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Symbolbild Covid-19 mRNA-Impfstoff

© istock / kovop58

Im Dezember 2019 wird Wuhan in der chinesischen Provinz Hubei zum Zentrum eines Ausbruchs von Lungenentzündungen unbekannter Ursache. Am 7. Januar 2020 isolieren chinesische Wissenschaftler ein neuartiges Coronavirus von Patienten aus Wuhan. Nur drei Tage später, am 10. Januar publiziert die Fudan Universität in Shanghai erste Gensequenzen des neuen Erregers auf der im Internet zugänglichen weltgrößten Viren-Gendatenbank GISAID (Global Initiative on Sharing All Influenza Data); weitere Sequenzierungen von anderen Wissenschaftlern folgen. Die Gensequenz des neuartigen Coronavirus (Sars-CoV-2) ermöglicht die schnelle Entwicklung entsprechender PCR-Diagnosetests. In Deutschland vermeldet die Charité bereits am 16. Januar 2020, dass das Team um den Virologen Christian Drosten den weltweit ersten Diagnostiktest entwickelt hat. Die Geschwindigkeit der Reaktion ist rasant – und kann doch die weltweite Ausbreitung des Virus nicht verhindern.

Mittlerweile befinden wir uns im Jahr zwei der Pandemie. Ende April 2021 zählte die Johns-Hopkins-Universität in den USA über 150 Millionen Infizierte und mehr als 3 Millionen Tote weltweit. Auch nach einem Jahr der Pandemie gibt es noch kein wirksames Medikament, um eine schwere Covid-19-Erkrankung zu behandeln. Antivirale Medikamente, die bei anderen Infektionen eingesetzt werden, wirken leider nicht oder nur unzureichend. Schon kleinste Unterschiede in Aufbau und Funktionsweise der Viren beeinflussen die Wirksamkeit von Medikamenten erheblich. Die Oberflächenstrukturen von Sars-CoV-2, aber auch die Prozesse, mit denen sich das Virus in der infizierten Zelle vermehrt, werden daher im Detail erforscht, um Angriffspunkte für mögliche Therapien zu finden. Eine Struktur haben die Forschenden dabei besonders im Blick: die sogenannten Spike-Proteine an der Oberfläche des Virus, etwa 20 bis 40 an der Zahl. Das Virus braucht diese Oberflächenproteine, um Zellen infizieren zu können. Dabei bindet das Spike-Protein an einen bestimmten Rezeptor menschlicher Zellen, den ACE-Rezeptor, worauf das Virus mit der Zellmembran verschmilzt und sein Erbgut in das Zellinnere entlässt. Um sich zu vermehren, muss SARS-CoV-2 nämlich – wie alle Viren – eine Wirtszelle kapern. Nur dort findet das Virus die Maschinen und Bausteine, mit denen es sein genetisches Material vervielfachen kann, bevor es weitere Zellen infiziert (siehe BIOMAX 27).

Komplexe Moleküle in 3D

Am Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt haben Martin Beck und Gerhard Hummer mit ihren Arbeitsgruppen die Struktur des Spike-Proteins genauer untersucht. Denn aus der reinen Sequenz des Virus und der daraus abgeleiteten Abfolge der Aminosäuren lassen sich nur bedingt Erkenntnisse über mögliche „Schwachstellen“ des Virus erlangen. Um sich ein Bild zu machen, nutzt das Team die Kryo-Elektronentomografie, ein bildgebendes Verfahren zur dreidimensionalen Darstellung zellulärer Strukturen. Aufgrund seiner exponierten Lage eignet sich das Spike-Protein besonders gut als potenzielles Antigen. Die Analysen des Max-Planck-Teams zeigen, dass Antikörper an den oberen Teil des Spike-Proteins gut binden und somit das Andocken des Virus an die Zellen im Körper verhindern können. Andere Stellen des Proteins hingegen sind durch Zuckerketten vor der Erkennung durch das Immunsystem geschützt (Abb. A).

Grafik Spike-Proteine auf der Oberfläche von Sars-CoV-2

Abb. A: Andockstellen des Virus: Vier Spike-Proteine auf der Oberfläche von Sars-CoV-2 (grün: Zuckerketten). Docken diese Proteine an ACE-Rezeptoren auf der Oberfläche von Körperzellen an, kann das Virus die Zellen infizieren.
© Sikora et al., MPI für Biophysik / CC BY-NC-SA 4.0

„Bei unseren Untersuchungen haben wir festgestellt, dass der Stiel, mit dem das Spike-Protein auf der Virusoberfläche verankert ist, drei Scharniere enthält, wodurch der Proteinkopf eine unerwartete Bewegungsfreiheit erhält“, erklärt Gerhard Hummer. „Wir vermuten, dass das dem Spike-Protein ermöglicht, die Oberfläche der Wirtszelle abzutasten, um in der optimalen Position an den Rezeptor andocken zu können.“ Das Spike-Protein hat aber noch eine weitere Aufgabe: Es befördert die Fusion der Membranen des Virus und der Zelle, um das virale Genom in das Innere der Zelle zu übertragen. „Bei diesem zweiten Schritt wandelt sich die Struktur des Proteins dramatisch – von einer sogenannten Präfusions– hin zu einer Postfusionskonformation. Erst durch diese Umwandlung kann die hohe energetische Barriere der Membranfusion überwunden werden“, betont Hummer.
Auch die neuen mRNA-Impfstoffe nutzen das Spike-Protein. Anders als die sogenannten Vektor-Impfstoffe übertragen sie jedoch nicht das virale Protein selbst, sondern lediglich die Bauanleitung dafür, und machen sich damit jenes System zunutze, das unsere Zellen zur Herstellung von Proteinen verwenden (siehe BIOMAX 25) : Auf der Grundlage von Informationen in unserer DNA stellen Zellen alle lebensnotwendigen Proteine her. Um die genetische Information jedoch verarbeiten zu können, nutzen sie die sogenannte Boten- oder mRNA (engl. „messenger“) als Transkript, also als Abschrift der ursprünglichen DNA-Sequenz. mRNA-Moleküle transportieren dann die Bauanleitung für das Protein, in diesem Fall das Spike-Protein, hin zu den Ribosomen im Cytoplasma der Zelle, wo sie in die entsprechende Aminosäuresequenz übersetzt wird. Weil künstlich hergestellte mRNA selbst immunogen ist, lösen mRNA-Impfstoffe eine besonders robuste Immunantwort aus, d.h. verschiedene Arten von Immunzellen werden aktiviert und tragen zur Immunreaktion bei. Dazu gehören sowohl Antikörper-produzierende B-Zellen als auch T-Zellen, die die infizierten Zellen abtöten (Abb. B).
Die Impfstoffe sollten besonders wirksam sein, wenn die von ihnen induzierten Antikörper bei einer Infektion die Struktur des Spike-Proteins vor der Fusion der Membranen erkennen – dann können sie das Virus vor dem Eindringen in die Zelle attackieren und neutralisieren. „Deshalb haben Impfstoffentwickler wie BioNTech von Anfang an versucht, das Spike-Protein durch kleine Variationen in der mRNA in der Präfusionskonformation zu stabilisieren.“ erzählt Hummer. „Wichtige Hinweise dafür kamen aus der Strukturbiologie, die ja genau das gleiche Problem hat: eine möglichst stabile Struktur zu erzeugen, die der funktionalen Konformation entspricht.“

Grafik Wirkungsweise der mRNA-Impfstoffe

Abb. B: Wirkungsweise der mRNA-Impfstoffe
© Thomas Splettstößer / CC BY-NC-SA 4.0

Auf den Schultern von Riesen

Was heute so einfach und naheliegend erscheint, ist das Ergebnis jahrzehntelanger Grundlagenforschung, die nicht ohne Rückschläge verlief. Sie begann 1953 mit der Entdeckung der DNA-Doppelhelix. Danach zerbrachen sich die Forscher den Kopf, wie die genetische Information wohl in biologische Funktion umgesetzt wird? „Da die DNA sich im Zellkern befand und die Proteinsynthese außerhalb des Zellkerns, im Cytoplasma, stattzufinden schien, stellten wir uns vor, dass eine Kopie eines jeden aktiven Gens in das Cytoplasma geschickt werden musste. Da es hier jede Menge RNA, aber anscheinend keine DNA gab, nahmen wir an, die RNA sei dieser Bote,“ schrieb Francis Crick in seiner Autobiografie. Doch seine weiteren Schlussfolgerungen waren falsch, was u.a. daran lag, dass die Natur und Funktion von Ribosomen zu diesem Zeitpunkt noch nicht verstanden waren. Erst 1961 gelang u. a. Sydney Brenner, François Jacob und James Watson die Isolierung von mRNA und die Entwicklung eines theoretischen Konzepts. Die ersten, die die Funktion von mRNA nachweisen und im Weiteren den genetischen Code entschlüsseln konnten, waren schließlich zwei Forscher an den National Institutes of Health (NIH), Marshall Nirenberg und Heinrich Matthaei, der später Direktor am Max-Planck-Institut für experimentelle Medizin in Göttingen wurde. Die Entdeckung und Beschreibung der mRNA war somit das Produkt jahrelanger Arbeit der Science Community, die Beweise sammelten, um ein Problem zu lösen, das heute offensichtlich erscheint, aber zu der Zeit extrem schwierig war. Damit legten sie die Grundlagen für das heutige Verständnis und die weitreichenden Entwicklungen, die noch folgen sollten.

Eine körpereigene Medikamentenfabrik

mRNA könnte als Rezeptbuch für zigtausende von Proteinen dienen – daraus, so die Hoffnung, sollte sich doch ein therapeutischer Nutzen ziehen lassen: Indem man künstlich hergestellte mRNA präzise verändert und Menschen injiziert, könnte jede Zelle im Körper in eine Medikamentenfabrik auf Abruf verwandelt werden. Antigene, um gegen Infektionen zu impfen, Enzyme, um eine seltene Krankheit rückgängig zu machen, oder Wachstumsfaktoren, um beschädigtes Gewebe zu heilen. Den Grundstein für dieses Konzept legten 1990 der US-Amerikaner Jon Wolff von der Universität Wisconsin und seine Kollegen. Die Wissenschaftler injizierten nackte mRNA in Mäusemuskeln und konnten damit den Beweis für den direkten Gentransfer in vivo erbringen. Doch weitere Fortschritte ließen auf sich warten.
An der Pennsylvania State University träumte auch die ungarische Wissenschaftlerin Katalin Karikó von den scheinbar unendlichen Möglichkeiten maßgeschneiderter mRNA. Aber da Studien, die sich mit mRNA-basierten Therapeutika beschäftigten, wenig Aussicht auf Erfolg zu haben schienen, wurden sie in den Achtziger- und Neunzigerjahren kaum gefördert. Karikó musste kämpfen, um Gelder für ihre Forschung zu bekommen. Denn so einfach die Idee auch klingen mag, zwei große Herausforderungen mussten überwunden werden: erstens, die erfolgreiche Bereitstellung von mRNA. RNA ist äußerst instabil und wird von Enzymen (RNAsen) in der Umwelt und in unserem Körper leicht abgebaut. Und zweitens, die Verringerung der Immunantwort gegen die mRNA. So löst künstlich hergestellte mRNA, wenn sie in den Körper injiziert wird, eine Immunreaktion aus, infolgedessen sie zerkleinert und die Synthese der gewünschten Proteine stillgelegt wird.
Zusammen mit dem Immunologen Drew Weissman suchte Karikó nach einem Weg, um das zu verhindern. 2005 fanden sie die Lösung: Die injizierte mRNA aktiviert spezifische Rezeptoren auf den Immunzellen und löst so eine Immunantwort aus. Wird das physiologische Nukleosid Uridin durch Pseudouridin ersetzt, so bleibt die Immunantwort aufgrund einer veränderten Sekundärstruktur der mRNA aus. Das gewünschte Protein wird nun jedoch mit einer zehnmal höheren Rate produziert. Das war der Durchbruch! 2006 beantragte die Pennsylvania State University für RNA-Moleküle mit modifizierten Nukleosiden das Patent. Es ist dieses Patent, für das BioNTech und Moderna später die Lizenz erhielten. Indem sie Uridin durch zum Beispiel 2-Thio-Uridin ersetzten, konnten die Hersteller erreichen, dass zum einen nach wie vor signifikante Mengen des kodierten Proteins produziert werden, die mRNA aber gleichzeitig noch eine, wenn auch abgeschwächte Immunreaktion, insbesondere eine T-Zell-Antwort auslöst.

Auf die Verpackung kommt es an

Wie aber schleust man nun diese modifizierte RNA erfolgreich in die Zellen? mRNA-Stränge sind vergleichsweise groß und negativ geladen und können nicht einfach durch die Lipidmembranen der Zellen hindurch schlüpfen. Und wie verhindert man, dass sie durch die RNAsen in unserem Körper gleich wieder abgebaut werden? Zum Glück haben Forschende auch dafür eine Lösung gefunden. Dabei greifen sie auf eine Technologie zurück, deren Ursprünge älter sind als die Idee der mRNA-Therapie selbst: winzige Fettkügelchen, sogenannte Lipid-Nanopartikel, kurz LNPs.
LNPs nutzen einen natürlichen Prozess, die rezeptorvermittelte Endocytose, um in die Zellen zu gelangen. Man benötigt dafür positiv geladene Lipide, um die negativ geladenen Nukleinsäuren auszugleichen. Das Problem: In der Natur gibt es keine positiv geladenen Lipide. Zum einen sind sie giftig, zum anderen würden permanent positiv geladene Lipide die Zellmembranen auseinanderreißen. Die Lösung liegt in smarten Lipiden, die nur unter bestimmten Bedingungen geladen sind, sogenannte ionisierbare Lipide. Im Blut sind sie zunächst neutral. Nach der Bindung an eine Zelle wird das Nanopartikel in einer größeren Lipidblase eingekapselt, dem Endosom. Dessen Inneres hat einen sauren pH-Wert. Die Köpfe der ionisierbaren Lipide werden dadurch protoniert und sind nun positiv geladen. Die Protonierung löst eine Formveränderung des Nanopartikels aus, die vermutlich dazu führt, dass sich das LNP aus dem Endosom lösen und schließlich seine RNA-Fracht in das Cytoplasma der Zelle freisetzen kann. Einmal freigesetzt, kann die mRNA ihre Arbeit verrichten (Abb. C).

Grafik mRNA-Transport mithilfe von Nanopartikeln

Abb. C: mRNA-Transport mithilfe von Nanopartikeln: Links: Lipid-Nanopartikel docken an spezifische Rezeptoren der Zellmembran an (1) und werden mittels Endocytose aufgenommen (2). Nach Freisetzen der mRNA aus dem Endosom startet der Translationsprozess (3). Rechts: Die LNP-Bildung erfolgt durch Selbstorganisation. PEG-Lipide schirmen sie gegen Enzyme ab; Cholesterin stabilisiert sie, indem es die Lücken zwischen den Lipiden füllt und die Aktivität der kationischen Lipide verstärkt. Phospholipide destabilisieren die Lipiddoppelschicht der Zellmembran und erhöhen so die Übertragung der LNPs in die Zelle.
© Links: verändert nach Gomes-Aguado et al; doi:10.3390/nano10020364; rechts: Max-Planck-Gesellschaft, erstellt mit BioRender.com / CC BY 4.0

Treiber für die Entwicklung dieser Lipid-Nanopartikel war zunächst eine ganz andere, 2006 mit dem Nobelpreis gekrönte Technologie: die RNA-Interferenz. Sie ermöglicht das selektive Ausschalten von Genen durch kleine RNA-Schnipsel, kurz siRNA (engl. „small interfering RNA“). Diese binden an den komplementären Abschnitt der mRNA eines Gens und schalten es damit stumm. Seit 2005 hatte die US-Biotechfirma Alnylam Pharmaceuticals, eine Ausgründung der Max-Planck-Gesellschaft zusammen mit dem Massachusetts Institute of Technology (MIT), mit verschiedenen Partnern mehr als 300 ionisierbare Lipide hergestellt, um siRNA in Zellen zu schleusen. Die Arbeit war zermürbend und Lipide, die in der Petrischale großartige Nanopartikel ergaben, versagten oft in Tierversuchen. 2010 waren sie endlich erfolgreich. Acht Jahre später brachten sie mit Onpattro nicht nur das erste auf RNA-Interferenz basierende Medikament auf den Markt, sondern gleichzeitig auch die erste zugelassene Therapie, die über Lipid-Nanopartikel verabreicht wurde.
Auch die mRNA-Impfstoffe nutzen Lipid-Nanopartikel – ohne diese Verpackung würden sie nicht funktionieren. Sie enthalten nur vier Bestandteile: ionisierbare Lipide, Polyethylenglykol (PEG)-modifizierte Lipide, sowie Phospholipide und Cholesterin. Tausende Moleküle dieser vier Komponenten kapseln die mRNA ein, schirmen sie vor zerstörerischen Enzymen ab und transportieren sie in die Zellen (Abb. C). Die verwendeten Lipide ähneln unter anderem den Phospholipiden der Zellmembran, auch Cholesterin wird zur Stabilisierung der Lipid-Doppelschicht verwendet. Die Umhüllung der mRNA mit Lipid-Nano-partikeln ist zudem der Grund dafür, warum diese Impfstoffe bei sehr niedrigen Temperaturen gelagert werden müssen: der Impfstoff von BioNTech/Pfizer bei minus 70°C, der von Moderna bei minus 20°C. Die verschiedenen Lagertemperaturen resultieren aus unterschiedlich zusammengesetzten Lipid-Umhüllungen.

Endspurt beim Impfstoff

Im Dezember 2020, noch nicht einmal ein Jahr nach der Sequenzierung des Sars-CoV-2-Genoms, erteilten die Behörden in Großbritannien und USA die erste Zulassung für den mRNA-Impfstoff von BioNTech/Pfizer. Am 21. Dezember 2020 erfolgte die Freigabe durch die Europäische Arzneimittelbehörde (EMA). Noch nie wurde ein Impfstoff so schnell entwickelt. Aber ohne jahrzehntelange Grundlagenforschung und das unermüdliche Engagement von Forscherinnen und Forschern hätten wir im Wettlauf mit dem Virus keine Chance.

 

 

Abbildungshinweise:
Titelbild: © istock / kovop58
Abb. A: Spike-Proteine © Sikora et al., MPI für Biophysik / CC BY-NC-SA 4.0
Abb. B: Wirkungsweise der mRNA-Impfstoffe © Thomas Splettstößer / CC BY-NC-SA 4.0
Abb. C: m-RNA-Transport © Links: verändert nach Gomes-Aguado et al; doi:10.3390/nano10020364 ; rechts: Max-Planck-Gesellschaft erstellt mit BioRender.com / CC BY 4.0

Der Text wird unter CC BY-NC-SA 4.0 veröffentlicht.

BIOMAX 36,  Frühjahr 2021; Text: Christina Beck; Redaktion: Tanja Fendt

 

Eine Überarbeitung dieser BIOMAX-Ausgabe (erschienen 2011) wird geprüft. Die gedruckten Hefte sind vergriffen. Das PDF steht zur Verfügung.

 

© Dan Higgins, Douglas Jordan, USCDCP

Erst seit gut hundert Jahren wissen wir, dass es sie gibt: Viren. Jene winzigen Gebilde, die sich zwar wie biologische Systeme vermehren, dafür aber unbedingt auf eine Wirtszelle angewiesen sind. Viren verfügen über keinen Mechanismus, der ihre genetische Information abliest und in Proteine umsetzt, und müssen sich deshalb der zellulären Übersetzungsmaschinerie bedienen. Seit Jahrzehnten streiten die Forscher daher, ob sie zur belebten oder zur unbelebten Natur zu zählen sind. Biologen pflegen diese Frage ganz unterschiedlich zu beantworten. Einige zitieren gerne den angesehenen Immunologen und Nobelpreisträger Sir Peter Medawar: Für ihn war ein Virus eine in Eiweiß verpackte schlechte Neuigkeit.

Eine neue Sorte Krankheitserreger

Auf die Spur der Viren kamen gegen Ende des 19. Jahrhunderts nicht Humanmediziner, sondern Pflanzenforscher. Tabak war zu diesem Zeitpunkt in Europa eine wertvolle Einnahmequelle, die europäischen Kulturen aber durch eine Krankheit bedroht: die Tabakmosaikkrankheit. Der deutsche Bakteriologe Adolf Mayer hatte die krankhafte Blattscheckung 1886 erstmals beschrieben und damit den Namen geprägt. Er vermutete ein Bakterium als Krankheitserreger. Die unabhängigen Untersuchungen von Martinus Beijerinck in Holland und Dmitri Ivanovski in Russland zehn Jahre später brachten allerdings ein überraschendes Ergebnis: Der Presssaft erkrankter Tabakpflanzen war nach dem Durchgang durch einen Bakterienfilter zwar frei von Bakterien, blieb aber infektiös. Während Ivanowski ein sehr kleines Bakterium für die Krankheitsursache hielt, spekulierte Beijerinck, dass es sich um etwas „zwischen einem lebenden Organismus und chemischen Molekülen“ handeln müsse.

Abb. A: Kristallnadeln des Tabakmosaikvirus unter dem Lichtmikroskop.
© MPG

Um der Natur des neuartigen Krankheitserregers auf die Spur zu kommen, musste man ihn isolieren. Wendell M. Stanley von der heutigen Rockefeller University in New York gelang 1935 die Kristallisation des Erregers: Die feinen Kristallnadeln waren unter dem Lichtmikroskop gerade noch sichtbar (Abb. A). Und obwohl die winzigen Nadeln keine Stoffwechselaktivität erkennen ließen, blieben sie hoch infektiös. Stanley benutzte für das Gebilde das lateinische Wort für Gift: Virus. Zwar konnte er noch nicht wissen, dass jede Nadel aus einer großen Anzahl von Viren bestand, doch seine Schlussfolgerung blieb korrekt. Als 1940 das erste Elektronenmikroskop entwickelt wurde, lieferte dieses die Bestätigung für Stanleys Befund: Das Virus besteht in erster Linie aus einer Proteinhülle, die eine Ribonukleinsäure umschließt. Das klang tatsächlich eher nach einem Chemie-Baukasten als nach einem Organismus, und so verwundert es nicht, dass Stanley für seine Forschung 1946 den Nobelpreis für Chemie erhielt – und nicht etwa den für Medizin.

Abb. B: Gerhard Schramm (vorne) mit Mitarbeitern der Arbeitsstätte für Virusforschung an der Ultra-Zentrifuge, 1940er-Jahre
© MPG

Die Entdeckung erregte weltweit Aufsehen, auch in Berlin. Hier nahm seit 1937 eine zunächst lockere Kooperation allmählich feste Formen an. Es entstand eine Arbeitsstätte für Virusforschung der Kaiser-Wilhelm-Institute für Biochemie und Biologie, die nach dem Zweiten Weltkrieg im Max-Planck-Institut für Virusforschung in Tübingen aufging. Gemeinsames Modellobjekt der Gruppe war – das Tabakmosaikvirus. Die Berliner Forscher machten sich zunächst daran, den Baustoff Protein näher zu untersuchen (Abb. B). Ihre Versuche deuteten an, dass die infektiöse Wirkung nicht vom Protein auszugehen schien. Doch erst 1956 konnten Gerhard Schramm und Alfred Gierer zeigen, dass die Infektiosität des Virus tatsächlich auf die Ribonukleinsäure zurückzuführen ist. In der Fachzeitschrift Nature vom 14. April 1956 schrieben die Forscher: „We have now obtained evidence that after complete removal of the protein, the ribonucleic acid itself is still infectious.“

Die Information zur Virusvermehrung ist an die Nukleinsäure (je nach Virus handelt es sich dabei um RNA oder DNA) gebunden. Das Virusgenom kodiert dabei für drei verschiedene Proteintypen: Proteine, die das infektiöse Virus abbauen, damit die virale Nukleinsäure freigesetzt wird; Proteine zum Verpacken des Genoms, damit es zu weiteren Wirtszellen transportiert werden kann und Proteine, die Strukturen oder Funktionen der Wirtszelle an die Bedürfnisse des Virus anpassen. Da entscheidende Schritte bei der Virusvermehrung mit Hilfe der Maschinerie der Wirtszelle erfolgen, ist es ausgesprochen schwierig, wirksame antivirale Medikamente zu entwickeln (siehe Exkurs). Am besten lassen sich Viruserkrankungen durch Vorbeugung unter Kontrolle bringen, indem man ihre potenziellen Wirte impft.

Exkurs: Die Aufnahme eines Rasterelektronenmikroskops zeigt einen pandemischen Virusstamm, der 18 Stunden nach der Infektion eine menschliche Lungenzelle zerstört.
© MPI für Infektionsbiologie

Neue Strategien gegen Influenza

Bislang stehen zur Verhütung und Behandlung einer Grippeinfektion ausschließlich Impfstoffe und antivirale Medikamente zur Verfügung, die gegen das Virus selbst gerichtet sind. Aufgrund seiner hohen Wandlungsfähigkeit müssen Impfstoffe jedoch immer wieder an das aktuell zirkulierende Virus angepasst werden. Gängige Grippemedikamente versagen immer häufiger, weil Influenzaviren dagegen resistent geworden sind. Forscher vom Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie in Berlin konnten mit Hilfe der RNA-Interferenz unter den zirka 24.000 Genen des Menschen insgesamt 287 Gene aufspüren, die für sogenannte Wirtszellfaktoren kodieren. Diese Proteine sind für die Vermehrung des Virus unerlässlich und könnten sich daher als Angriffspunkt für neuartige Virustatika eignen, Medikamente, die diese Wirtszellfaktoren blockieren. In diesem Fall wäre kaum mit einer Resistenzentwicklung zu rechnen. Auch bisher unbekannte Influenza-Subtypen ließen sich damit bekämpfen.

Wie sichert das Virus sein Überleben?

Das Überleben des Virus hängt maßgeblich von seinem Wirt ab: Wird dieser ausgelöscht, so auch das Virus mit ihm. Im Normalfall sorgt deshalb eine ständige wechselseitige Anpassung dafür, dass das Virus seinen Wirt durch die im Zuge der Infektion ausgelöste Krankheit nicht zu sehr schädigt. Nur schlecht angepasste Erreger töten ihre Wirte; erfolgreiche Viren bevorzugen hingegen die sanfte Tour. Wie zum Beispiel das Polyomavirus. Mehr als drei Viertel der Weltbevölkerung tragen dieses Virus, merken aber in der Regel nichts davon. Denn das Virus hat sich im Verlauf der Evolution hervorragend an den Menschen als seinen Reservoir- oder Hauptwirt angepasst. Wissenschaftler bezeichnen diese Strategie als „infect and persist„.

Wie gelingt eine solche Anpassung? Sie ist das Ergebnis der genetischen Variabilität eines Organismus und damit seiner Fähigkeit, veränderte Proteine herzustellen. Genetische Variabilität entsteht durch Mutationen oder den Austausch von genetischem Material zwischen zwei Individuen. Über das Ergebnis einer einzelnen Mutation hat der Organismus allerdings keine Kontrolle: sie kann hilfreich, aber eben auch schädlich sein. Die schädlichen Effekte lassen sich aber durch eine hohe Reproduktionsrate kompensieren. Bakterien und Viren nutzen diese Methode. RNA-Viren besitzen die höchsten Mutationsraten, die je gemessen wurden (5 x 10-5 Nukleotid-Änderungen pro Nukleotid und Replikationszyklus). Dabei ist es letztlich unerheblich, dass diese Mutationen im Genom der Viren im Grunde auf Kopierfehlern während der Replikation innerhalb der Wirtszellen beruhen. Was zählt, ist allein der für die Arterhaltung daraus resultierende positive Effekt: die extreme Steigerung der Anpassungsfähigkeit.

Mutationen ermöglichen es Viren auch, auf einen gänzlich neuen Wirt überzuspringen. Der AIDS-Erreger hat vermutlich bereits mindestens zweimal erfolgreich die Artengrenze überwunden. Denn tatsächlich handelt es sich bei HIV um eine veränderte Form des Simianen Immundefizienz-Virus (kurz SIV). 2005 konnten Wissenschaftler erstmals Antikörper gegen SIV bei freilebenden Schimpansen nachweisen. Die Forscher vermuten, dass die Schimpansen sich wiederum im westlichen Zentralafrika mit SIV oder einem Vorläufer dieses Virus‘ bei anderen Affenarten infiziert haben. Dem Ebola-Virus ist ein solcher Wirtssprung noch nicht gelungen. Natürlicher Hauptwirt des Erregers sind verschiedene Arten von Flughunden in Afrika.

Die Übertragung des Virus vom Reservoirwirt auf den Menschen ist bislang ein eher seltener Vorgang, der, wenn er eintritt, allerdings drastische Folgen hat: 2003 starben im Kongo 128 von 143 infizierten Personen, d.h., nahezu 90% der Erkrankten. Diese hohe Sterblichkeit deutet darauf hin, dass das Virus (noch) nicht an den Menschen angepasst und neu in die Population eingedrungen ist. Die Verbreitungsstrategie des Ebola-Virus wird als „hit and run“ bezeichnet. Der Wirt scheidet sehr schnell als Basis für eine langfristige Virusvermehrung und als erneutes Ziel einer Infektion aus und steht nur während einer sehr begrenzten Zeit für das Virus zur Verfügung.

Alle Jahre wieder: Die Grippe kommt

Die meisten Viren, die uns befallen, werden von der Immunabwehr gestoppt. Nach einer einmal überstandenen Infektion entwickeln wir ein sogenanntes Immungedächtnis, das eine erneute Infektion mit demselben Erreger verhindert. Auch dieses Problem muss ein Virus umgehen. Denn wenn erst einmal jedes Mitglied einer Population eine Immunität entwickelt hat, findet es keinen Wirt mehr, in dem es sich reproduzieren kann. Die hohe Mutationsrate begünstigt beispielsweise bei Influenzaviren die ständige Veränderung bestimmter Oberflächenproteine, die für eine erfolgreiche Wirtsinvasion von Bedeutung sind. Sie werden unter dem Druck der in der menschlichen Bevölkerung vorhandenen Immunität selektiert. Dieses Phänomen der Antigen-Drift ist die molekulare Erklärung für die jährlich im Winter neu auftretende Grippe-Epidemie.

Auf der Grundlage der genomischen Unterschiede werden die Grippeviren in die Typen A, B und C klassifiziert. Typ A ist verantwortlich für die meisten menschlichen Grippefälle. Ob das Virus erfolgreich in eine Wirtszelle eindringen kann, hängt vor allem von der Feinstruktur zweier Oberflächenproteine ab: dem Hämagglutinin, das die Anheftung des Virus an die Zelle und den Zelleintritt mittels Endocytose ermöglicht, und einem Enzym, der Neuraminidase, das an der Freisetzung der neuen Viruspartikel beteiligt ist. Die beiden Proteine existieren in diversen Varianten, die mit H1 bis H16 und N1 bis N9 bezeichnet werden. Jedes Jahr treten diese Viren in neuer H-N-Kombination auf. H1N1 und H3N2 sind die derzeit gängigsten Subtypen des menschlichen Grippevirus vom Typ A.

Um im Kampf gegen die Grippe zu bestehen, müssen die Impfstoffe an die neuen Erreger angepasst werden. Das ist ein Wettlauf gegen die Zeit, bei dem die Forscher inzwischen auf Computer setzen: Er soll verdächtige Strukturen im Virengenom aufspüren, mit denen sich der nächste Auslöser einer weltweiten Grippewelle verrät, noch ehe die Grippesaison begonnen hat. Doch welche Mutation macht das Virus wirklich gefährlich? Zunächst lernt der Rechner die „Täterprofile“ bereits bekannter Viren kennen. Füttern die Forscher den Computer anschließend mit den genetischen Informationen eines Grippevirus, von dem noch niemand weiß, wie gefährlich es ist, so gleicht der Rechner auf der Basis eines statistischen Lernverfahrens die neuen Daten mit dem bekannten Wissen ab. Er ordnet die Information so, dass sich die aktuellen Eingabewerte möglichst stark den erlernten Mustern annähern. Als Antwort liefert er dann einen Zahlenwert, der Aussagen erlaubt zu: Wie stark ähnelt die neue Gensequenz den Strukturen eines erfolgreichen Virus? Wie wahrscheinlich ist es also, dass eine Krankheit ausbricht? Noch können die Forscher keine aktuellen Voraussagen für die neue Grippesaison liefern, denn noch werden die Programme optimiert.

Die Daten für derartige Analysen erhalten sie aus der weltgrößten Viren-Gendatenbank GISAID (engl. Global Initiative on Sharing All Influenza Data). Sie liegt auf den Servern des Max-Planck-Instituts für Informatik in Saarbrücken. Forscher aus aller Welt speisen ihre Ergebnisse aus der Genanalyse von Influenza-Viren seit einigen Jahren hier ein. Die aktuelle Version von GISAID bietet grundlegende Analysemethoden, die helfen, den Ursprung neuartiger viraler Varianten zu ergründen (Abb. C). Im September 2008 und Februar 2009 wurden die Virusstämme, die die Grundlage für die Impfstoffproduktion für die folgende Grippesaison der südlichen bzw. nördlichen Hemisphäre bilden, von der WHO unter Verwendung der GISAID Daten ausgesucht.

Abb. C: Evolution des Grippe-Virus H3N2: Stammbaum für die Gensequenz des Oberflächenproteins Hämagglutinin. Die Farbe der Endknoten gibt den Zeitpunkt an, zu dem eine bestimmte Sequenzvariante aufgetreten ist. Damit können Wissenschaftler die Entstehung der verschiedenen Virusstämme verfolgen und Prognosen zu möglichen neuen Varianten abgeben.
© MPI für Informatik

Die Karten werden neu gemischt

Im April 2009 brach in Mexiko und den USA eine neue, schwere Form der Grippe aus. GISAID ermöglichte es, die Genomsequenzen des neuen Virus mit anderen zirkulierenden Virenstämmen zu vergleichen, und lieferte Hinweise auf dessen Ursprung: Die Sequenz des neuen Virus besitzt große Ähnlichkeit mit Sequenzen, die aus Proben von Schweinegrippe sowohl aus den USA als auch aus China stammen, sowie der Sequenz von einem Truthahn. Das deutet darauf hin, dass hier eine ungewöhnliche Reassortierung (Neukombination genetischer Einheiten) von Viren aus mindestens zwei verschiedenen Stämmen stattgefunden hat. Forscher bezeichnen das als Antigen-Shift. Möglich wird dieser Austausch, weil das RNA-Genom des Virus in acht verschiedene Segmente aufgeteilt ist, die unabhängig voneinander repliziert werden. Beim Zusammenbau neuer Viruspartikel in der Wirtszelle kommt es nur darauf an, von jedem Segment ein Exemplar einzubauen – das System kann nach dem Entfernen der Virushülle nicht mehr unterscheiden, welches Segment von welchem Virus-Subtyp stammte, es nimmt schlichtweg das, was gerade „zur Hand“ ist (Abb. D).

Abb. D: Wenn verschiedene Virus-Varianten in einem Organismus zusammenkommen (Koinfektion) kann es zu einer Vermischung genetischer Information zwischen zwei ähnlichen Viren kommen. Man bezeichnet das als Reassortment oder Reassortierung. Die Wahrscheinlichkeit für ein Reassortment steigt signifikant an, wenn verschiedene Populationen (z.B. Menschen und Schweine oder Hühnervögel) mit verschiedenen Virusvarianten in großer Zahl und Dichte die Möglichkeit zur gegenseitigen Infektion haben.
© MPG / CC BY-NC-SA 4.0

In einem einzigen Schritt kann das Virus somit seine Eigenschaften drastisch verändern. Das Immunsystem hat ihm dann kaum etwas entgegenzusetzen. Eine absolute Neuheit hat damit Milliarden Menschen als mögliche Opfer – sie kann zum Auslöser einer Pandemie werden. So wie zwischen 1918 und 1920, als die Spanische Grippe weltweit geschätzte 20 Millionen Todesopfer forderte. Auch hierbei handelte es sich um eine Reassortante, ein Mosaik-Virus. 1995 gelang es Forschern des Armed Forces Institute of Pathology in Washington, das Virus der Spanischen Grippe in der Gewebeproben-Datenbank des Instituts aufzuspüren. Jeffrey Taubenberger und sein Team konnten es aus der Gewebeprobe eines Soldaten isolieren, der 1918 an der Grippe gestorben war: Es ähnelte dem Erreger einer herkömmlichen Schweinegrippe, wies in seiner Außenhülle aber Proteine eines Vogelgrippe-Virus auf. Die Außenhülle enthielt allerdings nicht die todbringenden Bestandteile des Virus. Und obwohl Taubenberger und sein Team 2005 erstmals Genfragmente des Erregers aus den Gewebeproben eines Grippeopfers von 1918, das aus dem Permafrostboden Alaskas geborgen wurde, isolieren und wie ein Puzzle zu einem Virus-Erbgut zusammenzusetzen konnten, blieben die tödlichen Eigenschaften des Virus im Dunkeln.

Bestätigen konnten die Forscher allerdings die Theorie, dass Wasservögel ein Reservoir für alle Grippestämme der Erde zu bilden scheinen. Beim Auslöser der Spanischen Grippe handelt es sich ganz offensichtlich um ein Vogelgrippe-Virus, das es durch einige wenige genetische Veränderungen geschafft hatte, auf den Menschen überzuspringen. Abweichungen bei nur 25 bis 30 der 4000 Aminosäuren verwandelten das Virus in einen Massenmörder. Einzelne genetische Merkmale dieses Erregers sind inzwischen auch bei H5N1 zu finden – dem Erreger der sogenannten Geflügelpest, der auch für den Menschen tödlich sein kann. H5N1 hat sich inzwischen an Entenvögel angepasst und tötet diese nicht mehr. Es könnte deshalb nicht nur unter Wildvögeln zirkulieren, sondern durch diese – wie durch ein trojanisches Pferd – auch weiter verbreitet werden. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Ornithologie in Radolfzell untersuchen daher die Zugwege von Wasservögeln und ihre Bedeutung als Verbreiter von Krankheitserregern. Viele Fragen sind hier noch offen.

Abbildungshinweise 
Titelbild:  Influenza-Virus © Dan Higgins, Douglas Jordan, USCDCP
Abb. A: Kristallnadeln Virus © MPG
Abb. B: Ultrazentrifuge 1940er-Jahre © MPG
Abb. C: Virengendatenbank GISAID © MPI für Informatik
Abb. D: Reassortierung von Viren © MPG / CC BY-NC-SA 4.0
Exkurs: Neue Strategien gegen Influenza © MPI für Infektionsbiologie

Der Text wird unter CC BY-NC-SA 4.0 veröffentlicht.

BIOMAX Ausgabe 27, Sommer 2011; Autorin: Christina Beck