Aptamer

Aptamere (von lateinisch aptus ‚passen‘ und griechisch meros ‚Teil‘) sind kurze einzelsträngige DNA- oder RNA-Oligonukleotide (25–70 Basen) beziehungsweise Peptide, die ein spezifisches Molekül über ihre 3D-Struktur binden können. Ist das Aptamer ein Peptid, so spricht man von einem Peptid-Aptamer.

Beschreibung

Aptamere binden an Proteine, z. B. Wachstumsfaktoren und bakterielle Gifte, niedermolekulare Stoffe, wie Aminosäuren und Antibiotika, und auch an Viruspartikel. Aptamere haben Dissoziationskonstanten im pico- bis nanomolaren Bereich. Sie binden demnach an ihre Zielmoleküle ähnlich stark wie Antikörper. Diese hohe Affinität wird erreicht, indem sich die 3D-Struktur des Oligonukleotides genau um den Bindungspartner herumfaltet („adaptive Bindung“). Die wichtigsten Interaktionen neben der Passgenauigkeit sind elektrostatische Wechselwirkungen und Wasserstoffbrücken.

Aptamere werden künstlich (in vitro), nach dem Kriterium einer möglichst hohen spezifischen Bindungsaffinität hergestellt. Dazu erstellt man große Zufallsbibliotheken von Oligonukleotiden unterschiedlicher Basenabfolge, in einer Größenordnung von 10¹⁴ bis 10¹⁵ verschiedenen Sequenzen pro µmol. (Bei einer Oligonukleotidlänge von 40 bis 70 Basen wären deutlich mehr Variationen möglich, bis zu 10⁴², aber solche Mengen sind nicht herstellbar). Aus diesen Sequenzen werden über die „systematische Evolution von Liganden durch exponentielle Anreicherung“ (englisch selection of ligands by exponential enrichment, SELEX^®) diejenigen herausgefiltert, die das gewünschte Molekül am stärksten binden. Die Aptamer-Kandidaten werden mit immobilisierten Liganden vermischt und die nicht gebundenen weggewaschen. Zurück bleiben Kandidaten, die eine hohe Affinität für das Zielmolekül besitzen. Diese vermehrt man über PCR und beginnt einen neuen Zyklus von Bindung und Wegwaschen der schwächer gebundenen Kandidaten. Nach mehreren Durchgängen erhält man ein oder zwei Oligonukleotide, die als Aptamere bezeichnet werden.

Aptamere vereinen die günstigen Eigenschaften von kleinen Molekülen und Antikörpern. Zu diesen Eigenschaften gehören unter anderem

• hohe Spezifität und Affinität
• chemische Stabilität
• niedrige Immunogenität
• die Fähigkeit der gezielten Beeinflussung von Protein-Protein-Interaktionen

Im Gegensatz zu monoklonalen Antikörpern werden Aptamere chemisch synthetisiert und nicht biologisch exprimiert, was einen erheblichen Kostenvorteil bei ihrer Synthese darstellt. Bei der Synthese können vielfältige Modifikationen, wie beispielsweise der Einbau von Fluoreszenz-Reportermolekülen oder Affinitätstags, vorgenommen werden. Wird ein Aptamer mit Polyethylenglykol (PEG) konjugiert, kann z. B. verhindert werden, dass die ursprünglich sehr kleinen Moleküle zu schnell über die Niere filtriert oder ausgeschieden werden. Dadurch lässt sich die Eliminationshalbwertszeit vom Minutenbereich zu Stunden deutlich erhöhen. Die enzymatische Stabilität von Aptameren lässt sich zudem durch Verwendung chemisch modifizierter oder stereochemisch spiegelbildlicher Nukleotide (Spiegelmere) verbessern.

Anwendungen

Durch ihre Fähigkeit, die Funktion einzelner Proteine in der Zelle gezielt auszuschalten, gelten Aptamere als molekulare Werkzeuge. Aptamere finden Verwendung als Therapeutika, in der medizinischen Diagnostik und der Umweltanalytik.

Onkologie

Insbesondere in der Onkologie sind mit Aptameren Therapieansätze möglich. Zurzeit gibt es keinen auf Aptameren basierenden Wirkstoff für die Krebstherapie. Mehrere klinische Studien wurden jedoch begonnen.

Altersbedingte Makuladegeneration (AMD)

Im Dezember 2004 wurde in den USA Pegaptanib als Arzneistoff zugelassen, das nach der europaweiten Zulassung im Februar 2006 seit Mai 2006 in Deutschland im Handel ist. Es ist für die Behandlung gegen die feuchte altersbedingte Makula-Degeneration (AMD) zugelassen. Pegaptanib ist ein 27mer RNA-Aptamer, das mit dem Ziel entwickelt wurde, hochspezifisch und mit hoher Affinität an den Wachstumsfaktor VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor) zu binden.

Lebensmittelanalytik

Die Bindungsfähigkeit von Aptameren an Oberflächen bakterieller Zellwände kann zur Anreicherung verwendet werden, um die analytische Nachweisgrenze bei nachfolgenden Analysen zu senken. Gekoppelt mit einer Real Time Quantitative PCR kann dies in der Milchwirtschaft zur Bestimmung der Anzahl von Bacillus-cereus-Sporen Anwendung finden.

Toxikologie

Aptamerbasierte Schnellteste können in der Notfallmedizin als Bedside-Test Anwendung finden. Ende 2006 wurde ein auf der Aptamer-Technologie basierender Kokain-Schnelltest vorgestellt.

Virologie

Weitere Anwendungsmöglichkeiten von Aptameren finden sich im Bereich der Virologie und dort bei der labormedizinischen Diagnostik von viralen Infektionskrankheiten. Die therapeutische Behandlung von Viruserkrankungen mit Hilfe von Aptameren ist ein weiteres Einsatzgebiet, das sich zu großen Teilen noch in der Erforschung befindet. Bisher wurde der Einsatz von Aptameren im Zusammenhang mit folgenden viralen Infektionskrankheiten untersucht: Ebolavirus (EBOV), Herpes-simplex-Viren (HSV), Humane Papillomviren (HPV), Hepatitis-B-Virus (HBV), Hepatitis-C-Virus (HCV), Humanes Immundefizienz-Virus (HIV), Influenza-A-Virus H1N1, Influenza-A-Virus H5N1, Influenzaviren, Tick-borne-Encephalitis-Virus (TBEV), Japanische-Enzephalitis-Virus (JEV), Zika-Virus (ZIKV), Dengue-Virus (DENV), Norovirus (NoV), Coronaviren (CoV), Humanes Respiratorisches Synzytial-Virus (RSV), SARS-CoV, SARS-CoV-2, u. v. m.

Siehe auch

• BC 007

Einzelnachweise

1. A. D. Ellington, J. W. Szostak In vitro selection of RNA molecules that bind specific ligands. In: Nature. Band 346, 1990, S. 818–822, PMID 1697402 doi:10.1038/346818a0
2. Quanyuan Wan, Xiaohui Liu, Youli Zu: Oligonucleotide aptamers for pathogen detection and infectious disease control. In: Theranostics. Band 11, Nr. 18, 2021, S. 9133–9161, doi:10.7150/thno.61804, PMID 34522231, PMC 8419047 (freier Volltext) – (englisch). 
3. Tae-Hyeong Kim, Seong-Wook Lee: Aptamers for Anti-Viral Therapeutics and Diagnostics. In: International Journal of Molecular Sciences. Band 22, Nr. 8, 17. April 2021, S. 4168, doi:10.3390/ijms22084168, PMID 33920628, PMC 8074132 (freier Volltext) – (englisch). 
4. Banani Chakraborty, Sreyashi Das, Arushi Gupta, Yanyu Xiong, Vyshnavi T-V, Megan E. Kizer, Jinwei Duan, Arun Richard Chandrasekaran, Xing Wang: Aptamers for Viral Detection and Inhibition. In: ACS infectious diseases. Band 8, Nr. 4, 8. April 2022, S. 667–692, doi:10.1021/acsinfecdis.1c00546, PMID 35220716, PMC 8905934 (freier Volltext) – (englisch). 
5. C. Tuerk und L. Gold: Systematic evolution of ligands by exponential enrichment: RNA ligands to bacteriophage T4 DNA polymerase. In: Science. Band 249, 1990, S. 505–510, PMID 2200121 doi:10.1126/science.2200121
6. A. Vater, S. Klussmann: Toward third-generation aptamers. Spiegelmers and their therapeutic prospects. In: Current Opinion in Drug Discovery & Development. Band 6, Nr. 2, März 2003, S. 253–261, PMID 12669461 (englisch). 
7. G. Zhou, G. Wilson, L. Hebbard, W. Duan, C. Liddle, J. George, L. Qiao: Aptamers: A promising chemical antibody for cancer therapy. In: Oncotarget. [elektronische Veröffentlichung vor dem Druck] Februar 2016, doi:10.18632/oncotarget.7178, PMID 26863567.
8. E. W. Ng et al.: Pegaptanib, a targeted anti-VEGF aptamer for ocular vascular disease. In: Nat. Rev. Drug. Discov. Band 5, 2006, S. 123–132, PMID 16518379 doi:10.1038/nrd1955.
9. Christin Fischer, Markus Fischer: Aptamer-Based Trapping: Enrichment of Bacillus cereus Spores for Real-Time PCR Detection. In: Otto Holst (Hrsg.): Microbial Toxins. Springer Science+Business Media LLC, New York, NY 2017, ISBN 978-1-4939-6956-2, S. 61–68, doi:10.1007/978-1-4939-6958-6_6. 
10. Christin Fischer, Tim Hünniger, Jan-Hinnerk Jarck, Esther Frohnmeyer, Constanze Kallinich: Food Sensing: Aptamer-Based Trapping of Bacillus cereus Spores with Specific Detection via Real Time PCR in Milk. In: Journal of Agricultural and Food Chemistry. Band 63, Nr. 36, 16. September 2015, S. 8050–8057, doi:10.1021/acs.jafc.5b03738 (englisch). 
11. Juewen Liu, Debapriya Mazumdar, Yi Lu: A Simple and Sensitive “Dipstick” Test in Serum Based on Lateral Flow Separation of Aptamer-Linked Nanostructures. In: Angewandte Chemie. Band 118, Nr. 47, 4. Dezember 2006, S. 8123–8127, doi:10.1002/ange.200603106 (englisch). 
12. Teststäbchen für Kokain Deutschlandfunk. Abgerufen am 14. Mai 2019.
13. Kumari Asha, Prashant Kumar, Melvin Sanicas, Clement A. Meseko, Madhu Khanna, Binod Kumar: Advancements in Nucleic Acid Based Therapeutics against Respiratory Viral Infections. In: Journal of Clinical Medicine. Band 8, Nr. 1, 20. Dezember 2018, S. 6, doi:10.3390/jcm8010006, PMID 30577479, PMC 6351902 (freier Volltext). 
14. Anton Schmitz, Anna Weber, Mehtap Bayin, Stefan Breuers, Volkmar Fieberg, Michael Famulok, Günter Mayer: A SARS-CoV-2 Spike Binding DNA Aptamer that Inhibits Pseudovirus Infection by an RBD-Independent Mechanism. In: Angewandte Chemie (International Ed. in English). Band 60, Nr. 18, 26. April 2021, S. 10279–10285, doi:10.1002/anie.202100316, PMID 33683787, PMC 8251191 (freier Volltext). 
15. Yang Zhang, Mario Juhas, Chun Kit Kwok: Aptamers targeting SARS-COV-2: a promising tool to fight against COVID-19. In: Trends in Biotechnology. Band 41, Nr. 4, April 2023, S. 528–544, doi:10.1016/j.tibtech.2022.07.012, PMID 35995601, PMC 9340053 (freier Volltext).