Nanobodies: Kleine Antikörper mit großem Potenzial
Einzeldomänen-Antikörper aus Kamelen und Lamas: wie Nanobodies aufgebaut sind, wie man sie gewinnt, was sie von klassischen Antikörpern unterscheidet und wo sie eingesetzt werden.
Hinweis: Diese Seite beschreibt Forschung und Technik in allgemeiner Form. Sie gibt keine Behandlungsempfehlung und ersetzt keine ärztliche Beratung. Fragen zur eigenen Gesundheit, zu Tests oder Therapien klären Sie bitte mit Ihrer Ärztin oder Ihrem Arzt.
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.
Halbwertszeit im Blut: Wegen ihrer geringen Größe werden Nanobodies über die Nieren schnell ausgeschieden. Für die Bildgebung ist das ein Vorteil, weil sich nicht gebundene Moleküle rasch aus dem Körper entfernen. Für eine längere Wirkung als Arzneimittel koppelt man sie an Bausteine, die an Albumin binden, oder an größere Proteine.
Wie Nanobodies gewonnen werden
- Immunisierung: Ein Lama oder Alpaka erhält das Zielprotein, ähnlich einer Impfung. Sein Immunsystem bildet unter anderem Schwerketten-Antikörper.
- Genbibliothek: Aus einer Blutprobe werden die Erbinformationen der VHH-Domänen gewonnen und in eine Bibliothek kloniert.
- Auswahl: Über Verfahren wie das Phagen-Display werden die Varianten herausgefischt, die das Ziel binden.
- 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.
Fragen und Antworten
- Woher kommen Nanobodies?
- Kamelartige wie Dromedare, Trampeltiere, Lamas und Alpakas bilden neben normalen Antikörpern auch Antikörper, die nur aus schweren Ketten bestehen. Die antigenbindende Domäne dieser Schwerketten-Antikörper ist der Nanobody. Heute werden Nanobodies meist durch Immunisierung von Lamas oder Alpakas, aus synthetischen Bibliotheken oder durch gentechnische Verfahren gewonnen und dann in Mikroorganismen hergestellt.
- Was ist der Unterschied zwischen Nanobody und VHH?
- Fachlich ist VHH die Bezeichnung für die variable Domäne der schweren Kette eines Schwerketten-Antikörpers. Nanobody ist ein eingetragener Markenname, der sich umgangssprachlich als Begriff für diese Einzeldomänen durchgesetzt hat. In wissenschaftlichen Texten werden beide Bezeichnungen sowie der Oberbegriff Einzeldomänen-Antikörper verwendet.
- Gibt es zugelassene Medikamente mit Nanobodies?
- Ja. In der EU wurde 2018 das erste Arzneimittel auf Nanobody-Basis zugelassen, zur Behandlung einer seltenen, lebensbedrohlichen Blutgerinnungsstörung. Weitere Wirkstoffe mit Nanobody-Bausteinen sind zugelassen oder in klinischer Prüfung, unter anderem in Zelltherapien. Welche Präparate für welche Anwendung zugelassen sind, geben die Arzneimittelbehörden bekannt.
- Warum sind Nanobodies so stabil?
- Nanobodies bestehen aus einer einzigen kompakten Domäne, die nicht auf eine Partnerkette angewiesen ist. Viele Varianten vertragen höhere Temperaturen, extreme pH-Werte oder Lagerung besser als vollständige Antikörper und falten sich nach einer Entfaltung teilweise wieder korrekt zurück. Die Stabilität unterscheidet sich aber zwischen einzelnen Nanobodies und muss jeweils geprüft werden.
Quellen und weiterführende Stellen
- C. Hamers-Casterman und Kollegen: Naturally occurring antibodies devoid of light chains. Nature, 1993.
- Serge Muyldermans: Nanobodies: natural single-domain antibodies. Annual Review of Biochemistry, 2013.
- Europäische Arzneimittel-Agentur (EMA): Europäische öffentliche Beurteilungsberichte (EPAR) zu zugelassenen Arzneimitteln mit Einzeldomänen-Antikörpern.
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Zuletzt überarbeitet am 26. Oktober 2026 von der Redaktion NanoImmunoTech.