Ein wissenschaftlicher Blick auf COVID-19

Coronaviren infizieren sowohl Menschen als auch viele Tierarten. COVID-19 ist Beispiel einer ‚Zoonose‘, Ausdruck dafür, dass die Krankheit vermutlich durch engen Kontakt mit Tieren durch einen Sprung zwischen Arten auf den Menschen übertragen wurde.

Der Verursacher der COVID-19 ist das Coronavirus SARS-CoV-2. COVID-19 ist eine Zoonose. Das bedeutet, dass es vom Tier zum Menschen übertragbar ist. Zoonosen, die durch Übertragung zwischen unterschiedlichen Arten ausgelöst werden sind weltweit für 60% der ‚emerging diseases‘ (neuartige Krankheiten) verantwortlich. Sie sind sehr oft lebensbedrohend. Wir erinnern uns alle an die Grippepandemien, die durch Übertragung von Grippeviren aus Vögeln oder Schweinen auf den Menschen ausgelöst wurden. Zur Übertragung zwischen Arten kommt es oft, wenn Menschen und Tiere auf engem Raum miteinander leben, z.B. auf großen Zuchtbetrieben oder überfüllten Märkten, auf denen lebende Tiere verkauft werden. Wie aber gelingt Viren der Sprung auf eine andere Art? Eine elementare Voraussetzung ist, dass die für die Übertragung und Neuinfektion wichtigen Proteine an die Ankerproteine auf Zellen in der neuen Art binden können. So ist z.B. das Spike Protein des SARS-CoV-2 permanenten Veränderungen unterworfen, deren Ursache wiederum in der Instabilität des dafür verantwortlichen genetischen Codes liegt (mutational hotspot). Coronaviren, wie auch Grippeviren, können Teile ihres genetischen Materials austauschen, wenn zwei unterschiedliche Viren gleichzeitig dieselbe Zelle infizieren. Wenn durch diesen Vorgang wesentliche Veränderungen des genetischen Codes erfolgen, kann das resultierende ‚chimäre‘ Virus die Fähigkeit zur Infektion eines neuen Wirtsorganismus erlangen.

Zoonosen werden wirklich gefährlich, wenn die ursprünglich von Tieren stammenden Viren auch von Mensch zu Mensch übertragen werden können, gewöhnlich durch Tröpfchen-Infektion wie im Falle von SARS-CoV-2 und verwandten Viren. Wir Menschen ‚kennen‘ in so einem Fall das neue Virus nicht und sind daher ungeschützt. Um die Übertragung zwischen Arten zukünftig in den Griff zu bekommen, ist es enorm wichtig die Tierart zu kennen, die den Ursprung für die Viren darstellt. Im Fall der COVID-19 stimmt der genetische Code von SARS-CoV-2, das aus Patienten isoliert wurde (einschließlich des von einem Arbeiter des berüchtigten Lebensmittelmarkt in Wuhan stammenden Virus), fast vollständig mit dem genetischen Code von Coronaviren aus Fledermäusen überein.

Allerdings gibt es Coronaviren in vielen Tierarten außer Fledermäusen und andere Viren außer SARS-CoV-2 haben den Sprung zum Menschen geschafft. Unter den 7 Coronaviren die aus Menschen isoliert wurden verursachen vier Schnupfen und die übrigen drei schwere Atemwegserkrankungen. Das dem SARS-CoV-2 ähnlichste Virus ist SARS-CoV-1, verantwortlich für die SARS Epidemie, die in Guangdong in China ihren Ausgang hatte. SARS verbreitete sich schnell in mehr als 30 Ländern, ist aber seit 2004 nicht mehr aufgetreten. MERS-CoV war 2012 für eine Krankheitswelle mit Schwerpunkt auf der arabischen Halbinsel verantwortlich und konnte auf Dromedare zurückgeführt werden. Beide Viren forderten umfangreichen Tribut von erkrankten Menschen, aber COVID-19 breitet sich mit nie dagewesener Geschwindigkeit aus und bedroht weltweit die Kapazität der Gesundheitssysteme.

SARS-CoV-2, das Virus das COVID-19 verursacht, bindet eng an die Oberfläche der Zellen unserer Atemwege und wird durch Personen ohne Krankheitssymptome unbemerkbar verbreitet. Diese beiden Faktoren tragen wesentlich zur unvergleichlich schnellen weltweiten Ausbreitung von COVID-19 bei.

Wie alle Viren benötigt SARS-CoV-2 zu seiner Vermehrung einen Wirtsorganismus und muss einen Eingang in dessen Zellen finden. SARS-CoV-2 klinkt sich hierfür in ein Protein mit Namen ACE2 (angiotensin-converting enzyme 2) ein. Unter den vielen Zellen unseres Körpers die ACE2 an ihrer Oberfläche tragen, befinden sich auch diejenigen welche die delikaten Strukturen unserer Lunge bilden, die uns das Atmen möglich machen. Warum aber ist COVID-19 anders als andere Coronaviren, eingeschlossen denen, die für den ursprünglichen Ausbruch von SARS verantwortlich waren?

Wissenschaftler haben mittlerweile erste Antworten auf diese Fragen gefunden. Das Spike-Protein auf der Oberfläche des SARS-CoV-2 bindet an ACE2 10- 20-fach stärker als SARS-CoV-1. Den Forschern gelang ein Schnappschuss der Bindung des Spike Proteins an ACE2, der die Unterschiede darstellt. Spike Protein und ACE2 fügen sich ineinander wie die Teile eines Puzzles. Je genauer die Teile zueinander passen, desto besser kann das Virus an unsere Zellen binden und sich Einlass verschaffen.

Ein zweiter Faktor beschleunigt zusätzlich die Ausbreitung des Virus: Träger ohne Krankheitssymptome. Sie entwickeln keine Krankheit, stellen aber ein Risiko für die unwissentliche Verbreitung des Virus dar. Aus diesem Grund war der ‚track-and-trace‘ Ansatz, eine Kombination von umfangreichen Virustests in Kombination mit strenger Quarantäne, in Südkorea sehr erfolgreich. Er muss als notwendig betrachtet werden das Virus einzudämmen und eine Überlastung der Gesundheitssysteme zu vermeiden.

Unser Immunsystem hat zwei Standbeine: die schnelle Eingreiftruppe des ‚angeborenen Immunsystems‘ und eine langsamer einsetzende, als ‚adaptives Immunsystem‘ bezeichnete Sammlung von Mechanismen zur hochwirksamen und spezifischen Bekämpfung von Mikroorganismen. Der Einsatz des adaptiven Immunsystems ist unabdingbar für die Beseitigung des Eindringlings und die Entstehung eines Gedächtnisses für das Virus.

Unser Immunsystem schützt uns mit Waffen, die entweder sehr schnell verfügbar sind, oder aber einige Zeit zur Entwicklung ihrer Schlagkraft benötigen. Einfach ausgedrückt verhindert die schnelle Antwort auf eine Infektion die ungehindert schnelle Ausbreitung eines Virus, kann aber seine Vermehrung nicht vollständig verhindern. Die langsame Antwort ist sehr wirksam. Sie beseitigt meist das Virus vollständig und führt daher zur Gesundung. Die schnell wirksamen bzw. langsamen Wirkmechanismen unseres Immunsystems heißen angeborene und adaptive Immunität.

Viele Viren, Coronaviren eingeschlossen, gehen aktiv gegen die sofort einsetzende, angeborene Antwort des Immunsystems vor. Hierdurch können sie sich schnell vermehren bevor der langsame Arm des Immunsystems wirksam wird. Ein erschwerender Faktor mancher Viruskrankheiten einschließlich COVID-19, ist die begleitende Entzündungsreaktion innerer Organe, insbesondere der Lunge. Schlimmstenfalls schränkt die Entzündung die Lungenfunktion bis hin zum lebensbedrohlichen Zustand ein. Eine weitere Bedrohung liegt in der Möglichkeit von ‚Superinfektionen‘ geschwächter Organe mit einem weiteren Krankheitserreger, üblicherweise ein Bakterium, welches die Entzündung verschlimmert. Bisher gibt es keine verlässliche Information, ob und in welchem Umfang Superinfektionen zu COVID-19 beitragen. Manche Ärzte empfehlen Risikopatienten zur Sicherheit gegen Pneumococcus, einer häufigen bakteriellen Ursache von Lungenentzündungen, zu impfen. Allerdings gibt es bisher keine Hinweise auf einen Schutz solcher Impfungen gegen COVID-19.

Immunität wie sie üblicherweise verstanden wird, ist ein Ergebnis der langsamen, adaptiven Immunantwort. Bildlich gesprochen erzeugt diese Antwort ein Gedächtnis der Krankheit und ihres Erregers. Dieses Gedächtnis hilft im Falle einer Sekundärinfektion die Immunantwort schneller und schlagkräftiger zu gestalten. Charakteristische Eigenschaft eines immunologischen Gedächtnis‘ ist das Vorkommen neutralisierender Antikörper im Blutplasma. Antikörper sind Proteine, die an die Oberfläche von Viren und anderen Krankheitserregern binden. Sie werden als neutralisierend bezeichnet wenn die Bindung die Interaktion eines Virus mit seiner Wirtszelle verhindert.

Ein gesichertes Urteil über die Wirksamkeit des immunologischen Gedächtnis‘ gegenüber einer Reinfektion mit SARS-CoV-2 wäre derzeit verfrüht. Das Vorkommen neutralisierender Antikörper in infizierten Personen ist jedoch nachgewiesen. Wie haben daher Anlass zu der Hoffnung, dass das immunologische Gedächtnis allmählich das Risiko von Epidemien oder Pandemien vermindert.

Herdenimmunität entsteht, wenn Übertragungsketten durch gesunde Personen mit Immunität unterbrochen werden, wobei Immunität durch Gesundung von einer Infektionskrankheit oder durch Impfung entstehen kann. Herdenimmunität ist Voraussetzung für die Ausrottung von Krankheitserregern, wie die der Pocken, Masern oder Kinderlähmung.

Herdenimmunität (oder Populationsimmunität) dient dem Schutz gegenüber Infektionskrankheiten. Sie tritt ein, wenn viele Mitglieder einer Gesellschaft durch Gesundung von einer Infektion oder durch Impfung immun werden. Diese Personen verbreiten die Krankheit nicht weiter und tragen daher zur Unterbrechung der Infektionskette bei. Infolgedessen wird die Ausbreitung einer Infektion in Gesellschaften mit hohem Anteil immuner Individuen verlangsamt oder sogar vollständig unterbunden. Ein Beispiel hierfür ist die Pockenkrankheit, bei der die durch Impfung erzeugte Herdenimmunität Voraussetzung für die vollständige Ausrottung im Jahr 1977 war. Der zur Herdenimmunität notwendige relative Anteil an immunen Individuen innerhalb einer Gesellschaft ist von Krankheit zu Krankheit unterschiedlich und abhängig von Faktoren wie Infektivität und Inkubationszeit. Herdenimmunität schützt ältere und immungeschwächte Personen gegen Infektionskrankheiten.

Modellrechnungen, die die Ausbreitung der COVID-19 simulieren, kommen zu dem Schluss, dass 60-80% der Bevölkerung zum Eintreten von Herdenimmunität gegen SARS-CoV-2 immun sein müssen. Ist dieser Schwellenwert einmal erreicht, sind Personen mit hohem Risiko einer schweren Infektion, d.h. ältere und immungeschwächte Menschen oder Patienten mit Vorerkrankungen von Herz oder Lunge, weitgehend vor COVID-19 geschützt. Die Bestimmung neutralisierender Antikörper in weiten Teilen der Bevölkerung wird in Zukunft Aufschluss über den Umfang und die Zunahme von Herdenimmunität geben.

Die Ausbreitung von COVID-19 einzudämmen ist elementare Voraussetzung dafür, einen Zusammenbruch der Gesundheitssysteme zu vermeiden. Durch Umfunktionieren ihrer Forschungsinfrastruktur verfolgen die Max Perutz Labs gemeinsam mit ihren Partnern in ganz Wien das Ziel, die nationale Testkapazität zu erhöhen.

Wie viele andere Länder rund um den Globus leidet Österreich unter einem Mangel an Testkapazität. In Südkorea, wo Neuinfektionen praktisch auf Null reduziert werden konnten, wurde 1 von 136 Menschen einem Test unterzogen, weltweit ein Rekordwert. Die Anwendung des ‚track and trace‘ Verfahrens, des systematischen Aufspürens und Nachverfolgens von Infektionen, ist der Schlüssel dafür Infektionsketten zu unterbrechen, Infizierte baldmöglichst unter Quarantäne zu setzen und die Belastung der Gesundheitsversorgungssysteme zu erniedrigen. In Zusammenarbeit mit 13 weiteren Forschungseinrichtungen in ganz Wien widmen die Max Perutz Labs ihre Forschungsinfrastruktur, ihre Reagenzien und ihre Arbeitskraft dem Zweck die nationale Testkapazität für COVID-19 zu erhöhen.

Wie aber testet man eine Person auf COVID-19? Wie alle Viren führt SARS-CoV-2 seinen eigenen genetischen Code mit sich. Der vollständige genetische Code des von einem Patienten aus Wuhan stammenden SARS-CoV-2 wurde Januar dieses Jahres entschlüsselt. Die Kenntnis dieser genetischen Bauanleitung für das Virus ist wiederum der Schlüssel für das wichtigste Testverfahren das derzeit weltweit angewendet wird. Kleine, als ‚primer‘ bezeichnete Stückchen DNA erlauben es Wissenschaftlern tausende Kopien der genetischen Information des Virus herzustellen, und diese somit nachweisbar zu machen. Nachdem der genetische Code des Virus sich von unserem eigenen unterscheidet bestätigt der Nachweis das Vorkommen des Virus in unseren Zellen. Derzeit wird die Testkapazität durch die Menge an verfügbaren Reagenzien entsprechender Qualität und durch die Verfügbarkeit von Hochdurchsatzanlagen limitiert. Unsere Aufgabe ist es durch Mobilisierung aller Kräfte und durch das Umwidmen von Ressourcen die derzeitige Testkapazität zu erhöhen.

Ein weiteres Testverfahren beruht auf dem Nachweis einer Immunreaktion in infizierten Patienten. Die Antikörper die unser Körper gegen die Viren erzeugt können durch ein als Enzyme-linked Immunosorbent Assay, kurz ELISA, bezeichnetes Verfahren nachgewiesen werden. Hierbei wird ein im Labor hergestelltes Virusprotein zur Analyse von Blutproben auf einer Oberfläche immobilisiert. Im Falle einer akuten oder bereits überstandenen Infektion enthält die Probe Antikörper, die fest an das adsorbierte Virusprotein binden. Die Bindung kann dann in einem zweiten Schritt mit Hilfe von Lichtemission oder einer Farbreaktion nachgewiesen werden. Die Entwicklung des ELISA Verfahrens hat besondere Bedeutung bei der Einschätzung der sich innerhalb der Bevölkerung einstellenden Immunität, insbesondere deshalb, weil viele Infizierte keine Krankheitssymptome entwickeln. Die Max Perutz Labs und ihre Partner arbeiten aktiv an der Entwicklung und Anwendung eines solchen Verfahrens.

COVID-19 ist nach wie vor Neuland für uns. Während Grundlagenforschung fundamentale Eigenschaften des Virus entschlüsselt, entwickeln weltweit klinische Labors mit nie dagewesener Geschwindigkeit Instrumentarien, um seiner Ausbreitung Einhalt zu gebieten. Mit zunehmendem Wissen wird die Verlässlichkeit von Projektionen zur Zukunft der COVID-19 steigen.

Menschen in allen Ländern der Welt fragen sich nun, wie wohl die Zukunft der COVID-19 Pandemie aussehen wird. Wird die Krankheit und mit ihr das SARS-CoV-2 verschwinden, so wie SARS-CoV-1 und MERS-CoV in den Jahren 2004 und 2012? Oder wird die Krankheit ein permanenter Teil unseres Lebens, ähnlich dem Grippevirus? Wird es ein Medikament oder eine Impfung geben? Es gibt zum jetzigen Zeitpunkt keine endgültigen Antworten auf solch wichtige Fragen. Wir können aber, ausgehend vom derzeitigen Wissensstand, wahrscheinliche von unwahrscheinlicheren Szenarien für die Zukunft der COVID-19 unterscheiden.

Das Virus ist offenbar hochansteckend, seine Infektivität ist höher als die der Coronaviren früherer Pandemien. Diese Eigenschaft trägt zur schnellen globalen Ausbreitung bei. Was die Lage erschwert ist das Zusammenwirken einer langen Inkubationszeit von bis zu zwei Wochen mit dem langen, bis über mehrere Wochen andauernden Verbreiten des Virus durch Infizierte. Dazu kommt der hohe Prozentsatz an Infizierten ohne Krankheitssymptome, die unentdeckt die Infektion verbreiten und so die Pandemie verschlimmern. Vorausgesetzt, dass Infektion Immunität gegen SARS-CoV-2 nach sich zieht, könnte die schnelle Zunahme an Infizierten weltweit relativ bald zum Entstehen von Herdenimmunität führen. Glücklicherweise ist derzeit vom Entstehen von Immunität auszugehen, da es derzeit keinen Hinweis auf Reinfektion von geheilten Patienten gibt. Damit wären dann auch gute Voraussetzungen für die Entwicklung von Impfstoffen geschaffen. Impfungen würden weiter zum Entstehen von Herdenimmunität beitragen und damit möglicherweise zur Ausrottung des Virus. Allerdings besitzen Viren die unangenehme Eigenschaft ihre Hüllproteine zu verändern und so für das Immunsystem, das nur die ursprüngliche Version des Virus kennt, unsichtbar zu werden. Wir kennen dieses Problem gut aus der Grippesaison: die alljährlichen Veränderungen des Grippevirus führen dazu, dass eine einzelne Impfung keine langanhaltende Immunität erzeugt. Der derzeitige Kenntnisstand über das SARS-CoV-2 gibt Anlass zu vorsichtigem Optimismus: Die Geschwindigkeit von Veränderungen (Mutationsrate) scheint 2-4 fach kleiner als beim Grippevirus. Damit könnte der Immunschutz nach überstandener Infektion oder durch Impfung im Falle von SARS-CoV-2 langanhaltender sein als im Falle der Grippe.

Mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit werden Lösungsstrategien zu COVID-19 aus der Forschung stammen, die sich derzeit rund um den Globus genauso schnell verbreitet wie das Virus. Entwicklung neuer, oder Umwidmung bereits vorhandener Medikamente, Impfstoffe und weitere Verfahren zur Bekämpfung werden von akademischen Institutionen und pharmazeutischen Firmen in Österreich und vielen anderen Ländern angestrebt. Dabei gibt es bereits Erfolge in der Behandlung von COVID-19 und erste klinische Erprobungen von Impfstoffen wurden begonnen. Die Ziele sind klar: dem derzeitigen Virus seinen Schrecken zu nehmen und daraus eine Lektion für zukünftige, ähnlich gelagerte Herausforderungen zu lernen.

Behauptungen das SARS-CoV-2 sei nicht natürlicher Herkunft und möglicherweise mit Vorsatz erzeugt und freigesetzt worden, erfuhren große Aufmerksamkeit in den Medien. Die Faktenlage spricht allerdings eindeutig für einen natürlichen Ursprung des Virus.

Im April rückten Bedenken über eine Hochsicherheitseinrichtung zur Virusforschung im chinesischen Wuhan, dem Epizentrum des COVID-19 Ausbruchs, ins Zentrum medialer Aufmerksamkeit. Verschwörungstheorien über einen Unfall bis hin zur arglistigen Konstruktion eines künstlichen Virus, gleich einem Akt biologischer Kriegsführung, machten schnell die Runde. Besitzen wir eigentlich ausreichendes Wissen, um den Ursprung des SARS-CoV-2 zu erklären?

Die Wissenschaft hat mittlerweile die Genomsequenzen tausender SARS-CoV-2 Isolate einer forensischen Untersuchung unterzogen. Dabei hilft es, dass wir die genetischen Bauanleitungen anderer Coronaviren kennen, ebenso wie ihre Mutationsraten und die biologischen Prozesse, die zu solchen Änderungen des genetischen Codes‘ führen. Durch Vergleiche zwischen den genetischen Codes des SARS-CoV-2 und anderer Coronaviren können Wissenschaftler mit relativ großer Genauigkeit den Zeitpunkt bestimmen, von dem an sich diese Viren von einem gemeinsamen Urahnen unterscheiden. Diese tiefschürfenden Analysen zeigen, dass das SARS-CoV-2 nicht aus einem Labor und höchstwahrscheinlich auch nicht aus einem Gürteltier stammt. Mit größter Wahrscheinlichkeit entstand das SARS-CoV-2 vor ca. 4 Jahrzehnten in einer von Fledermäusen bewohnten Höhle im Südwesten Chinas, genau wie sein Cousin, das ursprüngliche SARS Virus von 2003.

SARS-CoV-2 enthält eine Abfolge (oder Sequenz) von 4 Aminosäuren in einer Region seines ‚Spike‘ (Stachel) Proteins, die eine als ‚Furin-Schnittstelle‘ bezeichnete Insertion erzeugen. Dementsprechend kann der Spike durch ein Enzym namens Furin geschnitten werden. Ein gleicher Vorgang hilft anderen Coronaviren wie z.B. dem MERS Virus beim Eintritt in Wirtszellen. Wie aber entstand diese Aminosäuresequenz?

Die Nukleinsäuresequenz (der genetische Code) viraler Genome bestimmt die Aminosäuren ihrer Proteine. Im Falle des SARS-CoV-2 schließt die Bestimmung der Nukleinsäuresequenz mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit aus, dass die Furin-Schnittstelle durch gezielte Manipulation eines aus Fledermäusen stammenden Coronavirus hervorging. Stattdessen entstand sie mit großer Wahrscheinlichkeit durch einen als ‘copy-choice error‘ (Auswahlfehler) bezeichneten Vorgang. Dieser kann vorkommen, wenn zwei oder mehr miteinander verwandte Viruspartikel dieselbe Zelle infizieren. In so einer koinfizierten Zelle kann es vorkommen, dass das Enzym zur Vervielfältigung des viralen Genoms (die RNA Polymerase) im Vorgang des Kopierens vom Genom eines Virus zu dem eines anderen springt. Infolgedessen werden Teile des Genoms zweier Viren ausgetauscht. Sie erzeugen somit eine Neukombination des genetischen Materials, die vorher nicht existierte. Tatsächlich ist die für die Furin-Schnittstelle kodierende Nukleinsäuresequenz in SARS-CoV-2 der eines 2011 isolierten und als HKU9 bezeichneten Fledermaus-Coronavirus beinahe identisch. Daher gilt es als wahrscheinlich, dass HKU9 eines der koinfizierenden Viren war.

Zusammenfassend entstanden also weder das Spike-Protein noch seine Furin-Schnittstelle durch gezielte Manipulation eines dem SARS-CoV2 verwandten Virus. Ganz im Gegenteil zeigen die oben dargestellten Analysen, dass der Vorgang ihrer Entstehung vollkommen natürlich ist und in Coronaviren häufig beobachtet wird. Vergleichbare Vorgänge sind in anderen Viren wie Poliovirus oder HIV von großer medizinischer Bedeutung.

Haben wir die Kurve abgeflacht? Können wir wieder zu unserem normalen Leben zurückkehren? In einer Pandemie sollte die Entscheidung wie es weiter gehen soll auf harten, durch Epidemiologen erbrachten Fakten basieren.

Epidemiologen beschäftigen sich mit krankheitstypischen Mustern, darunter auch die Anzahl infizierter Personen. Solche Zahlen waren niemals so sehr in Echtzeit verfügbar, wie das derzeit für die COVID-19 Pandemie der Fall ist. Viele renommierte Institutionen führen Webseiten die es uns ermöglichen das Virus in Aktion zu betrachten: die Gesamtzahl der Krankheitsfälle, die Anzahl akuter Krankheitsfälle - und das Endergebnis, das Verhältnis zwischen Geheilten und Verstorbenen. Diese Daten stellen die beste derzeit verfügbare Grundlage für faktenbasierte Entscheidungen dar. Leider erzeugen sie bestenfalls ein verschwommenes Bild unserer Interaktion mit dem Virus.

Unterschiedliche Länder benützen unterschiedliche Methoden, um COVID-19 Fälle aufzuspüren und zu melden. Warum ist das ein Problem? Tests für virale Infektionen sollten immer und überall gleiche Ergebnisse liefern. Einzelne Diagnoseverfahren unterscheiden sich aber in ihrer Empfindlichkeit und hinsichtlich der Wahrscheinlichkeit falsch positive oder falsch negative Ergebnisse zu erzeugen. Hinzu kommt, dass einzelne Länder sowohl diejenigen Fälle melden, die bestätigt sind als auch solche, die aufgrund ihrer Symptomatik und vorangegangener Interaktion mit bestätigten Fällen als wahrscheinlich gelten. Verdachtsfälle, d.h. Patienten mit COVID-19 Symptomen, die aber weder getestet sind noch Kontakt mit bestätigten COVID-19 Erkrankten hatten werden nicht gemeldet. Gleiche Kriterien gelten auch für Angaben über COVID-19 als Todesursache. Während Todesfälle aber Gewissheiten darstellen sind asymptomatische Infektionen unsichtbar und stellen daher das größte Kontingent nicht gemeldeter Krankheitsfälle.

Wie viele COVID-19 Fälle gibt es also tatsächlich? Niemand weiß das derzeit. Allerdings kann man mit Sicherheit davon ausgehen, dass die tatsächliche Anzahl höher ist als die, die täglich in den Nachrichten zu erfahren ist. Wollen wir also genau wissen wie infektiös das SARS-CoV-2 ist, so gibt es nur einen Weg: testen, testen, testen- und die Verwendung standardisierter Methoden. In diesem Zusammenhang ist die vor Kurzem erfolgte Ankündigung eines verlässlichen ELISA Tests (siehe: Was unternehmen wir um Coronaviren zu bekämpfen?) durch die Schweizer Firma Roche eine willkommene Nachricht.

Viren nützen die fehleranfällige (engl.: error-prone) Vervielfältigung ihrer genetischen Instruktionen zur erfolgreichen Verbreitung in ihren Wirtsorganismen. Wie funktioniert das und wieviel wissen wir über diesen Vorgang in SARS-CoV-2?

Das genetische Material des Menschen (DNA) bestimmt mit seinem Code sämtliche Faktoren, mit Hilfe derer wir die unterschiedlichen Zellen unseres Körpers aufbauen. Viele Viren (einschl. SARS-CoV-2) legen mit einem ähnlich gearteten genetischen Material (RNA) den Code für die virusspezifischen Faktoren ihres Lebenscyclus‘ fest. Zwei gegensätzliche Prinzipien in der Vervielfältigung genetischen Materials bestimmen den evolutionären Erfolg von Menschen und Viren.

Menschen bestehen aus vielen verschiedenen Zellen. Sie kopieren ihr genetisches Material so präzise wie möglich, wenn Zellen sich im Laufe von Wachstumsprozessen vermehren. Der Grund hierfür liegt darin, dass Fehler bei nur einer einzigen Zellteilung verheerende Folgen für den gesamten Organismus haben können. Das beste Beispiel hierfür ist die Entartung einer einzelnen Zelle zur Krebszelle.

Im Gegensatz hierzu gedeihen Viren mit der entgegengesetzten Strategie ihr genetisches Material mit geringerer Genauigkeit zu vervielfältigen. Dabei erzeugen sie Milliarden leicht unterschiedlicher Nachkommen. Warum sollte das für das Virus von Vorteil sein? Die allermeisten der Veränderungen sind neutral oder nachteilig für die Infektivität und gelangen somit weniger oder nicht in andere Menschen. Allerdings werden einige wenige Virusvarianten vermehrt an andere Menschen weitergegeben, oder sie vermeiden die Erkennung durch Antikörper, die das Immunsystem gebildet hat. Diese Varianten werden sich nun besser innerhalb der Bevölkerung ausbreiten.

Der vollständige genetische Code des SARS-CoV-2 wurde mittlerweile für Viren aus mehreren tausend COVID-19 Patienten ermittelt; er weist tatsächlich Anzeichnen eines evolutionären Selektionsdrucks auf. Einer der veränderten Bereiche ist derjenige mit der Kodierung für das virale Spike Protein, das zum Eintritt in die Wirtszelle dient. Die Veränderung kann die Stärke der Interaktion mit Rezeptoren auf der Zelloberfläche erhöhen, oder aber eine starke Bindung von andernfalls neutralisierenden Antikörpern verhindern. Weitere Veränderungen beeinträchtigen möglicherweise die Erkennung durch derzeitige Testverfahren. Um gesicherte Erkenntnisse über den Einfluß dieser Mutationen auf die Vermehrungsfähigkeit und die Nachweisbarkeit von Viren zu erhalten benötigt es weiterer Untersuchungen.

Welche Mittel stehen uns zur Bekämpfung von COVID-19 zur Verfügung solange es keinen Impfstoff gibt? Gibt es echte Behandlungsmethoden oder lediglich Rettungsboote für die dringendsten Fälle?

Die Ursache für die globale COVID-19 liegt im Mangel an gut wirksamen Behandlungsmethoden. Derzeitige Medikation zielt auf das Abschwächen der Symptomatik ab (symptomatische Behandlung), anstatt die Ursache, d.h. das SARS-CoV-2, zu bekämpfen. Symptomatische Behandlung wird bei vielen Krankheiten angewandt und kann auch gegen COVID-19 helfen. Die Versorgung von COVID-19 Patienten mit Sauerstoff zur Kompensation eingeschränkter Lungenfunktion ist ein Beispiel. Fiebersenkende Mittel stellen eine weitere Kategorie symptomatischer Medikation gegen COVID-19 dar. Medikamente die darauf abzielen, den ‘Cytokinsturm’ abzuschwächen sind eine zusätzliche und vielversprechende symptomatische Behandlungsmethode. Ein Cytokinsturm ist Ausdruck einer unkontrollierten Immunreaktion mit hohem Potenzial zur lebensbedrohenden Schädigung der Lunge.

Eingriffe unmittelbar gegen SARS-CoV-2 würden die Möglichkeiten COVID-19 zu behandeln enorm verbessern. Beispiel einer solchen Strategie ist die Injektion von Seren aus geheilten COVID-19 Patienten. Die darin enthaltenen anti-SARS-CoV-2 Antikörper helfen den Erkrankten auf vielfache Weise (z.B. durch Verhindern eines Eindringens der Viren in Wirtszellen). Allerdings kann diese erfolgreiche Therapie nicht im großen Maßstab zur Anwendung gelangen, weil die Anzahl gesunder Serumspender begrenzt ist.

Solange es keinen Impfstoff gibt, sind antivirale Medikamente die beste Option einer breit anwendbaren und bezahlbaren Behandlung. Remdesivir ist ein solches Pharmakon welches direkt in den viralen Vervielfältigungsmechanismus eingreift. Es wurde ursprünglich gegen Ebolavirus entwickelt, scheint aber mit etwas geringerer Wirksamkeit gegen SARS-CoV-2 zu helfen. Allerdings birgt das Umwidmen (engl.: repurposing) von Medikamenten große Risiken. Chloroquine (ein Medikament gegen Malaria) hemmt zwar SARS-CoV-2, hat aber schwere Nebenwirkungen in COVID-19 Patienten. Pharmaka gegen Grippeviren sind im Allgemeinen gegen SARS-CoV-2 unwirksam. Die Herausforderung besteht also darin, die Achillesverse im Lebenscyclus des SARS-CoV-2 zu finden. Dieses Wissen kann als Basis für die Entwicklung sicherer und präzise gegen SARS-CoV-2 wirksamer Pharmaka dienen.

Impfstoffe sind unsere stärkste Gesundheitsmaßnahme, um Virusinfektionen vorzubeugen und uns so vor den von ihnen verursachten Krankheiten zu schützen. Ein Impfstoff wird, sofern verfügbar, sicherlich die wirksamste Maßnahme zur Bekämpfung von SARS-CoV-2 sein. Bevor wir uns unterschiedlichen Möglichkeiten der Impfung gegen SARS-CoV-2 zuwenden schauen wir uns an, wie ein Impfstoff funktioniert.

Einfach ausgedrückt simuliert ein Impfstoff eine echte Infektion im Körper, ohne dass die Krankheit ausbricht. Der Körper baut dann eine Verteidigung gegen diese Eindringlinge auf, die auswendig gelernt und im Falle einer echten Infektion reaktiviert werden kann. Impfstoffe, die vor Viruserkrankungen schützen, gibt es in drei Grundtypen. Die wirksamsten werden Lebendimpfstoffe genannt. Sie enthalten ein geschwächtes (attenuiertes) Virus, das sich im Körper noch vermehren kann, ohne jedoch Krankheiten zu verursachen. Beispiele für diesen Typ sind die Impfstoffe gegen Masern und Mumps. Inaktivierte Virusimpfstoffe enthalten Viruspartikel, die beispielsweise mit Formaldehyd chemisch inaktiviert wurden. Im Gegensatz zu Lebendimpfstoffen vermehren sie sich nicht, aber die Viruspartikel werden immer noch als Fremdkörper und somit Auslöser einer Immunreaktion erkannt. Inaktivierte Impfstoffe wie der gegen das durch Zecken übertragene Enzephalitis-Virus (FSME) müssen normalerweise mehr als einmal injiziert werden, um Schutz zu gewährleisten. Die dritte Art von Virusimpfstoffen wie der Grippeimpfstoff enthalten nur bestimmte Teile des Virus, die zur Erzeugung von Schutz erforderlich sind.

Impfstoffe aller drei Typen werden von rund 70 verschiedenen Instituten und Unternehmen gegen SARS-CoV-2 entwickelt. Beispielsweise wird ein inaktivierter Impfstoff von einem Unternehmen in China bereits an Affen getestet. Es wird allerdings viele Jahre dauern, bis ein abgeschwächter Impfstoff gegen SARS-CoV-2 erzeugt werden kann. Stattdessen haben sich Forscher anderen Viren zugewandt, die das SARS-CoV-2-Spike-Protein präsentieren können, ohne Krankheiten zu verursachen. In einer vielversprechenden Studie mit Affenviren konnten beim Menschen Antikörper gegen das verwandte MERS-Virus erzeugt werden. Ein ähnlicher Impfstoff gegen SARS-CoV-2 befindet sich derzeit in klinischen Studien am Menschen. Selbst wenn sich aktuelle Studien als sicher erweisen und zeigen, dass Antikörper erzeugt werden, wird es noch viele Monate dauern, bis genügend Impfstoff für die ganze Welt hergestellt ist. Bis dahin bleiben die besten Methoden zur Verhinderung einer Infektion mit SARS-CoV-2 die soziale Distanzierung und das Händewaschen mit Seife.

Impfstoffe wirken durch die Leistungsfähigkeit unseres adaptiven Immunsystems, aber unser angeborenes Immunsystem kann zur Impfung ebenfalls von großem Nutzen sein. Nachfolgend betrachten wir Möglichkeiten wie unser angeborenes Immunsystem gegen SARS-CoV-2 agieren könnte.

Ein immunologisches Gedächtnis und Immunität werden für gewöhnlich unserem adaptiven Immunsystem zugeschrieben (siehe: Wie könnte mein Körper eine Coronavirusinfektion bekämpfen?). Allerdings entspricht dies nicht der vollständigen Wahrheit. Unser angeborenes Immunsystem erinnert sich ebenfalls an eine vorangegangene Auseinandersetzung mit Mikroorganismen oder Viren. Dieses angeborene Gedächtnis, das auch als trainierte Immunität bezeichnet wird, unterscheidet sich fundamental von den Gedächtniszellen und Antikörpern, die das adaptive Immunsystem bereitstellt.

Der größte Unterschied besteht darin, dass das Gedächtnis des angeborenen Immunsystems auf breiter Basis wirksam ist und nicht nur gegen denjenigen Krankheitserreger, der Auslöser der ursprünglichen Immunreaktion war. Beispielsweise zeigten mit bakteriellen Impfstoffen behandelte Versuchstiere nachfolgend eine erhöhte Immunität gegen virale Infektionen. Trainierte Immunität durch das angeborene Immunsystem brachte Wissenschaftler der deutschen Max Planck Gesellschaft auf die Idee einen verbesserten und zur Anwendung registrierten Impfstoff gegen Tuberkulose (Tb) zum Schutz vor SARS-CoV-2 einzusetzen. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass die im Impfstoff enthaltenen Bakterien das angeborene Immunsystem gegen SARS-CoV-2 mobilisieren. Nachdem der Impfstoff zur Behandlung zugelassen ist, kann er unmittelbar in klinischen Tests zum Einsatz gelangen.

Eine weitere, möglicherweise nützliche Substanz im Kampf gegen SARS-CoV-2 ist Interferon (IFN). IFN Freisetzung ist die Antwort des angeborenen Immunsystems auf virale Infektionen. Tatsächlich stammt sein Name von der Fähigkeit, mit viraler Vermehrung innerhalb von Wirtszellen zu interferieren. Interferone sind sowohl gegen Krebs als auch gegen Infektionen klinisch zugelassene Medikamente. Dementsprechend war es möglich, sie bei einer kleinen Kohorte von COVID-19 Patienten anzuwenden. Man beobachtete dabei eine Verminderung der SARS-CoV-2 Infektion in den oberen Atemwegen. Allerdings mahnt eine weitere Studie zur Vorsicht bei der Anwendung der IFN. Die beteiligten Wissenschaftler beschreiben die Eigenschaft der IFN, die Menge der Rezeptoren für den Eintritt des SARS-CoV-2 (ACE2) auf Epithelzellen der Atemwege zu erhöhen. Schützende und möglicherweise schädliche Eigenschaften der IFN müssen daher in zukünftigen klinischen Studien sorgfältig gegeneinander abgewogen werden.

• Österreichisches Gesundheitsministerium COVID-19 Dashboard


• World Health Organization (WHO)


• Our World in Data - Coronavirus


• Johns Hopkins Coronavirus Resource Center


• Coronavirus: Out of Many, One


• SARS-CoV-2 (COVID-19) by the numbers


• COVID-19 Research Collaborations (Elsevier)