Nanobodies: Kleine Antikörper mit großem Potenzial

Nanobodies sind die kleinsten natürlich vorkommenden antigenbindenden Antikörperfragmente: einzelne Proteindomänen aus besonderen Antikörpern von Kamelen, Lamas und Alpakas. Mit einer Masse von rund 12 bis 15 Kilodalton sind sie etwa ein Zehntel so groß wie ein klassischer Antikörper, binden ihr Ziel aber oft ähnlich fest. Ihre geringe Größe, hohe Stabilität und einfache Herstellung machen sie zu einem vielseitigen Werkzeug in Forschung, Diagnostik und Medizin.

Dieser Artikel erklärt, woher Nanobodies kommen, wie sie aufgebaut sind, was sie von klassischen monoklonalen Antikörpern unterscheidet und wo sie heute eingesetzt werden. Er gibt keine Empfehlung für bestimmte Behandlungen.

Die Entdeckung: Antikörper ohne leichte Ketten

Ein klassischer Antikörper vom Typ IgG besteht aus vier Proteinketten: zwei schweren und zwei leichten. Die Bindungsstelle für das Antigen wird jeweils von den variablen Domänen einer schweren und einer leichten Kette gemeinsam gebildet.

Anfang der 1990er-Jahre beschrieb eine Forschungsgruppe in Brüssel, dass Kamele neben solchen Antikörpern auch funktionsfähige Antikörper bilden, die nur aus schweren Ketten bestehen. Die Arbeit erschien 1993 in der Fachzeitschrift Nature. Bei diesen Schwerketten-Antikörpern wird die Bindungsstelle von einer einzigen variablen Domäne gebildet, der VHH-Domäne. Isoliert man diese Domäne, erhält man den Nanobody.

Ähnliche Einzeldomänen-Antikörper gibt es bei Knorpelfischen wie Haien. Sie werden als VNAR bezeichnet und sind ebenfalls Gegenstand der Forschung.

Aufbau und Eigenschaften

Größe im Vergleich

Format	Aufbau	ungefähre Masse
klassischer Antikörper (IgG)	2 schwere und 2 leichte Ketten	etwa 150 kDa
Fab-Fragment	Teil einer schweren und eine leichte Kette	etwa 50 kDa
scFv	variable Domänen beider Ketten, verbunden	etwa 25 kDa
Nanobody (VHH)	eine variable Domäne	etwa 12 bis 15 kDa

Ein Nanobody hat die Form eines kleinen Zylinders mit einem Durchmesser von etwa 2,5 Nanometern und einer Länge von etwa 4 Nanometern. Er liegt damit klar im Nanobereich, wie es die Seite Nanotechnologie und Immunologie für Antikörper allgemein beschreibt.

Besondere Bindungseigenschaften

Die Bindungsschleifen eines Nanobodys, vor allem die dritte hypervariable Schleife, sind oft verlängert. Sie können wie ein Finger in Vertiefungen eines Zielproteins hineinreichen, etwa in das aktive Zentrum eines Enzyms oder in Spalten zwischen Proteinbereichen. Solche Stellen sind für die flachere Bindungsfläche klassischer Antikörper schwer zugänglich. Nanobodies erkennen deshalb manchmal Strukturen, die andere Antikörper nicht erreichen.

Stabilität und Herstellung

Weil ein Nanobody nur aus einer Domäne besteht, braucht er keine Partnerkette und keine aufwendige Zusammenlagerung. Daraus ergeben sich praktische Vorteile:

• Herstellung in Mikroorganismen: Nanobodies lassen sich in Bakterien wie Escherichia coli oder in Hefen produzieren, während vollständige Antikörper meist Säugetierzellkulturen brauchen.
• Stabilität: Viele Nanobodies vertragen höhere Temperaturen und ungünstige Bedingungen besser als vollständige Antikörper.
• Gute Löslichkeit: Die ursprünglich wasserabweisende Kontaktfläche zur leichten Kette ist bei VHH-Domänen durch wasserfreundliche Aminosäuren ersetzt.
• Einfache Kombination: Mehrere Nanobodies lassen sich gentechnisch zu einer Kette verbinden, etwa um zwei verschiedene Ziele gleichzeitig zu binden.

Wie Nanobodies gewonnen werden

1. Immunisierung: Ein Lama oder Alpaka erhält das Zielprotein, ähnlich einer Impfung. Sein Immunsystem bildet unter anderem Schwerketten-Antikörper.
2. Genbibliothek: Aus einer Blutprobe werden die Erbinformationen der VHH-Domänen gewonnen und in eine Bibliothek kloniert.
3. Auswahl: Über Verfahren wie das Phagen-Display werden die Varianten herausgefischt, die das Ziel binden.
4. Produktion: Die ausgewählten Nanobodies werden in Bakterien oder Hefen hergestellt und gereinigt.

Ohne Tiere kommen synthetische Bibliotheken aus, in denen die Bindungsschleifen zufällig variiert sind. Für Arzneimittel werden Nanobodies häufig „humanisiert“, also an einzelnen Stellen an menschliche Antikörpersequenzen angeglichen, um Immunreaktionen zu verringern. Die VHH-Domänen ähneln bestimmten menschlichen Domänen ohnehin stark.

Einsatz in Forschung und Diagnostik

Werkzeuge im Labor

• Strukturbiologie: Nanobodies stabilisieren bewegliche Proteine in einer bestimmten Form und erleichtern so Kristallisation und Kryo-Elektronenmikroskopie.
• Zellbiologie: Mit fluoreszierenden Proteinen gekoppelt, verfolgen sie Strukturen in lebenden Zellen. Weil sie auch im Zellinneren korrekt gefaltet bleiben können, eignen sie sich als sogenannte Intrabodies.
• Reinigung und Nachweis: Gekoppelt an Partikel oder Oberflächen fangen sie Zielproteine aus komplexen Proben. Die Kopplung folgt den Prinzipien der Biokonjugation.

Diagnostik und Bildgebung

In Biosensoren und Schnelltests werden Nanobodies als Fängermoleküle erprobt, weil sie stabil sind, dicht auf Oberflächen gepackt werden können und sich gerichtet koppeln lassen. In der nuklearmedizinischen Bildgebung werden radioaktiv markierte Nanobodies untersucht, die Tumoren schnell sichtbar machen und überschüssige Moleküle zügig ausscheiden. Viele dieser Anwendungen sind noch in der Forschung oder in klinischen Studien. Weitere Sensorprinzipien beschreibt die Seite Biosensoren und Schnelltests.

Einsatz in der Medizin

In der EU wurde 2018 das erste Arzneimittel auf Nanobody-Basis zugelassen. Es richtet sich gegen einen Gerinnungsfaktor und wird bei einer seltenen, lebensbedrohlichen Störung der Blutgerinnung eingesetzt. Seitdem sind weitere Wirkstoffe mit VHH-Bausteinen hinzugekommen, etwa als Bestandteil einer Zelltherapie gegen eine Blutkrebserkrankung, bei der die Erkennungseinheit der veränderten Immunzellen aus VHH-Domänen besteht.

Zahlreiche weitere Kandidaten werden klinisch geprüft, unter anderem bei Entzündungs- und Autoimmunerkrankungen, Krebs und Infektionskrankheiten. Diskutiert werden auch Darreichungsformen, die für vollständige Antikörper schwierig sind, etwa das Inhalieren. Wie bei allen Wirkstoffen in Entwicklung gilt: Viele Kandidaten erreichen die Zulassung nicht, und Ergebnisse aus frühen Studien sind keine Belege für einen Nutzen.

Nanobodies und Nanopartikel

Für das Themenfeld dieses Portals sind Nanobodies besonders interessant, weil sie sich gut mit Nanopartikeln kombinieren lassen. Ein Goldpartikel oder ein magnetischer Partikel kann mit Nanobodies wesentlich dichter besetzt werden als mit vollständigen Antikörpern. Zudem lassen sich Nanobodies gentechnisch mit einer Kopplungsstelle am Ende versehen, sodass alle Moleküle in derselben Ausrichtung gebunden werden und ihre Bindungsstelle frei nach außen zeigt. Bei klassischen Antikörpern, die oft ungerichtet über Aminogruppen gekoppelt werden, ist ein Teil der Bindungsstellen dagegen verdeckt.

Daraus ergeben sich mögliche Vorteile für Schnelltests und Sensoren: kleinere Konjugate, eine definierte Oberfläche und potenziell empfindlichere Nachweise. Ob sich diese Vorteile in robusten, zugelassenen Tests niederschlagen, hängt von vielen weiteren Faktoren ab, etwa von der Bindungsstärke des einzelnen Nanobodys und der Stabilität des fertigen Konjugats.

Vor- und Nachteile im Überblick

Vorteile	Nachteile und Grenzen
klein, dringt besser in Gewebe ein	kurze Halbwertszeit ohne Verlängerung
erreicht verborgene Bindungsstellen	keine Fc-Region, daher keine Aktivierung von Immunfunktionen ohne Zusatzbausteine
stabil und gut löslich	Gewinnung über Tiere oder aufwendige Bibliotheken
günstige Herstellung in Mikroorganismen	mögliche Immunreaktionen gegen nicht menschliche Sequenzen
leicht kombinierbar zu mehrteiligen Formaten	geschützte Technologien und Patentlage

Fazit

Nanobodies verbinden die Bindungsfähigkeit von Antikörpern mit der Handlichkeit kleiner Proteine. In der Forschung sind sie ein etabliertes Werkzeug, in der Medizin haben die ersten Wirkstoffe den Weg in die Zulassung gefunden. Ihr Potenzial liegt besonders dort, wo klassische Antikörper zu groß, zu instabil oder zu aufwendig in der Herstellung sind. Wie klassische Antikörper hergestellt und eingesetzt werden, beschreibt der Artikel über monoklonale Antikörper.