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Riesige Rechenaufgabe in Mainz Forscher finden mögliche Covid-19-Medikamente

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Weltweit suchen Wissenschaftler nach Medikamenten, um Covid-19-Patienten zu heilen.

(Foto: REUTERS)

Noch steht kein Medikament gegen Covid-19 zur Verfügung. Doch die richtigen Wirkstoffe gibt es möglicherweise schon, man muss sie nur finden. Genau das versuchen Wissenschaftler der Mainzer Gutenberg-Uni. Nach zahlreichen Berechnungen entdecken sie aussichtsreiche Kandidaten.

Eigentlich will Thomas Efferth den Krebs besiegen oder wenigstens besser in Schach halten. Der Molekularbiologe erforscht seit Jahren unter anderem, welche Heilpflanzen bei onkologischen Behandlungen eingesetzt werden können. Dazu verwendet er in seiner Abteilung für Pharmazeutische Biologie an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz Rechenmodelle, bei denen zahlreiche Kandidaten geprüft werden können. Doch dann taucht das Coronavirus auf. "Da haben wir uns überlegt, die Krebsproteine gegen Virusproteine auszutauschen", erzählt Efferth ntv.de. Getrieben werden die Wissenschaftler von der Hoffnung, einen Ansatz für ein Medikament zu finden.

Die Idee des Molekularbiologen und seiner Arbeitsgruppe ist, direkt an Sars-CoV-2 anzusetzen und die Stelle zu finden, an der man das Virus packen kann. "Ein Eiweiß hat eine dreidimensionale Gestalt, die muss man biochemisch bestimmen. Dann kann man am Computer schauen, ob an irgendeiner molekularen Region des Eiweiß' eine Bindung stattfindet", erklärt Efferth. Man könne sich das vorstellen wie die schwarzen und weißen Felder eines Fußballs, bei dem man dann sagen kann, am dritten schwarzen Feld ist etwas hängengeblieben. Die Fachleute nennen es molekulares Docking.

Wichtig ist aber, dass man eine Stelle findet, die für die Funktion des Eiweiß' entscheidend ist. Sars-CoV-2 hat zehn verschiedene Proteine, drei davon wählten die Wissenschaftler aus. Diese drei haben verschiedene Funktionen. "Da ist das Spike-Protein dabei, ein Eiweiß auf der Oberfläche des Virus, das für die Bindung an die Lungenzellen verantwortlich ist", erzählt Efferth. "Das zweite Protein ist ein Baustein der Kapsel, in der das Erbgut des Virus geschützt wird. Wenn dieses Nucleocapsid-Protein blockiert wird, können keine neuen Viren gebildet werden. Das dritte ist eine Methyltransferase, die am Virus-Erbgut, also seiner RNA, angreift."

In einem zweiten Schritt ging es darum, nach geeigneten "Andockern" Ausschau zu halten. Die Mainzer Forscher erstellten auch dafür drei Gruppen. Gruppe eins sind Medikamente, die bereits auf dem Markt und zugelassen sind. "Häufig sind Medikamente nur für eine Krankheit zugelassen, vielleicht, weil es dafür besonders schnell ging oder besonders gut gewirkt hat. Die anderen Effekte wurden ausgeblendet", erklärt der Molekularbiologe. Auf genau diese bisher ausgeblendeten Wirkungen schauen die Wissenschaftler nun. Dieses sogenannte "drug repurposing" wird zurzeit weltweit intensiv erforscht. Die zweite Gruppe sind Stoffe, die vor allem Pflanzen im Laufe der Evolution für die Abwehr von Bakterien und Viren entwickelt haben. "Die Kunst in der Pharmakologie und Pharmazie ist herauszufinden, ob solche Substanzen auch bei Menschen funktionieren." Die dritte Gruppe sind experimentelle Substanzen, die man weiterentwickeln könnte.

Gewaltige Rechenleistung

Daraus ergab sich eine Rechenaufgabe. "Wir hatten eine Gruppe von 42.000 Substanzen zusammengetragen und haben sie im Computer über diese drei Proteine laufen lassen, um zu schauen, ob sie andocken", schildert Efferth das weitere Vorgehen. Dafür werden dreidimensionale Computermodelle verwendet, die auf der Programmiersprache R für statistische Berechnungen basieren. Um sie zu optimieren, wurden von jedem Molekül mit jedem Protein 750.000 Einzelberechnungen gemacht. Am Ende stand eine Gesamtzahl von über 31 Milliarden Einzelberechnungen.

Die Arbeitsgruppe hatte das Glück, dass in Mainz ein Supercomputer zur Verfügung steht. MOGON II wird gemeinsam von der Gutenberg-Universität und dem Helmholtz-Institut Mainz betrieben und gehört zu den leistungsfähigsten Computern weltweit. Trotzdem dauerte es zwei Monate, bis erste Ergebnisse vorlagen. Nun konnten Efferth und seine beiden Mitarbeiter die möglichen Wirkstoffkandidaten auf 300 eingrenzen, die sie in einem weiteren Schritt einem Verfahren aus der künstlichen Intelligenz unterzogen. Mit dem Algorithmus wird die sogenannte "drug-likeness" geprüft - die Tauglichkeit als Medikament. Dabei werden die Moleküle auf verschiedene physikalisch-chemische Parameter hin untersucht. "Wenn wir ein chemisches Molekül gefunden haben, das wunderbar das Virusprotein lahmlegt, aber leider nicht wasserlöslich ist, dann taugt es nicht zu einem Medikament", fasst Efferth die Wichtigkeit dieses Schritts zusammen. "Damit können Sie es einfach vergessen."

Mitte März spuckt der Computer eine Liste der Top 10 Kandidaten aus, die sich aus all diesen Berechnungen ergeben. Der Molekularbiologe und seine Mitstreiter, ein Pharmazeut, ein Bioinformatiker und ein Arzt, können einen ersten Blick auf die erfolgversprechendsten von ihnen werfen. "Das war ein Ergebnis, das uns überrascht und gefreut hat. Denn vier dieser Substanzen sind bereits zugelassene Medikamente, die gegen Hepatitis C wirken." Das Hepatitis C-Virus ist dem Sars-CoV-2 in vielen Eigenschaften sehr ähnlich. Beide sind behüllte, einzelsträngige RNA-Viren, damit steigt die Wahrscheinlichkeit, dass die Hepatitis C-Medikamente auch gegen das Coronavirus helfen könnten.

Außerdem können die Forscher eine weitere Substanz identifizieren: Loniflavon. Sie stammt aus dem Japanischen Geißkraut, einer Heilpflanze, die vor allem im asiatischen Raum verwendet wird. Loniflavon hemmt die Funktion des Spike-Proteins und wurde schon immer gegen Erkältungskrankheiten und grippale Infekte eingesetzt. "Es hat also aus der traditionellen Medizin heraus bereits die Indikation, die jetzt bei Sars-CoV-2 und Covid-19 nützlich sein könnte", sagt Efferth.

Individueller Heilversuch möglich

Ihre Erkenntnisse haben die Mainzer Forscher für eine wissenschaftliche Veröffentlichung aufgeschrieben, die inzwischen als Pre-Print von der Weltgesundheitsorganisation veröffentlicht wurde. Darin formulieren sie ganz klar: "Substanzen aus den vier Hepatitis-C-Medikamenten Simeprevir, Paritaprevir, Grazoprevir und Velpatasvir binden mit hoher Wahrscheinlichkeit sehr stark an Sars-CoV-2 und können dadurch möglicherweise Ansteckungen verhindern." Sollten sich diese Annahmen bestätigen, wäre es vielleicht der sensationelle Durchbruch, auf den alle bei der Suche nach einem Medikament hoffen.

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"Natürlich kann man nicht sagen, das ist jetzt die Lösung des Covid-19-Problems. Aber es ist auf jeden Fall ein Ansatz, der es wert ist, verfolgt zu werden", sagt Efferth. Und natürlich heiße das nicht, dass man diese Medikamente nun standardmäßig in der Covid-19-Behandlung einsetzen könne. Es handele sich jedoch um zugelassene Medikamente. Das erlaube es dem Arzt, sie in einem individuellen Heilversuch tatsächlich einzusetzen - auf eigene ärztliche Verantwortung, wenn keine anderen Therapieoptionen mehr vorhanden sind, um einen Behandlungsfortschritt zu erreichen. "Das spielt in der Krebsforschung, aus der ich komme, eine wichtige Rolle."

Efferth spricht nun mit Geldgebern, um die computergenerierten Erkenntnisse in einer Studie zu überprüfen. "Langfristiges Ziel ist eine kontrollierte, randomisierte Doppelblindstudie, um zu schauen, ob man ein sicheres Medikament hat, das bei Covid-19 wirkt." Der nächste Schritt sind zunächst einmal individuelle Heilversuche, danach würde man zusammen mit allen Beteiligten versuchen, die Medikamente auch für die Behandlung von Covid-19 zuzulassen. Die Mainzer Forscher haben bereits Kontakt zu Ärzten aufgenommen.

Quelle: ntv.de