Transmissie-elektronenmicroscoopbeeld toont SARS-CoV-2, het virus dat COVID-19 veroorzaakt, geïsoleerd uit een patiënt in de VS. Virusdeeltjes komen tevoorschijn van het oppervlak van cellen die in het lab zijn gekweekt. De pieken aan de buitenrand van de virusdeeltjes geven coronavirussen hun naam, kroonachtig.NIAID-RML

In het najaar van 2019 doken de eerste meldingen van een onbekende infectie van de luchtwegen – in sommige gevallen met dodelijke afloop – op uit Wuhan, China. De bron van die infectie werd al snel geïdentificeerd als een nieuw coronavirus, verwant aan die welke uitbraken van Severe Acute Respiratory Syndrome (SARS) van 2002-2004 en Middle East Respiratory Syndrome (MERS) in 2012 hadden veroorzaakt.

De Wereldgezondheidsorganisatie verklaarde de ziekte die het gevolg was van het nieuwe virus, COVID-19, tot een noodsituatie op het gebied van de volksgezondheid van internationale bezorgdheid. Begin maart 2020 had het nieuwe coronavirus – dat nu SARS-CoV-2 wordt genoemd – wereldwijd meer dan 90.000 mensen besmet en ten minste 3.100 mensen gedood.

Zoals andere coronavirussen zijn SARS-CoV-2-deeltjes bolvormig en hebben ze eiwitten die spikes worden genoemd en die uit hun oppervlak steken. Deze spikes hechten zich aan menselijke cellen en ondergaan dan een structurele verandering waardoor het virale membraan met het celmembraan versmelt. De virale genen kunnen dan de gastheercel binnendringen om te worden gekopieerd, waardoor meer virussen worden geproduceerd. Recent werk toont aan dat, net als het virus dat de SARS-uitbraak van 2002 veroorzaakte, SARS-CoV-2-spikes zich binden aan receptoren op het menselijke celoppervlak genaamd angiotensine-converterend enzym 2 (ACE2).

Om snelle onderzoeksvorderingen te helpen ondersteunen, werd de genoomsequentie van het nieuwe coronavirus door wetenschappers in China vrijgegeven aan het publiek. Een team van wetenschappers van het laboratorium van Dr. Jason McLellan van de Universiteit van Texas in Austin en het NIAID Vaccine Research Center (VRC) isoleerde een deel van het genoom waarvan werd voorspeld dat het codeert voor het spike-eiwit op basis van sequenties van verwante coronavirussen. Het team gebruikte vervolgens gekweekte cellen om grote hoeveelheden van het eiwit te produceren voor analyse.

Structuur op atomair niveau van het SARS-CoV-2 spike-eiwit. Het receptorbindingsdomein, het deel van de spike dat zich aan de gastheercel bindt, is groen gekleurd. UT Austin, McLellan Lab

De studie werd gedeeltelijk gefinancierd door het National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) van het NIH. De resultaten werden gepubliceerd op 19 februari 2020 in Science.

De onderzoekers gebruikten een techniek genaamd cryo-elektronenmicroscopie om gedetailleerde foto’s te maken van de structuur van het spike-eiwit. Hierbij worden virusdeeltjes bevroren en wordt een stroom van hoogenergetische elektronen door het monster afgevuurd om tienduizenden beelden te maken. Deze beelden worden vervolgens gecombineerd om een gedetailleerd 3D-beeld van het virus te krijgen.

De onderzoekers ontdekten dat de SARS-CoV-2 spike 10 tot 20 keer meer kans had om ACE2 op menselijke cellen te binden dan de spike van het SARS-virus uit 2002. Dit kan SARS-CoV-2 in staat stellen zich gemakkelijker van persoon tot persoon te verspreiden dan het vroegere virus.

Ondanks overeenkomsten in volgorde en structuur tussen de spikes van de twee virussen, konden drie verschillende antilichamen tegen het SARS-virus van 2002 zich niet met succes binden aan het spike-eiwit van SARS-CoV-2. Dit suggereert dat potentiële vaccin- en antilichaam-gebaseerde behandelingsstrategieën uniek zullen moeten zijn voor het nieuwe virus.

“We hopen dat deze bevindingen zullen helpen bij het ontwerp van kandidaat-vaccins en de ontwikkeling van behandelingen voor COVID-19,” zegt Dr. Barney Graham, VRC adjunct-directeur.

De onderzoekers werken momenteel aan kandidaat-vaccins gericht op het SARS-CoV-2 spike-eiwit. Ze hopen ook het spike-eiwit te gebruiken om antilichamen te isoleren van mensen die zijn hersteld van infectie met het nieuwe coronavirus. Indien dergelijke antilichamen in grote hoeveelheden worden geproduceerd, kunnen zij eventueel worden gebruikt om nieuwe infecties te behandelen voordat een vaccin beschikbaar is. Bovendien streven NIH-onderzoekers andere benaderingen na om het virus te behandelen.