key: cord-0721655-dkluo55b
authors: Köhler, Jens; Thoma, Anne; Braun, Susanne; Pich, Andrij; Herrmann, Andreas
title: Bedeutung von Makromolekülen im Kampf gegen das Coronavirus: Mit Polymeren gegen die Pandemie
date: 2021-07-16
journal: Chemie in unserer Zeit
DOI: 10.1002/ciuz.202100024
sha: de4a537222383fe28abb9b5cb8ab9c367105626b
doc_id: 721655
cord_uid: dkluo55b

Polymers play versatile roles in the pandemic. They range from personal protective equipment with goggles and visors made of polyethylene terephthalate (PET) and polycarbonate (PC), to mouth‐nose coverings with inner layers of fine, melt‐blown polypropylene fleece, and finally to swabs made of polystyrene and nylon or viscose that are used in diagnostics. BioNTech/Pfizer and Moderna's mRNA vaccines, which were the first to be approved as corona vaccines in Europe, are based on sequence‐defined polyanions, which can easily and rapidly be produced and adapted to occurring virus mutations. Consequently, there will be no quick end to the pandemic without the use of polymers. Polymers are not only indispensable in this pandemic in personal protective equipment, diagnostics and ultimately in therapy. The research in antiviral materials that was spurred during the COVID‐19 pandemic may position us well for future pandemics. Self‐sterilizing masks are already commercially available and, because they are reusable, have the advantage of requiring far fewer masks to be procured than is the case with disposable masks. This could avoid future mask shortages. Antiviral surface coatings, which can be activated by external stimuli such as sunlight, can help to reduce the viral load on frequently touched surfaces and help to prevent virus transmission. In addition, peptide‐polymer conjugates offer the opportunity to further optimize mRNA vaccines. Because these conjugates can be tailored to target immune cells, they reduce the risk of allergic reactions and side effects, which in turn could result in greater acceptance in the population and increase the willingness to get vaccinated.

gestellt werden, oder die uns allen inzwischen sehr vertrauten Mund-Nase-Bedeckungen, die typischerweise aus einem mehrlagigen Polypropylen-Vlies bestehen. Polymere finden insgesamt für persönliche Schutzausrüstungen im medizinischen Umfeld eine breite Verwendung und sind aus dem klinischen Betrieb nicht mehr wegzudenken: Schutzhandschuhe, Schutzkittel, Schutzbrillen -überall sind Polymere die Werkstoffe der Wahl und leisten wichtige Beiträge zur Infektionsprävention [1] . Wichtige Gründe für die breite Anwendbarkeit von Polymeren in der Schutzausrüstung sind einfache Prozessierbarkeit, gute mechanische Eigenschaften, Transparenz und Sterilisierbarkeit.

Weit weniger offensichtliche Einsatzgebiete polymerer Materialien finden sich bei der Infektionskontrolle und -diagnostik oder auch bei der Impfstoffherstellung. Die Tupfer, die für Nasen-oder Rachenabstriche verwendet werden, bestehen aus Polymeren, sterile Einweg-Bioreaktoren und Filtrationseinheiten auf Polymerbasis helfen, die Produktion von Impfstoffen zu beschleunigen [2] .

Das Leben unserer modernen Gesellschaft ist ohne Poly mere nicht mehr denkbar -sie sind omnipräsent. Die zahllosen Möglichkeiten der chemischen Polymersynthese und biochemischen Verfahren, Polymere in chemischer und struktureller Vielfalt herstellen zu können und die strukturelle Diversität von Biopolymeren, wie Proteinen, Nukleinsäuren oder Polysacchariden, bilden gemeinsam mit innovativen Verarbeitungs-und Fertigungsverfahren die Grundlage zur Entwicklung polymerer Systeme, die in ihrer Komplexität weit über die klassischen Polymeranwendungen als Werkstoffe hinausgehen. Die Erforschung polymerbasierter Materialien mit einer spezifischen "Funktionalität", d. h. einem maßgeschneiderten Eigenschaftsprofil, um eine bestimmte Funktion oder Wirkung auszuüben, führte beispielsweise zu (Bio-)Polymeren, die in der Lage sind, Bakterien zu töten (antimikrobielle Polymere) oder Viren zu inhibieren (antivirale Polymere) bis hin zu aktiven Polymeren, wie die mRNA-Impfstoffe, die über die exprimierten Proteine mit dem Immunsystem interagieren und dieses zielgerichtet aktivieren.

In diesem Artikel werden wir die vielfältigen Anwendungen und Möglichkeiten von Polymeren in der Pandemiebekämpfung näher beleuchten -von einfachen Materialwerkstoffen für persönliche Schutzausrüstung über Abstrichstäbchen für Coronatests und (Bio-)Polymere mit antiviralen Eigenschaften, bis hin zu hochspezialisierten Molekülen, den mRNA-Impfstoffen (Abbildung 1).

Das SARS-CoV-2-Virus wird meist durch die beim Atmen ausgestoßenen Aerosolpartikel von infizierten Personen in die Umgebungsluft freigesetzt. Der Hauptübertragungsweg des Virus über geringe Distanzen ist die Tröpfcheninfektion [3] .

Aus diesem Grund können Masken die Infektionsrate reduzieren und Personal in Medizin und Pflege bei der Be-handlung infizierter Patienten schützen. Zwar bieten auch Schutzmasken keine hundertprozentige Sicherheit vor Infektionen, aber sie können das Eindringen virushaltiger Tröpfchen in die Atemwege verhindern und so die Ausbreitung des Virus reduzieren. Es ist wissenschaftlich erwiesen, dass auch das Tragen von Masken im öffentlichen Raum hilft, die Verbreitung des SARS-CoV-2 zu verlangsamen und die Zahl der Infektionen und Todesfälle somit zu verringern [4] . Gleiches zeigen mathematische Modelle, die sich mit den epidemiologischen Auswirkungen des Tragens von Mund-Nasen-Schutzmasken befassen [5] . Im Folgenden wird auf Mund-Nase-Bedeckungen in Form von Gesichtsschutzvisieren und Masken eingegangen. Weiterhin werden einige Strategien zur antimikrobiellen sowie antiviralen Funktionalisierung textiler Materialien für Gesichtsmasken vorgestellt. 

Doch nicht nur in der Prävention in Form persönlicher Schutzausrüstung gegen SARS-CoV-2 kommen polymere Materialien zum Einsatz, sondern auch beim Nachweis der Erkrankung. Hier sind eine zuverlässige Probengewinnung sowie eine zuverlässige Detektion der Infektion unerlässlich. Relativ unscheinbar, kaum zu bemerken, aber dennoch unerlässlich ist in diesem Prozess das Abstrichstäbchen. Abbildung 5 zeigt ein herkömmliches Stäbchen, welches für Abstriche zum Nachweis einer Infektion mit COVID-19 genutzt wird.

Allgemein besteht das Abstrichstäbchen aus zwei Teilen, dem Applikatorschaft und dem Tupfer. Der Applikatorschaft besteht meist aus Polystyrol (PS). Der Tupfer, der die biologische Probe aufnimmt, besteht zumeist aus Polyamidfasern (Nylonfasern) oder Viskose. Bei Viskosefasern handelt es sich um Chemiefasern aus regenerierter Cellulose.

Es wird zwischen diesen konventionellen Abstrichstäbchen und den beflockten Abstrichstäbchen der Copan Group unterschieden [1] . Schematische Darstellungen der beiden Abstrichstäbchen sind in Abbildung 5 gezeigt. Die beflockten Nylontupfer, zum Beispiel 4N6 FLOQSwabs ® (Copan, Brescia, Italien), wurden zur Effizienzsteigerung bei der DNA-Sammlung und -Elution entwickelt. Sie zeichnen sich durch kurze Nylonfasern aus, die senkrecht an der Spitze des Applikatorschafts angeordnet sind. Die beflockten Tupfer haben keinen inneren, absorbierenden Kern, der die Probe dispergiert und einschließt. Dadurch bleibt die Probe an der Oberfläche des Tupfers, wodurch die Freisetzung und Elution des Analyten erleichtert wird [14] . Studien haben gezeigt, dass 4N6 FLOQSwabs ® herkömmli-che Fasertupfer in Bezug auf die DNA-Rückgewinnung übertreffen [15] .

Neben der Diagnose spielt die Vakzinierung und Therapie eine wichtige Rolle bei der Eindämmung der COVID-19-Pandemie. Die Entwicklung geeigneter Medikamente und Therapieformen ist leider zumeist zeitaufwendig, da keine universell anwendbaren antiviralen Wirkstoffe mit einem breiten Spektrum gegen verschiedene Virentypen existieren. Tausende Viren können Infektionen im Menschen auslösen, aber gegen weniger als ein Dutzend haben bisher Medikamente die Zulassung erlangt [16] . Im Gegensatz dazu sind antibakterielle Behandlungen dank einer Vielzahl von besonders wirksamen Antibiotika mit breiter Anwendbarkeit eine gängige Praxis. Aber auch hier gibt es immer noch große Herausforderungen bakterielle Infektionen zu bekämpfen. Antibiotika-resistente Keime, wie der als "Krankenhauskeim" bekannte Methicillin-resistente Staphylococcus aureus (MRSA), stellen unsere Gesundheitssysteme weltweit vor große Herausforderungen.

Eine vielfach angewandte Strategie zur Bekämpfung bakterieller Pathogene ist die Verwendung membranaktiver Polymere, deren Strukturen natürlich vorkommende, antimikrobielle Peptide (AMP) als Vorbilder haben. AMPs enthalten zwei grundlegende strukturelle Merkmale in ihren Aminosäuresequenzen, die die antimikrobielle Wirksamkeit beeinflussen: (a) Aminosäuren mit positiv geladenen Gruppen und (b) säuren. Die so erzeugte Amphiphilie ermöglicht den AMPs ein effektives Abtöten von Bakterien, da die kationischen Ladungen den Polymeren helfen, sich an die negativ geladene Bakterienzellmembran zu binden, während die hydrophoben Teile in die Bakterienmembran eindringen und diese zerstören. Diesen strukturellen Leitmotiven folgend, wurden in den vergangenen Jahrzehnten zahlreiche synthetische antimikrobielle Polymere für unterschiedlichste Anwendungen entwickelt [17] .

Durch den Ausbruch von SARS-CoV-2 sind auch wieder antiviral wirksame Polymere in den Fokus der Forschung gerückt. Leider können die oben erwähnten Strukturmotive antimikrobiell wirkender Polymere nicht so einfach auf die Virusinhibierung übertragen werden. Nur wenige kationische Systeme, die zumeist auf synthetisch modifizierten Polyaminen wie Polyethylenimin basieren, sind antiviral wirksam [18] Die Behandlung infizierter Patienten mit Polyanionen scheitert an ihrer unzureichenden klinischen Wirksamkeit. Die Nachteile von Polyanionen als Therapeutika (unter anderem kurze Plasma-Halbwertszeit, gerinnungshemmende Wirkung, teilweise Inaktivierung durch Plasmakomponenten und eine schlechte Fähigkeit, in infizierte Gewebe und Zellen einzudringen) behindern deren therapeutische Wirksamkeit und erklären den oftmals beobachteten Unterschied zwischen ihrer antiviralen Aktivität unter künstlichen Laborbedingungen mit isolierten Zellen (in vitro) und im lebenden Organismus (in vivo) [21] .

Die Geschichte der antiviralen Polymere begann bereits Ende der 1940er Jahre mit der Entdeckung, dass bestimmte Polysaccharide wirksam gegen Mumps-und Influenza-Viren waren [22] . Die exakten chemischen Strukturen konnten damals jedoch nicht aufgeklärt werden; erst im Jahre 1961 wurde die Bedeutung der polyanionischen Struktur für die antivirale Wirksamkeit nachgewiesen [23] . Im gleichen Jahrzehnt wurden auch die ersten Forschungsergebnisse von In-vitround In-vivo-Studien zur antiviralen Wirksamkeit synthetisch hergestellter Polyanionen veröffentlicht. Hier konnte die Infektiosität verschiedener umhüllter Viren wie Influenza A-Virus, Herpes-simplex-Virus und Vaccinia-Virus mit Poly(meth-)acrylsäuren (1), Polystyrolsulfonat (2) und Polyvinylsulfat (3) (Abbildung 7) erfolgreich unterbunden werden [24] .

In den vergangenen Jahrzehnten, vor allem seit dem Aufkommen der AIDS-Pandemie in den 1980er Jahren, wurden weitere anionische Polymere beschrieben, die neben dem Humanen Immundefizienz-Virus (HIV-1) eine Vielzahl weiterer umhüllter Viren, wie Herpes-simplex-Viren (HSV-1 und HSV-2) und Influenzaviren, inhibieren können. Hierzu zählen beispielsweise sulfatierte Polysaccharide (4), anionisch-modifizierter Polyvinylalkohol (5) und Polymere mit Sialinsäure-Seitengruppen (6). Weitere typische Vertreter sind aromatische Polycarboxylate (7), Polymere mit Aminosäure-Seitengruppen (8), sowie Polyphosphonate (9) und -phosphate (10) [25] .

Die grundlegenden Strukturmerkmale der beschriebenen, antiviral wirksamen Polyanionen können also ganz unterschiedlich sein: Polysaccharid-, (Meth-)Acrylat-oder Acrylamid-Grundgerüste, die mit den entsprechenden anionischen Seitengruppen ausgerüstet sind, besitzen alle eine antivirale Wirkung. mRNA steht für messenger ribonucleic acid (deutsch: Boten-Ribonukleinsäure). RNA ist analog zur DNA ein aus vier Nukleotiden aufgebautes Polynukleotid, sprich ein Polymer, genauer gesagt ein Polyanion. Nukleotide setzen sich aus den jeweiligen Nukleinbasen (Abbildung 9a), einer (Desoxy-)Ribose sowie einer Phosphatgruppe zusammen und sind über Phosphodiesterbindungen miteinander verknüpft (Abbildung 9b). Allerdings unterscheidet sich RNA von DNA darin, dass RNA Ribose statt Desoxyribose sowie Uracil statt Thymin enthält und dass RNA einzelsträngig ist (Abbildung 9).

In mRNA-Vakzinen enthält die mRNA die genetische Information für die Synthese der viralen Antigene und übermittelt diese Botschaft an die Wirtszelle des Geimpften. Dort wird die mRNA im Zellplasma, also nicht im Zellkern, von Ribosomen ausgelesen und in die Produktion der gewünschten Antigene übersetzt. Mit mRNA-Vakzinen werden demnach nicht die fertigen Antigene verabreicht, sondern lediglich die Geninformation, die der Körper braucht, um die Antigene selbst herzustellen [28] .

Da das SARS-CoV-2 mit seinen Spike-Proteinen an Oberflächenrezeptoren der Wirtszellen bindet, bevor es die Zellen infiziert, stellen diese Spike-Proteine die viralen Antigene dar, die das Immunsystem tangieren soll, um das SARS-CoV-2 zu bekämpfen und bestenfalls eine Infektion zu verhindern. Die Vakzine von BioNTech (BNT162b2) und von Moderna (mRNA-1273) enthalten deswegen in der mRNA jeweils die genetische Information für die Herstellung solcher SARS-CoV-2-Spike-Proteine [27] . Mithilfe des mRNA-Vakzins werden lediglich nicht-infektiöse Spike-Proteine hergestellt, sodass der Körper eine Immunität dagegen aufbauen kann, ohne tatsächlich mit dem pathogenen Virus infiziert zu sein. Sobald diese Proteine gebildet worden sind, werden sie an der Zelloberfläche dem Immunsystem präsentiert, welches daraufhin mithilfe von T-Zellen den. Hierzu zählen beispielsweise Vakzine aus abgeschwächten Viren [27] .

In den folgenden Abschnitten liegt der Fokus jedoch auf den genbasierten Vakzinen, genauer gesagt auf den mRNA-Vakzinen, da diese genau aus einem sequenzdefinierten Polymer bestehen. Als Beispiele werden die wichtigen mRNA-Vakzine von BioNTech und von Moderna genauer erläutert. [27] . [32] .

Polynukleotide sind allerdings nicht erst seit dem Durchbruch der mRNA-Vakzine von Interesse im Bereich der bioinspirierten Polymerchemie. Beispielsweise wurde 2017 von der Arbeitsgruppe um Prof. Herrmann ein DNAbasiertes Nanopartikelsystem entwickelt, welches aufgrund seiner hohen Flexibilität in den darauffolgenden Jahren mit und neutralisierenden Antikörpern die gewünschte Immunantwort liefert (Abbildung 10) [28] .

Sollte die geimpfte Person also zu einem späteren Zeitpunkt mit dem pathogenen Coronavirus in Kontakt kommen, findet die Immunabwehr deutlich schneller statt, weil das "Andocken" der Viren an die Wirtszellen bereits zum Teil durch das Binden der neutralisierenden Antikörper an die Spike-Proteine verhindert wird [28] .

Vorteile der mRNA-Vakzine gegenüber anderen Impfstoffen aus beispielsweise abgetöteten oder abgeschwächten Viren bestehen darin, dass die mRNA-Sequenz bei Virusmutationen binnen weniger Tage angepasst werden kann, ohne dass der gesamte Impfstoff komplett neu entwickelt werden muss. Dadurch kann auf Virusmutationen sehr schnell reagiert werden. Außerdem müssen keine großen Mengen an infektiösen Viren gehandhabt werden, bis sie als abgeschwächte oder inaktivierte Viren als Impfstoff verabreicht werden können. Die mRNA kann ganz einfach "im Reagenzglas" hergestellt werden. All diese positiven Eigenschaften haben dazu geführt, dass die mRNA-Vakzine als erste die Zulassung als Impfstoff erhalten haben [28] .

Ein großer Nachteil ist bisher allerdings die geringe thermische Stabilität von mRNA, was auch die Lagerung des BioNTech-Vakzins bei -70 °C erklärt. Um zu verhindern, dass die mRNA auf dem Weg in die Zellen von Nukleasen abgebaut wird und um die Aufnahme der mRNA in die Zellen zu steigern, ist sie in eine Lipidnanopartikel-Formulierung eingeschlossen. Tabelle 1 gibt die genauen Zusammensetzungen der Vakzine von BioNTech und Moderna wieder. Jede Komponente hat dabei eine bestimmte Funktion. Während ALC-0315, ALC-0159, Lipid SM-102, DMG-PEG2000, DSPC und Cholesterin die schützende Lipid-Außenhülle der Partikel bilden, sind Kaliumchlorid, Kaliumdihydrogenphosphat, Natriumchlorid, Natriummono hydrogen phosphat-Dihydrat, Trometamol, Trometamol hydrochlorid, Essigsäure und Natrium acetat-Trihydrat dafür verantwortlich, den physiologischen pH-Wert aufrecht zu erhalten. Die Saccharose dient dem Schutz der Lipidnanopartikel beim Gefrieren. Die unterschiedlichen Zusammensetzungen sind dafür verantwortlich, dass der Moderna-Impfstoff im Gegensatz zu dem von BioNTech bei -20 °C gelagert werden kann [29] .

Die Herstellung der mRNA erfolgt sowohl bei BioNTech als auch bei Moderna mit Hilfe einer zellfreien In-vitro-Transkription mittels T7-RNA-Polymerase aus den entsprechenden DNA-Vorlagen mit vollständigem Austausch des Uridins durch N1-methyl-pseudouridin (m1Ψ, Abbildung 9). Dabei handelt es sich also um eine Polymerisation, die mithilfe eines isolierten Enzyms durchgeführt wird. Der Austausch des Uridins trägt zur Stabilisierung der mRNA bei. Um die Immunantwort zu erhöhen, wurde das exprimierte Protein optimiert und die mRNA-Sequenz entsprechend angepasst. Dadurch werden bei der Translation zwei Aminosäuren durch Prolin substituiert, sodass das Spike- Ausgehend von Lipid-DNA-Mizellen entstehen durch Hybridisierung mit der Komplementärsequenz eines CpG-Strangs, der das Sequenzmotiv Cytidin-Guanosin enthält, immunstimulierende Nanopartikel, welche abhängig von der Art, wie sie verabreicht werden, unterschiedliche Immunreaktionen hervorrufen können. Beispielsweise konnte durch subkutane Injektion der immunstimulierenden Nanopartikel in Tumornähe eine erhöhte Konzentration an dendritischen Zellen in tumordrainierenden Lymphknoten festgestellt werden (Abbildung 11a). Dies eröffnete die Möglichkeit mithilfe der Nanopartikel gezielt Krebsantigene in Tumornähe zu verabreichen, um dem Immunsystem zu helfen, den Tumor zu finden und zu bekämpfen, ohne jedoch, dass diese Antigene über die Blutbahn in andere Teile des Körpers gelangen und dort Schäden anrichten [33] . Ein solches Tumorvakzin, in welchem ein Adjuvans und ein Antigen zu gleichen Teilen mit der Lipid-DNA hybridisieren, konnte Tumorwachstum und Metastasierung in Mäusen bereits erfolgreich eindämmen (Abbildung 11b) [34] . Ein ähnliches System mit der gleichen Lipid-DNA fand Anwendung als Augentropfen. Hierzu wird die Lipid-DNA mit Aptameren hybridisiert, welche gleichzeitig die zu verabreichenden Antibiotika gebunden haben. Die Drei-Komponenten-Nanopartikel binden erheblich länger an der Hornhaut als andere Augentropfen, sodass die verabreichte Wirkstoffdosis verringert werden kann, weil sie effizienter genutzt wird (Abbildung 11c) [35] .

Am Beispiel dieser Lipid-DNA-Nanopartikel wird das Potential und die Flexibilität solcher Polynukleotidsysteme deutlich. Die beschriebenen Mizellen sind universell einsetzbar, weil in allen Komponenten die DNA-Sequenz für die Hybridisierung konstant gehalten wird, während nur die charakteristischen Reste von Adjuvans, Antigen oder Aptamer der zu behandelnden Krankheit angepasst werden müssen. Dank automatisierter DNA-Festphasensynthese und anschließender Aufreinigung lassen sich solche Modifikationen schnell und einfach vornehmen. Außerdem sind die DNA-Bausteine kommerziell erhältlich und damit beispielsweise auch Medizinern zugänglich. Die Herstellung eines neuen Wirkstoffträgers auf Basis von Lipid-DNA-Nanopartikeln erfolgt lediglich durch Zusammenpipettieren der einzelnen Komponenten und kann anschließend sofort in Zellkultur-und Tierexperimenten getestet werden. Des Weiteren ist von solchen Lipid-DNA-Nanopartikeln kaum Toxizität zu erwarten, weil Nukleinsäuren in allen Körperzellen vorliegen und demnach kein fremdes Material verabreicht wird.

Nicht nur in dieser Pandemie sind Polymere unabkömmlich für die Herstellung persönlicher Schutzausrüstung, Diagnostik und Therapie. Die intensiven Forschungstätigkeiten im Bereich antiviraler Materialien, die aufgrund der COVID-19-Pandemie entstanden sind, bieten eine gute cially available and, because they are reusable, have the advantage of requiring far fewer masks to be procured than is the case with disposable masks. This could avoid future mask shortages. Antiviral surface coatings, which can be activated by external stimuli such as sunlight, can help to reduce the viral load on frequently touched surfaces and help to prevent virus transmission. In addition, peptidepolymer conjugates offer the opportunity to further optimize mRNA vaccines. Because these conjugates can be tailored to target immune cells, they reduce the risk of allergic reactions and side effects, which in turn could result in greater acceptance in the population and increase the willingness to get vacci nated.

Polymere, Pandemie, COVID-19, antiviral, mRNA-Vakzine.

FLOQSwabs ® DNA collection and preservation for human identification brochure

Proc. Natl. Acad. Sci

The Lancet

mRNA-Impfstoffe zur Bekämpfung der COVID-19 Pandemie

(abgerufen am 19.01.2021). b) Informationsblatt zum Moderna-Impfstoff

SARS-CoV-2-Arbeitsschutzregel, baua: Fokus

So entsteht das Corona-Masken-Filtervlies

Medizinische Gesichtsmasken -Anforderungen und Prüfverfahren

Deutsche Fassung EN 14683:2019+AC:2019. b)

Textilien desinfizieren sich selbst durch Kupfer

product brochure for forensic and genetics applications

By End User (Packaging, Automotive, Infrastructure & Construction, Consumer Goods/Lifestyle, Healthcare & Pharmaceutical, Electrical & Electronics, Agriculture, Others) and Regional Forecast

Die mRNA-Pioniere erobern den Pharmamarkt rasant