Rockefeller-Wissenschaftler enthüllen, wie HIV-Stämme weitgehend neutralisierenden Antikörpern entgehen

Breit neutralisierende Antikörper (bNAbs) gehören zu den vielversprechendsten neuen Behandlungsmethoden für HIV und bieten das Potenzial, auf die traditionelle tägliche Dosis antiretroviraler Medikamente zu verzichten. In einer aktuellen klinischen Studie über bNAbs, die an der Rockefeller University identifiziert und zu Therapien entwickelt wurden, behielten Teilnehmer, die eine Einzeldosis von zwei bNAbs erhielten, bis zu 20 Wochen lang eine nahezu nicht nachweisbare Viruslast bei, ein Drittel hielt dies etwa ein Jahr lang aufrecht. Diese Ergebnisse deuten auf eine mögliche Zukunft einer behandlungsfreien, langfristigen Kontrolle des Virus hin.

Allerdings ist HIV-1 genetisch außerordentlich vielfältig und sehr gut darin, eine Resistenz gegen neutralisierende Antikörper zu entwickeln. Die Wege, auf denen das Virus den bNAbs entkommt, sind bei verschiedenen HIV-1-Stämmen noch nicht vollständig geklärt. Ein besseres Verständnis darüber, wie verschiedene Stämme auf diese neuen Therapien reagieren, ist von entscheidender Bedeutung, da die Verwendung von bNAbs zunimmt.

Jetzt haben Rockefeller-Wissenschaftler die bisher umfassendste Sichtweise darüber erstellt, wie HIV-1 bNAbs entkommen kann. Mithilfe Tausender paralleler Virusselektionsexperimente in Kombination mit bioinformatischer Analyse und experimenteller Validierung entdeckten Forscher im Labor für Retrovirologie unter der gemeinsamen Leitung von Paul Bieniasz und Theodora Hatziioannou Virusmutationen, die HIV-1-Stämme gegen zwei bNAbs, 3BNC117 und 10-1074, resistent machen.

Allerdings sind nicht alle Resistenz erzeugenden Mutationen gleich: Einige erfordern lediglich eine einzelne Aminosäureveränderung, während andere komplexere molekulare Mechanismen erfordern.

Wir haben herausgefunden, dass die meisten Virusstämme der bNAb-Neutralisierung entkommen können, aber es gibt erhebliche Unterschiede in der Wahrscheinlichkeit, dass dies der Fall ist, und in den Mechanismen, die dies ermöglichen.“

Alex Stabell, Erstautor, Arzt für Infektionskrankheiten und klinischer Wissenschaftler bei Rockefeller

„Zu wissen, wie verschiedene Virusstämme auf führende bNAb-Therapien reagieren, wird unsere Fähigkeit erheblich verbessern, vorherzusagen, ob eine bestimmte Therapie für einzelne Patienten wirksam sein wird“, sagt Bienasz. „Und wenn wir weitgehend neutralisierende Antikörper identifizieren können, denen die meisten Stämme nur sehr schwer entkommen können, können wir wirksamere Behandlungen entwickeln.“

Prävention und Kontrolle

HIV-1 ist ein äußerst anpassungsfähiges Virus, das einen kleinen evolutionären Kampf mit den Antikörpern führt, die von den Menschen, die es infiziert, produziert werden. Im Gegensatz zum Masernvirus, dessen Kapitulation vor dem menschlichen Immunsystem zum überwältigenden Erfolg eines Impfstoffs geführt hat, an dem sich seit Jahrzehnten weitgehend nichts geändert hat, hat sich HIV-1 als unzugänglich für die Prävention durch Impfung erwiesen. Eine andere Prävention, einschließlich einer antiretroviralen medikamentösen Therapie, ist seit langem die beste Option.

Allerdings verfügen etwa 1–5 % der mit HIV-1 infizierten Menschen über eine Superkraft: Sie produzieren auf natürliche Weise breit neutralisierende Antikörper, die gegen die meisten HIV-1-Stämme aktiv sind. Aus diesen Personen isolierten Michel Nussenzweig und Marina Caskey von Rockefeller die bNAbs, die sie 3BNC117 und 10-1074 prägten. Daraus entwickelte sich eine Behandlung, bei der beide Antikörper zusammen eingesetzt werden, weil sie an verschiedenen Teilen der Virushülle angreifen – und hat vielversprechende Ergebnisse gebracht.

Die HIV-1-Experten im Bieniasz-Hatziioannou-Labor wollten untersuchen, wie sich verschiedene HIV-1-Stämme gegen diese bNAbs schlagen. Bei einer begrenzten Anzahl von Virusstämmen wurden nur eine Handvoll Resistenzmutationen identifiziert. Die Forscher wollten diese Zahl erweitern, um die globale Virusvielfalt darzustellen.

„Niemand hat zuvor versucht, dies in einem solchen Ausmaß zu tun“, sagt Hatziioannou.

Experimentelle Pipeline

Aufbauend auf ihrer bahnbrechenden Arbeit mit SARS-CoV-2 – in der sie dokumentierten, wie sich der berüchtigte „Spitze“ auf der Covid-Virushülle als Reaktion auf neutralisierende Antikörper bei Patienten entwickelte – entwickelte Stabell einen Ansatz, der es ihnen ermöglichen würde, die Mutationswege zur Flucht bei 15 HIV-1-Stämmen aus der ganzen Welt zu untersuchen. Ziel war es, die Mutationen zu ermitteln, die zur Neigung jedes Stammes zur Resistenzentwicklung beitrugen.

Stabell entwickelte eine Pipeline, die mit der Züchtung großer Virusmengen in Zellkulturen begann. Replikationsfehler erzeugen auf natürliche Weise eine vielfältige Population von Viren, von denen einige zufällig Resistenzmutationen tragen. Er nutzte diese Massenpopulationen, um Tausende paralleler Selektionsexperimente mit unterschiedlichen Konzentrationen an bNAbs zu starten. Viren, die sich in Gegenwart der bNAbs verbreiten konnten, wurden isoliert und sequenziert. Eine maßgeschneiderte bioinformatische Verarbeitung ergab eine Liste mutmaßlicher Resistenzmutationen, die anschließend für jeden Virusstamm experimentell validiert wurde.

Mutationen mit Medikamentenkombinationen bekämpfen

Mit dieser Methode, die sie RISC (Resistenzidentifizierung durch Selektion und Klonen) nannten. Das Team fand mehr als 100 bNAb-Escape-Mutationen in den 15 getesteten Virusstämmen und erhöhte damit die bekannte Zahl drastisch. Überraschenderweise stellten sie fest, dass in den meisten Fällen eine einzige Aminosäureveränderung ausreichen kann, um Resistenz zu erzeugen. Dies traf auf 12 der 15 Viren zu, die gegen den Antikörper 3BNC117 getestet wurden, und auf alle neun, die gegen 10-1074 getestet wurden.

„Es war auffällig, dass es den meisten HIV-Stämmen tatsächlich recht leicht gelingt, diesen speziellen Antikörpern zu entkommen“, sagt Bienasz. „Aber das gilt nicht für alle Stämme – eine Handvoll, mit denen Alex arbeitete, benötigten mehrere Aminosäuresubstitutionen oder ungewöhnliche Replikationsmöglichkeiten, um zu entkommen.“

„Die genetische Barriere gegen Resistenzen war bei diesen Viren höher“, fügt Stabell hinzu. „Eines der Ziele der heutigen Therapie besteht nicht nur darin, vorübergehend wirksame Therapien zu haben, sondern auch darin, diese hohe genetische Barriere zu erreichen.“

Sie identifizierten auch eine überraschende Anzahl von Mutationen, die außerhalb des Epitops auf der Virushülle auftreten und von bNabs erkannt werden, die auf die CD4-Bindungsstelle abzielen, wie beispielsweise 3BNC117. (10-1074 zielt auf ein veränderlicheres Hüllenziel ab, was möglicherweise erklärt, warum es einfacher ist, zu entkommen.)

„Diese waren ziemlich auffällig und unerwartet“, sagt Hatziioannou. „Niemand hätte vorhergesagt, dass dies die Empfindlichkeit von bNAb beeinträchtigen würde.“

Zukünftig wird das Team mithilfe der Stabell-Methode Resistenzmutationen gegen andere bnAbs sowie gegen Kombinationen davon identifizieren und entdecken.

„HIV-1 mutiert so schnell und die Vielfalt in der Bevölkerung ist bereits enorm, daher wissen wir seit langem, dass ein Multimedikamentenansatz die beste Behandlungsmethode ist“, sagt sie. „Wir hoffen, Kombinationen zu identifizieren, die möglicherweise die genetische Resistenzbarriere erhöhen und daher wirksamer sind.“

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