordt geneutraliseerd door onze antistof. Een prioriteit is nu om het anti-viraal potentieel van de antistof een eerste keer in vivo te testen, in proefdieren dus. Dat zullen we heel waarschijnlijk doen in samenwerking met collega Johan Neyts van het Rega instituut van de KU Leuven, dat hierin gespecialiseerd is. Tegelijk moeten we de productie van onze antistof verder finetunen – dat is een van de vele aspecten van dit project waar Nico op focust. We krijgen hierbij ook steun van de experten van VIB Discovery Sciences. Zij helpen ons om al in deze fase van ons onderzoek rekening te houden met de noden van farmaceutische productieprocessen. Als die twee luiken vlot lopen, kunnen we naar klinische trials: testen op mensen. Maar zelfs met sterk versnelde procedures zie ik dat niet voor het einde van dit jaar gebeuren.”

In de kopgroep

Antistofonderzoek 1Geen oplossing voor de huidige golf dus, tenzij die onverhoopt zeer lang aanhoudt. Het virus zal waarschijnlijk blijven gedijen in de mens, met weerkerende opflakkeringen, bijvoorbeeld in het winterseizoen. De kans dat we deze antistof kunnen testen – en uiteindelijk gebruiken – bij mensen is dus zeer reëel.

Saelens schat dat er wereldwijd een team of dertig, veertig bezig zijn met de ontwikkeling van antivirale middelen gebaseerd op antistoffen tegen SARS-CoV-2. “De meeste zetten in op menselijke antistoffen, geïsoleerd uit genezen patiënten. De uitdaging is om de juiste antistoffen eruit te halen. Wij hebben het voordeel dat we al heel precies weten hoe en waar onze antistof bindt, en dat die plek er bovendien goed uitziet. Ik schat dat we daardoor toch in de kopgroep van het peloton zitten.

Wat als het virus binnen een jaar gemuteerd is, vragen we nog. Xavier Saelens: “Dat is een pertinente vraag. De code van SARS-CoV-2 is wereldwijd al honderden keren uitgelezen en daarin zien we indicaties voor een zeer lage mutatiecapaciteit. Het is ook zo dat coronavirussen over het algemeen traag evolueren, al worden ze daartoe ook niet echt onder druk gezet: de menselijke populatie kreeg nog niet de kans om natuurlijke immuniteit op te bouwen tegen deze nieuwe ziekteverwekker. Maar een mutatie is zeker mogelijk. Wat wel hoopgevend is, is dat de bindingsplaats voor onze antistof erg stabiel blijkt: er is weinig variatie in dat deel van het eiwit bij de verschillende coronavirussen. Dat kan erop wijzen dat het om een essentieel deel van het eiwit en het virus gaat. Een mutatie in dat stukje maakt onze antistof dan misschien wel onbruikbaar maar mogelijk ook het virus onschadelijk. Al is dat allemaal speculatie natuurlijk.”

#tousensemble

“Een expertenteam van ongeveer 15 mensen werd per direct samengesteld uit de staff van het center, die van hun normale projecten werden gehaald en sinds 2 maanden zo hard als fysiek mogelijk hebben doorgewerkt.” Zo staat te lezen in een korte samenvatting van dit onderzoek die de UGent vorige week, samen met ander corona-onderzoek, op haar vraag doorgaf aan het kabinet van de Vlaamse minister van wetenschapsbeleid.

Het illustreert de verantwoordelijkheidszin van wetenschappers – over de hele wereld – om aan een oplossing te werken. Diezelfde verantwoordelijkheidszin, én passie, is te horen bij Saelens en Callewaert.

Xavier Saelens: “Er is competitie, gedrevenheid om iets te ontdekken of ontwikkelen tegen het virus, ieder met zijn expertise: antivirale middelen, epidemiologie, genomics, … Die competitie is een goed uitgangspunt, want het zorgt voor een grote drive. Tegelijk wordt kennis snel gedeeld en is er een grote solidariteit. Zelfs bedrijven bieden expertise en advies aan. Als verschillende labo’s in dit soort onderzoek samenwerken worden normaliter gedetailleerde overeenkomsten afgesloten over intellectuele eigendom en dergelijke, waar soms weken tot maanden over gaan. Nu gaat dat op een paar dagen tijd of krijgen we te horen: ‘Begin al maar, dat papierwerk komt wel in orde’.”

Meer info

Lees meer artikels over: