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Warum es wichtig ist, den Bauplan von SARS-CoV-2 zu kennen

Die Kenntnis seines Erbguts ist elementar, um das neuartige Coronavirus in Tests aufzufinden, seine Verbreitung nachzuvollziehen und Medikamente und Impfungen dagegen zu entwickeln

von Interview: Konstanze Faßbinder, 16.04.2020
Patientenproben Labor Institut Mikrobiologie Bundeswehr

Verschiedene Patientenproben werden im Labor des Institut für Mikrobiologie der Bundeswehr auf das neue Coronavirus untersucht


Ende Januar haben Wissenschaftler des Instituts für Mikrobiologie der Bundeswehr erstmals das Genom des Virus SARS-CoV-2 entschlüsselt. Zuvor hatten sie es in Zusammenarbeit mit der Berliner Charité und der München Klinik Schwabing bei den ersten Patienten in Deutschland mittels eines Tests nachgewiesen. Wir sprechen mit dem Virologen Dr. Roman Wölfel, dem Leiter des Bundeswehrinstituts:

Herr Dr. Wölfel, warum war es wichtig, das Erbgut von SARS-Cov-2 zu entschlüsseln?

Um eine neue Erkrankung zu behandeln und einzudämmen, müssen wir zum einen wissen, wie sich die Erreger im Körper ausbreiten. Zum anderen müssen wir herausfinden, wie sie sich von Mensch zu Mensch übertragen. Für beides brauchen wir Informationen aus dem Erbgut des Virus, das wir aus Zellkulturen von Rachenabstrichen gewinnen und dann dessen Aufbau untersuchen.

Was kann man aus dem Erbgut des Virus schlussfolgern?

In unserem Fall zunächst einmal, dass das Virus der ersten bayerischen COVID-19 Patienten identisch war mit einem Virus aus einem Patienten in der chinesischen Stadt Wuhan. Es musste also mehr oder weniger direkt von dort stammen. Generell lassen sich durch solche Erbgutvergleiche ganze Infektionsketten nachvollziehen. Denn immer, wenn ein Virus sich von einer Person auf die nächste überträgt und dort neu vermehrt, können Veränderungen in seinem Erbgut entstehen. Anhand dieser Veränderungen können wir dann den Ausbreitungsweg rekonstruieren.

Wieso passieren Veränderungen?

Wie jedes Virus kann sich auch SARS-CoV-2 nicht selbst vermehren. Um sich zu vermehren, dringt es deshalb in Rachen-, später in Lungenzellen ein. Diese befallenen Zellen bringt das Virus dann dazu, seine Vermehrung zu übernehmen.

Im Unterschied zum menschlichen Erbgut, das aus einer doppelsträngigen DNA besteht, ist das Erbgut des Coronavirus  aus einzelsträngigen RNA-Molekülbausteinen aufgebaut. Um diese RNA vermehren zu können, muss sie das Virus in menschlichen Zellen erst in DNA umwandeln.

Bei dieser Umwandlung passieren Fehler. Man kann sich das so vorstellen, als würde man eine Bauanleitung nicht auf einen Kopierer legen, sondern per Hand abschreiben: Bei schweren Fehlern, etwa Auslassungen, die den Sinn entstellen, ist der abgeschriebene Text nicht verständlich, beziehungsweise das Virus nicht funktionsfähig. Leichte Fehler, vergleichbar mit Kommafehlern, sind aber meist kein Problem. Sie sind dann in allen Viren enthalten, die die Zelle jetzt in Massen produziert. 

Und dann?

Befallen diese leicht veränderten Viren einen neuen Menschen, können bei ihrer Vermehrung erneut Fehler passieren, die zu den alten hinzukommen. Wenn wir also feststellen, zwei Viren in unterschiedlichen Patienten haben beide Schreibfehler, aber an unterschiedlichen Stellen, dann wissen wir: Diese Personen haben sich vermutlich auf unterschiedlichem Wege angesteckt, denn ihre jeweiligen Viren haben sich eine Zeit lang unabhängig voneinander entwickelt.

Je mehr Virusproben wir haben, desto besser können wir nach und nach eine Art Stammbaum von SARS-CoV-2 erstellen – und seine weltweite Ausbreitung rekonstruieren.

Leiter des Instituts für Mikrobiologie der Bundeswehr, München.

Erlaubt eine solch unterschiedliche Entwicklung auch Rückschlüsse darauf, wie schwer die Krankheit verläuft?

Nein, das geht zwar bei manchen anderen Erregern, aber mit unserem aktuellen Wissen nicht bei SARS-CoV-2. Dass Covid-19 unterschiedlich schwer verlaufen kann und auch nicht jeder Patient dieselben Symptome hat, liegt vermutlich eher am Immunsystem und individuellen Vorerkrankungen. Mit den Virusvarianten hat das nach derzeitigem Wissen nichts zu tun.

Inwiefern hilft der genetische Bauplan des Virus, seine Ausbreitung im Körper nachzuvollziehen?

Das Erbgut des Virus liefert die Grundlage für den derzeit wichtigsten Test um das Virus nachzuweisen, die Polymerase-Kettenreaktion. Damit können wir mit genetischen Sonden aus den Patientenproben auch feststellen,  wann wir wo im Körper wie viele Viren messen. Zum anderen lässt sich in den Proben anhand bestimmter Erbinformationen des Virus feststellen, ob das Virus sich vermehrt, also infektiös ist, oder ob vermutlich nur noch inaktives Virus vorliegt.

Für ersteres haben wir bei den ersten deutschen COVID-19 Patienten mehrere Tage lang Proben von verschiedenen Körperstellen, aus dem Rachen, aus dem Hustenauswurf, aus Urin, Stuhl und Blut genommen. Dabei haben wir festgestellt, dass im Rachen in den ersten fünf Tagen große Virenmengen nachweisbar waren. Viele Patienten hatten dabei auch Halsschmerzen. Weil sich die Viren in dieser Phase in den oberen Atemwegen vermehren, könne sie sehr leicht durch Tröpfchen auf andere Menschen übertragen werden.

Bei manchen Patienten wandert das Virus danach in tiefer liegende Lungenzellen. Dann sind im Hustenauswurf Viren nachweisbar, im Rachen nimmt ihre Zahl hingegen deutlich ab. Wieder ein paar Tage später finden sich Viren im Stuhlgang. Im Unterschied zum Rachen und der Lunge gehen wir aber im Moment nicht davon aus, dass sich SARS-CoV-2 stark im Magen-Darm-Trakt vermehrt.

Wie stellen Sie das fest?

In der Bauanleitung des Virus gibt es Abschnitte, die gleich für mehrere verschiedene Bausteine des Erregers stehen: Bei der Virusvermehrung werden von der gleichen Erbinformation unterschiedlich lange Stücke abgelesen und unterschiedliche Bausteine daraus herzustellen. Diese Arbeitskopien des Genabschnitts nennt man subgenomische RNA.

Diese subgenomische RNA finden wir also nur, wenn das Virus sich wirklich vermehrt. Im Rachen ist das zumeist innerhalb der ersten fünf Tage nach Infektion der Fall, später finden wir die subgenomische RNA in der Lunge. Im Stuhl der untersuchten Patienten haben wir nur sehr wenig dieser subgenomischen RNA gefunden. Wir gehen deshalb davon aus, dass SARS-CoV-2 eher nicht durch Stuhlverunreinigungen auf andere Menschen übertragen wird.

In Blut und Urin wiederum fanden wir bisher keinerlei Virusspuren, weder subgenomische noch normale RNA. Es gibt zwar Einzelfallberichte aus China über positive Nachweise, aber bisher fehlt der echte Beweis, dass COVID-19 übers Blut übertragen werden kann.

Ist eine Übertragung von SARS-CoV-2 möglich, wenn keine Krankheitssymptome bemerkbar sind?

Ja, bei einer gewissen Anzahl an Menschen scheint dies der Fall zu sein. Die Schwierigkeit ist, diese Menschen zu finden, während sie noch ansteckend sind. Wem es gut geht, der geht nicht zum Arzt oder lässt sich testen. Das tun nur Kontaktpersonen von Erkrankten oder medizinisches Personal.

Wie lange ist man ansteckend?

Das kommt auf den Einzelfall an. Vermutlich sind nicht alle Menschen gleich lang ansteckend. Bei den meisten der bei uns getesteten Patienten trat die Antikörperproduktion bis zum 14. Tag ein, nachdem die Symptome begonnen hatten. Bei manchen begann sie bereits nach sieben Tagen, bei vielen um den 10. Tag herum. Sobald Antikörper gegen das Virus hergestellt werden, sinkt seine Ansteckungsfähigkeit rasch ab.

Liegt es an dieser Antikörperproduktion, wie schwer eine Virusinfektion verläuft?

Da spielen unterschiedliche Faktoren eine Rolle, die wir im Moment noch nicht alle kennen. Möglicherweise haben manche Menschen Varianten des Rezeptors, an den SARS-CoV-2-Viren andocken, um in Zellen einzudringen. Bei einigen Menschen können die Viren deshalb leichter Zellen befallen, bei anderen tun sie sich schwerer. Wieder andere Personen sind schon früher an einem anderen Corona-Infekt erkrankt und haben aufgrund der Ähnlichkeit der Viren einen gewissen, wenn auch nicht absoluten Schutz.

Für Raucher, die laut Statistik schwerer erkranken, zeigen Studien, dass der Bindungsrezeptor für das Virus vermehrt gebildet wird. Gleichzeitig sind Lungenzellen durch den Zigarettenrauch permanent gereizt, das Immunsystem ist geschwächt. Aber all dies muss noch genauer erforscht werden.

Wie läuft diese Antikörperproduktion ab?

Zunächst bilden sich sogenannte IgA-Antikörper auf der Mund- und Rachenschleimhaut. Diese Antikörper binden an das Virus und verhindern, dass es weitere Zellen infizieren kann. Bei den ersten in München untersuchten Patienten konnten wir nach acht Tagen im Rachen keine Viren mehr isolieren.

Nach den IgA-Antikörpern bildet das Immunsystem IgG-Antikörper. Sie bieten langanhaltenden Schutz und verhindern genauso wie IgA, dass weitere Zellen befallen werden. Diese zweite Antikörpervariante wird etwa ab dem 10. und dem 14. Tag nach Krankheitsausbruch gebildet. Weitere Antikörper der Variante IgM werden bei COVID-19 auch erst zu diesem Zeitpunkt nachweisbar. Anders als bei anderen Virusinfektionen scheinen IgM-Antikörper nur eine geringere Rolle bei SARS-CoV-2 Infektionen zu spielen.

Der Nachweis dieser Immunantwort des Körpers ist wichtig, um herauszufinden, wann Geheilte geschützt sind und Mitmenschen nicht mehr anstecken können. Entsprechende Testverfahren werden derzeit entwickelt und erprobt, auch hier in München.

Forschung Mikrobiologie Coronavirus COVID19

Wird die passive Immunisierung durch Antikörper künftig eine wichtige Rolle spielen, um gegen COVID-19 zu schützen?

Die passive Immunisierung, also die Übertragung von Antikörpern eines genesenen Menschen auf andere, bietet zwar schnellen Schutz, aber keinen nachhaltigen. Ziel einer Impfstoffentwicklung muss deshalb immer sein, einen aktiven Impfstoff zu entwickeln. Nur wenn der Körper selbst die Antikörper bildet und diese auch nach Jahren aus Gedächtniszellen reaktivieren kann, ist der Schutz anhaltend.

Das dauert aber länger: Forscher müssen sich entscheiden, mit welchem Teil des Virus sie arbeiten. Sie müssen Sicherheitsfragen klären: Reagiert jemand übermäßig, gibt es schwerwiegende Nebenwirkungen, die den Nutzen der Impfung aufheben? Dann ist da außerdem die Frage, ob der Impfstoff in geeigneter Qualität und Menge produziert werden kann.

Ist das auch Teil Ihrer Arbeit am Institut?

Nein, wir beschäftigen uns hauptsächlich mit der Diagnostik von SARS-CoV-2. Zurzeit führen wir etwa 200 PCR-Tests pro Tag durch. Die Proben stammen von Soldatinnen und Soldaten, Krankenhauspersonal, Feuerwehrleuten oder Polizisten aus der Region. Gerade für Krankenhauspersonal ist es wichtig, zu wissen: Bin ich akut infiziert? Zum einen, um keine Patienten anzustecken, zum anderen aber auch, um nicht unnötig in Quarantäne zu gehen und vierzehn Tage auszufallen.

Wieso beschäftigt sich die Bundeswehr überhaupt mit Viruserkrankungen?

Unser Institut beschäftigt sich im Auftrag der Bundeswehr mit neu auftretenden, gefährlichen Krankheiten weltweit und erforscht und entwickelt passende Diagnostik- und Behandlungsmöglichkeiten. Das Ziel ist, Erreger wie Ebola- oder Lassafieber schnell zu erkennen, an denen unsere Soldatinnen und Soldaten zum Beispiel bei einem Auslandseinsatz erkranken könnten. Deshalb sind wir auf viele Krankheitserreger vorbereitet.

Personal aus unserem Institut war auch in einem der ersten ausländischen Teams, das 2014 beim Ebola-Ausbruch in Westafrika im Einsatz war. Neu an der jetzigen Situation ist für uns aber, dass nicht wir zum Krankheitsausbruch reisen, sondern sich diesmal die Pandemie bis zu uns vor die eigene Haustüre ausbreitet.