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Einführung

Dieser Artikel soll allgemeines Wissen über Viren vermitteln, wie sie zu einer Infektion führen und wie das Immunsystem des Körpers darauf reagiert. Obwohl sie winzig sind, handelt es sich bei Viren um komplexe, vielfältige Lebewesen, die in der Lage sind, Wirte zu infizieren, sich zu vermehren und dann auf weitere Wirte überzugreifen. Außerdem können Viren manchmal von einer Wirtsart auf eine andere übertragen werden oder sie können mutieren und die ursprüngliche Wirtsart erneut infizieren.

Was ist ein Virus?

Viren sind mikroskopisch kleine Pakete mit genetischer Information (DNA oder RNA, je nach Art des Virus), die von einer Proteinhülle umschlossen sind. Sie können in Form und Größe variieren und sind in der Regel zwischen 20 und 300 Nanometer groß (ein Nanometer ist ein Meter geteilt durch tausend Millionen) (Abbildung 1). Viren können außerhalb ihres Wirts existieren, aber sie können sich nicht isoliert vermehren und verfügen weder über die zelluläre „Maschinerie“ einer normalen Zelle noch über einen Stoffwechsel. Es ist umstritten, ob Viren tatsächlich eine Form von Leben sind, und sie werden manchmal als „Randgruppe des Lebens“ betrachtet. Wie echte Lebensformen besitzen Viren genetisches Material, können sich fortpflanzen und entwickeln sich durch Prozesse, die Mutation und natürliche Auslese beinhalten (obwohl die Mutation eher Wirtszellen erfordert als autonom auftritt; im Gegensatz zu lebenden Organismen).

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Abbildung 1. Morphologie und ungefähre relative Größe verschiedener Familien von Viren. Viren bestehen aus DNA oder RNA, die oft eng mit Proteinen verbunden sind, um ihnen mehr Stabilität zu verleihen. Das genetische Material (DNA oder RNA) kann in regelmäßig geformten Proteinen enthalten sein, die geometrische Formen (Kapside) ergeben, oder eine lockere Membranhülle haben, oder beides.

Nach der Infektion eines Wirts dringt ein Virus in die Zellen des Wirts ein (in ein bestimmtes Gewebe oder allgemeiner, je nach Virus) und übernimmt die zellulären Systeme, wodurch die Zelle zu einer Virusfabrik wird, die viele neue Viruspartikel produziert. Diese Invasion und veränderte Funktion kann zu dramatischen Veränderungen in den Zellen des Wirts führen, die sie schädigen oder töten können. Die Produktion neuer Viruspartikel führt dazu, dass mehr Zellen des Wirts infiziert werden, und ist die Grundlage für die Übertragung des Virus auf einen neuen Wirt.

Schätzungsweise enthält jeder Milliliter Meerwasser bis zu 100 Millionen Viren, während Seesedimente etwa 20 Milliarden Viren pro Gramm enthalten.

Wie lange ein Virus außerhalb seines Wirts lebensfähig bleiben kann, hängt vom Virus und seiner Umgebung ab. Einige Viren können in der Luft oder auf festen Oberflächen mehrere Tage oder Wochen lang überleben. Viren im Wasser hingegen überleben in der Regel länger – in sauberem, kaltem Wasser bis zu einem Jahr. Hitze, Reinigungsmittel oder UV-Licht können Viren innerhalb von Minuten inaktivieren. Gefriertemperaturen hingegen können Viren konservieren.

Es gibt viele verschiedene Arten von Viren und sie sind überall. So schätzt man, dass jeder Milliliter Meerwasser bis zu 100 Millionen Viren enthält, während Seesedimente etwa 20 Milliarden Viren pro Gramm enthalten. Infizierte Personen können eine große Menge an Viruspartikeln ausscheiden. Patienten mit dem Magen-Darm-Virus Rotavirus geben bis zu 10 Milliarden Viruspartikel pro Gramm Kot ab.

Die Bandbreite der Lebewesen, die von Viren befallen werden, ist groß. Es wird davon ausgegangen, dass alle Organismen, von einzelligen Lebewesen wie Bakterien bis hin zu komplexeren mehrzelligen Pflanzen und Tieren, für eine Infektion mit verschiedenen Virustypen anfällig sind. Einige Viren infizieren spezifisch bestimmte Wirtsarten, während andere ein breites Spektrum verschiedener Arten infizieren. Auch die Folgen einer Virusinfektion sind je nach Wirts-Virus-Interaktion sehr unterschiedlich. Im Allgemeinen, wenn auch nicht immer, führt eine Virusinfektion zu einer Erkrankung des Wirtsorganismus.

Woher kommen die Viren?

Es gibt mehrere Theorien über den Ursprung der Viren. Die Tatsache, dass sie alle Lebensformen infizieren, lässt vermuten, dass sie einen uralten Ursprung haben.Es gibt verschiedene Theorien über den Ursprung von Viren. Die Tatsache, dass sie alle Lebensformen infizieren, lässt darauf schließen, dass sie einen uralten Ursprung haben. Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei Viren im Wesentlichen um genetisches Material (DNA oder RNA), das von einer Proteinhülle umgeben ist. Um erfolgreich zu sein, muss das genetische Material von Viren (allgemein als „virales Genom“ bezeichnet) für eine ausreichende Anzahl von Genen kodieren, damit ein Virus den Zyklus von Infektion – Replikation – Re-Infektion durchlaufen kann. Die Menge der genetischen Information in einem Virus ist winzig. So enthält das Genom eines Coronavirus etwa 30.000 Nukleotidbasen, während das menschliche Genom mit über 3 Milliarden Basenpaaren etwa 10.000-mal größer ist („Basen“ und „Basenpaare“ sind Begriffe aus der Biologie, die sich auf chemische Strukturen in RNA und DNA beziehen; Basenabfolgen in RNA und DNA kodieren für alle Proteine und bestimmen die physikalischen Eigenschaften von Organismen).

Aber wie sind die Viren entstanden? Eine Idee ist, dass sich Viren aus kurzen Sequenzen von genetischem Material entwickelt haben, die ursprünglich Teil einer größeren Einheit waren. Es wird vermutet, dass diese kurzen Sequenzen genetischen Materials, die ein lebensfähiges virales Genom einkapseln, aus der ursprünglichen Zelle entwichen sind. Es ist nämlich bekannt, dass einige DNA-Sequenzen die Fähigkeit besitzen, sich aus dem Genom einer Zelle herauszuschneiden und in einen anderen Teil des Genoms wieder einzufügen. Wenn sich solche „transponierbaren Elemente“ in einem Stück Zellmembran festsetzen und aus der Zelle entweichen, könnten sie in eine andere Zelle wandern – ähnlich wie ein Virus. Eine andere Ansicht besagt jedoch, dass Viren tatsächlich älter sind als andere Zellen. Der Grund dafür ist, dass die meisten viralen Proteine keine Ähnlichkeit mit Proteinen anderer Organismen haben, was darauf hindeutet, dass ihre Genome unterschiedlich sind und sie vor dem zellulären Leben entstanden sind. Da es so viele verschiedene Virustypen gibt, ist es möglich, dass beide Ideen richtig sind und verschiedene Virusfamilien unabhängig voneinander entstanden sind.

Die verschiedenen Virustypen verwenden verschiedene Replikationsstrategien, wenn sie eine Zelle infizieren. Retroviren zum Beispiel haben ein RNA-Genom. Retroviren besitzen außerdem ein Enzym, das aus der RNA-Vorlage DNA herstellen kann, die dann in die DNA der Wirtszelle eingebaut wird. Dies bedeutet, dass die infizierte Zelle und alle ihre Nachkommen virale DNA enthalten. Ein Beispiel für ein Retrovirus ist das humane Immundefizienzvirus (HIV). Dieser Prozess der Integration des viralen Genoms in das Genom der Wirtszelle findet seit Millionen von Jahren statt, und man schätzt, dass etwa 8 % unserer DNA tatsächlich von Viren stammen.

Wie infizieren uns Viren?

Die Oberfläche der meisten Viren ist mit Proteinen besetzt, die es den Viruspartikeln ermöglichen, sich an die Wirtszellen anzuheften und in sie einzudringen. Die Interaktion zwischen Viren und Wirtszellen erfolgt durch die Interaktion spezifischer Virus- und Wirtszellproteine: Die Blockierung dieser Interaktion ist ein möglicher Weg zur Verhinderung von Virusinfektionen. Im Inneren einer Zelle zerfallen die Viruspartikel, und die virale genetische Information wird zur Vorlage für die Wirtszelle, die damit beginnt, neue virale Proteine und Genome herzustellen. Neue Viruspartikel werden entweder von der Wirtszelle freigesetzt, während sie weiter funktioniert, oder die Wirtszelle platzt und stirbt, wodurch die Viruspartikel in ihr freigesetzt werden.

Wie reagiert der Körper auf ein Virus?

Die verschiedenen Arten haben unterschiedliche Strategien entwickelt, um Virusinfektionen zu überwinden. Beim Menschen kann das Immunsystem in zwei Typen unterteilt werden: das angeborene und das adaptive Immunsystem, die beide einen Schutz vor Virusinfektionen bieten. Das angeborene Immunsystem umfasst physikalische Barrieren (z. B. Schleimhäute), chemische Botenstoffe (z. B. Zytokine; eine Art von Signalmolekülen, die von Zellen verwendet werden) und verschiedene Zelltypen (z. B. Leukozyten; weiße Blutkörperchen) und ist die erste Verteidigungslinie gegen eindringende Mikroorganismen. Ein besonders wichtiges Zytokin ist Interferon, das von Zellen freigesetzt wird, wenn sie mit Viruspartikeln infiziert sind. Die von einer infizierten Zelle freigesetzten Interferonmoleküle können in benachbarten Zellen Signalmechanismen aktivieren, die eine weitere virale Infektion verhindern. Es wurde vermutet, dass Zellen, die mit SARS-CoV-2 infiziert sind, Interferone nicht in demselben Maße freisetzen wie bei anderen Virusinfektionen.

Im Gegensatz zum angeborenen Immunsystem besteht der große Vorteil des adaptiven Immunsystems darin, dass es sich an die Viren und Bakterien erinnert, mit denen es in Berührung gekommen ist.

Das adaptive Immunsystem kann gezielter gegen Viren vorgehen. Am adaptiven Immunsystem sind auch Leukozyten beteiligt, wie z. B. die Lymphozyten, die fremde Proteine erkennen und Antikörper produzieren. Ein Antikörper bindet an eine bestimmte Region (ein so genanntes Epitop) eines fremden Proteins, so dass nur das eingedrungene Material gezielt beseitigt werden kann. Die Produktion von Antikörpern durch das adaptive Immunsystem kann mehrere Tage in Anspruch nehmen, so dass es zu einer Verzögerung zwischen dem Beginn der Infektion und der Fähigkeit, eine Reaktion einzuleiten, kommen kann. Im Gegensatz zum angeborenen Immunsystem hat das adaptive Immunsystem jedoch den großen Vorteil, dass es sich die Viren und Bakterien merkt, mit denen es in Berührung gekommen ist. Wird der Körper also erneut mit demselben Erreger konfrontiert, kann er die Produktion dieser spezifischen Antikörper rasch wieder steigern. Diese Immunität kann mit der Zeit nachlassen, wenn die Zellen, die sich an den Erreger erinnern, absterben, weshalb Menschen möglicherweise gegen eine bestimmte Krankheit geimpft werden müssen.

Um die Ausbreitung von Viren in unserem Körper zu verhindern, unterziehen sich einige infizierte Zellen einer speziellen Art des Untergangs, der Apoptose (auch „programmierter Zelltod“ genannt). Die Apoptose ist ein physiologischer Prozess und ein normaler Bestandteil des Lebens, der in allen Geweben in stark regulierter Weise zur Beseitigung geschädigter, unerwünschter oder infizierter Zellen eingesetzt wird. Mit einem Virus infizierte Zellen können die Apoptose auslösen und dadurch absterben. Das hört sich nach einer drastischen Maßnahme an, aber sie schränkt die kontinuierliche Freisetzung neuer Viren aus einer Zelle wirksam ein.

Nicht alle Viren sind „böse“

In den letzten Jahren sind viele Bakterien gegen Antibiotika resistent geworden. Viren, die Bakterien infizieren und zerstören, sind daher in den Fokus der medizinischen Forschung gerückt. Diese Viren, die so genannten Bakteriophagen, infizieren keine menschlichen Zellen, so dass sie als selektive Antibiotika eingesetzt werden können. Andere Viren, die selektiv menschliche Zellen infizieren, können verwendet werden, um therapeutische DNA in Patientenzellen einzuschleusen, eine Technik, die als Gentherapie bekannt ist.

Was wissen wir über das neuartige Coronavirus, das COVID-19 verursacht?

COVID-19 ist eine Krankheit, die durch eine neu erkannte Art von Coronavirus namens SARS-CoV-2 verursacht wird. Es gibt Theorien über die Entstehung dieses neuen Coronavirus, aber es werden noch weitere Informationen benötigt, bevor sein Ursprung geklärt werden kann. Zu den anderen Mitgliedern der Coronavirus-Familie gehören die Viren, die für das Schwere Akute Respiratorische Syndrom (SARS) und das Middle Eastern Respiratory Syndrom (MERS) verantwortlich sind und ebenfalls schwere Infektionen der oberen Atemwege beim Menschen verursachen. Die gleichen Viren können auch Tiere infizieren. Bei Hühnern verursachen sie ebenfalls Atemwegsinfektionen, während sie bei Kühen und Schweinen Durchfall hervorrufen. Aktuelle Daten deuten darauf hin, dass SARS-CoV-2 im Vergleich zu SARS (10 %) und MERS (37 %) ein geringeres Sterberisiko (~ 1 % der Infizierten sterben), aber ein höheres als das der Grippe (0,1 %) verursacht.

Die Oberfläche von SARS-CoV-2 ist mit Clustern von „Spike“-Proteinen bedeckt (Abbildung 2). Diese Proteine binden spezifisch an ein Protein namens Angiotensin-Converting Enzyme 2 (ACE2), das auf der Oberfläche von Zellen in der Lunge und anderen Organen wie Herz, Nieren und Darm vorhanden ist. Nach der Anheftung wird SARS-CoV-2 in die Zelle internalisiert, das Viruspartikel öffnet sich und setzt sein RNA-Genom frei, das dann als Vorlage für die Herstellung weiterer viraler RNA und Proteine verwendet wird. Es wurde festgestellt, dass Zellen, die sowohl am angeborenen als auch am adaptiven Immunsystem beteiligt sind, nach einer SARS-CoV-2-Infektion schnell dezimiert werden können, wodurch die antivirale Immunität stark beeinträchtigt wird.

The Open University unter Creative Commons BY-NC-SA 4.0 Lizenz

Abbildung 2. Diagramm der Struktur des Coronavirus.

Die Illustration zeigt die Struktur eines Coronavirus im Querschnitt. Das Genom des Coronavirus ist ein langer RNA-Strang, der um ein Protein gewickelt ist und sich in einer Hülle aus Membranprotein befindet. Diese Struktur ist von einer Hülle umgeben, die zwei weitere Proteine enthält, von denen eines, das Spike-Protein, für die Anheftung des Virus an die Zielzelle vor der Infektion verantwortlich ist. Für weitere Einzelheiten siehe: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22816037.

Ein beträchtlicher Schwerpunkt wird derzeit auf mathematische Modelle der SARS-CoV-2-Übertragung gelegt, die als Grundlage für Entscheidungen des öffentlichen Gesundheitswesens dienen, um eine Überlastung des Gesundheitswesens zu vermeiden. Die mathematische Modellierung sprengt den Rahmen dieses Artikels, aber der interessierte Leser wird auf ein informelles Video verwiesen, in dem ein „SIR-Modell“ (Susceptible, Infected, Recovered/Removed) der Krankheitsübertragung erläutert wird, das auf COVID-19 zutreffen könnte: https://www.youtube.com/watch?v=k6nLfCbAzgo.

Was ist ‚Herdenimmunität‘?

Eine Virusinfektion kann sich nur dann in einer Bevölkerung ausbreiten, wenn Personen, die dafür empfänglich sind, mit Viruspartikeln in Kontakt kommen. Wenn sich die Menschen isolieren, ist die Wahrscheinlichkeit, mit dem Virus in Berührung zu kommen oder es an empfängliche Personen weiterzugeben, viel geringer. Außerdem ist eine Person, die einmal eine Virusinfektion durchgemacht und schützende Antikörper dagegen entwickelt hat, im Allgemeinen nicht anfällig für eine erneute Infektion. Je mehr Menschen in einer Population sich von dem Virus erholt haben, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Virus auf eine anfällige Person trifft, und desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass es sich ausbreitet. Dieses Konzept ist als Herdenimmunität bekannt.

Der Anteil der Bevölkerung, der immun gegen eine Infektion sein muss, um eine Herdenimmunität zu erreichen, hängt von mehreren Faktoren ab. Ein kritischer Faktor ist der Umfang des Kontakts zwischen Menschen, da sich auf diese Weise Viruspartikel verbreiten können. In einer sich frei mischenden Population hängt die Herdenimmunität von der Anzahl der Personen ab, die im Durchschnitt von einem Individuum infiziert werden (die so genannte „Basisreproduktionszahl“; R0). Der Wert von R0 variiert je nach Virustyp. Für COVID-19 wird eine R0 von etwa 2,5 geschätzt. Im Gegensatz dazu sind Masern mit einer R0 von 12-18 wesentlich leichter zu verbreiten. Der Anteil der Bevölkerung, der gegen eine Krankheit immun sein muss, um deren Ausbreitung wirksam zu verhindern, wird als „Schwellenwert für die Herdenimmunität“ bezeichnet und kann mit Hilfe von R0 in der folgenden Gleichung berechnet werden:

Schwellenwert für die Herdenimmunität = (R0 – 1)

Für COVID-19 mit einem R0 von 2.5 wäre die Gleichung:

CoVID-19-Herdenimmunitätsschwelle = (2,5 – 1)

Es müssen also etwa 60 % der Bevölkerung gegen COVID-19 immun sein, um eine weitere Ausbreitung zu verhindern.

Herd-Immunität kann dadurch erreicht werden, dass Menschen infiziert werden und ihr Immunsystem eine Resistenz entwickelt, oder durch Impfungen mit Teilen des Virus, die eine Reaktion des adaptiven Immunsystems auslösen, ohne zu einer Erkrankung zu führen. Je infektiöser eine Krankheit ist, desto größer ist der Anteil der Menschen, die geimpft werden müssen. Bei Masern zum Beispiel, die einen R0-Wert von 12-18 haben, empfiehlt die Weltgesundheitsorganisation eine Impfquote von 95 %, um die Krankheit auszurotten, was im Vereinigten Königreich derzeit nur schwer zu erreichen ist.

Derzeit gibt es keinen Impfstoff für COVID-19, was bedeutet, dass die Herdenimmunität nur erreicht werden könnte, wenn sich etwa 60 % der Bevölkerung infizieren und eine Immunität entwickeln. Für das Vereinigte Königreich würde dies bedeuten, dass fast 40 Millionen Menschen infiziert werden müssten, um das Ziel der Herdenimmunität zu erreichen. Bei einem Sterberisiko von ~1 % würden jedoch viele Tausend Menschen an der Infektion sterben. Außerdem würden viele Zehntausende der Infizierten unter Atemnot leiden und ins Krankenhaus eingeliefert werden müssen, und diese Zahlen würden das Gesundheitssystem überfordern. Längerfristig könnte die Weltbevölkerung eine Immunität gegen COVID-19 entwickeln, die weitere Ausbrüche eindämmt, aber die Herdenimmunität ist keine plausible Lösung für die derzeitige COVID-19-Krise.

Durch die Produktion unterschiedlicher Proteine können Viren die durch Impfung oder eine frühere Exposition gegenüber dem ursprünglichen Virus erworbene Immunität umgehen.

Es wurde nachgewiesen, dass gegen das Spike-Protein von SARS-CoV-2 gerichtete Antikörper das Eindringen des Virus in Zellen verhindern können. Derartige Fortschritte in unserem Wissen über SARS-CoV-2 werden zur Entwicklung von Tests führen, die zeigen, ob eine Person infiziert wurde und nicht mehr anfällig ist, sowie zu therapeutischen Impfstoffen.

Eine entscheidende Information, die im Kampf gegen COVID-19 benötigt wird, ist die Frage, inwieweit das Genom des SARS-CoV-2-Virus mutiert werden kann. Eine Mutation würde durch eine Veränderung der Basensequenzen in seinem RNA-Genom entstehen, was zur Produktion eines anderen Proteins führen würde. Durch die Produktion anderer Proteine können Viren die durch eine Impfung oder eine frühere Exposition gegenüber dem ursprünglichen Virus erworbene Immunität umgehen. Es ist bekannt, dass SARS-CoV-2 mutieren kann, und auch das Virus, das sich derzeit weltweit ausbreitet, hat bei der Übertragung von seiner ursprünglichen Art auf den Menschen Mutationen erfahren. Außerdem ist bekannt, dass es genetische Unterschiede zwischen dem ursprünglichen SARS-CoV-2, das sich in Wuhan, China, entwickelt hat, und den Stämmen des Virus gibt, die derzeit in den Vereinigten Staaten COVID-19 verursachen. Dies bedeutet, dass SARS-CoV-2 auf seinem Weg durch den menschlichen Wirt mutiert. Die gute Nachricht ist jedoch, dass die Mutationsrate von SARS-CoV-2 im Vergleich zu anderen Viren, wie z. B. den Grippeviren, nicht sehr hoch ist.

Eine beträchtliche Anzahl von biomedizinischen, pharmazeutischen und klinischen Forschern hat sich mit SARS-CoV-2 befasst. Eine schnelle Überprüfung von Datenbanken für Forschungspublikationen wie PubMed zeigt, dass im gesamten Jahr 2019 695 Artikel zum Coronavirus veröffentlicht wurden. In den ersten 3 Monaten des Jahres 2020 sind es bereits 1.818 Veröffentlichungen. Mit jeder neuen Information kommen wir dem Verständnis des Virus und der Entwicklung von Lösungen zu seiner Abwehr näher.