Arzneimittel und Therapie

2. Publikation zur Herstellung hochinfektiöser Viren

Was die Natur bislang noch nicht geschafft hat, ist in Laborversuchen gelungen: die "Herstellung" von hochinfektiösen humanpathogenen H5N1-Influenza-Viren. Dabei haben sich zwei Forschergruppen ein Kopf-an-Kopf-Rennen geliefert, auch in den umstrittenen Publikationen der "Bauanleitungen". Das erste Paper wurde vor wenigen Wochen in der Wissenschaftszeitschrift Nature veröffentlicht, das zweite soeben in Science.

**Die Angst** vor hochinfektiösen und hochpathogenen Influenzaviren ist groß.Nun scheint im Labor das gelungen zu sein, wovor man sich in der Naturfürchtet. Glaubt man den Influenza-Forschern, dann waren sie der Natur nurwenige Schritte voraus.

26_du_aut_Superviren.eps — Das Influenza-A-Virus Die RNA-Segmente 1 bis 3 codieren für die Polymerase-Proteine basische Polymerase 2 (PB2), basische Polymerase 1 (PB1) und sauere Polymerase (PA). Diese Proteine bilden den Komplex der RNA-abhängigen RNA-Polymerase, die für die Transkription und Replikation des Virusgenoms verantwortlich ist. Auf Segment 2 findet sich auch die Information für ein weiteres kleines Protein, PB1-F2, das an der Induktion des Zelltods beteiligt ist. Die RNA-Segmente 4 und 6 codieren für die viralen Oberflächen-Glykoproteine Hämagglutinin (H) und Neuraminidase (N). Hämagglutinin bindet an Sialinsäuremoleküle auf der Wirtszelle und ist nach der Endozytose verantwortlich für die Fusion der viralen Membran mit der Wirtszellmembran. Die Neuraminidase ist eine Sialidase, die Sialinsäurereste auf der Wirtszelle und auf Viruspartikeln abspaltet. Segment 5 codiert für das Nucleocapsidprotein (NP), das virale RNA bindet, und Segment 7 trägt die Information für das virale Matrix-Strukturprotein M1 sowie für das Ionenkanalprotein M2, das in die virale Membran eingelagert wird. Auf Segment 8 befindet sich die Information für das Nichtstrukturprotein NS1 und das Kern-Exportprotein (NEP).

Am 2. Mai 2012 erschien das erste Paper in Nature, in dem Yoshihiro Kawaoka und seine Mitarbeiter die Herstellung einer möglicherweise sehr human-pathogenen H5 HA/H1N1-Reassortante beschrieben. Schon damals war eigentlich auch das Manuskript der Arbeitsgruppe von Ron Fouchier fertig, das in Science erscheinen sollte. Aber erst mussten Ausfuhrregularien für die Beschreibung von sogenannten Dual-use-Produkten erfüllt werden, und dann durchlief das Paper noch die Begutachtung bei Science. Zwei der drei Gutachter forderten offensichtlich eine Nachbesserung des Manuskripts, in der die Letalität der mutierten Viren für Frettchen aufgeführt werden sollte. Am 21. Juni 2012, sieben Wochen nach Kawaokas Veröffentlichung, ist die Arbeit in der ergänzten Version endlich publiziert worden.

Unterschiedliches Vorgehen ...

Das Vorgehen der beiden Arbeitsgruppen war leicht unterschiedlich (siehe auch DAZ 2012, Nr. 19 S. 60 ff) und auch die Ergebnisse unterscheiden sich: Kawaoka und seine Mitarbeiter hatten zunächst in vitro zufällig das Hämagglutinin-Gensegment mutiert und dann Varianten selektioniert, die eine hohe Affinität zu humanen Sialα2,6Gal-Rezeptoren aufwiesen. Wie sich herausstellte, war die Aminosäure Asparagin an Position 224 durch Lysin (N224K) und die Aminosäure Glutamin 226 durch Leucin (Q226L) ersetzt worden. Nach Kombination dieses variierten Gensegments mit den anderen sieben RNA-Segmenten des pandemischen H1N1-Virus wurden Frettchen mit der künstlichen Reassortante infiziert. In mehreren Infektionsrunden entstanden weitere Mutationen, die im Hämagglutinin zum Austausch der Aminosäuren Asparagin 158 zu Asparaginsäure (N158D) und Tyrosin 318 zu Isoleucin (T318I) führten.

Fouchier und seine Mitarbeiter stellten demgegenüber zunächst Viren mit gezielten Mutationen her, bei denen im Hämagglutinin Glutamin 222 durch Leucin (Q222L) und Glycin 224 durch Serin (G224S) ersetzt wurden. Ferner wurde im basischen Polymeraseprotein 2 (PB2) die Glutaminsäure 627 gegen Lysin (E627K) ausgetauscht. Dadurch war einerseits die Bindung des Virus an den humanen Sialα2,6Gal-Rezeptor verbessert. Zusätzlich sorgte die E627K-Variante des Polymeraseproteins dafür, dass sich Viren besser im kühleren Milieu des humanen Respirationstrakts vermehren. Nach mehreren Infektionsrunden in Frettchen wurden hoch-infektiöse Viren gefunden, die noch mehrere zusätzliche Mutationen aufwiesen. Zwei davon waren allen Virus-Varianten gemeinsam: Im Hämagglutinin waren die Aminosäure Histidin 103 durch Tyrosin (H103Y) und Threonin 156 durch Alanin (T156A) ausgetauscht.

... mit gleichem Ziel

Gemeinsam ist beiden Ansätzen, dass diejenigen Mutationen, die für das Andocken an die humanen Zellen verantwortlich sind, vorab recht gezielt eingeführt wurden. Allerdings reichten diese Veränderungen noch nicht aus, um eine effiziente Übertragung der Viren per Tröpfcheninfektion zu ermöglichen. Erst durch weitere Mutationen etabliert sich dieser gefährliche Infektionsweg. Diese zusätzlichen, zufälligen Mutationen fand man an der Glykosylierungsstelle des Hämagglutinins um Aminosäure 156 und in Bereichen, die für die Trimerisierung wichtig sind (H103) bzw. als Fusionspeptid fungieren (T318). Bemerkenswert ist aber, dass für diese Mutationen nach mehreren Infektionsrunden sicher und zuverlässig selektioniert wurde. Offensichtlich schafft der Verlust der Glykosylierungsstelle Freiraum für die Interaktion des Virus mit der Wirtszelle und die anderen beiden Mutationen scheinen für die Stabilität des Hämagglutinin-Trimers wichtig zu sein.

Schlechte Nachrichten ...

Die schlechte Nachricht an den Ergebnissen ist, dass der Vergleich dieser Mutanten mit den in den Datenbanken der Meldebehörden abgelegten Sequenzen zirkulierender Wildtypen eine große Ähnlichkeit zeigten: Viele Viren in der freien Wildbahn sind nur zwei bis vier Mutationen von diesen sehr infektiösen Labor-Varianten entfernt. Eine jetzt ebenfalls in Science erschienene Arbeit, in dem ein Rechenmodell über die Wahrscheinlichkeit der natürlichen Entstehung einer human-pathogenen Virus-Variante versucht wurde, zeigt die recht große genetische Nähe zwischen zirkulierenden Wildtyp-Viren und den Labor-Mutanten auf. Allerdings hüten sich die Wissenschaftler davor, genauere Vorhersagen zu machen.

... und gute Nachrichten

Die gute Nachricht an den Ergebnissen von Kawaoka und Fouchier ist, dass ihre Vogelgrippeviren sensitiv gegenüber Oseltamivir sind. Außerdem sind Fouchiers Frettchen, die über Tröpfcheninfektion krank wurden, nicht gestorben. Nur diejenigen Tiere, denen die Viren direkt in die Luftröhre appliziert wurden, überlebten die Infektion nicht. Allerdings sind dies Ergebnisse an Frettchen, und es bleibt offen, inwieweit das auch für infizierte Menschen zutreffen würde.

Was bringt die Zukunft?

Nun sind also beide vorab heiß diskutierten Arbeiten veröffentlicht, die zeigen, wie wenig sich ein Grippevirus verändern muss, um hochinfektiös zu werden. Allerdings scheinen durchaus verschiedene Mutationen zum gleichen Ziel zu führen. Es bleiben noch etliche Fragen offen, die nur durch weitere Versuche mit H5N1-Viren beantwortet werden können. Noch immer besteht jedoch das selbstauferlegte Moratorium der Wissenschaftler, das die weitere Forschung an H5N1-Vogelgrippeviren einschränkt und niemand weiß genau, wie lange noch. Das zeigt doch, dass die Wissenschaftler sehr wohl verantwortungsvoll mit ihren Arbeiten umgehen.

Quelle

[1] Herfst, S., Schrauwen E.J.A, Linster, M., et al.: Airborne Transmission of Influenza A/H5N1 Virus Between Ferrets. Science 2012; 336: 1534 – 1541.

[2] Imai, M., Watanabe, T., Hatta, M., et al.: Experimental adaptation of an influenza H5 HA confers respiratory droplet transmission to a reassortant H5 HA/H1N1 virus in ferrets. Nature 2012 doi:10.1038/nature10831

[3] Enserick, M.: Public at Last, H5N1 Study Offers Insight Into Virus’s Possible Path to Pandemic. Science 2012; 336: 1494 – 1497.

[4] Russell, C.A., Fonville, J.M., Brown, A.E.X., et al.: The Potential for Respiratory Droplet– Transmissible A/H5N1 Influenza Virus to Evolve in a Mammalian Host. Science 2012; 336:1541 – 1547.

Dr. Ilse Zündorf, Prof. Dr. Theo Dingermann, Frankfurt