Weniger Versuchstiere dank sekundärer Nano-Antikörper

Antikör­p­er sind aus biol­o­gis­ch­er Forschung und medi­zinis­ch­er Diag­nos­tik nicht mehr wegzu­denken. Sie herzustellen ist jedoch zeit­in­ten­siv, kost­spielig und erfordert
den Ein­satz viel­er Tiere. Wis­senschaftler am Max-Planck-Insti­tut (MPI) für bio­physikalis­che Chemie haben nun soge­nan­nte sekundäre Nanobod­ies entwick­elt, die die meist­genutzten Antikör­p­er erset­zen und die Anzahl der Tiere in der Antikör­p­er-Pro­duk­tion drastisch reduzieren kön­nen. Das ist möglich, weil sich die Sekundär-Nanobod­ies in prak­tisch unbe­gren­zter Menge in Bak­te­rien her­stellen lassen. Außer­dem haben die sekundären Nanobod­ies bei vie­len zell­bi­ol­o­gis­chen Meth­o­d­en Vorteile gegenüber ihren Antikörper-Pendants.

Als zen­traler Teil des Immun­sys­tems schützen Antikör­p­er uns Men­schen und andere Wirbeltiere vor Krankheit­ser­regern. Darüber hin­aus sind sie unverzicht­bare Werkzeuge in der medi­zinis­chen Diag­nos­tik, der Ther­a­pie und der Grund­la­gen­forschung – zum Beispiel in der Mikroskopie. Wenn Forsch­er ein bes­timmtes Pro­tein in ein­er Zelle mikroskopisch unter­suchen wollen, markieren sie es mit Antikör­pern, die gegen das gewün­schte Pro­tein gerichtet sind. Haben diese soge­nan­nten primären Antikör­p­er an das Ziel­pro­tein gebun­den, kom­men in einem zweit­en Schritt sekundäre Antikör­p­er zum Ein­satz. Diese wiederum binden an die primären Antikör­p­er und kön­nen etwa mit einem Flu­o­reszen­z­farb­stoff gekop­pelt sein, der schließlich unter dem Mikroskop leuchtet und so das Pro­tein sicht­bar macht.

Die Pro­duk­tion der sehr vielfälti­gen Primär-Antikör­p­er erfol­gt tra­di­tionell in kleinen Säugern wie Mäusen oder Kan­inchen: Die Tiere wer­den zunächst mit einem gere­inigten Pro­tein per Spritze immu­nisiert – ver­gle­ich­bar mit ein­er Schutz­imp­fung beim Men­schen. Daraufhin bildet das Immun­sys­tem der Tiere Antikör­p­er gegen das Pro­tein. Die Antikör­p­er wer­den schließlich aus dem Blut der Tiere gesam­melt und auf­bere­it­et. Da tausende Labors weltweit Antikör­p­er nutzen und fast alle diese Anwen­dun­gen sekundäre Antikör­p­er erfordern, ist der Bedarf für let­ztere enorm. Deshalb sind für die Sekundär-Antikör­p­er-Pro­duk­tion nicht nur viele, son­dern auch große Tiere wie Esel, Ziegen oder Schafe nötig, was ein ethis­ches Prob­lem darstellt.

Sekundäre Nanobodies lassen sich in Bakterien herstellen

Forsch­er am MPI für bio­physikalis­che Chemie in Göt­tin­gen haben jet­zt eine nach­haltige Alter­na­tive vorgestellt, die Sekundär-Antikör­p­er gegen primäre Antikör­p­er aus Mäusen und Kan­inchen kom­plett erset­zen und somit die Zahl benötigter Tiere für die Antikör­p­er-Her­stel­lung drastisch reduzieren kann – dank spezieller Nanobod­ies. Nanobod­ies sind Frag­mente beson­ders ein­fach aufge­bauter Mini-Antikör­p­er aus Kame­len und ihnen ver­wandten Arten wie Alpakas. „Wir haben Sekundär-Nanobod­ies entwick­elt, die sich – ähn­lich wie Bier in einem Fer­menter – mikro­bi­ol­o­gisch in beliebiger Menge pro­duzieren lassen“, erk­lärt Dirk Gör­lich, Direk­tor am MPI für bio­physikalis­che Chemie und Leit­er des Pro­jek­ts. Mit herkömm­lichen Antikör­pern ist diese Her­stel­lungsart auf­grund ihrer kom­plex­en Struk­tur nicht möglich.

„Die Qual­ität­san­forderun­gen für Sekundär-Antikör­p­er sind sehr hoch, weil sie nur Primär-Antikör­p­er aus ein­er einzi­gen Tier­art und kein­er­lei Struk­turen in den zu analysieren­den Zellen oder medi­zinis­chen Proben erken­nen dür­fen. Das Prob­lem war also, Bau­pläne für wirk­lich per­fek­te Sekundär-Nanobod­ies in die Hände zu bekom­men. Begonnen haben wir mit ein­er Vielzahl von Bau­plan-Vari­anten, die wir aus ein­er kleinen Menge Blut von zwei immu­nisierten Alpakas extrahiert haben. Durch ein soge­nan­ntes Phage-Dis­play-Ver­fahren haben wir dann die besten Vari­anten her­aus­ge­fis­cht und mit diesen schließlich Bak­te­rien für die Nanobody-Pro­duk­tion pro­gram­miert“, erläutert Tino Plein­er, Erstau­tor der jet­zt im Jour­nal of Cell Biol­o­gy erschiene­nen Arbeit.

Nanobod­ies wur­den erst­mals 1993 von einem bel­gis­chen Labor beschrieben. Seit­dem ver­suchen Forsch­er, sie sich für ihre Arbeit im Labor zunutze zu machen. Speziell der Ersatz von Sekundär-Antikör­pern ist allerd­ings alles andere als triv­ial. Ein Grund dafür ist die Größe der Nanobod­ies: Sie sind zehn­fach klein­er als nor­male Antikör­p­er. Daher bieten sie weit weniger Flu­o­reszen­z­farb­stoff-Molekülen Platz als kon­ven­tionelle Antikör­p­er und soll­ten im Mikroskop viel weniger hell leucht­en als diese.

„Unsere ersten Ver­suche mit Sekundär-Nanobod­ies waren in der Tat sehr ent­täuschend und liefer­ten nur dun­kle und ver­rauschte Bilder. Wir haben aber nicht aufgegeben, son­dern die bei­den Alpakas nach ein­er ein­jähri­gen Pause ein weit­eres Mal immu­nisiert und damit ihr Immun­sys­tem dazu gebracht, die Nanobod­ies weit­er zu verbessern. Die Evo­lu­tion im Reagen­z­glas, eine spezielle Kop­plungs-Strate­gie für die Flu­o­reszen­z­farb­stoffe und der gle­ichzeit­ige Ein­satz mehrerer Nanobod­ies tat­en dann das Übrige“, berichtet Gör­lich über anfängliche Schwierigkeit­en. Jet­zt kön­nen die Nanobod­ies in Sachen Sig­nal­stärke mit herkömm­lichen Antikör­pern mithalten.

Bessere Detailschärfe in der Lichtmikroskopie

Im Labor haben Nanobod­ies darüber hin­aus sog­ar Vorteile gegenüber sekundären Antikör­pern. „Mit höch­stau­flösender Flu­o­reszenzmikroskopie beispiel­sweise kann man the­o­retisch zel­luläre Struk­turen im Bere­ich von weni­gen Nanome­tern optisch voneinan­der tren­nen. Doch die dabei ver­wen­de­ten kon­ven­tionellen Antikör­p­er haben selb­st eine Größe von 15 Nanome­tern. Das lässt das Bild wieder ver­schwim­men. Nanobod­ies hinge­gen sind mit etwa 3 Nanome­tern deut­lich klein­er, was eine höhere Bild­schärfe erlaubt“, so Pleiner.

„Neben der Mikroskopie haben wir die sekundären Nanobod­ies bere­its mit anderen Meth­o­d­en getestet und die Ergeb­nisse sind sehr vielver­sprechend“, betont Gör­lich. „Wir erwarten, dass unsere Nanobod­ies die tra­di­tionellen Sekundär-Antikör­p­er aus Eseln, Ziegen oder Schafen in vie­len Anwen­dun­gen erset­zen werden.“