Viren. Grundlagen, Krankheiten, Therapien (Beck Wissen)

Viren, obgleich besonders klein und einfach gebaut, zählen zu den gefürchtetsten Krankheitserregern des Menschen. Nicht ohne Grund hat man sie auch schon als Piraten, Mörder und Diebe (Arnie Levine) bezeichnet, um damit ihre ebenso raffinierten wie effektiven Vermehrungs-, Anpassungs- und Infektionstechniken zu beschreiben, die es so schwierig machen, sie wirkungsvoll zu bekämpfen. In diesem Buch erläutert eine renommierte Spezialistin den Aufbau und die vielfältigen Erscheinungsformen der Viren, erklärt, auf welch subtile Weisen uns Viren erkranken lassen, und beschreibt die wichtigsten Mittel und Techniken der modernen Virusbekämpfung. Susanne Modrow habilitierte sich nach dem Studium der Biologie und Chemie am berühmten Max-von-Pettenkofer-Institut in München mit Arbeiten zur Molekularbiologie und Entstehung von Virusinfektionen beim Menschen. Seit 1991 lehrt und forscht sie am Institut für Medizinische Mikrobiologie der Universität Regensburg und leitet die Forschungsgruppe „Molekulare Virologie“. Sie hat zahlreiche Artikel und Lehrbücher zur Molekularbiologie menschlicher Virusinfektionen verfaßt und ist Mitglied im Beirat der Gesellschaft für Virologie.

Susanne Modrow

VIREN Grundlagen, Krankheiten, Therapien

Verlag C. H. Beck

Mit 14 Abbildungen von Karin Beckenlehner und 5 Tabellen

Die Deutsche Bibliothek – CIP-Einheitsaufnahme Modrow, Susanne: Viren : Grundlagen, Krankheiten, Therapien / Susanne Modrow. – Orig.-Ausg. – München : Beck, 2001 (C. H. Beck Wissen in der Beck’schen Reihe ; 2177) ISBN 3 406 44777 5

Originalausgabe ISBN 3 406 44777 5 Umschlagentwurf von Uwe Göbel, München © Verlag C.H.Beck oHG, München 2001 Satz: Fotosatz Amann, Aichstetten Druck und Bindung: Druckerei C.H.Beck, Nördlingen Printed in Germany www.beck.de

Inhalt I. Ein Virus – was ist das? .............................................. 1. Seit wann kennt man Viren? ................................... 2. Wie sind Viren aufgebaut, woraus bestehen sie?.... 3. Wie kann man die unterschiedlichen Viren ordnen? ................................................................... 4. Wie unterscheiden sich Viren von anderen Mikroorganismen? .................................................. II. Wie vermehren sich Viren? ......................................... 1. Infektion – was ist das?........................................... 2. Wie gelangen Viren in den Körper? ....................... 3. Wie finden Viren Zellen, die sie infizieren können?................................................................... 4. Wie vermehren sich die Viren in den Zellen?......... 5. Wie verlassen Viren ihre Wirtszellen?.................... 6. Wie verbreiten sich Viren im Organismus? ............ 7. Wie verlassen Viren ihre Wirte?............................. 8. Kann man Viren experimentell vermehren? ........... III. Welche Folgen hat die Virusvermehrung für die infizierten Zellen? ............................................ 1. Warum sterben Zellen durch eine Virusinfektion? . 2. Wieso können manche Viren im Organismus fortbestehen?........................................................... 3. Warum verursachen einige Viren Tumorerkrankungen?.............................................. IV. Wie kann man Virusinfektionen nachweisen? ............ 1. Wie funktionieren die heute üblichen Systeme zum direkten Virusnachweis? ................................. 2. Wie weist man virusspezifische Antikörper nach? .

7 7 12 15 20 23 23 23 24 32 42 43 45 49

51 52 56 61 69 70 76

V. Kann man Virusinfektionen therapieren?.................... 1. Warum gibt es keine „Antibiotika“ zur Therapie von Virusinfektionen?............................................. 2. Wann werden Virusinfektionen mit Chemotherapeutika behandelt? ............................... 3. Wie wirken die antiviralen Chemotherapeutika? .... 4. Warum ist die antivirale Chemotherapie nicht immer erfolgreich?..................................................

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96

VI. Wie kann man einer Virusinfektion vorbeugen? ......... 1. Wie wirkt eine Impfung? ........................................ 2. Wann wird geimpft? ...........................................

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Glossar ...............................................................................

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Kommentiertes Literaturverzeichnis ..................................

119

Register ..............................................................................

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I. Ein Virus-was ist das? 1. Seit wann kennt man Viren? Viren, das wissen wir heute, sind kleine, einfach aufgebaute Infektionserreger, die in die Zellen eines Organismus eindringen und sich dort vermehren. Sie verwenden dabei die Bestandteile der so infizierten Zellen für die Bildung ihrer Nachkommen – sie sind also Zellparasiten. Die moderne Molekularbiologie und Genetik hat in den letzten Jahrzehnten zu einer rasanten Explosion des Wissens über die Details des Aufbaus und der Struktur von Viren, die Art und Weise ihrer Vermehrung und ihrer Verbreitung geführt. Es floß sinnvoll in die Entwicklung von Impfstoffen zum Schutz vor Infektionen und von antiviralen Medikamenten zur Therapie der mit den Infektionen verbundenen Erkrankungen ein. Das Wissen von Viren ist jedoch wesentlich älter und stammt aus einer Zeit, in der man von all den uns bekannten Einzelheiten nichts wußte. Man wußte von Erkrankungen, die wir heute als durch Viren verursacht kennen, vermutete aber, daß sie von Giften herrühren, da man auch mit den im 19. Jahrhundert verfügbaren Methoden keine Bakterien, Protozoen oder andere Kleinstlebewesen in den giftigen, die Krankheit verursachenden Materialien entdecken konnte. Erst Versuche, bei denen man die Erkrankung durch Einsatz unterschiedlicher Verdünnungen des giftigen Stoffes auf Tiere oder Pflanzen übertrug, die jedoch zeigten, daß die Wirkung beim Einsatz hoher Verdünnungsstufen oder nach vielen Passagen nicht nachließ, ließen den Verdacht aufkommen, daß diese Gifte wohl die Eigenschaft besitzen, sich in den Organismen zu vermehren. Für diese vermehrungsfähigen Gifte führte man die Bezeichnung Virus, also das lateinische Wort für Gift oder Schleim, ein. Daß es sich bei den Viren um sehr kleine Lebewesen handeln muß, die nicht einmal die Größe der auch ebenfalls sehr kleinen Bakterien erreichten, wußte man, weil man sie eben in den verfügbaren Lichtmikroskopen nicht sehen konnte. Dies gelang erst 7

bei Einsatz des von Ernst Ruska 1940 entwickelten Elektronenmikroskops. Daß die Viren deutlich kleiner sind als Bakterien, kennte Dimitri I. Iwanowski 1892 in St. Petersburg zeigen. Er filtrierte Extrakte aus Tabakpflanzen, die von der Mosaikkrankkit befallen waren, durch Filter, die Poren mit Durchmessern von etwa 0.2 Mikrometern aufwiesen, durch die Bakterien bekannterweise nicht hindurchgelangen konnten. Mit den bakteriöifreien Filtraten konnte Iwanowski dann aber die Mosaikerkrankung auf bislang gesunde Tabakpflanzen übertragen – das Tabakmosaikvirus war so als erstes Virus entdeckt. Mit ähnlichen Versuchsansätzen bewies Friedrich Loeffler 1898 in Greifswald, daß die Maul- und Klauenseuche durch Viren hervorgerufen wird und entdeckte so als erster ein Virus, das Tiere erkranken läßt. Zwei Jahre später zeigte Walter Reed in den USA, daß auch das Gelbfieber, eine in Afrika und Süd- und Mittelamerika weit verbreitete Seuchenerkrankung des Menschen, durch ultrafiltnerbare Agentien – also Viren – verursacht wird und daß seine Übertragung durch Stechmücken erfolgt. Nach der Entdeckung dieses ersten humanpathogenen Virus folgten 1903 die Tollwutsowie die Kaninchenmyxomviren und 1908 die Geflügelleukämieviren. 1911 fand dann Peyton Rous, daß Viren auch Krebs hervorrufen können: Er bewies, daß Bindegewebstumoren in Geflügel durch Virusinfektionen entstehen. Die von ihm beschriebenen Erreger wurden nach ihm Rous-Sarkom-Viren benannt, 1966 wurde Peyton Rous für diese Entdeckung der Nobelpreis verliehen. Inzwischen wissen wir, daß auch etliche andere Krebserkrankungen in Säugetieren durch Viren verursacht sind – man schätzt, daß an der Entstehung von etwa 25 Prozent der menschlichen Tumoren Viren kausal beteiligt sind. In den Jahren 1916 und 1917 entdeckten Frederick Twort und Felix d’Herelle, daß auch Bakterien von filtrierbaren, übertragbaren Erregern befallen werden. Auffällig war vor allem deren Eigenschaft, die Bakterien zu lysieren, Twort und d’Herelle nannten diese Viren deshalb nach dem griechischen Wort phagein (= essen) Bakteriophagen. Die Erforschung der Poliomyelitis (spinale Kinderlähmung) war über Jahrzehnte ein treibender Motor der Virusforschung. 8

Diese mit Lähmungen verbundene entzündliche Erkrankung der grauen Rückenmarksubstanz war – wie einige historische Hinweise vermuten lassen – wohl schon 1500 Jahre vor Christi Geburt bekannt. Sie nahm im 18. und 19. Jahrhundert zahlenmäßig stark zu und wurde 1840 von Jacob von Heine und wenig später von Oskar Medin als Kinderlähmung beschrieben. 1909 zeigten Karl Landsteiner und Emil Popper in Wien, daß diese nun auch als Heine-Medin-Krankheit bekannte Kinderlähmung von einem ultrafiltrierbaren Erreger – also einem Virus – verursacht wird und daß man sie auf Affen übertragen kann. Der Pathologe Karl Landsteiner bekam für eine andere, einige Jahre zuvor gemachte Entdeckung 1930 den Nobelpreis: 1900, neun Jahre bevor er das Virus der Kinderlähmung fand, hatte er als erster das AB0-Blutgruppensystem des Menschen beschrieben. In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts war dann jedoch eine deutliche Zunahme der Kinderlähmung zu verzeichnen, zugleich verschob sich die Erkrankung vom Kleinkind- ins Erwachsenenalter. Heute wissen wir, daß hierfür die Maßnahmen für eine verbesserte öffentliche Hygiene mit verantwortlich waren, die – wie beispielsweise die Einführung einer Abwasserkanalisation in den Städten zu Beginn des 20. Jahrhunderts – langsam zu greifen begannen. Der Erstkontakt der Menschen mit etlichen Krankheitserregern verschob sich zugleich vom Kindesins spätere Lebensalter: auch die Kinderlähmung wurde so zur Erwachsenenlähmung. Während die Infektionen im Kleinkindalter vermutlich wegen der noch im Blut der Säuglinge vorhandenen mütterlichen Antikörper einen meist milden Verlauf ohne andauernde Lähmungen nahmen, verliefen sie im Erwachsenenalter schwer. Todesfälle und lebenslang andauernde Lähmungen waren die Folge. Auch in den USA war diese deutliche Zunahme der Kinderlähmungsfälle zu verzeichnen – unter anderem erkrankte daran auch der spätere Präsident Franklin D. Roosevelt; er blieb lebenslang an den Rollstuhl gebunden. Er selbst war es, der in den dreißiger Jahren die National Polio Foundation gründete, die das erste große Spendenprogramm zur Erforschung einer Krankheit in den USA initiierte: Unter dem Motto „let’s dance that others can walk“ wurde vor allem die wohlhabende Bevölkerung bei 9

allen möglichen gesellschaftlichen und sozialen Anlässen und Ereignissen zu Spenden aufgerufen. Die Initiative wurde zu einem der größten Fundraising-Programme des 20. Jahrhunderts. Die eingeworbenen Spendengelder ermöglichten nicht nur die Erforschung der Poliomyelitis, sondern erbrachten zugleich auch viele neue Erkenntnisse in anderen Bereichen von Medizin und Biologie. Einer der großen Erfolge dieses Programmes war die Entdeckung des sogenannten zytopathischen Effektes, den die Infektion der Polioviren in der Gewebekultur hervorruft. 1928 hatten H. B. und M. C. Maitland diese Methode eingeführt, bei der man kleine Gewebestückchen in Glasflaschen oder -schalen in serumhaltiger Flüssigkeit kultivierte. Die auswachsenden Zellen konnte man mit Viren infizieren, ihre erfolgte Vermehrung wies man dann meist in Tierversuchen nach. Ab den vierziger Jahren standen Antibiotika zur Verfügung, deren Zusatz in die Kulturflüssigkeit bakterielle Kontaminationen unterband und die Methode der Gewebekultur deutlich vereinfachte und handhabbar werden ließ. 1949 konnten dann J. F. Enders und Mitarbeiter zeigen, daß sich die Zellen in der Kultur bei Infektion mit dem Poliovirus morphologisch veränderten. Diese Veränderungen waren als zytopathischer Effekt einfach im Lichtmikroskop zu erkennen und ermöglichten Renato Dulbecco und Margarete Vogt drei Jahre später, nämlich 1952, die Entwicklung des Plaque-Tests. Durch ihn konnte man die Anzahl infektiöser Viren im Blut oder in anderen Biopsiematerialien und in Kulturflüssigkeiten bestimmen. Da nun die Polioviren unter kontrollierbaren Bedingungen in der Gewebekultur gezüchtet werden konnten, war die Grundlage für die Entwicklung der beiden Impfstoffe gegen die Kinderlähmung gelegt: Der von Jonas E. Salk entwickelte Totimpfstoff und die Lebendvakzine mit abgeschwächten Polioviren, die Albert B. Sabin etablierte, waren für die Kontrolle der Poliomyelitis entscheidend und sind beide heute noch in Gebrauch (siehe Kapitel VI). Ihrem flächendeckenden Einsatz ist zu verdanken, daß in den entwickelten Ländern die Kinderlähmung kaum mehr auftritt. Heute ist es das Ziel der Weltgesundheitsorganisation WHO, durch ausgedehnte Impfkampagnen 10

in den nächsten Jahren auch die Poliovirusinfektionen in der Dritten Welt einzudämmen und so diese gefährliche Krankheit schließlich etwa 100 Jahre nach der Charakterisierung des Poliovirus durch Karl Landsteiner auf der Erde auszurotten. Die Erforschung der Viren und ihrer Vermehrung war jedoch nicht nur für die Klärung und die Bekämpfung der von ihnen verursachten Krankheiten von höchster Wichtigkeit. Gerade weil es sich bei Viren um kleine, im Vergleich zu Zellen oder gar höheren Organismen überschaubare Systeme aus relativ wenigen Komponenten handelt, erbrachte die Virusforschung essentielle Erkenntnisse in der Molekularbiologie. Die Klärung vieler grundlegender Vorgänge bei der Kontrolle der Genexpression wie die Wirkung von Enhancer-(Verstärker-)Elementen zur Steigerung der Genaktivität oder das Spleißen der Transkripte (mRNAs), die als große Vorläuferprodukte synthetisiert werden, sowie das Vorliegen der DNA im Komplex mit Histonproteinen, also in Nucleosomenstrukturen, sind Kinder der Virusforschung. Es war also eine äußerst fruchtbare Wechselbeziehung, die glücklicherweise auf vielen Gebieten immer noch exisitiert. Mit den heutigen Techniken der Molekularbiologie stehen uns am Beginn des 21. Jahrhunderts jedoch ganz andere Mittel zur Charakterisierung und Erforschung der Biologie der Viren und der Pathogenese der viralen Infektionen zur Verfügung wie den Forschern vor 50 Jahren. So ist es problemlos möglich, die Erbinformation eines neu aufgetretenen Virustyps innerhalb von nur wenigen Tagen nach seiner Isolierung zu entschlüsseln. Auf diese Weise lernt man auch die Genprodukte kennen, für deren Synthese die Erbinformation verantwortlich ist, bekommt Hinweise, wie deren Produktion kontrolliert wird und welche Funktion sie möglicherweise haben. Trotz all dieses Wissens erstaunen die Viren auch den erfahrensten Virologen immer wieder mit den Tricks, die sie auf Lager haben, um sich zu vermehren, ihr Überleben zu sichern und den körpereigenen Abwehrsystemen zu entgehen. Auf die meisten Details der Virusinfektionen kann im Rahmen dieses kleinen Buches leider nicht eingegangen werden, sie sind den großen Lehrbüchern und Übersichtswerken vorbehalten, die am Ende des Textes als weiterführende Literatur aufgeführt 11

sind. In den nächsten Kapiteln wird aber versucht, dem interessierten Laien einen allgemeinen Überblick darüber zu geben, was Viren sind, wie sie sich vermehren und warum wir an ihren Infektionen immer wieder erkranken. 2. Wie sind Viren aufgebaut, woraus bestehen sie? Infektiöse Viren sind kleine Partikel mit Durchmessern von 20 nm (Parvoviren) bis 300 nm (Pockenviren); diese geringe Größe macht sie ultrafiltrierbar, das heißt, sie werden durch bakteriendichte Filter nicht zurückgehalten. Alle Viren sind aus zwei Grundbestandteilen zusammengesetzt: (I) aus der Nukleinsäure, welche die Erbinformation des Virus repräsentiert, und (II) aus den Proteinen, welche sich gewissermaßen zu Hohlkörpern (Kapsiden) zusammenlagern. Je nach Virustyp können diese einen sphärisch-kugeligen oder einen stäbchenförmig-zylindrischen Aufbau haben. Die Nukleinsäure befindet sich im Inneren der Kapside, sie ist mit den Regionen an den Innenseiten dieser Hohlkörper verbunden oder mit speziellen nukleinsäurebindenden Virusproteinen komplexiert und so vor schädigenden Umwelteinflüssen oder Nukleinsäure-abbauenden Enzymen (Nukleasen) geschützt (Abbildung 1). Die Kapsidoder Strukturproteine werden auch Kapsomere genannt. Sie bestehen wie jedes Protein aus einer Abfolge von Aminosäuren, die miteinander zu einer Kette verbunden sind. Die Sequenz der Proteine, also die Folge der 20 verschiedenen, natürlicherweise vorkommenden Aminosäuren, ist in der Erbinformation des jeweiligen Virustyps festgelegt. Gebildet werden die Kapsidproteine bei der Virusvermehrung, die in den infizierten Zellen stattfindet. Bei genauerer Analyse der Viruskapside stellt man fest, daß ihre Struktur bestimmten Symmetrieprinzipien unterworfen ist: Bei den sphärisch-kugeligen Kapsiden handelt es sich um Ikosaeder, also regelmäßig gebaute Partikel mit Rotationssymmetrie, die 12 Ecken besitzen und deren Seitenflächen von 20 gleichseitigen Dreiecken gebildet werden. Bei den zylindrischstäbchenförmigen Kapsiden lagern sich die einzelnen Protein12

Abb. 1: Schematische Darstellung der Komponenten eines Virus. Im Inneren des hier ikosaedrisch-sphärischen Viruspartikels findet man die virale Nukleinsäure (Virusgenom, DNA oder RNA), welches mit nukleinsäurebindenden Proteinen (Nukleoproteinen) komplexiert sein kann. Dieser Komplex wird auch als Nukleokapsid bezeichnet und ist in ein Kapsid eingeschlossen. Das Kapsid ist ein Hohlkörper aus Proteinen; die im Elektronenmikroskop unterscheidbaren Proteinkomponenten bezeichnet man als Kapsomere. Die Kapside können von einer Membran (Lipiddoppelschicht) umhüllt sein, in welcher virale Membran- und/oder Glykoproteine enthalten sind; über diese Membranhülle verfügen nicht alle Viren.

komponenten hingegen zu helikalen Strukturen mit bestimmten Längs- und Querachsen zusammen (Abbildung 2). Manche Viren verfügen neben den Proteinkapsiden und der Nukleinsäure über einen weiteren Grundbaustein: Ihre Kapside sind von einer Lipidmembran umgeben, die aus einer Lipiddoppelschicht besteht und in ihrem Aufbau biologischen Membranen gleicht (Abbildung 1). Aus derartigen Lipiddoppelschichten sind beispielsweise die Zytoplasma- oder Kernmembranen sowie andere intrazelluläre Membrankompartimente aufgebaut, wie das Endoplasmatische Retikulum, der Golgi-Apparat oder die Endosomen und Lysosomen (Abbildung 3). Die viralen Membranen umgeben die Viruspartikel wie eine Hülle, deswegen bezeichnet man sie im englischen Sprachgebrauch als envelope. In den Hüllmembranen der Viren sind Proteine eingelagert und 13

Abb. 2: Die unterschiedlichen Formen der Viruskapside: A: Helikale Symmetrie; die Symmetrieachsen verlaufen zur Längs- beziehungsweise Querachse des Partikels. Die Kapsidproteine bilden einen Hohlzylinder, das Virusgenom ist spiralig im Innern des Zylinders angeordnet und dort mit den Proteinen verbunden. Beispiele: Kapsid des Tabakmosaikvirus, Nukleokapside der Para- und Orthomyxoviren. B: Ikosaeder mit Rotationsymmetrie; die Ausgangspunkte der Symmetrieachsen befinden sich an den Ecken des Ikosaeders (fünffache Symmetrieachse), in der Mitte der Dreiecksflächen (dreifache Symmetrieachse) und entlang der Dreieckskanten. Hier bilden die Kapsidproteine (sie sind als einzelne Untereinheiten nicht dargestellt) einen Ikosaeder. Darunter versteht man ein sphärisches Partikel, dessen Seitenflächen aus 20 gleichseitigen Dreiecken besteht und das 12 Ecken besitzt. Beispiele: Kapside der Polioviren, Parvoviren und Adenoviren.

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verankert, deren Sequenzfolge wiederum in der Erbinformation der jeweiligen Erreger festgelegt ist. Membranumhüllte Viren sind empfindlich gegenüber der Behandlung mit Detergentien, man kann sie leicht durch alkoholische oder aldehydische Lösungsmittel sowie durch Seifen unschädlich machen. Virusarten ohne derartige Hüllmembranen sind hingegen weitgehend resistent und können in der Umwelt länger überdauern. 3. Wie kann man die unterschiedlichen Viren ordnen? Die unterschiedlichen Virusarten oder -spezies werden wie alle anderen Organismen nach bestimmten Prinzipien geordnet. Grundlage dafür sind nicht etwa die Erkrankungen oder Symptome, die ihre Infektionen in Menschen oder Tieren verursachen. So kennt man beispielsweise bis heute sechs verschiedene Hepatitisviren, deren Infektionen beim Menschen zwar alle eine Leberentzündung verursachen, von denen jedoch ein jedes einer anderen Virusfamilie angehört. Die Familie stellt wie üblich die übergeordnete Gruppierung dar; sie wird in einzelne Unterfamilien und diese wiederum in Gattungen (Genera) unterteilt. Die Genera umfassen dann ihrerseits die unterschiedlichen Virustypen. Kriterien für die Taxonomie der Viren und ihre Einteilung in unterschiedliche Familien sind die molekularen Charakteristika ihres Vermehrungszyklus und ihres Aufbaus. Hierzu zählen: (I) Die Art der Erbinformation (des Virusgenoms) aus RNA (Ribonukleinsäure) oder DNA (Desoxyribonukleinsäure) sowie die Form, in der es vorliegt, also als Einzel- oder Doppelstrang, in Positiv-(Plus-) oder Negativ-(Minus-) Strangorientierung, segmentiert oder kontinuierlich, linear oder zirkulär geschlossen. Auch die Anordnung der Gene auf der viralen Erbinformation ist für die Definition einzelner Virusfamilien wichtig. (II) Die Symmetrieprinzipien, nach welchen die Kapside aufgebaut sind, also ob es sich um ikosaedrisch oder helikal gebaute Strukturen handelt. (III) Ob die Kapside von einer Hüllmembran umgeben sind oder nicht. 15

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Enterovirus

Picornaviridae

Togaviridae

Coronaviridae

Pestivirus Hepatits-CVirus Alphavirus

Coronavirus

Rubivirus Arterivirus

Hepatovirus Flavivirus

Flaviviridae

Rhinovirus Cardiovirus Aphthovirus

Genus/ Unterfamilie

Virusfamilie

Sindbisvirus Semliki-ForestVirus Rötelnvirus Equine-ArteritisVirus Humane Coronaviren Virus der infektiösen Peritonitis der Katze

Poliovirus Coxsackievirus Schnupfenvirus Mengovirus Maul-und-Klauenseuche-Virus Hepatitis-A-Virus Gelbfiebervirus FSME-Virus Schweinepestvirus Hepatitis-C-Virus

Beispiel

ja

ja

ja

nein

Membranhülle

80-160nm/Helix

60-70nm/Ikosaeder

40-50nm/Ikosaeder

28-30nm/Ikosaeder

Charakteristika Partikelgröße/ Form des Kapsids oder Nucleokapsids

ssRNA, linear, Positivstrang, 16000-21000 Basen

ssRNA, linear, Positivstrang, 12000 Basen

ssRNA, linear, Positivstrang, 10000 Basen

ssRNA, linear, Positivstrang, 7200-8400 Basen

Genom Art/Größe

Tab. 1: Molekularbiologische Merkmale der verschiedenen Virusfamilien mit Angabe exemplarischer Vertreter und der mit der Infektion verbundenen Erkrankungen

17

Lyssavirus Paramyxovirus

Rhabdoviridae

Paramyxoviridae

Bornavirus

Influenzavirus A, B Influenzavirus C

Bunyavirus

Bornaviridae

Orthomyxoviridae

Bunyaviridae

Hantavirus

Nairovirus

Phlebovirus

Filovirus

Filoviridae

Morbillivirus Pneumovirus

Calicivirus Hepatitis-EVirus Vesiculovirus

Caliciviridae

California-Enzephalitis-Virus Rift-Valley-FieberVirus Krim-Kongo-FieberVirus Hantaanvirus Puumalavirus

Influenza-A-Viren Influenza-B-Viren Influenza-C-Viren

VesicularStomatitis-Virus Tollwutvirus Mumpsvirus Parainfluenzavirus Masernvirus Respiratorisches Syncytialvirus Marburg-Virus Ebolavirus, Restonvirus Bornavirus

Norwalk-Virus Hepatitis-E-Virus

ja

ja

ja

ja

ja

ja

nein

100-120 nm/Helix

120 nm/Helix

90 nm/Helix( ?)

80nmzu700nm/ Helix

ssRNA, linear, Negativstrang, 19000 Basen ssRNA, linear, Negativstrang, 9000 Basen ssRNA, linear, 7 oder 8 Segmente, Negativstrang, 13000-14600 Basen ssRNA, linear, 3 Segmente, Negativstrang (Ambisense bei Phlebovirus), 12000 Basen

ssRNA, linear, Positivstrang, 7500-8000 Basen 65 nm zu 180nn/Helix ssRNA, linear, Negativstrang, 12000 Basen 150-250nm/Helix ssRNA, linear, Negativstrang, 16000-20000 Basen.

27-34nm/Ikosaeder

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Orthoreovirus Orbivirus Rotavirus Oncovirus

Reoviridae

Adenoviridae

Polyomavirus

Papovaviridae

Mastadenovirus

Papillomavirus

Spumavirus Hepatitis-BVirus

Hepadnaviridae

Lentivirus

Arenavirus

Arenaviridae

Retroviridae

Genus/ Unterfamilie

Virusfamilie

BK, JC-Viren SV40-Virus Humane Warzenviren Humane Adenoviren

Lymphozytäres ChoriomeningitisVirus (LCMV) Lassavirus Juninfieber-Virus Reoviren Orungovirus Rotaviren Humane T-ZellLeukämieviren Humane Immundefizienzviren Humane Spumaviren Hepatitis-B-Virus

Beispiel

nein

nein

ja

ja

nein

ja

Membranhülle

60 - 80 nm/Ikosaeder

45-55 nm/Ikosaeder

42 nm

100nm/Ikosaeder oder Konus

70-80nm/lkosaeder

50-300nm/Helix

Charakteristika Partikelgröße/ Form des Kapsids oder Nucleokapsids

dsDNA, linear, 36000-38000 Basen

dsRNA, linear, 10/11/12 Segmente, 18000-19000 Basen ssRNA, linear, Positivstrang, Umschreibung in dsDNA, Integration, 7000-12000 Basen DNA, teilweise doppelsträngig; zirkulär, 3000-3300 Basen dsDNA, zirkulär, 5000-8000 Basen

ssRNA, linear, 2 Segmente, Ambisensestränge 10 000-12 000 Basen

Genom Art/Größe

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Circovirus

Erythrovirus Dependovirus

Chordopoxviren Parvovirus

γ- Herpesviren

β-Herpesvirus

α-Herpesvirus Herpes-simplex Varicella-Zoster Cytomegalovirus Humane Herpesviren 6/7 Epstein-Barr-Virus Humanes Herpesvirus 8 Variola-vera-Virus Vacciniavirus Felines Panleukopenie-Virus Parvovirus B19 Adeno-assoziierte Viren Transfusiontransmitted Virus nein

nein

ja

ja

20 nm/Ikosaeder

20-25nm/Ikosaeder

300-450nm/komplex

120-300nm/Ikosaeder

ss: single-strand (einzelstrangiges Genom); ds: double-strand (doppelsträngiges Genom).

Circoviridae

Parvoviridae

Poxviridae

Herpesviridae

ssDNA, zirkulär, 3500 Basen

dsDNA, linear, 130000-350000 Basen ssDNA, linear, 5000 Basen

dsDNA, linear 150000250000 Basen

Für die weitere Unterteilung der Virusfamilien in verschiedene Gattungen können dann unterschiedliche Parameter herangezogen werden: Dazu zählen unter anderem, ob sie human-, tier- oder pflanzenpathogen sind, die Ähnlichkeit der Genomsequenzen, welche Zelltypen von den verschiedenen Viren infiziert werden und auch welche Erkrankungen sie verursachen. Die Einteilung der Virusarten in die verschiedenen Virustypen und -Subtypen erfolgt dann meist nach serologischen Kriterien. Hierunter versteht man das Ausmaß, in dem Antikörper, die während der Infektion eines Menschen oder Säugetieres mit einem bestimmten Virus gebildet werden und die sich spezifisch an dessen Proteine binden, in der Lage sind, auch Komponenten eines mehr oder weniger verwandten Erregertyps zu erkennen und sich daran zu binden. In Tabelle 1 sind die verschiedenen Virusfamilien mit wichtigen human- und zum Teil auch tierpathogenen Vertretern zusammengefaßt. 4. Wie unterscheiden sich Viren von anderen Mikroorganismen? Viren sind – wie bereits erwähnt – deutlich kleiner als Bakterien, Pilze, Protozoen oder die Zellen, aus denen mehrzellige Organismen wie Tiere oder Menschen aufgebaut sind. Im Unterschied zu diesen enthalten sie nur eine Art von Nukleinsäure: Je nach Virusfamilie entweder RNA oder DNA, und diese Nukleinsäure stellt die virale Erbinformation dar. Die Zellen aller anderen Prokaryoten und Eukaryoten enthalten immer beide Arten von Nukleinsäure, wobei das Genom immer als DNA vorliegt. Die verschiedenen RNA-Moleküle haben funktionelle Aufgaben als Transkripte (mRNA), als Teil der Ribosomen (rRNA), als Träger der Aminosäuren bei der Proteinsynthese (tRNA) und in Form weiterer kleiner RNA-Moleküle mit Proteinkomplexen (Spleißosomen, signal recognition particle u. a.). Viren haben keine Organellen wie Mitochondrien, Chloroplasten, auch das Endoplasmatische Retikulum, der GolgiApparat, die Lysosomen oder die Endosomen fehlen bei ihnen. Damit wird klar, daß Viren auch nicht über energiebildende 20

Stoffwechselsysteme verfügen oder eine eigene Proteinsynthesemaschinerie besitzen. Da sie die Leistungen jedoch für ihre Vermehrung benötigen, werden diese von den Zellen zur Verfügung gestellt, die von den Viren infiziert werden und in denen sie unter Verwendung der vorhandenen Komponenten und Moleküle Nachkommen produzieren. Damit sind Viren intrazelluläre Parasiten, die sich im Gegensatz zu eukaryotischen Zellen (also Zellen mit einem echten, von einer Membran umgebenen Zellkern), Bakterien, Pilzen oder Protozoen nicht durch Teilung vermehren. Viren können die zellulären Vorgänge jedoch umsteuern und für den optimalen Ablauf ihrer Vermehrung modifizieren. Neben der Erbinformation für ihre Strukturkomponenten besitzen sie genetische Informationen für die Produktion von regulatorisch aktiven Proteinen (beispielsweise für Transaktivatoren) und Enzymen, wie zum Beispiel Proteasen und Polymerasen, in den infizierten Zellen. Neben den Viren kennt man heute einige weitere sehr kleine, vermehrungsfähige Krankheitserreger, die aber nicht zu den Viren gerechnet werden: (I) Satellitenviren oder Virusoide sind kleine RNA- oder DNA-Moleküle, in deren Sequenz die genetische Information für ein bis zwei Proteine verankert ist. Mit diesen Proteinen liegt die Nukleinsäure im Komplex vor. Für ihre Verbreitung und Vermehrung benötigen sie die Hilfe eines Virus, das zusammen mit den Virusoiden in der Zelle vorhanden sein muß. Die Virusoide findet man überwiegend in Verbindung mit Pflanzenviren; als einziger humanpathogener Vertreter der Satellitenviren ist das Hepatitis-D-Virus bekannt, das zusammen mit dem Hepatitis-B-Virus in Menschen Leberentzündungen verursacht. (II) Viroide sind Pflanzenpathogene. Sie bestehen aus kleinen, ringförmigen RNA-Molekülen mit einer Länge von etwa 200 bis 400 Basen. Die Nukleinsäure liegt in einer komplexen Sekundärstruktur vor, sie kodiert nicht für Proteine. Die RNA gelangt in Pflanzenzellen und wird durch die dort vorhandenen Polymerasen repliziert. 21

(III) Prionen (proteinaceous infectious particles) sind infektiöse, fehlgefaltete Formen eines zellulären Proteins, das bei verschiedenen Säugetierarten hoch konserviert ist. Das bedeutet, daß die Aminosäuresequenzfolgen der Proteine beispielsweise beim Menschen, dem Rind oder dem Schaf zueinander sehr ähnlich sind. Prionen enthalten keine Nukleinsäure, also weder RNA noch DNA. Prionen verursachen verschiedene Formen subakuter Enzephalopathien, also nichtentzündliche Gehirnveränderungen beim Menschen (beispielsweise Kuru oder die Creutzfeldt-JakobErkrankung) und bei Tieren (beim Rind BSE, bovine spongiform encephalopathy, beim Schaf Scrapie). Die Prionen werden üblicherweise zwischen den Mitgliedern einer Spezies übertragen, gelegentlich findet man aber auch die Weitergabe von einer Spezies auf eine andere, wie beispielsweise BSE auf den Menschen. Im menschlichen Organismus verursachen die BSE-Prionen die sogenannte neue Variante („new variant“) der Creutzfeldt-Jakob-Erkrankung. Prionen verhalten sich also wie Infektionserreger. Andererseits haben bestimmte Personen eine genetisch verankerte Prädisposition für die Entstehung einer subakuten Enzephalopathie, wie beispielsweise beim Gerstmann-SträußlerSyndrom. In diesem Fall weist das Gen für das zelluläre Protein bestimmte Veränderungen in der Basensequenz (Mutationen) auf, wodurch die Bildung der fehlgefalteten Prionproteinform begünstigt ist.

II. Wie vermehren sich Viren? 1. Infektion – was ist das? Der Begriff „Infektion“ wird von Virologen in zwei unterschiedlichen Zusammenhängen gebraucht: einmal bezeichnet er die Infektion von Zellen, die ein Virus über ihm eigene Mechanismen erkennt, in die es hineingelangt und in denen es sich vermehrt und Nachkommenviren produziert. Die andere Version meint die Infektion des Organismus – wenn also ein Individuum nach dem Kontakt mit beispielsweise einem Influenzavirus von diesem infiziert wird, es sich in ihm ausbreitet, die Epithelzellen in der Mund-, Nasen- und Rachenschleimhaut und auch der Lunge befällt und die Person infolge die Symptome der Virusgrippe entwickelt. 2. Wie gelangen Viren in den Körper? Um einen Organismus zu infizieren, müssen die Viren über bestimmte Eintrittspforten in den Körper gelangen. Den Influenzaviren gelingt dies, da sie auf die Schleimhäute von Mund und Nase gelangen und hier erste infizierbare Zellen vorfinden. Die Schleimhäute (auch als Mucosa bezeichnet) haben im Gegensatz zur äußeren Haut keine dichte, schützende Schicht aus verhornten, von Blutgefäßen freien Plattenepithelzellen, die Viren nicht durchdringen können. Daher ermöglichen die Schleimhäute des Körpers den Viren den Eintritt in den Organismus. Neben der Mucosa des Mund-Nasen-Rachenraums, die vor allem von Erregern klassischer Erkältungskrankheiten (zum Beispiel Influenza-, Corona-, Adeno- oder Rhinoviren) verwendet werden, erfüllen auch die Schleimhautregionen der Genitalbereiche (beispielsweise für das Humane Immundefizienzvirus, HIV) und des Magen- und Darmtrakts (beispielsweise für Hepatitis-A-Viren oder Polioviren) diese Pfortenfunktion. Durch die äußere Haut gelangen Viren wie die Papillomviren nur hindurch, wenn die verhornte Plattenepithelschicht der Haut durch kleine Verletzungen 23

geschädigt ist und die Eindringlinge direkt in die tieferliegenden Schichten vordringen können. Eine andere Möglichkeit, die Schranke der Haut zu durchdringen, haben Viren entwickelt, die mit den Sekreten aus Speicheldrüsen von Arthropoden, also durch die Stiche von Insekten (Stechmücken), wie Gelbfieberund Dengueviren oder von Spinnentieren (Zecken), zum Beispiel das FSME-Virus, in das Blut gelangen. Tollwutviren hingegen gelangen durch Bisse infizierter Säugetiere mit dem Speichel durch die Haut in den Körper. In den letzten Jahrzehnten haben sich auch Spritzennadeln, die mit virushaltigem Blut von infizierten Menschen verschmutzt sind, als ein wichtiger Weg für die Viren entwickelt, die Hautschranke zu überwinden. Ähnlich werden Viren auch durch Blutprodukte oder Transfusionen in den Organismus eingebracht. 3. Wie finden Viren Zellen, die sie infizieren können? Für die Etablierung einer Infektion im Organismus ist entscheidend, daß die Viren bereits an den Eintrittspforten Zellen vorfinden, in die sie hineingelangen, die sie also infizieren können. Grundlage dafür ist, daß ein Virus bestimmte Zellen erkennt, sich in ihnen vermehrt und dadurch schädigt oder zerstört. Zum besseren Verständnis der in den folgenden Abschnitten beschriebenen Vorgänge und zur Orientierung ist in Abbildung 3 eine Übersicht zu den Strukturen, Organellen und anderen Komponenten gezeigt, aus denen eine eukaryotische Zelle besteht. Auf viele der angegebenen Begriffe wird immer wieder zurückgegriffen werden. Auch sei zur Erklärung der Fachtermini auf das Glossar am Ende des Buches verwiesen. Wie schon im Kapitel I ausgeführt, sind Viren obligate Zellparasiten, und sie vermehren sich im Unterschied zu Bakterien, Hefen oder eukaryotischen Zellen nicht durch Teilung. Da sie nicht über eigene Systeme zum Energiestoffwechsel oder zur Synthese von Aminosäuren, Nukleotiden, Proteinen und anderen Biomolekülen verfügen, sind sie auf die entsprechenden Leistungen der Zelle angewiesen. Um diese zu nutzen, müssen Viren über Möglichkeiten verfügen, in Zellen hineinzugelangen. Einmal dort an24

Abb. 3: Überblick zu den wichtigsten Organellen und Strukturen, die man in einer eukaryotisehen Zelle findet. Dargestellt ist der von einer Lipiddoppelschicht umgebene Zellkern, der die Erbinformation enthält; das labyrinthartige Endoplasmatische Retikulum, das von Ausstülpungen der äußeren Kernmembran gebildet wird und an dessen Oberfläche die Komponenten der Zellmembran und die Stoffe synthetisiert werden, die aus der Zelle exportiert werden; der Golgi-Apparat, ein weiteres membranumhüUtes Organeil, das die Golgi-Vesikel bildet, mittels derer zu sezernierende Produkte an die Zytoplasmamembran und im nächsten Schritt aus der Zelle transportiert werden. Zwischen Endoplasmatischem Retikulum und Golgi-Apparat findet ein dauernder Austausch an Stoffen und Molekülen statt. Daneben existieren Mitochondrien, in welchen der Energiestoffwechsel der Zelle abläuft. Lysosomen sind kleine membranumgebene Organellen, in denen der intrazelluläre Abbau von Nährstoffen aus Nahrungspartikeln, die von der Zelle (beispielsweise durch Endozytose) aufgenommen werden, ebenso stattfindet wie der Abbau unerwünschter oder toxischer Stoffwechselprodukte mit sich anschließender Ausscheidung oder Wiederverwendung. In den Peroxisomen kann die Zelle hoch reaktive Peroxide kontrolliert bilden oder abbauen. Daneben existieren verschiedene Arten von Vesikeln, die den Transport von Stoffen zwischen den verschiedenen Organellen ermöglichen.

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gekommen, muß die genetische Information des Virus exprimiert werden, das heißt, es werden die in der Erbsubstanz der Erreger gespeicherten Proteine synthetisiert; die Genome werden repliziert und somit vermehrt, sie lagern sich mit den neu gebildeten Strukturproteinen zu Viruspartikeln zusammen, die schließlich aus den infizierten Zellen freigesetzt werden (Abbildung 4). Der erste Schritt im Vermehrungszyklus eines Virus wird durch die Adsorption umschrieben. Darunter versteht man die Anlagerung des Virus an eine Zelle. Es kommt dabei zur Ausbildung von spezifischen Bindungen zwischen den Molekülen und Strukturen – nämlich Proteinen, Lipiden oder Zuckerverbindungen – auf der Zelloberfläche und den Komponenten auf der Außenseite des Viruspartikels, nämlich den Membran- oder Kapsidproteinen, je nachdem, ob das Virus von einer Lipidschicht umgeben ist oder nicht. Ähnlich wie ein Schlüssel nur in

Abb. 4: Ablauf einer Virusinfektion in der Zelle, am Beispiel der Infektion mit dem Humanen Immundefizienzvirus (HIV). Im oberen Teil der Abbildung ist dargestellt, wie das Virus bei der Adsorption (1) über seine Membranproteine gp120/gp41 an die CD4- und Chemokinrezeptoren bindet. Die Virusmembran verschmilzt mit der Zytoplasmamembran. Dieser Vorgang ermöglicht die Aufnahme (2) des Viruskapsids, aus weichem die virale Erbinformation freigesetzt wird (3). Beim Humanen Immundefizienzvirus, wie auch bei allen anderen Retroviren, erfolgt im nächsten Schritt das Umschreiben des einzelsträngigen RNA-Genoms (ssRNA) mittels der viralen Reversen Transkriptase (4) in eine doppelsträngige DNA (dsDNA), welche anschließend im Kern in die chromosomale DNA der Wirtszelle integriert wird (5). Die Expression der Virusgene erfolgt von dem integrierten Virusgenom, wobei die Gene in zwei regulierten Schritten transkribiert werden (frühe Transkription der Nichtstrukturgene (6/1) und späte Transkription der Strukturgene 6/2). Die entsprechenden mRNAs werden in das Zytoplasma exportiert und dort in die Nichtstrukturproteine (7) und Strukturproteine (8) translatiert. Die Strukturproteine lagern sich an der Zytoplasmamembran zu Virusvorläuferpartikeln zusammen (9), im weiteren Verlauf des Virusassembly werden unreife Viren von der Zelloberfläche durch Knospung abgegeben und freigesetzt (10). Durch die in den freigesetzten Viruspartikeln enthaltene virale Protease erfolgt die Prozessierung einiger Strukturproteine, nach diesem Reifungsvorgang (11) sind die Viren infektiös und können weitere CD4-positive Zellen infizieren.

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ein ganz bestimmtes Schloß paßt, ist auch die Wechselwirkung der Viren mit definierten Zellmolekülen von einer hohen Spezifität geprägt und so zur Hauptsache auch dafür verantwortlich, welche Zellen eines Organismus infiziert werden. So binden sich beispielsweise die meisten der Rhinoviren, deren Infektion beim Menschen den Schnupfen verursacht, an das Protein ICAM–1. Dieses ist ein Mitglied einer Gruppe einander zu ähnlicher Proteine, die man in der Immunglobulin-Superfamilie zusammenfaßt. Es hat gewöhnlich die Aufgabe, im Organismus die Kontaktaufnahme von verschiedenen Zellen zu vermitteln, ist also ein interzelluläres Adhäsionsprotein und befindet sich als Komponente in der Membran von Zellen der Mund- und Nasenschleimhaut. Die Rhinoviren „mißbrauchen“ dieses ICAM–1 als Andockstelle, weil ihre Kapsidproteine Strukturen ausbilden, über die sie sich fest und spezifisch an das Zellmembranprotein ICAM–1 anlagern können. Die Polioviren verwenden dagegen andere Komponenten auf der Zelloberfläche, obwohl die Kapside dieser Erreger große Ähnlichkeit mit denen der Rhinoviren aufweisen und beide Virusarten zur selben Familie, nämlich derjenigen der Picornaviren, zählen (siehe Tabelle 1). Polioviren infizieren Zellen, die sich in den Peyer’schen Plaques befinden. Das sind Ansammlungen lymphatischer Zellen, die in die Schleimhaut des Dünndarms eingelagert sind. Polioviren sind sehr stabil. Sie gelangen als fäkale Verunreinigung von Haushaltsgegenständen oder Lebensmitteln in den Mund und von dort über den Magen in den Dünndarm zu den Peyer’schen Plaques. Als Andockstellen auf der Zelloberfläche verwenden sie ein zum ICAM–1 verwandtes Protein der Immunglobulin-Superfamilie, das als CD 155 oder auch wegen seines Molekulargewichtes als 67kD-Protein bekannt ist. Trotz der Ähnlichkeit der Partikel der Rhino- und Polioviren und trotz der Tatsache, daß beide auch ähnliche Zellproteine zur Adsorption verwenden, ist durch die große Spezifität der Wechselwirkung gesichert, daß die Schnupfenviren sich an Zellen in der Mund- und Nasenschleimhaut anlagern und diese infizieren, die Erreger der Kinderlähmung dagegen Zellen in der Darmschleimhaut für ihre Vermehrung verwenden. Damit 28

finden auch die weiteren Ereignisse beider Infektionen in verschiedenen Organen des Körpers statt – und nicht zuletzt sind also durch die Vorgänge bei der Adsorption auch die unterschiedlichen Symptome der Infektionen bestimmt. Das Humane Immundefizienzvirus (HIV) ist ein weiteres Beispiel dafür, daß die Art und Spezifität der Wechselwirkung zwischen Virus und Zelle für die Infektion entscheidend ist. Dieses Virus bindet sich mittels des Oberflächenproteins gp120 in seiner Membranhülle an das CD4-Rezeptorprotein, das in der Zytoplasmamembran sowohl von T-Helferzellen wie Makrophagen vorhanden ist (Abbildung 4). Die Unterscheidung, welche dieser Zellen, T-Lymphozyten oder Makrophagen, nun die Ziele für das HIV darstellen, erfolgt durch die gleichzeitige Wechselwirkung des gp120 mit dem CD4-Protein und mit unterschiedlichen Chemokinrezeptoren, die entweder auf der Oberfläche der T-Zellen oder der Makrophagen vorhanden sind. Ähnlich wie bei einem komplizierten Banktresor müssen also zwei Schlösser gleichzeitig mit den jeweils richtigen molekularen Schlüsseln bedient werden. Schon kleinste Abweichungen in der Aminosäurenfolge des gp120 können die Bindung entweder ganz verhindern oder die Zellspezifität der Viren verändern und ein ursprünglich makrophagenspezifisches HIV in eine T-zellspezifische Variante des Humanen Immundefizienzvirus verwandeln. Die Adsorption ist ausschlaggebend für die Zell- und Wirtspezifität Je größer die Spezifität der Wechselwirkung zwischen Virus und infizierbarer Zelle, desto höher ist für den Erreger jedoch das Risiko, daß er den für die Infektion notwendigen Zellrezeptor nicht findet. Darauf beruht auch das Phänomen, daß Viren in vielen Fällen die Speziesschranke nur schwer überwinden können. Das gilt insbesondere für Spezies, die sich während der Evolution schon weit voneinander entfernt haben. Es scheint deshalb äußerst unwahrscheinlich, daß Säugetiere von Pflanzenviren infiziert werden können. In aller Regel sind beispielsweise jedoch auch Hunde- oder Katzenviren nicht in der Lage, Menschen zu 29

infizieren. Sollten die Erreger der Hundestaupe oder auch der Katzenseuche durch Kontakt mit den erkrankten Haustieren die Eintrittspforten in den menschlichen Organismus passiert haben, dann kommen sie – im Körper angelangt – nicht in die Zellen hinein, weil hier die zugehörigen Rezeptoren nicht passen. Ähnliches kennt man vom Felinen Immundefizienzvirus (FIV; felis, lateinische Bezeichnung für die Gattung der Kleinkatzen), dessen Infektion bei Katzen eine Immunschwäche verursacht und das mit dem Erreger der Immundefizienz beim Menschen (HIV) sehr nah verwandt ist. Damit es in die T-Lymphozyten der Katzen gelangt, benutzt es als molekulares „Schloß“ den felinen CD4Rezeptor. Obwohl die CD4-Proteine von Mensch und Katze die gleichen Aufgaben erfüllen, kann das FIV die entsprechenden Zellen des Menschen nicht infizieren. Beide CD4-Moleküle weisen Unterschiede in der Abfolge der Aminosäuren auf, und diese verhindern die Bindung der Katzenviren an Menschenzellen, wie auch im umgekehrten Fall diejenige des HIV an Katzenzellen. Nur wenn zwei Wirte sich evolutionär nahestehen, können die Viren relativ leicht die Spezies überspringen: So kann beispielsweise HIV auch Schimpansen infizieren. Umgekehrt können verschiedene andere Affenviren auf Menschen übertragen werden und verursachen in ihnen schwere Erkrankungen. So entstehen vermutlich die Ebolavirus-Epidemien in Afrika, auch wenn man die Affenart, von welcher die Viren auf dem Menschen übertragen werden, noch nicht kennt. Die Artenschranke überspringen können auch die Viren, die sich im Unterschied zu den erwähnten Beispielen hinsichtlich ihrer Bindung an den Zellrezeptor nicht so hochgradig spezialisiert haben. Etliche der Influenzaviren sind in der Lage, derart verschiedene Wirbeltierarten wie Schweine, Enten und auch Menschen zu infizieren. Sie binden sich an Sialylsäuren, das sind N-Acetyl-Neuraminsäuren, die sich als endständige Einheiten in komplexen Zuckermolekülen finden. Diese Kohlehydrate sind – ohne Rücksicht auf die Tierart – als Modifikation an eine ganze Reihe von Zelloberflächenproteinen angehängt. Viren, die solche Typen überall vorkommender „Generalschlösser“ verwenden, sind hinsichtlich ihres Adsorptionsprozesses nicht sehr zell- oder 30

artspezifisch. Die Spezifität zur Infektion bestimmter Wirte oder Zelltypen kann sich jedoch bei einem späteren Schritt des Infektionszyklus manifestieren, da neben den äußeren, oberflächenexponierten auch interne Zellkomponenten die Virusreplikation beeinflussen. Ganz allgemein könnte man das so ausdrücken: Wenn man über einen passenden Schlüssel verfügt, gelangt man zwar in eine Behausung hinein – um dort aber überleben und gar Nachkommen produzieren zu können, sollte man auch eine nutzbare Einrichtung und einen gefüllten Kühlschrank vorfinden. Gelangt man dagegen mit seinem leider ungenauen Schlüssel in eine Tiefgarage, dann hat man Probleme! Störungen der Adsorption verhindern die Infektion Unmöglich wird eine Infektion, wenn der Zellrezeptor in einem Organismus nicht nur nicht optimal paßt, sondern gar nicht vorhanden ist. Möglich ist dies nur, wenn die als Andockstelle von den Viren „mißbrauchten“ Zellproteine im Körper keine lebenswichtigen Aufgaben erfüllen. So kann der Mensch auf einen funktionierenden CD4-Rezeptor nicht oder nur mit schweren Folgeerscheinungen verzichten, weil dieses Protein eine zentrale Rolle bei der Immunabwehr spielt und die Aufgabe nicht von anderen Molekülen übernommen werden kann. Ist hingegen einer der in mehreren Versionen vorkommenden Chemokinrezeptoren nicht vorhanden, dann sind die Auswirkungen für den Organismus tolerierbar, weil es in jedem Menschen eine Reihe dieser Proteine mit ähnlichen Funktionen gibt. Daher können Menschen, die aufgrund ihrer genetischen Konstellation denjenigen der Chemokinrezeptoren nicht produzieren, der zusammen mit dem CD4-Protein für die Adsorption des Humanen Immundefizienzvirus an Makrophagen verantwortlich ist, auch nicht mit HIV infiziert werden: Sie sind gegen die Infektion resistent. Diese Fälle sind allerdings sehr selten. Ähnliches gilt für das Humane Parvovirus B19, den Erreger der Ringelröteln. Dieses Virus bindet sich an das Blutgruppenantigen P, auch Globosid genannt, das vor allem auf der Oberfläche von Vorläuferzellen der roten Blutkörperchen vorkommt. 31

Menschen, die dieses Blutgruppenantigen nicht aufweisen, weil ihnen das zugehörige Gen für die Synthese dieses Moleküls fehlt, sind resistent. Sie können von Parvoviren nicht infiziert werden und erkranken folglicherweise auch nicht an den Ringelröteln. Diese natürlichen Resistenzen, die Virusinfektionen verhindern, sind selten. Die Adsorption wird aber regelmäßig anderweitig gestört, nämlich durch Antikörper, die Viren neutralisieren können. Es ist ein schon lange bekanntes Phänomen, daß wir zusammen mit einer Virusinfektion einen meist lebenslang anhaltenden Schutz vor einer Folgeinfektion mit demselben Virustyp entwickeln. Dieser beruht auf der Bildung von Immunglobulinen (Antikörpern), die sich spezifisch an die Oberflächenkomponenten des Virus binden und dadurch die Adsorption an die Zellen verhindern: Sie neutralisieren den Erreger, indem sie seine Interaktion mit der Wirtszelle blockieren und so sein Eindringen in dieselbe unmöglich machen. Die Bildung dieser neutralisierenden Antikörper wird durch die Infektion des Organismus mit dem Virus verursacht, kann aber auch durch eine Impfung erreicht werden (Kapitel VI). Zusammen mit der zellulären Immunabwehr ist die auf der Bildung von Antikörpern beruhende humorale Immunität unerläßlich für den Schutz vor Reinfektionen. 4. Wie vermehren sich die Viren in den Zellen? Nach der Adsorption erfolgt die Aufnahme des an einen Rezeptor gebundenen Viruspartikels durch die Zelle. Dies geschieht entweder durch Fusion von Virus- und Zellmembran oder durch den Vorgang der Endozytose (Abbildung 4, 5). Im ersten Fall verschmilzt die Lipidhülle des Virus mit der Zytoplasmamembran mit der Folge, daß das Kapsid mit dem Virusgenom ins Zellinnere gelangt (Abbildung 5A). Paramyxoviren – als bekannte Vertreter zählt man zu dieser Virusfamilie die Masern-, Mumps- und Parainfluenzaviren – haben diesen Aufnahmemechanismus entwickelt. Im zweiten Fall stülpt sich die Zytoplasmamembran um das angedockte Virus herum. Dieses gelangt dadurch ins Zellinnere und liegt dann im Zytoplasma eingehüllt in einem Zellmembranvesikel vor, das man als Endosom bezeichnet. Diesen Weg der re32

zeptorvermittelten Endozytose schlagen unter anderen die Influenza- und die Adenoviren ein, um nach der Adsorption in das Zellinnere zu gelangen. Damit die weiteren Schritte zur Expression des Virusgenoms und seiner Replikation – der Vorgang, in dessen Verlauf von der Erbinformation des Ausgangsvirus identische Kopien gebildet werden – ablaufen können, muß die Erbinformation nach Aufnahme der Viren in der Zelle freigesetzt werden. Das heißt, die Membranschichten, die nach der Endozytose das Virus umschließen (Abbildung 5B), müssen durchlässig werden und die Kapsidproteine müssen sich vom Genom ablösen. Die Einzelheiten dieses sogenannten Uncoating-Prozesses (Freisetzen der viralen Nukleinsäure in der Zelle) sind meist nicht völlig bekannt. Bei der rezeptorvermittelten Endozytose kommt es durch die Aktivität einer H+-Ionenpumpe – einem zellulären Enzym, das in der Membran des Endosomen verankert ist – zur Ansäuerung des Vesikelinhalts. Die Strukturen der Virusproteine und der Membranen verändern sich in der sauren Umgebung. Die Lipidschichten von Endosom und Virushülle können sich miteinander verbinden – es erfolgt eine intrazelluläre Membranverschmelzung, durch die die viralen Nukleokapside ins Zytoplasma gelangen. Das Influenzavirus hilft diesem Vorgang nach: In seiner Hüllmembran ist ein bestimmtes Virusprotein, nämlich das M2-Protein, verankert, das selbst als H+-Ionenpumpe wirkt. Anders ist der Ablauf bei membranlosen Viren: Hier bilden sich Kontakte zwischen der Oberfläche der eingeschlossenen Partikel und der Membran des Endosomen aus, welche dadurch löchrig wird. Als Folge des Uncoating-Vorgangs sind die Virusgenome zugänglich für die Zellkomponenten, die nun die weiteren Vorgänge zur Expression der Gene, Synthese der Virusproteine und Replikation der Erbinformation in Angriff nehmen. Das alles hört sich relativ einfach an, es handelt sich jedoch um sehr komplexe Vorgänge, die auf der einen Seite vom Typ und Zustand der Zelle abhängig sind – also ob es sich um eine bereits differenzierte Zelle handelt oder eine, die sich noch im Vorläuferstadium befindet, ob sich die Zelle teilt oder sich im Ruhestadium befindet. 33

Andererseits wird der Infektionsablauf von der Art des Virus bestimmt. Einen großen Einfluß auf die molekularen Prozesse hat dabei die virale Erbinformation, die – wie eingangs ausgeführt – aus einzelsträngiger RNA oder DNA in unterschiedlichen Orientierungen oder doppelsträngigen Molekülen der Nukleinsäuren bestehen, kontinuierlich oder in Segmente unterteilt vorliegen kann. Die Viren erproben bei ihrer Vermehrung alle denkbaren Varianten der Molekularbiologie. Leider ist es unmöglich, hier auf alle Vorgänge im Detail einzugehen. Interessierte Leser seien auf die im Anhang angegebene weiterführende Literatur verwiesen. Grob kann man die Vorgänge in zwei Gruppen einteilen: (I) Bei Viren mit einem RNA-Genom erfolgen nach Aufnahme der Partikel und dem Uncoating alle weiteren Schritte der Infektion im Zytoplasma der Zelle, Komponenten und Funktionen des Zellkerns werden nicht benötigt. Ausnahmen sind die Influenza- und die Bornaviren sowie die Retroviren. (II) Bei Viren mit einem DNA-Genom als Erbinformation müs-

Abb. 5: Schematische Darstellung der Vorgänge bei der Aufnahme von Viren durch Zellen. A: Aufnahme von Viruspartikeln durch den Vorgang der Fusion von Virus mit Zytoplasmamembran nach der Adsorption. Im ersten Schritt erfolgt die Adsorption des membranumhüllten Viruspartikels an den Rezeptor der zu infizierenden Zelle. Virusmembran und Zytoplasmamembran geraten so in enge räumliche Nähe, meist vermittelt durch weitere Proteinkomponenten in der Virusmembran wird die Verschmelzung beider Lipiddoppelschichten eingeleitet. Das Kapsid beziehungsweise das Nukleokapsid gelangt so in das Zytoplasma der Zelle. B: Aufnahme von Viruspartikeln durch den Vorgang der rezeptorvermittelten Endozytose nach Adsorption des Viruspartikels. Im ersten Schritt erfolgt auch hier die Adsorption des membranumhüllten Viruspartikels an den Rezeptor der zur infizierenden Zelle. Danach beginnt die Zytoplasmamembran sich um das gebundene Partikel herumzustülpen, welches sie schließlich vollständig umgibt. Dieses Vesikel bezeichnet man als Endosom. Als zelluläre Komponente ist in die Endosomenmembran eine Protonenpumpe eingelagert, welche nun aktiv wird in den Inhalt des Endosomenvesikels unte ATP-Verbrauch ansäuert. Dadurch kommt es zu Umlagerungen der Membran- und Proteinstrukturen, und die Verschmelzung von Virus- und Endosomenmembran, die sich in enger räumlicher Nähe zueinander befinden, wird eingeleitet. Das Kapsid beziehungsweise das Nukleokapsid gelangt so in das Zytoplasma der Zelle.

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sen nach dem Uncoating-Prozeß die freigesetzten Nukleokapside in den Zellkern transportiert werden. Nur dort können die Virusgene transkribiert und das Genom repliziert werden. Ausgenommen sind hiervon nur die Pockenviren. Bei all diesen Vorgängen verwenden die Viren soweit wie möglich Komponenten, Enzyme und Funktionen, die sie in ihrer Wirtszelle vorfinden. So werden generell die Ribosomen und die mit Aminosäuren beladenen tRNA-Moleküle zur Translation der viralen mRNAs und der Synthese der Virusproteine eingesetzt. DNA-Viren produzieren im allgemeinen mRNA-Transkripte unter Verwendung der zellulären RNA-Polymerasen, setzen – soweit nötig – die zellulären Spleißosomen zum Prozessieren der Transkripte ein und mißbrauchen gelegentlich auch zelluläre DNA-Polymerasen zur Vervielfältigung der Erbinformation. Die notwendigen Energieleistungen werden ebenso von der Zelle geliefert wie Aminosäuren und Nukleotide als Bausteine für Proteine beziehungsweise DNA oder RNA, Cofaktoren für enzymatische Funktionen und Lipidbestandteile für die Zusammensetzung der Virushüllmembranen. Viren verwenden bei den mit Genexpression und Replikation verbundenen Ereignissen nur dann eigene, das heißt viruskodierte Enzyme, wenn die in den Zellen vorhandenen Funktionen ihren Ansprüchen nicht genügen. Dazu zählen vorrangig: (I) RNA-abhängige RNA-Polymerasen: Dieses Enzym findet man bei allen Viren mit einem RNA-Genom (mit Ausnahme der Retroviren). Alle diese Viren schreiben während des Replikationszyklus ihr RNA-Genom in komplementäre RNA-Moleküle um. Diesen Vorgang gibt es in eukaryotischen Zellen nicht. Müssen die RNA-Viren unter Verwendung ihrer Erbinformation neue Nukleinsäurestränge aus RNA produzieren, können sie daher nicht auf entsprechende Aktivitäten der Zellen zurückgreifen. Folglich ist das Gen zur Synthese der RNA-abhängigen RNAPolymerase als Information im Genom der Viren vorhanden und wird in den infizierten Zellen exprimiert. Bei den Viren, die als Genom eine einzelsträngige RNA in Nega38

tivstrang-Orientierung verwenden (Rhabdo-, Paramyxo-, Borna-, Filo-, Influenza-, Bunya- und Arenaviren; siehe Tabelle 1), die somit ihre Erbinformation nach der Infektion einer Zelle nicht direkt als mRNA nutzen können und es für die Produktion der Proteine folglich erst in eine solche umschreiben müssen, ist die RNA-abhängige RNA-Polymerase ein Teil der infektiösen Viruspartikel. Das Enzym wird bei der Infektion als Strukturbestandteil mit in die Zellen hineingebracht. (II) RNA-abhängige DNA-Polymerasen (Reverse Transkriptasen): Diese Enzyme findet man bei den Retroviren und Hepadnaviren, die sich evolutionsgeschichtlich recht nahestehen. Es kehrt den in der Molekularbiologie üblichen Informationsfluß von DNA über RNA zu Protein gewissermaßen um und übersetzt einzelsträngige mRNA in doppelsträngige DNA. Retroviren schreiben mittels dieses Enzyms ihr mRNA-Genom in DNA um, welche sie dann ins Genom der Wirtszelle integrieren (Abbildung 4). Das ist bei diesen Viren ein obligater Vorgang, der vollzogen sein muß, bevor die Virusgene exprimiert werden können, bevor von ihnen also mRNAs abgeschrieben und diese in Proteine translatiert werden. In eukaryotischen Zellen existiert dieser Mechanismus nicht, daher müssen die Viren dieses Enzym selbst mitbringen. (III) DNA-Polymerasen: Insbesondere die komplexen Viren mit einem großen DNA-Genom haben für die Replikation ihrer Erbinformation Mechanismen entwickelt, die sich von den Prozessen der DNA-Replikation der Zelle unterscheiden (zum Beispiel Herpes-, Adeno-, Pockenviren). Sie verwenden daher für die Genomreplikation eigene DNAPolymerasen und haben die Information dafür in ihrer eigenen Erbsubstanz verankert. (IV) Proteasen: Aus Gründen des möglichst ökonomischen Umgangs mit den in den infizierten Zellen verfügbaren Rohstoffen (Aminosäuren, Nukleotiden, Energie usw.) halten verschiedene Viren es für sinnvoll, die im Genom verankerten Informationen nicht in Form einzelner Proteine ge39

trennt voneinander zu synthetisieren, wie es in allen Zellen üblich ist. Statt dessen produzieren manche ein aus verschiedenen aneinander angehängten Proteineinheiten bestehendes Polyprotein als Vorläuferprodukt (Picorna- und Flaviviren), das sie mittels eigener Proteasen in einzelne Proteine mit den entsprechenden unterschiedlichen Funktionen zerteilen. Andere Viren synthetisieren verschiedene Formen solcher Polyproteine, wobei sie jeweils Proteine mit zusammengehörigen Aufgaben, beispielsweise die Strukturproteine, in einem Vorläuferprodukt zusammenfassen (Toga-, Corona-, Calici-, Retroviren). Auch diese werden nach der Synthese durch Virusproteasen zerteilt. Zusätzlich zu diesen viruskodierten Enzymen findet man aber bei den verschiedenen Virustypen weitere Funktionen, die in der Zelle nicht existieren. Zu ihnen zählt beispielsweise die oben erwähnte H+-Ionenpumpe der Influenzaviren, die beim Uncoating notwendig ist (siehe auch Kapitel V.3). Viren müssen bei allen Syntheseleistungen mit den Grundbausteinen zurecht kommen, die sie in ihren Wirtszellen vorfinden. Deswegen haben die meisten Viren Wege entwickelt, die es ermöglichen, mit dem vorhandenen Rohmaterial ökonomisch umzugehen: Sie passen die Menge der Proteine, die sie produzieren, den Bedürfnissen an. Während die Viren Strukturproteine als Hauptbestandteile der Nachkommenviren in großen Mengen benötigen, genügen ihnen von den Enzymen, die als Biokatalysatoren wirken, meist einige wenige Moleküle. Von allen Produkten gleich viele zu produzieren, wäre angesichts der begrenzten Menge an Ausgangsbausteinen nicht sinnvoll. Daher regulieren die meisten Viren im Verlauf der Replikationsprozesse die Mengen der Genprodukte und produzieren von den Enzymen und Nichtstrukturproteinen deutlich weniger Einheiten als von den Strukturkomponenten der Viruspartikel. Auch greifen sie in die Stoffwechselprozesse der Zelle ein, verhindern auf verschiedenste Weisen, daß Zellgene exprimiert oder Zellproteine synthetisiert werden. Sie erreichen damit, daß alle Rohstoffe für die Produktion ihrer Nachkommenschaft 40

zur Verfügung stehen, und die infizierten Zellen selbst sind dann auch nicht mehr in der Lage, in das parasitäre Geschehen einzugreifen. Zusätzlich zur Regulierung der Menge der viralen Genprodukte ist es für die Viren sinnvoll, die Produktion der Nichtstrukturproteine und Enzyme von denjenigen der Strukturkomponenten zeitlich abzutrennen. Die Enzyme, insbesondere die RNA- und DNA-Polymerasen, müssen spätestens dann in der Zelle vorliegen, wenn die Viren mit der Replikation ihrer Erbinformation beginnen. Deshalb findet ihre Produktion meist früh im Infektionszyklus statt. Bei den komplexeren Viren wie den Adeno- oder Herpesviren wird die Synthese der Enzyme, die zur Genomreplikation benötigt werden, von noch früher gebildeten viralen Regulatoren eingeleitet. Die Produktion der sehr großen Strukturproteinmengen erfolgt hingegen überwiegend spät im Zyklus, meist erst nachdem die ersten neu synthetisierten Genome in der Zelle vorliegen. Man kann den kaskadenartigen Ablauf der Virusexpression also grob in folgende Abschnitte einteilen: (I) Synthese der sehr frühen Regulatorproteine und Transkriptionsfaktoren (nicht bei allen Viren), (II) Synthese der Enzyme und weiterer früher Nichtstrukturproteine. Sie wird oft durch die Funktion der sehr frühen Regulatorproteine eingeleitet und ist von deren Vorhandensein abhängig. (III) Vervielfältigung der Virusgenome durch die viralen Enzyme. (IV) Synthese der Kapsidproteine und weiterer Strukturkomponenten. Liegen in den Zellen sowohl neu produzierte Virusgenome wie -proteine in ausreichenden Mengen vor, müssen sich alle Komponenten zu Viruspartikeln zusammenlagern. Dies geschieht in einem geordneten Vorgang, den man als Virus-Assembly oder Virus-Morphogenese bezeichnet. Er findet meist an den Membranen in der Zelle statt, so zum Beispiel an der Membran des Endoplasmatischen Retikulums, des Golgi-Apparats sowie der Zytoplasma- oder der Kernmembran. Die umhüllten Virusarten 41

erhalten dabei auch ihre Membranen, die sich damit in aller Regel von den Lipiddoppelschichten ableiten, an denen sich der Morphogeneseprozeß vollzieht. 5. Wie verlassen Viren ihre Wirtszellen? Am Ende des Infektionszyklus liegen mehrere tausend neue Viruspartikel in der Zelle vor. In einem letzten Schritt werden die fertigen Nachkommenviren von den infizierten Zellen entlassen, ein Vorgang, den man als Freisetzung bezeichnet. Im einfachsten Fall geschieht dies durch das Absterben der infizierten Zelle, die durch die Vermehrung der Parasiten so stark geschädigt ist, daß der Vorgang der Apoptose eingeleitet wird. Hierunter versteht man den programmierten Zelltod – eine Art Selbstmord, den die Zelle selbst initiiert. Bakteriophagen können die Zellwand ihrer Wirte im letzten Schritt der Infektion zerstören und gelangen dadurch in die Umgebung. Ob Viren eukaryotischer Zellen zu einer ähnlichen Lyse (Auflösung) ihrer Wirte befähigt sind, ist unklar. Die Retroviren verlassen ihre Wirtszellen durch Knospung (Budding) von der Zelloberfläche – ein Vorgang, der gleichsam den eingangs beschriebenen Endozytoseprozeß umkehrt. Die Retroviren erhalten dabei ihre Membranhülle, die in diesem Fall von der Zytoplasmamembran stammt. Auch die Influenzaviren verlassen auf diesem Weg ihre Wirte. In anderen Fällen knospen die Viren an den Membranen des Endoplasmatischen Retikulums oder des Golgi-Apparats in das Lumen, den Innenraum dieser Organellen, werden dabei auch mit den entsprechenden Hüllen versehen und mit den Golgi-Vesikeln zur Zelloberfläche und damit nach außen transportiert. Bevor sie weitere Zellen infizieren können, finden bei einigen Virusarten – so bei den Retroviren und den Picornaviren – nach Verlassen der Zellen Reifungsvorgänge statt. Einige der Virusproteine werden durch virale Proteasen gespalten, die Strukturen verändern sich, und das zuvor unreife Virus wird infektiös.

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6. Wie verbreiten sich Viren im Organismus? Alle die Vorgänge, die im vorhergehenden Abschnitt beschrieben sind, ereignen sich in den Zellen, die das Virus an seinen Eintrittspforten in den Organismus vorfindet und in welche es über die Adsorption hineingelangt ist. War auch im Zellinneren das Milieu passend, dann konnte sich das Virus vermehren. Damit liegen nun im Bereich der Eintrittsstelle vielfache Mengen des Erregers vor, die weitere Zellen in der Umgebung infizieren und Nachkommenviren bilden und freisetzen. Bei einigen Virusinfektionen bleibt die Infektion auf die Organe im Bereich der Eintrittspforte in den Körper beschränkt. So infizieren beispielsweise die Rhinoviren zuerst einige Zellen in der Nasenschleimhaut und verbreiten sich dann von Zelle zu Zelle in diesem Gewebe. Die Infektion und die einsetzenden immunologischen Abwehrreaktionen bedingen, daß von den Zellen der Nasenschleimhaut größere Mengen schleimhaltiger Sekrete – die Nase läuft! – abgegeben werden, die massenhaft Rhinoviren enthalten. Über die Sekrete gelangen die Erreger aus dem Körper und werden durch virushaltige Tröpfchen oder über Hände und Gegenstände, die mit den Sekreten verunreinigt sind (beispielsweise Taschentücher) auf bislang noch nicht infizierte Mitmenschen übertragen. Ähnlich, wenn auch nicht so sehr auf ein Gewebe beschränkt, verbreiten sich die Influenzaviren im Organismus. Sie gelangen zuerst ebenfalls auf die Mund- und Nasenschleimhaut und infizieren hier einige Zellen. Nach und nach werden immer mehr Nachkommenviren gebildet, die in den Speichel ausgeschieden werden. Sie infizieren weitere Zellen – so verbreitet sich die Infektion vom Mund- und Rachenbereich in den oberen und den unteren Respirationstrakt – also in die Lunge. Die Viren erreichen dabei alle schleimproduzierenden Schichten und zerstören die Zellen des Flimmerepithels. Werden die geschädigten Organbereiche zusätzlich mit Bakterien, zum Beispiel Staphylococcus aureus, infiziert, dann verschlimmern sich die Symptome weiter. In schweren Fällen der Influenza gelangen die Viren auch in die unter dem Epithel liegenden Zellschichten des Lungenge43

webes und zerstören diese. Sie treten normalerweise aber nicht in das Blut über. Andere Viren breiten sich im Unterschied hierzu nicht nur in die Organbereiche aus, die sie von der Eintrittspforte aus erreichen können, sondern werden von dort mit dem Blut oder der Lymphe im gesamten Körper verteilt und stoßen dabei auf Zellen in anderen Organen, die sich für die jeweiligen Erreger als infizierbar erweisen. Eine wichtige Rolle spielen in diesem Zusammenhang häufig die Endothelzellen, welche die Innenseiten der Blut- und Lymphgefäße und der Kapillaren auskleiden. Werden sie von Viren befallen, dann können sich die Erreger über das Endothel in alle Organe und Bereiche des Körpers ausbreiten. So verhält sich beispielsweise das Poliovirus. Wie bereits erwähnt, infiziert es primär die Zellen der Peyer’schen Plaques im Dünndarm. Von diesen Zellen werden die neu synthetisierten Polioviren abgegeben, und zwar einmal in das Darmlumen, weswegen die Erreger über den Stuhl ausgeschieden werden. Parallel dazu erfolgt aber auch die Abgabe in die Lymphgefäße, die auf der anderen, dem Darmlumen abgewandten Seite der Peyer’schen Plaques münden. Von hier gelangt das Virus erst in die nächstgelegenen und über die Lymphflüssigkeit anschließend in alle weiteren Lymphknoten, auch in die Tonsillen – sie sind die Lymphknoten des Rachens. Daher werden die Polioviren in dieser Phase in den Speichel ausgeschieden. Überall auf seinem Weg findet das Virus im Körper weitere infizierbare Zellen. Von den Lymphknoten werden riesige Mengen Polioviren in das Blut ausgeschwemmt. Sie befallen die Endothelzellen und gelangen auf diesem Weg in seltenen Fällen in die Rückenmarks- oder Gehirnhäute und auch in das Gehirn – mit der Folge von Lähmungserscheinungen, weil Neuronen infiziert und zerstört werden. Derart virämische Phasen, während derer die Erreger im Blut vorhanden sind und sich im Organismus verbreiten, findet man beispielsweise auch bei den durch Arthropoden übertragenen Infektionen (Gelbfieber, Dengue, FSME). Deswegen werden die Viren in dieser Phase durch die Blutsauger auch wieder aufgenommen. Das Humane Immundefizienzvirus (HIV) gelangt üblicher44

weise beim Geschlechtsverkehr auf die Schleimhäute der Genitalregionen und infiziert hier die in diesem Gewebebereich vorhandenen Makrophagen oder die mit ihnen verwandten Langerhans-Zellen. Die Viren nisten sich in diese Zellen ein, vermehren sich in ihnen und werden zugleich von ihnen zu den Lymphknoten transportiert. Dort finden sich weitere infizierbare Zellen (Monozyten, Makrophagen, T-Lymphozyten), die aus den Lymphknoten auswandern und die Viren mit dem Blut im Körper verteilen. Da die erwähnten Zellen nur eine begrenzte Lebenszeit haben und immer wieder neu aus Stammzellen im Knochenmark nachgebildet werden, liefert der Körper dem Virus kontinuierlich frische Wirtszellen zur Infektion. Einen ähnlichen Weg wählen die Epstein-Barr-Viren zur Verbreitung im Organismus, allerdings infizieren sie nach anfänglicher Vermehrung in der Mund-und Rachenschleimhaut bevorzugt B-Lymphozyten. 7. Wie verlassen Viren ihre Wirte? So hat praktisch jedes Virus seinen eigenen Weg entwickelt, in einen Organismus hineinzugelangen und sich in ihm zu verbreiten. Auf diesem Weg gelingt es ihm, millionenfache Kopien seiner selbst herzustellen. Üblicherweise schaut der Wirt diesem Geschehen nicht tatenlos zu, sondern entwickelt massive Abwehrmaßnahmen, welche die weitere Ausbreitung und Vervielfältigung hemmen und die Viren letztendlich zerstören. Auch wenn einige Viren – auf diese Vorgänge wird im nächsten Kapitel eingegangen – sich äußert geschickt verhalten und gleichermaßen eine Art Waffenstillstand mit dem Immunsystem der Wirte abschließen, der ihnen ein mitunter lebenslanges Überdauern (Persistenz) sichert, liegt es im Interesse der Erreger, neue Wirtsorganismen zu finden und in ihnen Infektionen zu etablieren. In dem Fall, wenn es zum Abbrechen der Infektionskette von Wirt zu Wirt käme, wäre nämlich das Überleben des betroffenen Virustyps fraglich, da die Erreger in der Umgebung außerhalb ihrer Wirte nur begrenzte Überlebenschancen haben und ihr parasitäres Weiterbestehen auf das Vorhandensein infizierbarer Zellen angewiesen ist. 45

Die Abhängigkeit der Viren vom Vorhandensein, also von der Präsenz infizierbarer Wirte hat letztendlich zur Ausrottung der Humanen Pockenviren geführt: Da durch die weltweit durchgeführte Impfung mit dem Vacciniavirus praktisch alle Menschen geschützt waren, fanden diese Viren keine Wirtsorganismen mehr, die sie infizieren konnten (Kapitel VI). Nicht zuletzt beantwortet die Notwendigkeit zur Aufrechterhaltung der Infektionsketten wohl auch die Frage, warum Virusinfektionen im Menschen nur selten tödlich verlaufen: Wenn ein Virus seine Wirte nämlich regelmäßig in einer fulminanten Infektion tötet, dann würde es sich zusammen mit seinem Wirt in kürzester Zeit selbst vernichten. Die schweren, mit einer hohen Todesrate verbundenen Virusinfektionen, wie beispielsweise Ebola-Epidemien in Afrika, sind eine Ausnahme, die das Virus nicht „einkalkuliert“ hat. Es handelt sich dabei oft um normalerweise tierpathogene Viren, die nur gelegentlich auf Menschen übertragen werden und mit ihm einen Wirt vorfinden, an den sie sich in ihrer Evolution nicht anpassen konnten – mit der Folge von schwersten Erkrankungen für die infizierten „Ausnahmewirte“. Viren werden also von den infizierten Organismen ausgeschieden und übertragen, einige wichtige Wege dazu sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die meisten der Viren, die Erkältungserkrankungen verursachen (zum Beispiel die Influenza-, Corona- oder Adenoviren), sind im Speichel vorhanden und werden durch Tröpfcheninfektion oral übertragen. Fäkal-orale Übertragungswege finden sich bei Viren, die sich im Darm vermehren. Sie werden insbesondere bei schlechten Hygienestandards durch Schmierinfektionen oder auch kontaminierte Lebensmittel verbreitet, wenn beispielsweise menschliche Ausscheidungsprodukte zum Düngen von Obst und Gemüse verwendet werden. Verunreinigungen mit Blut spielen bei der Übertragung aller Viren, die auf dem Weg durch den Organismus eine virämische Phase aufweisen, eine wichtige Rolle. Besonders dann, wenn die Virämie über längere Zeiträume andauert, hat die Übertragung durch Blut und möglicherweise auch durch Blutprodukte eine erhebliche Bedeutung. Einige Viren, zum Beispiel die Humanen Immundefizienzviren (HIV) oder die Hepatitis-B-Viren, sind 46

Tab. 2: Hauptübertragungswege von Viren Übertragung

Virus

oral-oral

Influenzavirus Coronavirus Adenovirus Röteln virus Masernvirus Parainfluenza-, RS-Virus Rhinovirus Herpes-, Epstein-Barr-Virus Poliovirus Parvoviren Pocken viren

fäkal-oral

Polio-, Enterovirus Hepatitis-A-Virus Hepatitis-E-Virus Rotavirus

Blut

Hepatitis-A-Virus Hepatitis-B-Virus Hepatitis-C-Virus Humanes Immundefizienzvirus Parvovirus B19

Stechmücken

Gelbfiebervirus Denguevirus

Zecken

FSME-Virus Krim-Kongo-hämorrhagisches-Fieber-Virus

Tierbisse

Tollwutvirus

Hautkontakte

cutane Papillomviren Pockenviren

Geschlechtsverkehr

genitale Papillomviren Humanes Immundefizienzvirus Hepatitis-B-Virus genitale Herpesviren

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außer im Blut auch in der Samenflüssigkeit oder den Vaginalsekreten präsent, deshalb erfolgt ihre Übertragung durch Geschlechtsverkehr. Auf die Möglichkeit zur Verbreitung über Arthropodenstiche wurde in diesem Kapitel bereits mehrfach hingewiesen (Gelbfieber, Dengue, FSME). Dies trifft für Viren zu, die zu bestimmten Phasen der Infektion im Blut vorliegen. Zusätzlich müssen sich die Viren aber im Insekt, also in der Mücke oder der Zecke, vermehren können. Das heißt, sie müssen den Magen-Darm-Trakt verlassen, sich im Insekt ausbreiten und nach ihrer Vervielfältigung in seinen Speicheldrüsen vorliegen, um bei den folgenden Stichen auf neue Organismen übertragen werden zu können. Viren, die zwar im Blut vorhanden sind, sich aber im Insekt oder der Zecke nicht replizieren, können folglich auf diese Weise nicht übertragen werden. Das gilt unter anderem auch für das Humane Immundefizienzvirus (HIV), für die verschiedenen Hepatitisviren, das Epstein-Barr-Virus und für Parvovirus B19. Sind schwangere Frauen mit Viren infiziert, dann kommen Übertragungen auf das ungeborene Kind nur selten vor, da die Blutkreisläufe von Mutter und Kind durch die wirksame Plazentaschranke voneinander getrennt sind. Ausnahmen sind die Röteln-, Windpocken- und Zytomegalieviren und das Parvovirus B19: Sie können pränatal, das heißt vor der Geburt, auf den Fetus übertragen werden. Perinatale (geburtsbegleitende) Infektionen findet man, wenn die Viren im Blut der schwangeren Frauen vorhanden sind und beim Geburtsvorgang auf das neugeborene Kind übertragen werden. Gelegentlich werden Viren von Tieren auf den Menschen übertragen. Hierzu zählen die Tollwutviren, die durch die Bisse infizierter Füchse, Hunde oder Katzen in Menschen gelangen können. Die Übertragung der ebenfalls sehr gefährlichen Marburg- und Ebolaviren erfolgt vermutlich durch Affenbisse. Hantaund Arenaviren gelangen durch das Blut oder die Ausscheidungsprodukte von Mäusen und Ratten auf die Schleimhäute und infizieren so Menschen.

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8. Kann man Viren experimentell vermehren? Viren sind, wie nun schon öfter dargestellt, Zellparasiten und vermehren sich nicht wie Bakterien durch Teilung. Daher kann man sie auch nicht wie diese in Kulturlösungen im Labor züchten. Wie in Kapitel I ausgeführt, waren die Entdeckungen, daß man Zellen bestimmter Gewebe über begrenzte Zeiträume hinweg in Kulturgefäßen am Leben erhalten kann und daß sich Viren in diesen Gewebekulturen vermehren, entscheidende Durchbrüche für die Virologie. Viele Viren kann man heute experimentell in Zellinien vermehren. Die Verwendung von Zellinien hat im Unterschied zu den ursprünglichen Gewebekulturen den Vorteil, daß es sich bei ihnen meist um unsterbliche (immortalisierte) Tumorzellen handelt, die zueinander identisch sind und in der Kultur eine fast unbegrenzte Teilungsrate aufweisen. Man kann sie daher über Jahre und Jahrzehnte züchten und am Leben halten. Als ein Beispiel sei die Zellinie HeLa genannt, die Anfang der fünfziger Jahre aus dem Gebährmutterhalskarzinom der Patientin Henrietta Lacks isoliert wurde. Sie wird seitdem in Kultur vermehrt. Man benutzt die HeLa-Zellen heute zur Züchtung einer Reihe humanpathogener Viren (zum Beispiel Herpes- oder Adenoviren). Für die Viruszüchtung ist wichtig, daß die Kulturzellen den natürlichen Wirtszellen der Viren möglichst ähnlich sind, so daß in ihnen alle Replikationsschritte ablaufen können. Jedoch hat man bis heute nicht für alle Viren derartige Zellkulturen zur Vermehrung zur Verfügung. Beispielsweise ist es bisher nicht gelungen, die Hepatitis-B- und Hepatitis-C-Viren oder auch das Parvovirus B19 in vitro zu vermehren. Die Untersuchung der molekularen Vorgänge während des Infektionszyklus wird dadurch erheblich erschwert oder auch unmöglich. Tiermodelle sind ein weiteres wichtiges System zur Untersuchung von Infektionen. Sollten die humanpathogenen Viren in der Lage sein, Mäuse zu infizieren und in ihnen einen vergleichbaren Replikationszyklus zu durchlaufen, dann ist dies relativ unproblematisch. Da jedoch viele humanpathogene Viren an den Menschen als Wirt in extremer Weise angepaßt sind (siehe Kapitel II.3), ist die Übertragung auf Nagetiere häufig nicht möglich. 49

Manchmal gelingt es, Primaten mit den entsprechenden Viren zu infizieren (zum Beispiel beim Hepatitis-C-Virus oder beim Humanen Immundefizienzvirus), diese Experimente sind jedoch sehr teuer und mit schwerwiegenden ethischen Fragen behaftet. In diesen Fällen ist es von großem Vorteil, wenn ein natürlicherweise tierpathogenes Virus existiert, das mit dem humanen Erreger nah verwandt ist und in seinem tierischen Wirt Infektionen mit ähnlichem Verlauf verursacht. Beispiele hierfür sind Infektionen des Simian Immundefizienzvirus (SIV) in Makaken, das dem Humanen Immundefizienzvirus in vielen Eigenschaften ähnelt, oder das Woodchuck-Hepatitis-Virus. Es infiziert amerikanische Waldmurmeltiere und ist mit dem Hepatitis-B-Virus des Menschen verwandt. Diese Modelle lassen Rückschlüsse auf den Infektionsverlauf des humanpathogenen Virus zu, unterscheiden sich jedoch in etlichen Punkten. Existieren weder ein Zellkultursystem noch ein Tiermodell, dann ist die Untersuchung der entsprechenden Virusinfektion auch heute noch sehr schwierig oder gar unmöglich. Manche Fragestellungen können dann nur durch gründliche Beobachtung der natürlich stattfindenden Infektionen im Menschen beantwortet werden.

III. Welche Folgen hat die Virusvermehrung für die infizierten Zellen? Betrachtet man die Vorgänge, die während der Virusvermehrung in den Zellen ablaufen, dann wird klar, daß jene nicht ohne Wirkung auf ihre Wirte bleiben können. Abhängig vom Virustyp kann die Infektion für die Wirtszelle unterschiedliche Folgen haben: (I) Die Zelle wird zerstört und stirbt. Wie im vorhergehenden Kapitel ausgeführt, verändern die Viren vom Zeitpunkt der Adsorption an die Zellen: Sie greifen in den Stoffwechsel ihrer Wirte ein, steuern ihn zu Gunsten ihrer eigenen Vermehrung um, schalten ihn ab. Unterschiedlich sind bei den verschiedenen Viren dabei sowohl die Art wie auch die Drastizität der Vorgehensweise: Bei einigen Virusinfektionen kommt es sehr rasch zur Schädigung und zum Tod der infizierten Zellen. Bei anderen ist das Zellsterben verzögert. Die Auswirkungen dieser Einflußnahme werden mit dem Begriff der Zytopathogenität umschrieben. (II) Die Zelle überlebt, bleibt aber infiziert und produziert andauernd meist geringe Mengen von Viruspartikeln – es etabliert sich eine sogenannte chronisch-persistierende Infektion. (III) Die Zelle überlebt, das Virusgenom bleibt in ihr erhalten, die Bildung infektiöser Viruspartikel ist jedoch unterbrochen. Man spricht von Viruslatenz. (IV) Die Zelle wird immortalisiert (unsterblich) und erhält dadurch die Fähigkeit zur unendlichen Teilung. Einige Viren können somit einen gleichsam zum Zelltod umgekehrten Vorgang einleiten. Diese virusbedingt immortalisierten Zellen können transformiert werden, das heißt maligne (bösartig) entarten und im Organismus zu Tumoren auswachsen. Die Produktion von Nachkommenviren ist dabei in der Regel unterbrochen.

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1. Warum sterben Zellen durch eine Virusinfektion? Direkte, virusbedingte Zellschäden Die meisten der mit Infektionen verbundenen Erkrankungssymptome beruhen auf der virusbedingten Schädigung der infizierten Zellen und Gewebe. Diese direkte Zellzerstörung spiegelt den Einfluß viraler Funktionen auf zelluläre Prozesse wider, die den Bedürfnissen zur Vervielfältigung der Erreger angepaßt werden. So wird bei vielen Virusinfektionen der Wirtszellstoffwechsel selektiv abgeschaltet. Diesen Vorgang bezeichnet man als virus-host-shutoff (vhs-Effekt). So sind beispielsweise die Vertreter der Picornaviren – zu ihnen zählt man die Polioviren – in der Lage, ihr als mRNA vorliegendes Genom ohne Verwendung des sogenannten cap-binding-Komplexes in Proteine zu übersetzen. Die Translation zellulärer Transkripte ist hingegen auf die Funktion des cap-binding-Komplexes angewiesen. Dieser aus mehreren Untereinheiten bestehende Proteinkomplex bindet sich an die 5’-Enden der mRNAs und ermöglicht dadurch die Anlagerung der Ribosomen, also der Proteinsynthese-Maschinen, an die Transkripte. Die mRNAs werden in Proteine übersetzt. Die Unabhängigkeit von der Aktivität des cap-bindingKomplexes gestattet es den Polioviren, einzelne Komponenten davon durch ein virales Enzym, nämlich durch eine Protease, zu zerstören – die Synthese zellulärer Proteine wird damit gezielt verhindert. In der Zelle werden folglich alle Leistungen auf die Produktion viraler Komponenten umprogrammiert. Anders verfahren die Herpesviren: Sie enthalten in den Viruspartikeln ein Protein, das als vhs-Faktor bezeichnet wird und bei Infektion mit in die Zellen hineingelangt. Hier hemmt es die zelluläre DNA-, RNA- und Proteinsynthese. Adenoviren haben einen weiteren Mechanismus zur Hemmung des Zellstoffwechsels entwickelt: Sie regulieren mittels zweier Virusproteine den Export neu gebildeter mRNA-Moleküle aus dem Zellkern in das Zytoplasma, wo diese normalerweise translatiert werden. Die beiden Adenovirus-Proteine bewirken, daß zelluläre mRNAs selektiv im Kern zurückgehalten werden, wohingegen die viralen 52

Transkripte problemlos in das Zytoplasma gelangen und hier an den Ribosomen in Proteine übersetzt werden. In vitro erkennt man die direkten, durch die Viren verursachten Zellschäden als zytopathischen Effekt. Er zeigt das Sterben der Zellen an, die sich morphologisch verändern, abkugeln und sich so aus den Zellverbänden lösen, die – im Fall von Bindegewebs- (Fibroblasten, Fibrozyten) oder Epithelzellen – als einschichtige Rasen (Monolayer) vorliegen. Diese morphologischen Veränderungen sind auf den Abbau des Zytoskeletts in der Zelle, also auf die Zerstörung der Mikrotubuli, die Aktinund Intermediärfilamente, zurückzuführen. Das Zytoskelett der eukaryotischen Zellen ist ein Gerüst von Proteinkabeln und -filamenten; es verleiht den Zellen ihre polarisierte Form und die Fähigkeit zur Motilität (gerichteten Bewegung). Vermutlich wird das Zytoskelett während der Infektion durch die Aktivität zellulärer Proteasen zerstört, die vermehrt von den Lysosomen in das Zytoplasma abgegeben werden. Dies wiederum ist darauf zurückzuführen, daß sich durch die zunehmende Synthese von Virusprodukten der Ionengehalt in den Zellkompartimenten ändert. Die Zusammensetzung der zellulären Proteine ändert sich aber auch anderweitig: Man findet unter anderem erhöhte Konzentrationen zellulärer Streßfaktoren (sogenannte Chaperone und Hitzeschockproteine), und in der Zytoplasmamembran liegen veränderte Mengen von Differenzierungsantigenen und weiteren Zellkomponenten vor. All das trägt zur veränderten Gestalt der infizierten Zelle bei. Zusätzlich findet man bei mikroskopischer Betrachtung im Zellinnern Einschlußkörperchen, die aus abgelagerten Virusproteinen oder -partikeln bestehen. Bei Viren mit RNA-Genom sind die Einschlußkörperchen meist im Zytoplasma vorhanden, wohingegen sie bei DNA-Viren überwiegend im Zellkern vorliegen. Einige Viren (Humanes Immundefizienzvirus, Masern-, Parainfluenza-, Herpes- und Pockenviren) lösen als weitere Folge der Infektion die Bildung von Polykaryozyten aus. Diese vielkernigen Zellen oder Syncytien sind in vitro in infizierten Zellkulturen nachweisbar, sie entstehen aber auch in vivo in den infizierten Geweben. Sie werden durch die Fusion der infizierten Zellen mit 53

den Nachbarzellen gebildet. Dadurch entsteht ein vielkerniges Zellgebilde. Im Organismus können die Viren ihre Erbinformation auf diese Weise von Zelle zu Zelle weitergeben. Über diesen Vorgang kann sich die Infektion in Organen ausbreiten, ohne daß dabei freie, infektiöse Viruspartikel notwendig sind. Ausgelöst wird dieser Vorgang durch Virusproteine, die sich nach ihrer Synthese in die Zytoplasmamembran der infizierten Zelle einlagern. Sie stellen Kontakte zu den Oberflächen der benachbarten Zellen her und leiten die Verschmelzung der Zellmembranen ein. Damit ähnelt dieser Prozeß auf molekularer Ebene dem Vorgang, wie er bei der Aufnahme der Viruspartikel mittels Fusion von Virus- und Zytoplasmamembran beschrieben wurde (Abbildung 5 A). Indirekte, Apoptose-bedingte Teilschäden Heute weiß man, daß infizierte Zellen häufig schon im Frühstadium einer Virusinfektion das Programm der Apoptose starten. Hierunter versteht man den programmierten Zelltod, die Zellen leiten also gewissermaßen ihren Selbstmord ein. Im Verlauf dieses Prozesses wird das Zellgenom fragmentiert, die Zelle stirbt, und Nachkommenviren werden als Folge davon in die Umgebung freigesetzt. Dieser Mechanismus ist eine der möglichen Varianten zur Freisetzung von neu gebildeten Viruspartikeln, zugleich ist er aber als ein Versuch der Zelle zu verstehen, die Infektion einzudämmen und zu begrenzen. Sterben die Zellen nämlich ab, bevor die Viren ihre parasitäre Vermehrung durch Ausbeutung der Rohstoffe der Wirte vollendet haben, wird nur eine begrenzte Zahl neuer Nachkommenviren freigesetzt. Damit ist auch die Erregerausbreitung im Organismus verzögert – die immunologischen Abwehrmaßnahmen können früher greifen, und die Infektion wird schneller eingedämmt. Die Vorgänge der Apoptose tragen auf diese Weise zu einer früheren Eliminierung der Erreger aus dem Organismus bei. Die Apoptose als zelluläre Abwehrmaßnahme ist noch nicht völlig verstanden. Vermutlich spielt sie aber eine wichtige Rolle bei der nicht immunologischen Infektabwehr. Dies zeigt sich auch an54

gesichts der Tatsache, daß die Viren, die Tumorbildung verursachen, Mechanismen zur Verhinderung des programmierten Zelltods entwickelt haben. Indirekte, immunologisch bedingte Zellschäden Neben der direkten Zellzerstörung als Folge der Virusvermehrung können die Schäden auch indirekt verursacht sein: Ursache hierfür sind die Immunreaktionen, die der Körper als Folge auf die Virusvermehrung zur Eliminierung der Erreger entwickelt. So werden beispielsweise im Verlauf einer Hepatitis-B-Infektion die infizierten Leberzellen im allgemeinen nicht durch die Virusreplikation geschädigt. Sie werden durch zytotoxische TLymphozyten, also durch Komponenten des zellulären Immunsystems, angegriffen und getötet. Diese Form der T-Lymphozyten erkennt virusinfizierte Zellen als „körperfremd“, sie binden sich an deren Oberfläche und sezernieren zytotoxische Proteine, welche die infizierten Zellen auflösen und somit töten. Hier nimmt der Organismus eine massive Zerstörung der Leberzellen in Kauf, um den Erreger aus dem befallenen Organ und somit aus dem Körper zu eliminieren. Bei vielen Virusinfektionen findet man Kombinationen von direkten, replikationsbedingten und indirekten, immunologischen Zellschädigungen. Den dadurch ausgelösten Zelltod bezeichnet man als Nekrose. Die nekrotischen Zellen rufen in ihrer Nachbarschaft weitere immunologische Reaktionen und Entzündungsprozesse hervor, die das Erkrankungsbild zusätzlich prägen. Neben den zytotoxischen T-Lymphozyten als mögliche Auslöser kann der immunologisch bedingte Zelltod auch durch Einleitung der Komplementkaskade oder durch die Produktion verschiedener Zytokine verursacht sein. Letztere sind Bestandteile der unspezifisch wirkenden Basisabwehr, mit der ein Organismus generell auf das Vorhandensein von Infektionserregern (Bakterien, Viren, Pilze, Parasiten) reagiert. Auch die virusspezifische Aktivierung der Interferonsynthese (IFN-α, IFN-β) wirkt zelltoxisch. Ähnlich wie die Vorgänge bei der Apoptose soll auch die Wirkung der Interferone dazu beitragen, daß Infektio55

nen möglichst früh eingedämmt werden. IFN-α und IFN-β bewirken dies durch Abtöten sowohl der infizierten wie auch noch nicht befallenen, aber infizierbaren Zellen in der Umgebung der ersten Replikationsorte, möglichst noch an den Eintrittspforten der Erreger in den Körper. 2. Wieso können manche Viren im Organismus fortbestehen? Chronisch-persistierende Viren Einige Viren können im Verlauf der Infektion im Organismus einen Gleichgewichtszustand einnehmen, während dessen es weder zur Eliminierung des Erregers noch zu schweren Schädigungen der Zelle kommt (Tabelle 3). Bei diesen chronischen oder persistierenden (fortbestehenden) Infektionen erfolgt eine kontinuierliche, meist geringe Vermehrung und Freisetzung der Erreger. Voraussetzungen sind, daß die Viren selbst nur wenig zytotoxisch sind, also die infizierten Zellen nicht oder nur wenig schädigen, und daß sie Möglichkeiten entwickelt haben, ihrer endgültigen Eliminierung durch das Immunsystem zu entgehen. Im Vergleich zu den Viren, deren Infektion mit einer großen Zytopathogenität verbunden ist und die daher die befallenen Gewebe und Organismen – wenn auch meist nur vorübergehend – stark schädigen, ist die Einleitung eines Persistenzstadiums für die Erreger recht geschickt. Es ermöglicht ihnen ein oft jähre- oder jahrzehntelanges Überleben im Wirt, der kontinuierlich Viren produziert und ausscheidet. Diese chronischen Infektionsformen findet man beispielsweise bei fünf bis zehn Prozent der Hepatitis-B- und etwa 80 Prozent der Hepatitis-C-Infektionen. Die Hepatitis-B-Viren leiten bevorzugt dann chronische Infektionen ein, wenn sie perinatal – also beim Geburtsvorgang – über das Blut ihrer bereits chronisch infizierten Mütter auf die neugeborenen Kinder übertragen werden, die noch kein vollständig ausgebildetes Immunsystem besitzen. Zusätzlich haben die Hepatitis-B-Viren einige weitere Tricks entwickelt, um den immunologischen Abwehrreaktionen 56

zu entgehen: So synthetisieren sie zusammen mit den infektiösen Nachkommenviren riesige Mengen nicht infektiöser Partikel, die kein Virusgenom enthalten. Beide Formen haben die gleichen Oberflächenproteine; neutralisierende Antikörper, deren Bildung das Immunsystem der infizierten Menschen im Verlauf der Infektion einleitet, können sie nicht unterscheiden und binden sich daher sowohl an die infektiösen wie an die nicht infektiösen Partikel. Die Antikörper werden durch diese „Schafe im Wolfspelz“ von ihren eigentlichen Zielen, den infektiösen Hepatitis-BViren, abgelenkt, so daß keine vollständige Eliminierung der Erreger stattfindet. Dies ist jedoch nicht der einzige molekulare Trick, den die Hepatitis-B-Viren entwickelt haben: Sie binden zusätzlich an ihre Oberflächen ein Protein, nämlich das Serumalbumin, das im Blut der Menschen in großen Konzentrationen vorliegt. Damit „tarnen“ sie gleichsam ihre Oberfläche und gaukeln dem Immunsystem körpereigene Strukturen vor, die üblicherweise immunologisch nicht erkannt werden. Mit dieser Vorgehensweise werden die infektiösen Partikel nun zu „Wölfen im Schafspelz“. Wie die Hepatitis-C-Viren chronische Infektionen etablieren, ist noch nicht völlig verstanden. Wichtig hierfür ist aber wohl die Fähigkeit dieser Viren, die Aminosäuresequenzen ihrer Oberflächenproteine zu variieren; dadurch können sie dem Immunsystem immer wieder entgehen. Diese hohe Variabilität beruht auf der Funktion der RNA-abhängigen RNA-Polymerase des Hepatitis-C-Virus, einem Vertreter aus der Familie der Flaviviren, die über ein einzelsträngiges RNA-Molekül als Genom verfügen. Diese RNA-Polymerasen benötigen die Hepatitis-CViren für ihre Genomreplikation. Die Enzyme arbeiten sehr ungenau – ein Phänomen, das man bei praktisch allen viralen Nukleinsäure-Polymerasen findet. Die als Ausgangsmoleküle verwendeten Nukleinsäure-Matrizenstränge werden nicht ganz exakt abgelesen. Es entstehen komplementäre Stränge, die fehlerhaft sind: Mit einer Wahrscheinlichkeit von 10-3 bis 10-4 werden falsche Basen eingebaut: Das bedeutet, daß etwa jedes tausendste bis zehntausendste Nukleotid nicht korrekt ist, daß sich also ein jedes der neu synthetisierten Hepatitis-C-Virusgenome 57

in durchschnittlich einer bis zehn Positionen vom Elternmolekül unterscheidet. Zelluläre DNA-Polymerasen, welche vor der Zellteilung die Duplikation der DNA im Zellkern bewirken, arbeiten im Vergleich dazu wesentlich genauer: Ihre Fehlerrate liegt bei einem Wert von etwa 10-9, das heißt, daß etwa jede milliardste Base in einem neu produzierten DNA-Strang falsch ist. In der Zelle garantiert diese außerordentlich große Genauigkeit, daß unsere Erbinformation weitgehendst identisch auf die Tochterzellen und die nachfolgenden Generationen weitergegeben wird. Da die Basensequenz der DNA die Abfolge der Aminosäuren in den Genprodukten, also in den Proteinen, bestimmt, bewirken die Änderungen in der Nukleinsäurefolgen auch Änderungen der Proteinsequenz. Diese Mutationen können zu neuen oder veränderten Funktionen der betroffenen Proteine führen, oft werden diese auch funktionslos. Bedingt durch die hohe Mutationsrate ist daher ein großer Prozentsatz der im Infektionsverlauf gebildeten Nachkommenviren defekt – die Viren kompensieren dies mit der Synthese von eben sehr vielen neuen Viruspartikeln. Gelegentlich manifestieren sich die Mutationen jedoch nicht im Funktionsverlust eines Enzyms, sondern in einer veränderten immunologischen Erkennung: Betroffen sind nun die Regionen der viralen Oberflächenproteine, an die sich Antikörper binden. Die Aminosäurefolge dieser Epitope ändert sich. Dadurch ist die Antikörperbindung verhindert, die Viren werden nicht neutralisiert. Sie entgehen der Immunabwehr und infizieren weitere Zellen. Das Immunsystem übt hier also einen Selektionsdruck aus: Überleben können diejenigen Viren, welche die immunologischen Erkennungsregionen ihrer Proteine verändert haben. Das Immunsystem hingegen läuft diesem Prozeß immer hinterher. Vermutlich ist es eben diese hohe Variabilität, die es nicht nur den Hepatitis-C-Viren, sondern auch den Humanen Immmundefizienzviren (HIV) ermöglicht, dem Immunsystem zu entgehen und chronisch-persistierende Infektionen zu etablieren. Daß der Immunabwehr bei der Eliminierung der Viren aus dem Organismus eine wichtige Funktion zukommt, zeigen Infektionsverläufe 58

in immundefizienten (abwehrgeschwächten) Patienten, zum Beispiel bei Transplantationspatienten, deren Immunsystem medikamentös unterdrückt wird, oder bei Menschen mit einer erblichen Störung des Immunsystems: In ihnen etablieren sich sehr häufig persistierende Infektionen, oft verbunden mit schweren Erkrankungen. Jedoch bleiben die chronischen Infektionen, bei denen über lange Zeiträume kontinuierlich Nachkommenviren produziert werden, auch in immunologisch gesunden Personen nicht immer problemfrei. Selbst Viren mit geringer Zytopathogenität können langfristig Zellen und Gewebe schädigen und Erkrankungssymptome verursachen. So entwickelt sich beispielsweise in fünf bis 20 Prozent der Patienten mit chronischen Hepatitis-C-Infektionen eine Leberzirrhose. Lebertumoren bilden sich bei etwa vier Prozent dieser Patienten aus. Ähnliche Folgeerscheinungen hat auch die chronische Hepatitis-B-Infektion. Parvovirus-B19-Infektionen gehen in etwa 20 Prozent der Fälle mit verzögerter Viruseliminierung einher. Hier findet man lang anhaltende Gelenkentzündungen (Arthritiden) als Erkrankungszeichen. Die immer persistierend verlaufende HIV-Infektion führt langfristig zu einer schweren Schädigung des Immunsystems und zum Tod. Nur in seltenen Fällen lassen sich bei chronischen Infektionen auf Dauer keinerlei Symptome finden: Als Beispiele hierfür seien die Hepatitis-G- oder die TT-VirusInfektionen genannt: Obwohl man diese Viren häufig und andauernd im Blut von Menschen findet, fand man in diesem Zusammenhang bisher keine Erkrankungen. Latente Viren Während der Latenz liegt das Virusgenom in der Zelle vor, die Produktion der Nachkommenviren ist jedoch unterbunden. Damit kann man die latenten Infektionen als eine Variante der Viruspersistenz betrachten. Das Stadium der Viruslatenz findet man beispielsweise bei den Retroviren: Sie integrieren im Verlauf des Infektionszyklus die virale Erbinformation in das Genom der Wirtszelle. Bei der Zellteilung wird sie zusammen mit 59

dem Zellgenom dupliziert und auf die Tochterzellen verteilt. Die Expression der Virusgene und somit die Produktion von Nachkommenviren ist abhängig vom Vorhandensein bestimmter Faktoren, wie sie zum Beispiel vorübergehend bei Differenzierungsvorgängen in den Zellen vorliegen. So wird die Expression des Genoms des Humanen Immundefizienzvirus erst durch den Kernfaktor NFκB ermöglicht, der in seiner aktiven Form nur in immunologisch stimulierten T-Lymphozyten oder Makrophagen gebildet wird. Bei den Retroviren kann es bereits bei der Integration der viralen Erbinformation in das Genom zu Schädigungen der Wirtszelle kommen (Abbildung 4). Diese Integrationsmutagenese ist jedoch nicht hauptverantwortlich für die Folgen retroviraler Infektionen wie Tumorbildung beziehungsweise Immundefizienz. Diese werden statt dessen durch die Virusproteine verursacht, die nach der Aktivierung der Expression des integrierten Genoms gebildet werden. Bei den onkogenen (krebsverursachenden), tierpathogenen C-Typ-Retroviren erfolgt neben der Synthese der Enzyme und Strukturproteine auch die Expression der viralen Onkogene, welche die Zellen transformieren und die Tumorbildung einleiten können. Eine andere Form der Latenz haben die α-Herpesviren entwickelt: Das Herpes-simplex-Virus repliziert sich zuerst in Fibroblasten der Mundschleimhaut und produziert dabei eine große Menge Nachkommenviren, die in den Speichel abgegeben werden. Zugleich gelangen die Viren aber auch in die Zellen der Nervenendigungen, die in der Mundschleimhaut münden und dieses Gewebe versorgen. Entlang der Zellen der Nervenleitbahnen wandern die Viren von den Nervenenden in das Trigeminalganglion des Gesichtsbereichs – eine Art Knotenpunkt der Nervenbahnen. Hier erfolgt keine Produktion von Virusproteinen oder Nachkommenviren, das Genom liegt in den Zellen jedoch als zirkulär geschlossenes DNA-Molekül vor. Es findet nur die Minimalexpression einer kleinen RNA-Spezies statt, die zur Aufrechterhaltung des Latenzstadiums beiträgt. Der Zellschaden tritt erst beim Aufwecken (Reaktivierung) des Virus aus dieser Ruhephase auf, das durch unterschiedliche Faktoren (UVLicht, Fieber, Medikamente, Streß etc.) ausgelöst werden kann. 60

Dabei wandert das Virus dann entlang der Nerven zurück in die Mundschleimhaut zu den Fibroblasten und produziert – in ihnen angelangt – erneut infektiöse Viren. Diese sogenannten Rekurrenzen äußern sich dann in einem wiederkehrenden bläschenartigen Ausschlag. Die Vorgänge können sich lebenslang wiederholen. Andere Herpesviren – wie das Epstein-Barr-Virus – benötigen für die Aufrechterhaltung der Latenz die Funktion einiger viraler Proteine, die den Übergang in die Phase der produktiven Virusvermehrung verhindern. Epstein-Barr-Viren infizieren B-Lymphozyten. Diese erlangen hierdurch die Fähigkeit, sich unendlich zu teilen, sie werden also immortalisiert. Bei den humanen Warzenviren, den Papillomviren, ist der Übergang von der Latenz in den basalen (unteren) Zellschichten der Haut zur produktiven Infektionsform vom Differenzierungszustand der Zellen abhängig: Die Virusproduktion führt zum Absterben der Zelle, sie wird durch bestimmte Zellproteine eingeleitet, die nur in den Keratinozyten, also den obersten Hautschichten, vorkommen – und nur hier macht es für diese Viren auch Sinn, die Synthese infektiöser Nachkommen zu induzieren, weil sie von der Hautoberfläche in die Umgebung abgegeben werden können. 3. Warum verursachen einige Viren Tumorerkrankungen? Man schätzt, daß etwa 15 bis 20 Prozent aller Tumorerkrankungen des Menschen kausal mit Virusinfektionen verbunden sind. In all diesen Fällen ist es niemals die akute Infektion, die zur Tumorbildung führt. Es handelt sich in aller Regel um langsame, sich schrittweise ausbildende Vorgänge, die sich in der Folge von persistierenden oder latenten Infektionen entwickeln können (Tabelle 3). Die meisten Viren, die mit Tumorerkrankungen des Menschen verbunden sind, haben ein DNA-Genom. Ausnahmen sind nur die Hepatitis-C-Viren, die zur Familie der Flaviviren zählen und Leberkarzinome verursachen, und die Humanen TZell-Leukämieviren, Vertreter der Retroviren, die an der Ausbildung der sogenannten adulten T-Zell-Leukämie (ATL) beteiligt sind. 61

Tab. 3: Virusinfektionen des Menschen, bei denen man regelmäßig persistierende beziehungsweise latente Verläufe beobachtet Virus Erstinfektion

Symptome Persistenz

Hepatitis-C-Virus Leberentzündung Hepatitis-G-Virus ? Masernvirus Masern

Humanes Immun- Fieber, Lymphdefizienzvirus knotenschwellung (HIV) Humanes T-Zell- ? leukämievirus (HTLV–1) Hepatitis-B-Virus Leberentzündung

Leberzirrhose Leberzellkarzinom ? subakute, sklerosierende Panenzephalitis (SSPE) Immundefizienz

adulte T-ZellLeukämie, tropisch-spastische Paraparese Leberzirrhose Leberzellkarzinom

Papillomviren Hautläsionen

Warzen,

Adenoviren

Keratokonjunktivitis ? Fieber, Halsschmerzen, Durchfall Entzündungen/Mund-, Genitalschleimhaut Windpocken

Herpes-simplexVirus Varizella-ZosterVirus Zytomegalievirus

Humane Herpesviren 6, 7 Epstein-BarrVirus Humanes Herpesvirus 8

Parvovirus B19

62

Zervixkarzinom, Epidermodysplasia verruciformis

Fieber, LymphknotenSchwellung (selten), zytomegale Einschlußkörperchenkrankheit (in Feten und Neugeborenen) Dreitagefieber

Herpes labialis Herpes genitalis Gürtelrose bei Immundefekten: Pneumonie, Hepatitis, Choriomeningitis

?

Infektiöse Mononucleose, Pfeiffersches Drüsenfieber ?

Ringelröteln

Latenz

Burkitt-Lymphom, Nasopharynxkarzinom Kaposi-Sarkom, Effusionslymphom, CastlemanKrankheit Arthritis, chronische Anämie

Retroviren als Verursacher von Tumorerkrankungen bei Tieren waren schon früh bekannt: 1911 hatte Peyton Rous beschrieben, daß Viren bei Geflügel Sarkome (Tumoren des Bindegewebes) hervorrufen (siehe Kapitel I). In den Jahren danach entdeckte man, daß eine Vielzahl von Retroviren – man nannte sie deshalb auch Oncoviren – bei Vögeln und Nagetieren unterschiedliche Krebserkrankungen wie Lymphome, Karzinome und Sarkome auslösen können. Die meisten wurden aus Inzuchtstämmen der jeweiligen Tierarten oder aus Zellkulturen isoliert, sie verursachen in der Natur die entsprechenden Tumoren nur selten. Eine Ausnahme sind die Leukoseviren der Katze (FeLV), welche die Katzenleukose unter natürlichen Bedingungen übertragen. Das tumorerzeugende Potential beruht auf der Synthese von transformationsaktiven Proteinen (v-Onc), deren Information im Virusgenom verankert ist. Sie werden zusammen mit den viralen Enzymen und Strukturproteinen während der Infektion produziert, nachdem die virale Nukleinsäure – wie bei Retroviren üblich – ins Wirtsgenom integriert wurde. Die v-Onc-Proteine ähneln zellulären Produkten (c-Onc), die überwiegend an der geregelten Zellteilung beteiligt sind. Die v-Onc-Proteine sind aber gegenüber ihren jeweiligen zellulären c-Onc-Homologen durch Mutationen so verändert, daß sie im Gegensatz zu diesen konstitutiv, das heißt andauernd aktiv sind; ihre Aktivität läßt sich also nicht mehr regulieren oder abschalten. Diese Daueraktivität bewirkt dann die Transformation und leitet die unendliche Teilungsfähigkeit der Zellen ein. Neben den Hepatitis-B- und den Hepatitis-C-Viren als Verursachern von Leberzellkarzinomen gelten die Papillomviren als wichtigste Tumorviren des Menschen. Sie verursachen Karzinome, vor allem in der Genitalschleimhaut (Zervixkarzinom), und verschiedene bösartige Hauttumoren (Epidermodysplasia verruciformis). Das Epstein-Barr-Virus, ein Herpesvirus, steht in enger kausaler Beziehung zum Burkitt-Lymphom, einer überwiegend bei Kindern in Afrika auftretenden Form von Lymphomen, und dem Nasopharynxkarzinom, einem Tumor der Epithelzellen im Hals-Nasen-Rachenraum. Das humane Herpesvirus 8, ein weiterer Vertreter dieser Virusfamilie, kann Kaposi-Sarkome so63

wie einige seltene Krebserkrankungen (Effusionslymphome und die multizentrische Castleman-Erkrankung) auslösen. Adenoviren, deren Infektion beim Menschen bisher nicht eindeutig mit Krebserkrankungen assoziiert werden konnten, rufen hingegen bei neugeborenen Nagetieren Tumoren hervor und sind ein wichtiges Modellsystem zur Aufklärung der molekularen Prozesse bei der Transformation der Zellen. Die DNA-Tumorviren und auch das Hepatitis-C-Virus besitzen keine klassischen v-onc-Gene, wie man sie bei den Retroviren findet. Im Fall der DNA-Tumorviren weiß man heute, daß sie durch bestimmte virale Regulatorproteine gezielt die Funktion der zellulären Tumorsuppressorproteine ausschalten und so die maligne Entartung der Zellen einleiten. Zugleich ist in diesen Zellen die Produktion von Nachkommenviren unterbunden – dies ist eine Voraussetzung dafür, daß die infizierten Zellen unsterblich (immortalisiert) werden, weil die Virussynthese üblicherweise zur Schädigung und zum Sterben der Zellen führt (siehe Kapitel III, Abschnitte 1, 2). Tumorsuppressorproteine – man bezeichnet sie auch als Antionkogene – sind eine Gruppe von zellulären Regulatorproteinen. Zu ihnen zählt man das Antionkogen p53, die sogenannten Retinoblastomproteine Rb105/107 und andere. Alle haben die Aufgabe, die Teilungsrate der Zellen zu kontrollieren. Der Zellteilungszyklus kann generell in verschiedene Abschnitte unterteilt werden (Abbildung 6). Die Phasen S (Synthesephase), in welcher das Zellgenom verdoppelt wird, und M (Mitose), während der das nun duplizierte Genom auf die beiden entstehenden Tochterzellen verteilt wird, sind durch unterschiedlich lang dauernde Ruhephasen (G1/G0 und G2) voneinander getrennt. Die Tumorsuppressorproteine regulieren die Länge der Ruhephasen und somit den kontrollierten Übergang in die Synthesephase beziehungsweise die Mitose. Werden die Ruhephasen über lange Perioden ausgedehnt, dann teilen sich die Zellen sehr langsam oder gehen sogar in eine lang andauernde Ruhephase über. Viren sind nun im allgemeinen darauf angewiesen, daß sich Zellen möglichst schnell teilen: Ihr eigener parasitärer Vermehrungszyklus benötigt die hohen Stoffwechselraten und den Ener64

Abb. 6: Die Phasen des Zellzyklus. Während der Mitose (M) teilt sich die Zelle in zwei Tochterzellen, in der Synthesephase (S) erfolgt die Autoduplikation des Genoms und die Produktion der meisten Zellstrukturproteine. Beide Phasen werden durch Ruhephasen voneinander getrennt: Nach der Teilung treten die Zellen in eine präsynthetische Phase Gj ein, die auch in ein Ruhestadium Go von unterschiedlicher Länge übergehen kann. Die Zellen in der G0-Phase bleiben dabei potentiell teilungsfähig und können jederzeit wieder zum Eintritt in die G,-Phase angeregt werden. Die verschiedenen Tumorsuppressorproteine entfalten ihre Aktivitäten bei der Kontrolle des Übergangs von der Gj- beziehungsweise Go- in die S-Phase des Teilungszyklus. Nach der S-Phase mit der Verdopplung des Genoms schließt sich eine postsynthetische G2-Phase an, bevor die Zellen sich teilen.

gieumsatz von proliferierenden (sich vermehrenden) Zellen. Einige Viren, beispielsweise die autonomen Parvoviren, erreichen dies, indem sie ausschließlich sich teilende Zellen infizieren und sich nur in ihnen vermehren können. Andere Viren haben als Alternative dazu die Fähigkeit entwickelt, selbst die Zellen zur Teilung anzuregen: Sie schaffen sich damit in den Zellen das zu ihrer Vervielfältigung notwendige Umfeld. Auch wenn sie sich in den Details der Vorgehensweise unterscheiden, ist ihnen gemein, daß sie die zellulären Regulatoren der Zellteilung, nämlich die 65

Tumorsuppressorproteine, in ihrer Aktivität beeinflussen. Als Folge treten die Zellen zu schnell in die S- beziehungsweise in die M-Phasen des Zellzyklus ein: Sie beginnen sich zu teilen und zu vermehren. Nun können sich auch die Viren vervielfältigen und Nachkommen produzieren, ein Vorgang, der – wie im Vorfeld ausgeführt – die Zellen jedoch meist schwer schädigt. Das bedeutet, daß die Fähigkeit zum Einleiten der Zellteilung und der gleichzeitige Beginn der Virussynthese alleine nicht ausreichen können, um Zellen zu immortalisieren, das heißt, zu unendlichem Wachstum anzuregen: Eine abgestorbene, tote Zelle wäre ja doch genau das Gegenteil einer Tumorzelle. Wie erwähnt, verursachen alle Tumorviren des Menschen persistierende oder latente Infektionen – sie verbleiben also nach einer Infektion im Organismus und produzieren dabei kontinuierlich oder in Abständen Nachkommen. Während dieser lang andauernden Infektionen kann es – aus der Sicht des Virus – zu Unfällen kommen, verbunden mit der Folge, daß der Infektionszyklus unterbrochen wird und die Bildung von neuen Viren unterbleibt. Dies kann dadurch geschehen, daß sich das gesamte Virusgenom oder Teile davon in die Zell-DNA integrieren, daß die Viren sich durch Mutation verändern, daß die Viren gelegentlich in Zellen gelangen, in welchen der Infektionszyklus nicht vollständig ablaufen kann. Es erfolgt dann nur die Synthese eines Teils der frühen Virusproteine – darunter die Regulatoren, welche die Aktivität der Antionkogene beeinflussen und ihre Wirkung zur Induktion der Zellteilung unbegrenzt entfalten können, weil eben die übliche infektionsbedingte Zellschädigung ausbleibt. Die geschilderten Ereignisse reichen jedoch noch immer nicht aus, um eine sich schnell und unendlich teilende – das heißt immortalisierte – Zelle zur transformierten Tumorzelle werden zu lassen. Hierfür sind zusätzliche Vorgänge notwendig. Die Zellen müssen nämlich dem Immunsystem entgehen, welches normalerweise derartig veränderte Zellen als „fremd“ erkennen kann. Auch das Programm der Apoptose, das unter normalen Umständen gleichsam als eine „Notbremse“ in denjenigen Zellen angeschaltet wird, die sich im Gewebeverband 66

ungewöhnlich verhalten und dadurch auffällig werden, muß lahmgelegt werden. Es sind also in allen Fällen viele Schritte, die bei der virusbedingten Zelltransformation und Tumorbildung zusammenwirken müssen. Bedauerlicherweise kann auf alle Details dieser komplexen Vorgänge im Rahmen dieses Buches nicht eingegangen werden – interessierte Leser müssen auch in diesem Fall auf die im Anhang angegebene weiterführende Literatur verwiesen werden.

IV. Wie kann man Virusinfektionen nachweisen? Viele der Erkrankungsbilder, die durch Viren verursacht werden, werden in sehr ähnlicher Weise auch durch eine Vielzahl anderer Infektionserreger wie Bakterien, Pilze oder Parasiten hervorgerufen. Auch verschiedene Viren können ähnliche Symptome, wie beispielsweise das Erscheinungsbild des „grippalen Infekts“ bewirken. Eine Differentialdiagnose, auch wenn sie sich primär am Erkrankungsbild orientiert, kann daher nur mit geeigneten Labormethoden durchgeführt werden. Während man bakterielle Infektionen bereits gegen Ende des 19. Jahrhunderts nachweisen konnte – denn Bakterien konnten in Nährmedien gezüchtet werden und waren nach ihrer Anfärbung im Lichtmikroskop sichtbar –, entzogen sich die Viren dieser Vorgehensweise. Da Viren obligate Zellparasiten sind, konnte man sie erst dann in vitro vermehren, nachdem man die Methoden zur Gewebe- und Zellkultur im Labor etabliert hatte; für einige Virusarten ist dies auch heute noch nicht möglich (siehe Kapitel II, Abschnitt 8). Die direkte Sichtbarmachung der Viruspartikel war nur mit den Elektronenmikroskopen möglich, die ab der Mitte des 20. Jahrhunderts zur Verfügung standen (Kapitel I.I). Zwar konnte man bereits um 1900 einige Virusinfektionen mit bestimmten Zellveränderungen und Ablagerungen im infizierten Gewebe der Patienten in Verbindung bringen (Kapitel III.1), wie beispielsweise die Negrischen Einschlußkörperchen als Anzeichen der Tollwutinfektion zu werten waren, eine spezifische Diagnostik wurde jedoch erst mit den Methoden der modernen Molekularbiologie möglich. Man unterscheidet dabei zwei grundsätzlich verschiedene Vorgehensweisen: (I) Den direkten Nachweis der Viren bei akuten oder chronischpersistierenden Infektionen. Die Elektronenmikroskopie wird dazu nur noch in Ausnahmefällen eingesetzt. Statt dessen weist man die Viruspartikel oder bestimmte Virusproteine (Antigene) aus Serum- oder Gewebeproben (Biopsien wie Blut, Rachenabstriche, Hautproben, Gelenkflüssigkeit 69

etc.) der Patienten in Hämagglutinations-, ELISA- oder Immunfluoreszenztests nach. Meist muß man dazu die Viren in einem ersten Schritt in der Zellkultur anzüchten, um sie in ausreichender Menge zur Verfügung zu haben. Statt der Anzucht der Erreger ist es heute auch üblich, die Virusgenome oder bestimmte Abschnitte davon in den Proben aus den infizierten Patienten aufzuspüren. Dadurch ist auch eine Diagnostik von latenten Infektionen möglich, bei denen nur die virale Erbinformation, aber keine Viruspartikel oder -proteine in einzelnen Zellen vorhanden sind. (II) Den indirekten Nachweis der Virusinfektion über die Charakterisierung der sich im Infektionsverlauf ausbildenden spezifischen Immunantwort des befallenen Organismus. Dazu werden Immunfluoreszenz- und ELISA-Tests (enzymelinked immunosorbant assay) eingesetzt sowie – heute seltener – die sogenannte Komplementbindungsreaktion. Dazu benötigt man gereinigte Viruspartikel oder bestimmte Virusproteine, die man durch Züchtung der Erreger in der Zellkultur oder durch die gentechnische Expression ausgewählter Virusgene erhält. Findet man im Blut der Patienten IgM-Antikörper gegen jene Proteine, dann ist dies im allgemeinen ein Hinweis auf eine akute oder nicht lang zurückliegende Infektion, wohingegen Antikörper der Subklasse IgG auf abgelaufene Infektionen schließen lassen. 1. Wie funktionieren die heute üblichen Systeme zum direkten Virusnachweis? Eine Voraussetzung für den direkten Nachweis von viralen Infektionserregern ist meist ihre Vermehrung. Nur gelegentlich und dann überwiegend nur bei akuten Infektionen finden sich die Viren in solch großen Mengen im Organismus, daß man auf diesen Schritt verzichten kann. Eine Ausnahme stellen chronische Infektionen mit Hepatitis-B-Viren dar, bei der die Viren große Mengen des Oberflächenproteins HBsAg produzieren und dieses in Form nicht infektiöser Partikel in das Blut abgeben (siehe auch Kapitel III.2). 70

Soweit möglich erfolgt die Vermehrung der Viren durch ihre Züchtung in dafür geeigneten Zellkulturen. Auch wenn man bei der Anzucht oft durch Beobachtung des sich in der Zellkultur ausbildenden zytopathischen Effekts Hinweise auf die Art des fraglichen Virus erhält (Kapitel III.1), müssen sich geeignete Verfahren zum Nachweis der Viren in den Kulturen anschließen. Nach wie vor kommt die Elektronenmikroskopie hier als eine sehr schnelle Nachweismöglichkeit zum Einsatz. Meist lassen die Größe, der Aufbau und die Feinstruktur der gefundenen Viruspartikel auch die Zuordnung zu bestimmten Virusarten und -typen zu (Abbildung 7). Alternativ untersucht man die infizierten Zellen auf die Präsenz bestimmter Viren mit Immunfluoreszenztests. Notwendig sind dafür allerdings Antikörper, die spezifisch mit bestimmten Proteinen des fraglichen Virus reagieren. An diese koppelt man mit chemischen Methoden fluoreszierende Farbstoffe (beispielsweise Fluorescein-Isothiocyanat). Gibt man diese Antikörper zu den infizierten Zellen und bestrahlt die Mischung mit UVLicht, dann zeigen sich im positiven Fall bei mikroskopischer Betrachtung im Zytoplasma, dem Kern oder an der Membran fluoreszierende, das heißt deutlich leuchtende Bereiche und man weiß, daß die fraglichen Erreger in dem ursprünglich aus dem Patienten gewonnenen Untersuchungsmaterial vorhanden gewesen waren und sich in der Kultur vermehrt hatten. Gewinnen kann man die spezifisch reagierenden Antikörper, indem man in Tiere, meist Kaninchen oder Meerschweinchen, gereinigte Präparationen der fraglichen Viren beziehungsweise bestimmter Virusproteine spritzt. Ähnlich wie bei einer Impfung (siehe Kapitel VI) reagieren die Tiere darauf mit der Bildung von Antikörpern, die man aus ihrem Blut gewinnt. Man kann sie aber auch aus Menschen gewinnen, die bereits eine Infektion mit dem fraglichen Virus gehabt und daher eine spezifische Immunreaktion aufgebaut haben. Besser geeignet sind allerdings meist sogenannte monoklonale Antikörper, die sich hoch spezifisch nur an einen bestimmten Abschnitt (Epitop) eines Virusproteins binden. Hat man derartig spezifisch reagierende Antikörper zur Verfügung, dann lassen sich jene auch in sogenannten Capture71

Abb. 7: Elektronenmikroskopische Aufnahmen von Viren. Oben: Herpesviren, die einen komplexen Aufbau besitzen. Ihre Kapside sind von einer Tegumenschicht und einer Hüllmembran umgeben. Unten: Adenoviren. In diesem Fall handelt es sich bei den Viruspartikeln um ikosaedrische Kapside, die nicht von einer Membran umgeben sind. An diesen Beispielen zeigt sich die unterschiedliche Feinstruktur und Größe der verschiedenen Viren. Die elektronenmikroskopischen Aufnahmen wurden von Herrn Dr. Hans Gelderblom, Robert-Koch-Institut, Berlin, zur Verfügung gestellt.

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Abb. 8: ELISA-Test zum Nachweis von Viren: Darstellung der einzelnen Reaktionsschritte eines Antigen-Capture-ELISA-Tests (siehe auch Beschreibung des Vorgangs im Text).

ELISA-Tests zum Nachweis der Viren anwenden (Abbildung 8). Man koppelt sie dabei an ein Trägermaterial. Üblicherweise verwendet man dafür sogenannte Mikrotiterplatten, die 96 napfartige Vertiefungen aufweisen und aus speziell behandeltem Polystyrol bestehen. In die Vertiefungen pipettiert man die Antikörper, die sich sich an die Oberfläche des Polystyrols anlagern (Abbildung 8, Schritt 1). Danach gibt man in die Vertiefungen die Überstände der Zellkulturen, welche durch die Viren aus dem Untersuchungsmaterial des Patienten infiziert sind. Hatten sich die Viren vermehrt, dann binden sie sich an die Antikörper 73

(Abbildung 8, Schritt 2). Diese an das Polystyrol angelagerten Virus-Antikörper-Komplexe weist man durch die Zugabe weiterer Antikörper nach, die zwar gegen dasselbe Virus gerichtet sind, aber ein anderes Protein oder ein anderes Epitop erkennen (Abbildung 8, Schritt 3). Diese Antikörper hat man zuvor mit einem Enzym vernetzt, nämlich der Peroxidase aus dem Meerrettich. Dieses Enzym dient als „Marker“ für die Viren, denn es ist nur dann in den Vertiefungen der Polystyrolplatte vorhanden, wenn sich die Erreger an die ersten Antikörper gebunden hatten. Die Aktivität der Peroxidase läßt sich durch Zugabe von Substraten (o-Phenylendiamin) sichtbar machen (Abbildung 8, Schritt 4). Die photometrische Messung der Intensität der Farbreaktion ermöglicht die Bestimmung der Virusmengen, die in der Kulturflüssigkeit vorhanden waren. Da die ELISA-Tests sehr empfindlich sind, kann man durch sie bei akuten Infektionen die Erreger auch häufig direkt aus dem Blut der Patienten nachweisen. In einigen Fällen erfolgt der Nachweis der Viren mittels des Hämagglutinationstests. Unter Hämagglutination versteht man die Eigenschaft einiger Viren, Verklumpung von roten Blutkörperchen (Erythrozyten) herbeizuführen. Sie ist mit bestimmten Strukturproteinen der Viren verbunden und ermöglicht den Erregern die Anlagerung an die Erythrozyten. Man findet diese Eigenschaft unter anderem bei den Para- und Orthomyxoviren, wie auch bei den Flavi-, Toga-, Corona- und Parvoviren. In diagnostischen Hämagglutionationstests vermischt man die virushaltigen Untersuchungsmaterialien üblicherweise mit Schaferythrozyten. Verklumpen diese, dann sind hämagglutinierende Viren in der Ausgangslösung vorhanden. Als Alternative zur Anzüchtung der Viren in der Zellkultur hat man heute eine bestimmte Technik, nämlich die sogenannte Polymerase-Kettenreaktion (PCR, polymerase chain reaction) zur Verfügung, mittels der man nicht den Erreger selbst, sondern ausschließlich die viralen Genomsequenzen auch in vitro vervielfältigen kann. Diese äußerst empfindliche Polymerase-Kettenreaktion wird heute zum schnellen, hoch spezifischen Erregernachweis eingesetzt. Mit ihr kann man auch geringste Mengen 74

von Virusgenomen oder -transkripten direkt aus dem Untersuchungsmaterial der Patienten vervielfältigen (amplifizieren). Theoretisch ist mit dieser Methode ein einziges virales Nukleinsäuremolekül im Testansatz nachweisbar. Voraussetzung ist, daß man die Basensequenz des nachzuweisenden Virusgenoms kennt. Besteht das zu amplifizierende Genom aus einem DNA-Doppelstrangmolekül, wählt man daraus zwei kurze Bereiche mit einer Länge von jeweils etwa 20 Basen, die komplementär zu je einem Strang der nachzuweisenden DNA-Doppelstränge sind und einen Abschnitt von 200 bis 400 Basen flankieren (Abbildung 9). Diese Basen dieser kurzen Sequenzbereiche können chemisch aneinandergefügt werden. Die gebildeten Oligonukleotide setzt man für die Vervielfältigung der Genomabschnitte ein: Nachdem man die im Biopsiematerial nachzuweisende DNA durch Erhitzen in Einzelstränge überführt hat, gibt man beide Oligonukleotide in einem hohen Überschuß zu (Abbildung 9, Schritte 1 und 2). Man läßt dann das Reaktionsgemisch abkühlen, dabei lagern sich die Oligonukleotide an die DNA-Einzelstränge an und bilden kurze Doppelstrangbereiche aus. Als weiteren Reaktionspartner gibt man in den Ansatz eine hitzestabile Form der DNA-Polymerase, üblicherweise die sogenannte Taq-Polymerase aus dem Bakterium Thermus aquaticus, einem Organismus, der in heißen Quellen von über 100 °C lebt und daher über Enzyme und Proteine verfügt, die auch bei diesen Temperaturen aktiv sind. DNA-Polymerasen eukaryotischer Zellen sind dagegen nicht temperaturstabil und verlieren beim Erhitzen ihre Aktivität. Des weiteren enthält der Testansatz die vier Nukleotidtriphosphate dATP, dGTP, dCTP und dTTP als Substrate der TaqPolymerase und als Bausteine der DNA. Die an die DNA-Stränge angelagerten Oligonukleotide wirken als Primer, das heißt, sie bilden die Ausgangsstellen für die Polymerisation, indem sie der Taq-Polymerase die 3’OH-Enden zur Verfügung stellen, an welche das Enzym die zu den Einzelsträngen komplementären DNASequenzen ansynthetisiert (Abbildung 9, Schritt 3). Als Folge liegen nun zwei doppelsträngige DNA-Moleküle im Reaktionsansatz vor, die durch kurzzeitiges Erhitzen wieder voneinander getrennt werden (Abbildung 9, Schritt 4). Während der sich 75

anschließenden Abkühlung lagern sich erneut Oligonukleotide an die Einzelstränge an und dienen als Ausgangsstellen für die Synthese weiterer Doppelstränge: Das ursprüngliche DNAMolekül ist somit zu vier Doppelsträngen amplifiziert worden (Abbildung 9, Schritt 5). Wiederholt man die Erhitzungs- und Abkühlungsperioden beliebig oft, gelangt man zu einer exponentiellen Amplifikation der Nukleinsäuremoleküle im Ausgangsmaterial. Handelt es sich im Ausgangsmaterial um Viren mit einem RNA-Genom, dann überführt man diese zuerst unter Zuhilfenahme eines Enzyms der Retroviren, nämlich der Reversen Transkriptase (Kapitel II.4, Abbildung 4) in doppelsträngige DNA. Daran schließen sich die zuvor beschriebenen Amplifikationsreaktionen an. Inzwischen verfügt man auch über Methoden zur quantitativen Bestimmung der Nukleinsäuren, so daß man beispielsweise die Viruslast – also die Zahl der Genomkopien pro Milliliter Blut – im jeweiligen Patienten feststellen kann. Dies ist insbesondere zur Überwachung des Erfolgs von chemotherapeutischen Behandlungen – beispielsweise bei AIDS-Patienten – sehr wichtig (Kapitel V). 2. Wie weist man virusspezifische Antikörper nach? Viren sind häufig nur für kurze Zeit im Patienten vorhanden. Oft muß daher eine Diagnose indirekt gestellt werden, das heißt durch die Bestimmung der Immunreaktion, die sich während der Infektion gegen die jeweiligen Erreger ausbildet. Üblicherweise weist man dabei im Serum der Patienten Antikörper (Immunglobuline) nach. Antikörper der Subklasse IgM weisen im allgemeinen auf eine akute oder erst kürzlich erfolgte Infektion hin. Wer-

Abb. 9: Prinzip der Polymerase-Kettenreaktion (polymerase chain reaction, PCR) zur Vervielfältigung (Amplifikation) von Nukleinsäuremolekülen (Virusgenomen) aus Untersuchungsmaterial. Dargestellt ist die Abfolge der einzelnen Reaktionsschritte (zu den Details siehe auch Beschreibung im Text). Durch mehrfache Wiederholung der Schritte 4 und 5 erhält man eine exponentielle Amplifikation der Ausgangsstränge.

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den dagegen IgG-Antikörper gegen ein bestimmtes Virus nachgewiesen, dann lassen sie auf eine länger zurückliegende, bereits abgelaufene Infektion schließen. Sie bleiben nach einer Infektion meist lebenslang im Blut vorhanden und sind auch ein Anzeichen dafür, daß die jeweilige Person vor einer Neuinfektion mit dem gleichen Erregertyp geschützt ist, daß also eine Immunität vorliegt. Den Immunglobulinen können folglich bestimmte Funktionen zugeordnet werden, so beispielsweise ihre Fähigkeit, das entsprechende Virus zu neutralisieren. Um dies zu testen, mischt man definierte Mengen infektiöser Viren mit den Antikörpern und gibt diese Suspension zu Zellkulturen. Die Antikörper sind neutralisierend, wenn die In-vitro-Infektion gehemmt ist, und die Bildung von Nachkommenviren unterbleibt. Der Nachweis virusspezifischer Antikörper erfolgt üblicherweise durch ELISA-, Western-Blot- oder Immunfluoreszenztests. Die ELISA-Tests unterscheiden sich von denen im vorhergehenden Abschnitt beschriebenen (Kapitel IV.1) in einem entscheidenden Punkt: Vorgegeben sind in diesem Fall nicht die Antikörper, die an das Polystyrol der Mikrotiterplatten gebunden werden, sondern bestimmte Viren oder Virusproteine, also das Antigen (Abbildung 10, Schritt 1). Diese binden sich an das Polystyrol der Näpfe, in welche man die auf das Vorhandensein von Antikörpern zu untersuchenden Patientenseren gibt (Abbildung 10, Schritt 2). Der Nachweis der Virusprotein-Antikörperkomplexe, die sich im positiven Fall gebildet haben, erfolgt auch hier mit sekundären Antikörpern, an welche ein Marker-Enzym, üblicherweise auch hier die Meerrettich-Peroxidase, gebunden ist. Sie lagern sich spezifisch an den konstanten Anteil, nämlich das Fc-Fragment, von menschlichem IgM- oder IgG-Antikörpern (Abbildung 10, Schritt 3). Gibt man nun das Substrat für die Peroxidase zu, bildet sich im positiven Fall, wenn also Antikörper im Serum des Patienten vorhanden waren, eine gelbe Farbreaktion aus. Da so ohne großen Aufwand Verdünnungsreihen der Seren auf den Gehalt an spezifischen Antikörpern untersucht werden können, kann man auch die Konzentration der Immunglobuline bestimmen. Der Western-Blot-Test funktioniert prinzipiell ähnlich: Man 78

Abb. 10: ELISA-Test zum Nachweis von virusspezifischen Antikörpern (Immunglobulinen): Darstellung der einzelnen Reaktionsschritte eines Antikörper-ELISA-Tests (siehe auch Beschreibung des Vorgangs im Text).

verwendet als Ausgangsmaterial Präparationen, die mehrere verschiedene Virusproteine enthalten, zum Beispiel solche von in der Zellkultur gezüchteten Viren, die gewöhnlich mehrere verschiedene Strukturproteine umfassen, oder Aufschlüsse von infizierten Zellen, die verschiedene frühe und späte Virusproteine enthalten. Als Alternative werden heute häufig Aufschlüsse von gentechnisch veränderten Bakterien eingesetzt, die diagnostisch wichtige Virusgene enthalten und diese exprimieren. Die verschiedenen Proteinkomponenten des Gemisches trennt man elek79

trophoretisch in einem mit Detergentien (Natrium-Dodecylsulfat) versetzten Polyacrylamidgel auf und überträgt sie auf Nitrozellulosefolien, welche man mit den Patientenseren inkubiert, die auf ihren Gehalt an virusspezifischen Antikörpern zu untersuchen sind. Im positiven Fall lagern sich diese spezifisch an die immobilisierten Proteine an, und die Komplexe können – wie oben beschrieben – mit Meerrettich-Peroxidase-gekoppelten sekundären Antikörpern nachgewiesen werden. Nach Zugabe eines Substrats (zum Beispiel Diaminobenzidin) färben sich die ProteinAntikörperkomplexe dunkel und werden somit sichtbar. Durch die Kombination beider Vorgehensweisen, nämlich durch den direkten Erregernachweis im Patienten und durch die Charakterisierung der im Infektionsverlauf entstehenden Antikörper kann man Virusinfektionen diagnostizieren und ihren Verlauf kontrollieren (Abbildung 11). Es existieren allerdings kurze Zeitspannen, in welchem man weder Virus noch Antikörper findet, die zu untersuchende Person aber dennoch infiziert ist. Das ist zum einen der Zeitraum direkt nach dem Kontakt mit dem Erreger, also kurz nachdem man infiziert wurde. Wie in Kapitel II.2 ausgeführt, gelangen Viren häufig durch Tröpfcheninfektion auf die Mund- und Nasenschleimhäute. Es genügt theoretisch ein infektiöses Viruspartikel, um eine Infektion einzuleiten. Die Erreger finden bereits an der Eintrittspforte die ersten Zielzellen, in welchen sie sich vermehren. Die Nachkommenviren, die dabei gebildet werden, breiten sich dann nach und nach in den verschiedenen Organen oder über das Blut im gesamten Körper aus. Bevor die Erreger allerdings in nachweisbaren Mengen vorhanden sind, können je nach Virustyp einige Tage oder auch Wochen vergehen. In dieser Inkubationsphase werden zumeist auch keine Erkrankungsanzeichen beobachtet. Während dieser Zeit ist der Mensch also bereits infiziert, die Viren sind aber noch nicht nachweisbar. Eine weitere Phase, in der man trotz einer Infektion weder Virus noch Antikörper findet, kann sich an den ersten Vermehrungsabschnitt der Erreger anschließen. Dieser Abschnitt macht insbesondere bei Infektionen mit dem Humanen Immundefi80

Abb. 11: Verlauf einer Virusinfektion an Hand der diagnostisch bestimmbaren Werte im Serum des Patienten am Beispiel einer akuten ParvovirusB19-Infektion. Zum Zeitpunkt 0 findet der erste Kontakt des Menschen mit dem Virus und damit die Infektion statt. Die Virusmengen im Blut (Virämie) und im Speichel steigen in den Tagen danach kontinuierlich an und erreichen etwa 7 Tage nach der Infektion ihr Maximum und sinken danach wieder ab. Das Virus beziehungsweise seine Erbinformation kann im Serum und im Rachenspülwasser mittels Antigen-Capture-ELISA- und Hämagglutinationstests sowie mittels der PCR nachgewiesen werden. Zugleich mit dem Rückgang der Virusmengen werden die ersten IgM-Antikörper gegen die Strukturproteine VP in ELISA- oder Western-Blot-Tests nachweisbar, und die Symptome der Infektion (Fieber, Hautausschlag, Anämie, Arthritis) treten auf. Im weiteren Verlauf wird das Virus eliminiert und ist in Blut und Speichel nicht mehr nachweisbar, IgG-Antikörper gegen die Strukturproteine des Virus folgen den IgM-Antikörpern und sind etwa 2 Wochen nach der Infektion erstmals im Serum vorhanden. Sie bleiben lebenslang bestehen, wohingegen die IgM-Antikörper wieder abnehmen und bereits 4–6 Wochen nach der Infektion nicht mehr nachgewiesen werden können.

zienzvirus (HIV) diagnostische Probleme: Nach anfänglicher, zeitlich begrenzter Vermehrung gehen diese Viren in ein Stadium der Latenz (Ruhephase) über. Die Viren haben ihre Erbinformation in DNA umgeschrieben und diese in das Wirtszellgenom einiger T-Lymphozyten integriert. Zu diesem Zeitpunkt beginnt sich die Immunantwort auszubilden, Antikörper sind jedoch noch nicht in nachweisbaren Mengen vorhanden. Andererseits ist die erste Vermehrungsphase bereits abgeschlossen, so daß 81

keine infektiösen Viren mehr vorhanden sind, und auch die Zahl der Zellen, die ein integriertes Genom enthalten, ist sehr gering. Folglich erhält man zu diesem Zeitpunkt kein positives diagnostisches Ergebnis. In den ersten Jahren nach der Entdeckung der Humanen Immundefizienzviren hat dieses Problem dazu geführt, daß einige Blutspenden die Erreger enthielten, obwohl in den Spendern diagnostisch keine Infektion nachweisbar war. Deswegen ist man dazu übergegangen, alle Blutkonserven in eine Art „Quarantäne“ zu nehmen und vor der Verwendung für einige Wochen zu lagern. Dann wird der Spender nochmals getestet und nur, wenn dieser zweite Test sich auch als negativ erweist, wird die Blutspende freigegeben und darf an Patienten verabreicht werden.

V. Kann man Virusinfektionen therapieren? 1. Warum gibt es keine „Antibiotika“ zur Therapie von Virusinfektionen? Wie schon in den vorangehenden Kapiteln erwähnt, verfügen die Viren als obligate Zellparasiten über keinen eigenen Stoffwechsel – ein Kriterium, in dem sie sich grundlegend von Bakterien, Pilzen und anderen einzelligen Infektionserregern unterscheiden. Während Bakterien beispielsweise die Synthese ihrer Proteine an Ribosomen durchführen, die aus Protein- und RNA-Komponenten zusammengesetzt sind, für deren Herstellung sie als Prokaryoten eigene Gene besitzen und die sich daher in ihrer Größe und Zusammensetzung von den Ribosomen eukaryotischer Zellen unterscheiden, haben die Viren hierfür keine genetische Information zur Verfügung. Auch bei den meisten anderen Vorgängen ihrer Vermehrung, wie bei der Genomreplikation oder der Synthese von RNA-Produkten, sind sie weitgehend auf die Leistungen der Wirtszellen angewiesen. Bakterien sind im Unterschied zu Viren gleichsam autonom. Sie unterscheiden sich in der Art und Weise, in der sie bestimmte Synthese- oder Stoffwechselschritte vollziehen, von denen der Säugetierzellen. Genau das ermöglicht jedoch dem Therapeuten einen gezielten Eingriff in diese Prozesse mittels Substanzen, die selektiv nur die bakteriellen Komponenten angreifen. So kann man die Proteinsynthese der Bakterien durch den Einsatz von antibiotisch wirkenden Substanzen, wie beispielsweise durch Tetracyclin oder durch Erythromycin hemmen, weil diese ganz gezielt die Anlagerung der mit Aminosäuren beladenen tRNAs an die bakteriellen Ribosomen beziehungsweise die Schritte bei der Translokation der bakteriellen Ribosomen zur Verlängerung der wachsenden Aminosäureketten unterbinden. Da sie wegen des unterschiedlichen Aufbaus der Ribosomen die entsprechenden Vorgänge in Eukaryoten nicht beeinflussen, kann man Menschen, die mit krankheitserregenden Bakterien infiziert sind, mit den erwähnten Antibiotika behandeln. Sie hemmen ausschließ83

lieh die Proteinsynthese und in Folge auch das Wachstum der Bakterien, wodurch diese aus dem Organismus eliminiert werden, ohne daß gleichzeitig eine Schädigung der Körperzellen stattfindet. Ähnlich selektiv greifen viele andere Antibiotika in die Stoffwechselwege oder Enzymreaktionen der Bakterien ein. Da Viren bei der Synthese ihrer Proteinkomponenten hingegen die Ribosomen und Enzyme der infizierten Zellen verwenden, kann man diesen Vorgang natürlich nicht hemmen, ohne zugleich auch alle Körperzellen – unabhängig davon, ob sie infiziert sind oder nicht – abzutöten oder zumindest schwer zu schädigen. Auch sind Viren für die Bildung ihrer Bestandteile, wie der Proteine und Nukleinsäuren, auf die synthetischen Leistungen der von ihnen befallenen Wirtszellen angewiesen. Deswegen können sie keine Produkte herstellen, die sich in ihrer Chemie und Zusammensetzung von denjenigen der Zelle grundlegend unterscheiden. Bakterien verfügen beispielsweise über eine spezielle Zellwand, die aus Bauteilen besteht, die man in eukaryotischen Zellen nicht findet. Dazu zählt das Murein – ein Polymer aus miteinander vernetzten Zuckerketten, welche aus N-Acetylglucosamin und N-Acetylmuraminsäure bestehen. Es bildet in einer oder mehreren Schichten das Murein, welches Bestandteil der Zellwand von gram-negativen wie gram-positiven Bakterien ist. Eukaryotische Zellen verfügen nicht über Enzyme zur Bildung dieses Riesenmoleküls und stellen es folglich auch nicht her. Für die Quervernetzung der Zuckerketten benötigen Bakterien eine spezielles Enzym, nämlich eine sogenannte Transpeptidase, deren Aktivität durch Penicilline gehemmt werden kann. Deswegen verhindern diese Antibiotika die Bildung des Mureins als essentiellen Bestandteil der Bakterienzellwand. Ein Schritt, der bei höheren Konzentrationen zur Auflösung der Bakterien führt, weil das fehlerhaft quervernetzte Murein dem Innendruck des Zytoplasmas nicht mehr standhält. Da Murein und folglich auch die für seine Bildung notwendigen Enzyme in Körperzellen nicht vorkommen, kann man Penicilline als antibiotisch wirkende Substanzen gezielt zur Bekämpfung von bakteriellen Infektionserregern einsetzen. Ähnlich wie 84

Bakterien unterscheiden sich aber auch Pilze, obwohl sie zu den Eukaryoten gehören, in der Zusammensetzung ihrer Zellwand von den Körperzellen: Hier findet man Chitine und Zellulose, die Zytoplasmamembran enthält Ergosterol als pilzspezifischen Bestandteil. Hieran lagert sich die antimycotisch (gegen die Pilzkrankheit gerichtete) wirkende Substanz Amphotericin B an – ein Vorgang, der zu einer erhöhten Durchlässigkeit der Membran und schließlich zur Zerstörung der Pilzzellwand führt. Alternativ kann man gezielt auch die Synthese des Ergosterols selbst durch Antimycotika wie beispielsweise Fluconazol oder Itraconazol hemmen; auch dies ist mit dem Absterben der Pilzzellen verbunden. Während man insbesondere für die Therapie von bakteriellen Infektionen heute über viele selektiv wirkende Antibiotika verfügt, hat man für die Behandlung von Viruserkrankungen nur eine sehr begrenzte Anzahl von Substanzen zur Verfügung. Antiviral wirkende Substanzen müssen streng selektiv ausschließlich auf die Funktionen zielen, in denen sich Viren von ihren Wirtszellen unterscheiden. Zelluläre Prozesse sollten von diesen Medikamenten möglichst wenig beeinflußt werden, weil die Körperzellen sonst stark geschädigt und die Nebenwirkungen das akzeptable Maß überschreiten würden. Angreifbar sind virale Infektionserreger während ihrer Vermehrung, wenn sie eigene, das heißt viruskodierte Enzyme verwenden, die in dieser bestimmten Form in den Körperzellen nicht vorkommen oder sich deutlich von diesen unterscheiden. Da Viren vor allem für die Vorgänge bei der Vervielfältigung ihrer Erbinformation spezielle Enzymfunktionen benötigen (siehe auch Kapitel II, Abschnitt 4), hemmt die überwiegende Zahl der heute verfügbaren Chemotherapeutika die virale Genomreplikation. Verwenden Viren hierfür eigene Polymerasen, dann unterscheiden sich diese meist von den zellulären Enzymen, was eine gezielte Hemmung ermöglicht. Der sogenannte chemotherapeutische Index, der das Verhältnis zwischen der Konzentration einer Substanz, die man für die Hemmung der Virusvermehrung benötigt, und derjenigen beschreibt, ab der man eine 85

zelltoxische Wirkung beobachtet, sollte dabei immer möglichst hoch sein. Neben den Polymerasen bieten aber auch andere viruskodierte, im Nukleinsäurestoffwechsel aktive Enzyme (wie beispielsweise die Ribonukleotidreduktasen oder Thymidinkinasen der Herpesviren) Angriffspunkte für die Entwicklung spezifisch wirkender Stoffklassen. Jedoch können auch andere Virusenzyme als Ziele für antiviral wirkende Chemotherapeutika dienen: Retroviren zerschneiden beispielsweise die Vorläuferprodukte ihrer Strukturproteine mit speziellen Proteasen. Durch den Einsatz entsprechend wirkender Protease-Hemmstoffe (Inhibitoren) läßt sich die Bildung infektiöser Nachkommenviren unterbinden. Grundsätzlich denkbar ist auch, eine Reihe anderer virusspezifischer Vorgänge im Infektionsverlauf zu hemmen, zum Beispiel die Adsorption, die Freisetzung der viralen Nukleinsäure im Zytoplasma, den Zusammenbau der neugebildeten Virusbestandteile bei der Morphogenese oder die Freisetzung der Virionen aus der Zelle (siehe Kapitel II). Vor der Anwendung bei Virusinfektionen im Menschen müssen aber neben den pharmakokinetischen Eigenschaften und den molekularen Wirkmechanismen eines Chemotherapeutikums auch seine Resorption (Art der Aufnahme durch die Körperzellen), Bioverfügbarkeit (Verteilung im Organismus), Halbwertszeit, Ausscheidungsrate und nicht zuletzt auch seine Nebenwirkungen auf den Organismus bekannt sein. 2. Wann werden Virusinfektionen mit Chemotherapeutika behandelt? Grundsätzlich möchte man alle lebensbedrohenden oder mit schweren Folgen verbundenen Viruserkrankungen therapieren, die sich durch eine Impfung nicht verhindern lassen. Bisher sind Chemotherapeutika jedoch nur in einer relativ begrenzten Zahl verfügbar. Behandelbar sind Infektionen durch die Humanen Immundefizienzviren (HIV), Herpesviren und Influenzaviren. Dabei werden von den heute verfügbaren antiviralen Hemmstoffen aber nur die sich aktiv replizierenden Viren getroffen. Ver86

bleibt die Erbinformation im latenten Zustand als Episom – wie bei den Herpesviren – oder integriert in das Wirtszellgenom (Humane Immundefizienzviren) in einem Teil der Körperzellen, dann wird sie in ihrer Existenz von den verfügbaren Chemotherapeutika nicht beeinflußt. Eine wirkliche „Heilung“, also auch die Ausrottung der latenten Viren beziehungsweise der Virusgenome, ist daher nicht möglich. Außer für die Behandlung von Erkrankungen, die durch Herpes- und Retroviren verursacht werden, stehen in begrenztem Umfang antivirale Substanzen auch für die Therapie schwerer Infektionsformen mit den Respiratorischen Syncytialviren bei Kleinkindern (Lungenentzündungen), den Lassaviren (Lassafieber) und Papillomviren (Kondylome) zur Verfügung (Tabelle 4). Eine unerläßliche Voraussetzung für eine erfolgreiche antivirale Chemotherapie ist die präzise Kenntnis des Erregers. Auch muß die entsprechende Diagnose nicht nur möglichst früh im Infektionsverlauf gestellt werden, sie muß schnell und genau erfolgen. Hierzu muß der Erreger im Patienten, das heißt in seinem Blut, Serum, Speichel oder anderen Proben nachgewiesen werden. Jedoch auch während der Therapie muß ihr Erfolg durch Bestimmung der Viruskonzentration im Blut regelmäßig kontrolliert werden. Dazu setzt man heute meist die sehr empfindliche Methode der Polymerase-Kettenreaktion ein, mittels der die Virusgenomsequenzen vervielfältigt und daher auch einige wenige Kopien der Erbinformation nachgewiesen werden können. In einigen Fällen werden auch die Viruspartikel oder bestimmte Virusproteine im Untersuchungsmaterial der Patienten mittels Hämagglutinations- oder Immunfluoreszenztests quantitativ nachgewiesen (siehe Kapitel IV). 3. Wie wirken die antiviralen Chemotherapeutika? Ursprünglich versuchte man, zur Therapie von Virusinfektionen die tumorhemmenden Medikamente (Zytostatika, Tumoristatika) zu verwenden, die bereits zur Krebsbehandlung verwendet wurden und in ihrer Wirkung bekannt waren. So wurde erprobt, ob sich Hemmstoffe der zellulären DNA-Replikation (wie 87

Tab. 4: Wichtige antivirale Chemotherapeutika und ihr Einsatzgebiet Hemmstoff

Alternative Bezeichnung

Einsatzgebiet

Wirkungsweise

Acycloguanosin

Zovirax Aciclovir

Herpes-simplex-Virus Varicella-Zoster-Virus

Gangciclovir

Cymeven

Zytomegalievirus

Bromvinyldesoxyuridin

Brividin, Helpin

Herpes-simplex-Virus Varicella-Zoster-Virus

Adenosinarabinosid

Vidarabin

Herpes-simplex-Virus Varicella-Zoster-Virus

Basenanalogon, Kettenabbruch bei Genomreplikation Basenanalogon, Kettenabbruch bei Genomreplikation Basenanalogon, Kettenabbruch bei Genomreplikation, Hemmung der DNAPolymerase Basenanalogon, Kettenabbruch bei Genomreplikation Basenanalogon, Kettenabbruch bei Genomreplikation Blockiert H+-Transporter, blockiert den Uncoating-Vorgang NeuraminsäureAnalogon, hemmt Neuraminidase nicht-nukleosidisch, hemmt Polymerasen

Famciclovir

Herpes-simplex-Virus Varicella-Zoster-Virus Epstein-Barr-Virus Influenza-A-Virus

Amantadin/ Rimantadin Zanamivir

Influenza-A-Virus

Salz der Phosphonoameisensäure,

Foscarnet

Azidothymidin

Zidovudin

Herpes-simplex-Virus Zytomegalievirus Varicella-Zoster-Virus HIV HIV

Didesoxycytidin

Zalcitabin

HIV

Didesoxyinosin

Didanosin

HIV

Didesoxy–3’thiacytidin

Lamivudin

HIV

Nevirapin

HIV

nicht-nukleosidisch,

Saquinavir

Ribavirin

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Indinavir Nelfinavir Ritonavir

HIV

Lassavirus Respiratorisches Syncytialvirus

Basenanalogon, hemmt Reverse Transkriptase Basenanalogon, hemmt Reverse Transkriptase Basenanalogon, hemmt Reverse Transkriptase Basenanalogon, hemmt Reverse Transkriptase hemmt Reverse Transkriptase hemmt Protease

hemmt Capping der Transkripte

beispielsweise Cytosinarabinosid oder Ioddesoxyuridin) auch zur Hemmung der Genomreplikation von Viren einsetzen ließen. Da die Substanzen jedoch relativ unspezifisch sowohl die viralen wie die zellulären DNA-Polymerasen hemmten, der chemotherapeutische Index (siehe oben) also nicht sehr hoch war, waren mit ihrem Einsatz erhebliche Nebenwirkungen verbunden. Therapie von Herpesvirus-lnfektionen Als erste wurden die Zytostatika zur Therapie von Infektionen mit Herpes-simplex-Viren erprobt. Ioddesoxyuridin wird wegen seiner Nebenwirkungen heute nur noch in Ausnahmefällen zur äußerlichen Behandlung der durch das Herpes-simplex-Virus verursachten Horn- und Bindehautentzündung des Auges (Keratokonjunktivitis) verwendet. Mit fortschreitendem Wissen über die Molekularbiologie der Zellen, aber auch diejenige der Viren, begann man statt dessen, die bekannten DNA-Replikationshemmstoffe durch Veränderung der Seitengruppen gezielt zu modifizieren, um so spezifischer wirkende Substanzen mit einer höheren Selektivität und weniger Nebenwirkungen zu erhalten. So gelang die Herstellung von Acycloguanosin, das bis heute erfolgreich zur Behandlung von Herpesvirusinfektionen eingesetzt wird. Es handelt sich dabei um ein sogenanntes Nukleosid- oder Basenanalogon, da es den Bausteinen zur DNA-Synthese, in diesem Fall dem Guanosin ähnelt. Basenanaloga konkurrieren in der infizierten Zelle mit den natürlichen Nukleotiden, binden sich an die aktiven Zentren der DNA-Polymerasen und hemmen hierdurch die Enzyme oder werden in die wachsenden Nukleinsäurestränge eingebaut. Als Folge bewirken sie während der Genomreplikation Abbruche der wachsenden DNA-Stränge. Acycloguanosin, auch als Aciclovir (Handelsname auch Zovirax) bekannt, ist ein Abkömmling der Base Guanosin. Der Zuckerrest – in den natürlichen Nukleotidbausteinen der DNA normalerweise eine Desoxyribose – ist jedoch unvollständig, das heißt acyclisch (Abbildung 12). Herpes-simplex- und VaricellaZoster-Viren besitzen in ihrer Erbinformation ein Gen, das sie befähigt, in den infizierten Zellen das Enzym Thymidinkinase 89

zu bilden. Kinasen sind Enzyme, die Phosphatgruppen an unterschiedliche Substrate anfügen. Thymidinkinasen haben die Aufgabe, das Nukleosid Thymidin zu phosphorylieren. Die viralen Thymidinkinasen verwenden zusätzlich zum natürlichen Thymidin auch das Acycloguanosin als Substrat und phosphorylieren es (Abbildung 12, Schritt 1). Hierdurch wird AcycloguanosinMonophosphat gebildet, welches anschließend von zellulären Kinasen mit weiteren Phosphatgruppen versehen wird. So entsteht ein Acycloguanosin-Triphosphat, das nun einem dGTP, also dem Substrat für die DNA-Polymerase zum Einbau von Guanosinresten in neu gebildete DNA-Stränge, ähnelt (Abbildung 12, Schritt 2). Herpesviren besitzen in ihrer Erbinformation nicht nur ein Gen für die virale Thymidinkinase, sondern auch eines für eine eigene virale DNA-Polymerase. Diese verwendet das Acycloguanosin-Triphosphat bevorzugt als Substrat und baut es bei der Replikation in die wachsenden DNA-Stränge der Herpesvirusgenome ein (Abbildung 12, Schritt 3). Wegen des unvollständigen Desoxyriboserings bricht die Neusynthese der DNA ab, die virale Genomreplikation wird gestoppt. Zelluläre DNA-Polymerasen verwenden das Acycloguanosin-Triphosphat nicht als Substrat. Deshalb wird es nur selten bei der Duplikation des Zellgenoms in die wachsenden DNA-Stränge eingebaut. Zusätzlich garantiert die spezifische Aktivierung des Acycloguanosin mittels der Phosphorylierung durch die virale Thymidinkinase, daß die Substanz ausschließlich in Zellen wirksam ist, die von Herpes-simplex- oder Varicella-Zoster-Viren infiziert sind.

Abb. 12: Wirkungsweise von Acycloguanosin, einem Basenanalogon des Guanosin, das zur Behandlung von Infektionen durch Herpesviren eingesetzt wird. Die Zuckereinheit des Acycloguanosin ist unvollständig (fett dargestellt). Das Acycloguanosin wird nach seiner Aufnahme durch die infizierten Zellen von der herpesviralen Thymidinkinase phosphoryliert (Schritt 1, Aktivierung). Das Anfügen weiterer Phosphatreste erfolgt durch zelluläre Kinasen, es entsteht das Acycloguanosin-Triphosphat (Schritt 2). Dieses wird bei der Neusynthese von Herpesvirus-Genomen von der herpesviralen DNA-Polymerase in die wachsenden DNA-Stränge eingebaut (Schritt 3). Es kommt wegen der unvollständigen Zuckereinheit zum Abbruch der Replikation und somit der Infektion.

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Ähnlich wirkt das Gangciclovir, das eine Modifikation des Acycloguanosin und darum ebenfalls ein Guanosinanalogon ist. Gangciclovir wirkt besonders gut bei Infektionen mit einem anderen Herpesvirus, nämlich dem Cytomegalovirus. Auch die anderen Basenanaloga wie Famciclovir, Adenosinarabinosid oder Bromvinyldesoxyuridin sowie Bromvinylarauridin, die man zur Behandlung von Erkrankungen durch die Herpes-simplex- und Varicella-Zoster-Viren verwendet, funktionieren auf diese Weise. Therapie von Infektionen durch die Humanen Immundefizienzviren (HIV) Die HIV-Infektion hat in besonderer Weise den Ehrgeiz der Molekularbiologen geweckt, Chemotherapeutika zu entwickeln, die eine Behandlung der bisher tödlichen AIDS-Erkrankung ermöglichen. Heute stehen daher eine Reihe von Substanzen zur Verfügung, die die Vermehrung der Humanen Immundefizienzviren hemmen. Bei den meisten handelt es sich wiederum um Nukleosidanaloga. In diesem Fall beeinflussen sie die Funktion und Aktivität der Reversen Transkriptase der Humanen Immundefizienzviren und verhindern daher den Schritt zum Umschreiben des viralen RNA-Genoms in doppelsträngige DNA (Abbildung 4). Dieser Vorgang ist eine Voraussetzung für die Integration des HIV-Genoms in die Erbinformation der Wirtszelle. Unterbindet man ihn, dann stoppt die Infektion. Mit der Hemmung der Reversen Transkriptase wird somit ein für die Retroviren obligater Vorgang blockiert, und betroffen ist davon ein Enzym, welches in den Körperzellen nicht vorkommt. Das erste Chemotherapeutikum, das bereits 1987 zur Behandlung von AIDS zum Einsatz kam, war Azidothymidin (AZT, Zidovudin). Dies ist ein Basenanalogon des Thymidin. An der 3’-Position der Desoxyribose besitzt es statt der OH(Hydroxygruppe) eine N3-Gruppe (Azidogruppe). Die Reversen Transkriptasen der Humanen Immundefizienzviren verwenden es als Substrat und bauen es beim Umschreiben des viralen RNA-Genoms in die DNA-Stränge ein. Die N3-Gruppe an der Zuckereinheit verhindert das Anfügen weiterer Nukleotide – es 92

kommt zum Abbruch der wachsenden DNA-Stränge (Abbildung 13). In der Zwischenzeit wurden verschiedene weitere Basenanaloga entwickelt; hierzu zählen Didesoxycytidin (ddC, Zalcitabin), Didesoxyinosin (ddI, Didanosin) und Didesoxy-S’-Thiacytidin (3TC, Lamivudin). Sie hemmen die Reverse Transkriptase der Humanen Immundefizienzviren und teilweise auch diejenige des Hepatitis-B-Virus. Deswegen setzt man diese Medikamente auch zur Behandlung der chronischen Hepatitis B ein. Außerdem gibt es Hemmstoffe der Reversen Transkriptase, deren Wirkung auf einem anderen Prinzip beruht: Nevirapin wie auch Foscarnet – chemisch ein Trinatriumsalz der Phosphonoameisensäure – wirken nicht als Basenanaloga. Das heißt, sie stehen nicht im Wettbewerb mit den natürlichen Bausteinen der DNA-Synthese, sondern binden sich wie beispielsweise das Foscarnet an andere Bereiche der Reversen Transkriptase (beispielsweise an die sogenannte Pyrophosphatbindungsstelle). Die Humanen Immundefizienzviren benötigen für die Produktion infektiöser Nachkommenviren ein weiteres Enzym: Es handelt sich um eine virale Protease, die für das Zerschneiden der Vorläuferproteine verantwortlich ist, aus welchen im Zuge der Virusreifung die Strukturkomponenten der infektiösen Partikel entstehen. Die Aktivität der viralen Protease kann durch Substanzen wie Saquinavir, Indinavir oder Nelfinavir gehemmt werden. Sie ähneln den Aminosäurefolgen, an welchen die Protease gewöhnlich die Vorläuferproteine schneidet. Therapie von Influenzavirus-Infektionen Auch die klassische Virusgrippe, eine epidemisch auftretende Infektion, die durch die Influenza-A-Viren verursacht wird, kann man chemotherapeutisch behandeln. Die Viren bieten dafür zwei unterschiedliche Angriffspunkte an: (I) In ihren Virionen enthalten die Influenza-A-Viren ein bestimmtes Protein, das sogenannte M2-Protein, das den Transport von H+-Ionen fördert (Ionenkanalprotein, siehe Kapitel II.4). Diese Aktivität benötigen die Viren, um nach 93

der Adsorption und der Aufnahme der Viruspartikel über die Endozytose die RNA-haltigen Nukleokapside in das Zytoplasma freisetzen zu können (Abbildung 5B). Für diesen Uncoating-Prozeß ist die Ansäuerung der Umgebung durch das M2-Protein unerläßlich. Seine Aktivität kann man durch Amantadin oder Rimantadin hemmen. Hierbei handelt es sich um modifizierte Adamantane, das sind polyzyklische, aliphatische Ringsysteme, die sich hinsichtlich ihrer Größe und Ladung perfekt in den Kanal des viralen H+-Ionentransporters einlagern. Der Transport der Protonen ist dadurch unterbunden, das Virus kann seine Genomsegmente nicht freisetzen und daher auch nicht replizieren, es gibt somit keine Nachkommenviren. (II) Die membranumhüllten Influenzaviren haben zwei für den Infektionsablauf wichtige Oberflächenproteine: Neben dem Hämagglutinin, über welches die Influenzaviren bei der Adsorption an Sialylsäurereste (N-Acetylneuraminsäuren) auf der Zelloberfläche binden (Kapitel II.3), haben diese Viren ein weiteres in der Membran verankertes Protein, die sogenannte Neuraminidase. Es entfernt die Sialylsäuren, welche während der Infektion auch an die Virusproteine angehängt werden. Dies ist notwendig, um zu verhindern, daß die Nachkommenviren über die Hämagglutinine an ihre „Geschwister“ binden und so miteinander verklumpen. Die Influenzaviren könnten sich in diesem Fall im Körper nicht ausbreiten, auch die Übertragung der Infektion wäre dadurch

Abb. 13: Wirkungsweise von Azidothymidin, einem Basenanalogon des Thymin, das zur Behandlung von Infektionen durch die Humanen Immundefizienzviren eingesetzt wird. An der Zuckereinheit des Azidothymidin befindet sich statt einer OH-Gruppe eine Azidogruppe (N,, fett dargestellt). Das Azidothymidin wird nach seiner Aufnahme durch die infizierten Zellen von zellulären Kinasen phosphoryliert (Schritt 1, Aktivierung). Es entsteht das Azidothymidin-Triphosphat (Schritt 2). Dieses wird beim Umschreiben der HIV-Genome in DNA von der viralen Reversen Transkriptase in die wachsenden DNA-Stränge eingebaut (Schritt 2). Es kommt wegen der Anwesenheit der Azidogruppe Zuckereinheit zum Abbruch des Vorgangs und somit der Infektion.

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behindert. Die Aktivität der Neuraminidase kann man durch Substanzen wie Zanamivir hemmen. Sie ähneln der Neuraminsäure und blockieren das aktive Zentrum des Enzyms. Außer den bisher erwähnten gibt es noch einige weitere antivirale Substanzen: Ribavirin hemmt die Vermehrung der Respiratorischen Syncytial- sowie der Lassaviren. Die Selektivität von Ribavirin ist allerdings nicht sehr hoch, das heißt, auch nicht infizierte Zellen werden durch den Einsatz geschädigt, die Nebenwirkungen sind daher zahlreich. Auch zur Behandlung von Kondylomen (Hautwarzen im Genitalbereich), die durch Papillomviren verursacht werden, hat man erste Substanzen wie das Cidofovir (Phosphonylmethoxypropylcytosin) zur Verfügung. Man konnte zeigen, daß bei etlichen der Infektionserkrankungen der Behandlungserfolg durch die gleichzeitige Gabe von Interferonen oder von Medikamenten zur gezielten Einleitung der körpereigenen Interferonproduktion deutlich verbessert werden können. 4. Warum ist die antivirale Chemotherapie nicht immer erfolgreich? Viele Viren verwenden zur Vervielfältigung ihrer Genome Enzyme, für die sie in der Erbinformation eigene Gene besitzen, und die sie im Infektionsverlauf synthetisieren. Die viralen Polymerasen sind hochspezialisierte Enzyme, die den Viren eine effiziente Replikation ihrer Erbinformation ermöglichen. Ihnen fehlt jedoch eine wichtige Eigenschaft, die zelluläre DNA-Polymerasen auszeichnet: Virale Polymerasen verfügen meist nicht über die Systeme, um zu überprüfen, ob die neu gebildeten Genome in ihrer Sequenz völlig komplementär zu den Matrizensträngen sind, die sie abschreiben. Sie haben also keine, wie man sagt, „Proofreading“-Kapazität. Viren mutieren daher sehr einfach und schnell (siehe auch Kapitel III.2). Werden nun antivirale Chemotherapeutika zur Behandlung von Viruserkrankungen eingesetzt, dann üben diese einen starken Selektionsdruck auf die Erreger aus. Es werden dadurch immer die Virusvarian96

ten ausgewählt beziehungsweise begünstigt, deren Polymerasen gegen die verschiedenen Hemmstoffe resistent sind und sich daher ihrer Wirkung entziehen. Diese Varianten werden von den Hemmstoffen nicht mehr beeinflußt, sie können überleben, auch wenn sie – bedingt durch die Mutationen – sich nicht mehr so optimal vermehren können wie die Wildtypviren, aus denen sie entstanden sind. Solche resistenten Viren hat man schon bald bei AIDS-Patienten gefunden, die mit den ersten verfügbaren Hemmstoffen der Reversen Transkriptase wie dem Azidothymidin behandelt wurden. Sie treten jedoch auch auf, wenn zur Behandlung der Influenza (Grippe) Amantadin eingesetzt wird oder wenn man Herpesvirusinfektionen mit den entsprechend wirkenden Substanzen therapiert. Bei den Humanen Immundefizienzviren verändern die Mutationen die Reverse Transkriptase so, daß das Enzym die Hemmstoffe nicht mehr als Substrate akzeptiert, sie binden sich nicht mehr daran. Die verschiedenen Chemotherapeutika, die man heute zur Behandlung von AIDS einsetzt, binden sich allerdings an unterschiedliche Bereiche der Reversen Transkriptase. Um gegen alle resistent zu werden, muß sich die Reverse Transkriptase folglich in mehreren Bereichen verändern und verliert dabei meist auch ihre Funktion. Deswegen setzt man heute Kombinationen von mehreren Hemmstoffen ein, die verschiedene molekulare Angriffspunkte haben. Durch diese Kombinationstherapie soll es den Viren erschwert werden, alle für eine mögliche Resistenzbildung notwendigen Proteinregionen zu verändern. Auch erwartet man, daß dadurch die Enzymfunktion und deswegen auch die Überlebensfähigkeit der möglicherweise vollresistenten Viren stark beeinträchtigt wird. Durch Einsatz der Kombinationstherapie und durch die Entwicklung neuer antiviraler Hemmstoffe konnte man im Fall der AIDS-Erkrankung deutlich verbesserte Therapieformen entwickeln, welche die Ausbildung resistenter Immundefizienzviren lange verzögern und einen weitgehend symptomfreien Zustand bei den infizierten Personen aufrechterhalten. Allerdings ist eine endgültige Heilung, also die Vernichtung aller Virusgenome im Organismus, auch damit nicht möglich. 97

VI. Wie kann man einer Virusinfektion vorbeugen? 1. Wie wirkt eine Impfung? Viren sind als Infektionserreger in der Bevölkerung vorhanden, je nach Virustyp werden sie auf unterschiedliche Art und Weise von Mensch zu Mensch verbreitet (Kapitel II.7). Sie sind jedoch nicht in der Lage, Dauerformen auszubilden, die in der Umwelt lange Zeit bestehen können. Auch die hüllmembranlosen und daher relativ stabilen Parvo- oder Papillomviren sowie die Hepatitis-A- und Hepatitis-E-Viren sind empfindlich gegenüber Austrocknung und anderen Umweltbedingungen. Sie können daher nur begrenzte Zeit außerhalb ihrer Wirte überleben. Mit Ausnahme von wenigen Arten, die – wie beispielsweise die Tollwutoder die Frühsommer-Meningoenzephalitisviren (FSME-Viren) – normalerweise Tiere infizieren und nur gelegentlich durch Bisse beziehungsweise Zeckenstiche auf die Menschen übertragen werden, sind Viren existentiell darauf angewiesen, daß sie die Infektketten von Mensch zu Mensch aufrechterhalten. Das gilt insbesondere für Virustypen wie beispielsweise die Röteln- oder Mumpsviren, die ihre Wirte akut infizieren, dann aber von der sich im Infektionsverlauf entwickelnden Immunantwort des Infizierten innerhalb von einigen Wochen bis Monaten aus dem Organismus entfernt werden. Das erstmalige Auftreten dieser Viren muß mit der Verstädterung des Menschen verknüpft gewesen sein, denn aus kleinen, isoliert lebenden Gruppen würden diese Erreger schnell verschwinden. Die meisten dieser humanpathogenen Viren sind daher entwicklungsgeschichtlich relativ jung, denn nur in Gesellschaften mit relativ großer Bevölkerungsdichte konnten und können sie die für ihr Überleben notwendigen Infektketten aufrechterhalten. Ein anderes Verhalten zeigen dagegen Viren, die eine latente oder persistierende Infektion im Menschen etablieren (Kapitel III.2), wie beispielsweise die Herpes-, die Hepatitis-B- oder Papillomviren. Sie verbleiben nach der Infektion in bestimmten Körperzellen und werden kontinuierlich oder in immer wieder99

kehrenden Intervallen ausgeschieden und übertragen. Man zählt sie deshalb zu den phylogenetisch (stammesgeschichtlich) alten, gut an den Menschen angepaßten Viren, die auch in kleinen Bevölkerungsgruppen überleben können. In unserer heute sehr dicht besiedelten Welt, auf der die geographischen Regionen und Kontinente aufgrund einer kontinuierlich wachsenden Reiseaktivität immer näher zusammenrücken, kann man den Kontakt mit Viren kaum vermeiden. Nur bei einigen Infektionen, bei denen die Erreger an bestimmte Übertragungswege gebunden sind, können hygienische Maßnahmen oder die Beeinflussung von menschlichen Verhaltensmustern dazu beitragen, daß die Ausbreitung in der Bevölkerung verhindert wird. Hierzu zählen beispielsweise die Infektionen durch die Humanen Immundefizienzviren (HIV), die ausschließlich durch kontaminiertes Blut oder durch Geschlechtsverkehr übertragen werden. Die konsequente Testung aller Blutspenden auf das Vorhandensein infektiöser Viren mittels der PolymeraseKettenreaktion hat zumindest in den Ländern der westlichen Welt die Übertragung durch Bluttransfusionen und Blutprodukte weitgehend unterbunden. Würden zusätzlich der gemeinsame Gebrauch von Injektionsnadeln – sowohl bei den vom Mißbrauch intravenöser Drogen abhängigen Personen wie auch bei medizinischen Behandlungen vor allem in der Dritten Welt – sowie sexuelle Promiskuität und ungeschützter Geschlechtsverkehr eingedämmt, dann könnte man vermutlich die Zahl der HIV-Infektionen und der AIDS-Erkrankungen drastisch reduzieren. In der heutigen Zeit sind Impfstoffe der einzig sinnvolle Weg zum Schutz vor Infektionen. Sie dienen überwiegend der Prävention, das heißt, sie sollen in den immunisierten Personen die Bildung von Abwehrstoffen einleiten, die sie bei Kontakt mit dem jeweiligen Erreger vor der Infektion und somit vor der Erkrankung schützen. Grundsätzlich kann man zwei Typen der Immunisierung unterscheiden: (I) Die aktive Immunisierung. Dabei wird im Organismus eine lang andauernde, schützende Immunantwort hervorgerufen, die im Idealfall aus einer Kombination von neutralisie100

renden Antikörpern und zytotoxischen T-Zellen besteht. Durch den Impfstoff wird die Infektion im Körper simuliert, dem Immunsystem wird die Präsenz eines Virus gleichsam vorgegaukelt. Verwenden kann man dafür entweder Lebend- oder Totimpfstoffe. (II) Die passive Immunisierung. Sie beruht auf der Gabe von Antikörpern (Immunglobulinen), die ein bestimmtes Virus neutralisieren können. Der dadurch hervorgerufene Schutz hält allerdings nur wenige Wochen an. Die passive Immunisierung wird daher nur selten und in speziellen Fällen einsetzt. Lebendimpfstoffe Lebendimpfstoffe enthalten vermehrungsfähige Infektionserreger. In der geimpften Person infizieren die Impfviren bestimmte Zellen und bewirken die Synthese von Virusproteinen und -partikeln. Die so gebildeten Komponenten werden vom Immunsystem des Geimpften als „fremd“ erkannt, was die Bildung von spezifischen, neutralisierenden Antikörpern und von zytotoxischen T-Zellen einleitet. Neutralisierende Antikörper sind überwiegend gegen virale Oberflächenstrukturen, also gegen die Membran- beziehungsweise Kapsidproteine gerichtet. Sie können sich an die Viren anlagern, ihre Adsorption an die Zellen und so die Infektion selbst verhindern. Die mit den Antikörpern beladenen Viren aktivieren immunologische Abwehrreaktionen durch das Komplementsystem oder durch die Makrophagen und die neutrophilen Granulozyten, welche die Komplexe durch Phagozytose aufnehmen und zerstören. Im Unterschied hierzu erkennen zytotoxische T-Lymphozyten virusinfizierte Zellen. In diesen werden im Verlauf der Virusvermehrung mehrere virale, das heißt für das Immunsystem „fremde“ Proteine produziert. Kurze Abschnitte davon binden sich als Peptide an die MHC-Klasse-I-Antigene und gelangen auf die Oberflächen der infizierten Zellen. Über diese Komplexe aus „Fremd“-Peptid und MHC-Klasse-I-Antigen erkennen die zytotoxischen T-Lymphozyten eine Zelle als virusinfiziert. Diese Er101

kennung führt zur Lyse (Auflösung) der infizierten Zellen und folglich zur Eliminierung der Viren aus dem Organismus. Diese immunologischen Abwehrmaßnahmen – die Bildung neutralisierender Antikörper wie auch diejenige der zytotoxischen TZellen – werden üblicherweise bei Virusinfektionen eingeleitet und bleiben lange erhalten. Sie sind Teil des immunologischen Gedächtnisses und gewähren einen lebenslangen Schutz vor erneuten Infektionen mit dem gleichen Virustyp. Damit ein Lebendimpfstoff ähnliche Vorgänge induzieren kann, muß gegenüber dem Immunsystem ein Prozeß simuliert werden, der einer normalen Infektion möglichst ähnlich ist. Ein Hauptunterschied muß jedoch garantiert sein: Die Impfung darf keine der Erkrankungen verursachen, die durch die Infektion mit dem Virus, gegen das sich die Impfung richtet, in der Regel ausgelöst wird. Die meisten der klassischen Impfstoffe, wie beispielsweise die Vakzinen zur Verhinderung der Pockenerkrankung oder der Kinderlähmung, sind Lebendimpfstoffe, sie enthalten attenuierte (abgeschwächte) Viren. Das sind gewissermaßen Varianten der virulenten, krankheitserzeugenden Viren, die jedoch nur eine begrenzte oder deutlich abgeschwächte Infektion verursachen können. In Bezug auf ihren Aufbau, ihrer Proteinzusammensetzung und dem Infektionsverhalten sollten die attenuierten Impfviren ihren virulenten Verwandten jedoch möglichst ähnlich sein (Abbildung 14). Dadurch, daß während der abgeschwächten Infektion in den Körperzellen Virusproteine und -partikel produziert werden, wird im Körper die Bildung von neutralisierenden Antikörpern und zytotoxischen T-Zellen eingeleitet. Die molekulare Basis der Attenuierung sind Mutationen im Genom der virulenten Ausgangs- oder Wildtypviren, die eines oder auch mehrere Gene betreffen. Eine Möglichkeit, attenuierte Virusstämme zu erhalten, ist die kontinuierliche Züchtung der Wildtypviren in der Zellkultur (siehe Kapitel II.8). Auf diese Weise kann man Varianten selektieren, die an die Zellkulturbedingungen optimal angepaßt sind. Diese Varianten verlieren jedoch dabei gelegentlich ihre Virulenz, das heißt, ihre Infektionen sind nicht mehr mit Krankheitsanzeichen verbunden. Diese Vorgehensweise ermöglichte die 102

Abb. 14: Übersicht zu den verschiedenen Möglichkeiten zur Entwicklung von Impfstoffen.

Isolierung von abgeschwächten Polio-, Gelbfieber- oder Masernviren, die im Menschen keine der Erkrankungen mehr verursachen, wie man sie von den virulenten Erregern kennt (Tabelle 5). Auch bei Viren, welche die Speziesbarriere (beispielsweise zwischen Tieren und Menschen) überschreiten können, findet man, daß Infektionen in den nicht natürlichen Wirten gelegentlich einen abgeschwächten Charakter annehmen: So riefen die tierpathogenen Vacciniaviren, die man ursprünglich zur Ausbildung einer schützenden Immunantwort zur Verhinderung der Pockenerkrankung einsetzte, beim Menschen Infektionen hervor, die nur in seltenen Fällen mit Symptomen verbunden waren oder gar tödlich verliefen. Impfungen mit attenuierten Viren verleihen meist einen sehr guten, lang anhaltenden Impfschutz. Wiederholungsimpfungen, die dazu dienen, das Immunsystem gleichsam daran zu erinnern, die ursprünglich ausgebildeten Abwehrreaktionen aufrechtzuerhalten, müssen nur in relativ langen Zeitabständen von bis zu 103

Tab. 5: In Deutschland zugelassene Impfstoffe zur Verhinderung von Virusinfektionen beim Menschen Lebendimpfstoffe attenuierte Viren

Totimpfstoffe abgetötete Viren Proteinkomponenten

Poliovirus Gelbfiebervirus Masernvirus Mumpsvirus Rötelnvirus Varicella -Zoster-Virus

Poliovirus Influenzavirus Hepatitis-A-Virus FSME-Virus Tollwutvirus

Hepatitis-B-Virus

zehn Jahren vorgenommen werden. Abgeschwächte Impfviren sollte man jedoch nur bei immunologisch gesunden Personen einsetzen. Bei immundefizienten oder immunsupprimierten Patienten können die Impfviren unter Umständen symptomatische Infektionen verbunden mit Erkrankungen auslösen. Auch bergen attenuierte Viren das Risiko, daß sie im Verlauf der abgeschwächten Infektion – also während der Impfung – zum Wildtyperreger zurückmutieren können. Deswegen achtet man heute streng darauf, daß die Abschwächung der Virulenz auf möglichst mehreren, voneinander unabhängigen Veränderungen im Genom beruht, so daß eine Rückmutation zum krankheitserzeugenden Wildtypvirus praktisch ausgeschlossen ist. Neben den attenuierten Viren stellen rekombinante Viren eine heute viel diskutierte Alternative für die Entwicklung von Lebendimpfstoffen dar. Dabei versucht man, gut erforschte und in der Vergangenheit bereits erfolgreich eingesetzte Impfviren – beispielsweise die Vacciniaviren – mit gentechnologischen Methoden derart zu verändern, daß sie außer für ihre eigenen zur Virusvermehrung nötigen Genprodukte auch für solche anderer Virustypen kodieren (Abbildung 14). Diese für das Vacciniavirus unspezifischen „Fremd“gene werden nach Verabreichung als Impfvirus im Verlauf der Infektion im Organismus zusammen mit den Väcciniavirus-spezifischen Genen exprimiert. Mit dieser Vorgehensweise sollte es möglich sein, eine Immunantwort sowohl gegen die Proteine des Vacciniavirus als auch gegen die „fremden“ Polypeptide anderer Erreger zu induzieren. Diese re104

plikationsfähigen, rekombinanten Viren sind eine Möglichkeit zur gezielten Herstellung neuer Impfstoffe, die alle Vorteile einer Lebendimpfung aufweisen sollten. Bisher sind derartige Vakzinen jedoch noch nicht verfügbar oder zugelassen. Totimpfstoffe Totimpfstoffe können sich – wie der Name sagt – im geimpften Organismus nicht vermehren. Da durch sie keine aktive Proteinsynthese eingeleitet wird, unterbleibt bei ihrem Einsatz meist die Bildung der zytotoxischen T-Zellen und die immunologischen Abwehrreaktionen beschränken sich auf die Produktion von neutralisierenden Antikörpern. Totimpfstoffe müssen zur Steigerung der Immunantwort zusammen mit Adjuvantien verabreicht werden. Diese locken eine Reihe immunologisch wichtiger Zellen – wie Makrophagen, Monozyten, B- und T-Lymphozyten – an den Ort der Inokulationsstelle, an der der Impfstoff gespritzt wurde. Üblicherweise wird bei Anwendungen im Menschen hierfür Aluminiumhydroxid verwendet. Werden Totimpfstoffe eingesetzt, dann muß man in relativ kurzen zeitlichen Abständen zur Erhaltung des Immunschutzes Wiederholungen der Impfung vornehmen. Die einfachste Methode zur Herstellung eines Totimpfstoffes ist die Abtötung der Wildtypviren, die man in geeigneten Zellkulturen gezüchtet hat. Heute verwendet man hierzu außer alkoholischen oder aldehydischen Agentien auch ß-Propiolacton. Da bei vielen Viren bereits die Genome selbst infektiös sind und – falls sie in Zellen hineingelangen – die Bildung von Nachkommenviren bewirken können, müssen zur Zerstörung der vollständigen Infektiosität (Ansteckungsfähigkeit) Verfahren eingesetzt werden, die zum Abbau oder zur Inaktivierung der Nukleinsäuren führen. Wichtig ist aber, daß trotz der vollständigen Abtötung der Viren die Proteinkomponenten nicht so weit denaturiert werden, daß sie ihre ursprüngliche Konfiguration verlieren und den Viren nicht mehr ähnlich sind. Derart abgetötete Viruspräparationen sind die Grundlage für die heute gebräuchlichen Impfstoffe gegen Infektionen mit Influenza-, 105

Hepatitis-A- oder den Frühsommer-Meningoencephalitisviren (FSME-Viren) (Tabelle 5). Relativ neu sind Impfstoffe, die ausschließlich auf einer ausgewählten Proteinkomponente des Virus beruhen. Für die Entwicklung dieser Vakzinen muß man sehr genau wissen, gegen welche Virusproteine das Immunsystem mit der Bildung von neutralisierenden Antikörpern reagiert. In der Regel sind es die Oberflächenproteine der Viren, die für die Induktion einer schützenden Immunantwort wichtig sind. Hat man ein solches Protein gefunden, so kann man das für seine Synthese verantwortliche Gen mittels gentechnischer Methoden in einen Expressionsvektor klonieren. Diesen bringt man in nicht-pathogene Bakterien oder Hefestämme ein – üblicherweise verwendet man hierfür E. coli oder Saccharomyces cerivisiae. Das Virusprotein wird dann in den gentechnisch veränderten Organismen produziert. Nach seiner Reinigung kann es zusammen mit einem geeigneten Adjuvans als Totimpfstoff verabreicht werden. Von besonderem Vorteil ist es, wenn die ausgewählten Proteine nicht einzeln in Lösung vorliegen, sondern sich zu Partikeln zusammenfügen können. Ein Beispiel hierfür sind die Oberflächenproteine HBsAg des Hepatitis-B-Virus, die sich selbst zu Partikeln zusammenlagern, die kein Genom besitzen und daher nicht infektiös sind (Kapitel III.2). Hierzu sind die Proteine auch in der Lage, wenn man sie gentechnisch in Hefe- oder anderen eukaryotischen Zellen produziert. Die sich dabei ausbildenden Partikel aus dem HBsAg können weitgehend ohne Adjuvans als Impfstoff verwendet werden und leiten die Bildung neutralisierender Antikörper und auch diejenige von zytotoxischen T-Zellen ein, die Schutz vor der Infektion mit dem Hepatitis-B-Virus vermitteln. Dieser erste gentechnisch produzierte Impfstoff ist in Deutschland seit Anfang der achtziger Jahre zur Anwendung im Menschen zugelassen und wird heute weltweit nicht nur zum Schutz vor den Infektionen mit den Hepatitis-B-Viren, sondern auch zur Verhinderung der Leberkarzinome eingesetzt, die mit dieser Erkrankung verbunden sind. Eine weitere Form von Totimpfstoffen, die sich heute in Erprobung befinden, stellen synthetische Peptide dar. Das sind 106

Abschnitte von Virusproteinen, die eine Länge von bis zu 30 oder 40 Aminosäuren aufweisen und die man chemisch herstellen kann. Ausgewählt werden die Bereiche der Virusproteine, die Epitope enthalten, das heißt die Domänen, gegen die sich neutralisierende Antikörper richten. Voraussetzung ist auch in diesem Fall ein fundiertes Detailwissen über die immunologisch wichtigen Abschnitte eines Virusproteins. Von Vorteil wären diese Peptidimpfstoffe vor allem deshalb, weil man sie ohne großen Aufwand herstellen kann und weil sie frei von Nukleinsäuren und anderen nicht erwünschten Kontaminationen sind. Neben den Peptidimpfstoffen stellen die DNA-Vakzinen heute eine vieldiskutierte, zukunftsweisende Entwicklung dar. Sie beruhen auf ausgewählten Genen eines Erregers, die für die Synthese von immunologisch wichtigen Proteinen verantwortlich sind. Diese Gene werden mittels gentechnischer Methoden zusammen mit den notwenigen Signalen für die Kontrolle ihrer Expression in einen geigneten Vektor eingebracht. Diese werden dann als DNA in den Muskel gespritzt und dort von den Zellen aufgenommen. Bei Expression der entsprechenden Gene kann der Organismus sowohl mit der Bildung von Antikörpern gegen die produzierten Proteine wie auch mit derjenigen von zytotoxischen T-Zellen reagieren. Diese DNA-Impfstoffe werden bisher im Tiersystem erprobt. Ob sie auch für die Anwendung im Menschen geeignet sind, ist noch ungewiß. Abbildung 14 gibt einen Überblick zu den verschiedenen Möglichkeiten der aktiven Immunisierung durch Lebend- und Totimpfstoffe. Passive Immunisierung Die passive Immunisierung beruht auf der Gabe von Antikörpern, die ein bestimmtes Virus neutralisieren können. Sie wird nur in besonderen Fällen angewandt: Hierzu zählt, wenn man vor nicht allzulanger Zeit Kontakt mit einem bestimmten Virus gehabt hat. So werden Immunglobulinpräparate verabreicht, wenn Personen von Tieren gebissen wurden, die möglicherweise mit dem Tollwutvirus infiziert sind. Bei rechtzeitiger Verabrei107

chung können die Antikörper das Virus neutralisieren und seine Ausbreitung im Körper verhindern. Zeitgleich mit dieser passiven. Immunisierung nimmt man eine aktive Impfung vor, die in diesem Fall auf Zubereitungen von in vitro gezüchteten, abgetöteten Tollwutviren basiert. Ein anderes Beispiel ist die Gabe von Hepatitis-B-Virus-spezifischen Antikörpern bei Kontaminationen mit Blut von Personen, die eine akute oder chronisch-persistierende Infektion mit diesem Virus und daher hohe Konzentrationen des Erregers im Blut haben. Solche Unfälle ereignen sich vor allem bei medizinischem Personal durch Nadelstichverletzungen. Da die Spanne zwischen dem Kontakt mit dem Virus und seiner Ausbreitung im Organismus jedoch oft sehr kurz ist, beschränkt sich die passive Immunisierung auf einen Zeitraum kurz nach der Exposition mit dem Erreger. Mit der Gabe von Immunglobulinpräparaten ist aber auch eine sogenannte Expositionsprophylaxe möglich, also in Situationen, in denen man den Kontakt mit bestimmten Viren einkalkuliert und voraussieht. Man nimmt sie beispielsweise bei kurzfristig geplanten Reisen in die Dritte Welt vor, wenn das Risiko des Kontakts mit Erregern in den nächsten Wochen nicht auszuschließen und eine aktive Impfung aus zeitlichen Gründen nicht mehr möglich ist. Der Schutz der Antikörperpräparate dauert jedoch nur wenige Wochen an, da die Immunglobuline im Organismus schnell abgebaut werden. 2. Wann wird geimpft? Durch den Einsatz von Impfstoffen haben viele der durch Viren verursachten Infektionserkrankungen ihre Schrecken verloren. Im Fall der durch das Variola-Virus verursachten Pockenerkrankung führten die weltweit vorgenommenen Impfungen sogar zur Ausrottung des Erregers (Kapitel II.7). Die ursprünglich von Edward Jenner in England gegen Ende des 18. Jahrhunderts entwickelte Impfung mit dem Vacciniavirus wurde ab 1958 in einem weltweit angelegten Impfprogramm der WHO (World Health Organization) durchgeführt. Das Ziel, die Erde vom Variola-Virus und damit von der Pockenerkrankung des Menschen 108

zu befreien, wurde 1977 erreicht. Zwei Jahre später wurden die Pocken für ausgerottet erklärt, die Impfung wurde eingestellt und ist seitdem nicht mehr gesetzlich vorgeschrieben. Heute hat sich die WHO mit einer neuerlichen weltweiten Impfkampagne die Ausrottung des Poliovirus zum Ziel gesetzt. Während die Kinderlähmung in den Ländern der westlichen Welt dank der Impfung und des dadurch erzeugten Schutzes nur noch in Einzelfällen auftritt, ist die Erkrankung in der Dritten Welt nach wie vor häufig und wird von dort auch immer wieder von Reisenden nach Europa und Nordamerika importiert. Man versucht daher, nach Möglichkeit alle Neugeborenen zu impfen und auf diese Weise das Poliovirus gut 100 Jahre nach seiner Entdeckung aus der menschlichen Bevölkerung zu verbannen. Ähnliche Ziele hat man sich zur Ausrottung der Infektionen mit dem Hepatitis-B-Virus gesetzt. Dieses Virus infiziert nur Menschen, Tiere werden von ihm nicht befallen. Es ist daher besonders gut für ein weltweites Impfprogramm geeignet. Auch in diesem Fall versucht man, in allen Kleinkindern einen immunologischen Schutz vor der Infektion hervorzurufen. In einigen Ländern Südostasiens – dort ist ein hoher Prozentsatz der Bevölkerung chronisch mit dem Hepatitis-B-Virus infiziert, weswegen auch das primäre Leberzellkarzinom eine dort sehr häufig auftretende Tumorerkrankung ist – hat die ab 1980 bei allen Neugeborenen vorgenommene Impfung bereits zu einem ersten deutlichen Rückgang der an Leberkrebs erkrankten Personen geführt. Trotz dieser eindeutigen Impferfolge zur Verhinderung von Viruserkrankungen hat sich insbesondere in Europa eine immer stärker werdende Impfmüdigkeit in der Bevölkerung breitgemacht. Viele Eltern lassen ihre Kinder nicht mehr gegen Erkrankungen wie Poliomyelitis, Masern, Mumps, Röteln oder andere impfen. Dies ist eine sicherlich sehr gefährliche Einstellung. Diese Infektionen sind zwar bei uns heute recht selten geworden oder treten – wie die Kinderlähmung – so gut wie nicht mehr auf. Zurückzuführen ist das auf die in den letzten Jahrzehnten vorgenommenen Impfungen, wodurch in einem Großteil der 109

Erwachsenen eine immunologische Schutzreaktion vorliegt. Wegen dieser sogenannten Herdimmunität in der Bevölkerung können viele Viren momentan noch keine effektiven Infektionsketten ausbilden. Es kommt daher nur gelegentlich zu kleineren Ausbrüchen oder Epidemien. Falls jedoch der Prozentsatz der geschützten Personen weiter abnimmt, dann wird auch die Zahl der Infektionen wieder zunehmen – das heißt, das Risiko der Erkrankung wird insgesamt wieder deutlich ansteigen. Auch sollte in diesem Zusammenhang darauf verwiesen werden, daß es sich bei Infektionserkrankungen wie den Masern keineswegs um eine „harmlose Kindererkrankung“ handelt. Jährlich sterben weltweit mehrere tausend Menschen an den Masern. Auch in Deutschland ist durchschnittlich eine von tausend Masernvirusinfektionen mit einer postinfektiösen Enzephalitis verbunden, von denen zehn bis zwanzig Prozent tödlich verlaufen. Auch die Lungen- und Mittelohrentzündungen, die sich als Begleitkomplikationen der Masern einstellen können, verlaufen oft sehr schwer. Außerdem kann sich in seltenen Fällen die SSPE (subakute sklerosierende Panenzephalitis), eine zwar seltene, aber immer tödliche Spätfolge der Masern, bilden. Ähnlich verhält es sich mit der Mumps, einer weiteren viralen „Kinderkrankheit“, die sich üblicherweise als Entzündung der Ohrspeicheldrüse äußert. Bei 25 Prozent der infizierten Jungen entwickelt sich jedoch im Infektionsverlauf zusätzlich eine Hodenentzündung, die später zur Sterilität führen kann. Auch hat sich in den letzten Jahrzehnten eine Tendenz entwickelt, die viele der ursprünglich als Kinderkrankheiten bekannten Infektionen heute nicht mehr im Kindes-, sondern erst im Erwachsenenalter auftreten läßt. Zu diesem Zeitpunkt verlaufen sie dann oft sehr viel schwerer und komplizierter; Spätfolgen sind häufig. Verantwortlich sind hierfür nicht zuletzt die hohen Hygienestandards in den Ländern der westlichen Welt. Auch deswegen ist in jedem Fall die Impfung zum Schutz vor Infektionserkrankungen – soweit verfügbar – nachdrücklich zu empfehlen.

Glossar Adsorption: Frühester Schritt der Infektion einer Zelle durch ein Virus, bei welchem die spezifische Bindung der Oberflächenregionen des Erregers (Kapsidproteine oder Membranproteine) an zelluläre Strukturen (Proteinen, Lipiden Kohlehydraten) stattfindet. Antigen: Substanz, die vom Immunsystem als körperfremd erkannt wird, beispielsweise ein Protein, eine Zuckerstruktur oder eine andere chemische Verbindung. Antigenität: Die Erkennbarkeit eines Proteins oder einer anderen Substanz durch das Immunsystem. Schon geringfügige Veränderungen und Variationen in der Aminosäurefolge eines Proteins (ausgelöst durch Mutationen im Genom) können bewirken, daß sich die Antigenität und damit die Erkennung durch Antikörper verändert. Antikörper (Immunglobuline): Protein, das B-Lymphozyten als Reaktion auf ein in den Organismus eindringendes Molekül, beispielsweise ein Infektionserreger, produziert. Antikörper binden sich hoch spezifisch an diese Moleküle und sind in der Lage, sie zu neutralisieren und für sich anschließende immunologische Prozesse zu kennzeichnen, beispielsweise für die Endozytose des Komplexes durch Makrophagen oder Granulozyten. Apoptose: Programmierter Zelltod. attenuierte Viren: Natürlich vorkommende oder durch kontinuierliche Züchtung in Zellkultur entstandene Varianten eines Virus, deren Virulenz abgeschwächt ist. Infektionen mit solchen Viren verlaufen meist ohne oder mit deutlich abgeschwächten Krankheitsanzeichen. Attenuierte Viren werden häufig als Impfstämme verwendet. Bronchitis: Akute oder chronische Entzündung der Schleimhaut im Bereich der großen und mittleren Bronchien, das heißt der Fortsetzungen der Luftröhre zur Atemluftleitung in der Lunge. Budding (englisch: to bud = knospen, sich entwickeln): Knospung, hier der entstehenden Viruspartikel aus zellulären Membrankompartimenten. Cap-Gruppe (S’-Cap-Gruppe): Bei Eukaryoten nach der Transkription an die 5’-Enden der mRNA angefügte Modifikation aus einem 7-Methylguanostn, das über eine Triphosphatgruppe in 5’–5’-Bindung mit der 5’-OHGruppe des nächsten Nukleotids verbunden ist. Auch dieses und das sich daran anschließende Nukleotid sind modifiziert, und zwar jeweils an der 2’-OH-Gruppe der Ribose. Codon: Folge von drei Nukleotiden in einem DNA- oder RNA-Molekül, das die Information für den Einbau einer bestimmten Aminosäure in ein Protein darstellt. Embryopathie: Die Schädigung des Embryos vor der Geburt, zum Beispiel durch Infektionserkrankungen der Mutter. Endoplasmatisches Retikulum (ER): Labyrinthartig gefaltetes, membran-

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umschlossenes Kompartiment im Zytoplasma von eukaryotischen Zellen. Es stellt Ausstülpungen der äußeren Kernmembran dar. An seiner dem Zytoplasma zugewandten Seite werden an mit der ER-Membran assoziierten Ribosomen (rauhes ER) sekretorische und Membranproteine synthetisiert und in das Lumen eingeschleust. Endothel: Das einschichtige Epithel, das die Herzräume und die Blut- und Lymphgefäße auskleidet. Endozytose: Aufnahme von Material in die Zelle durch Einstülpung der Zytoplasmamembran und Internalisierung in einem membranumhüllten Vesikel. Entzündung: Unspezifische oder spezifische Abwehrreaktion des Organismus auf verschiedene Krankheitsauslöser (Noxen). Entzündungen können durch chemische, mechanische, elektrische, strahlungsbedingte oder biologische Einwirkungen ausgelöst werden. Zu letzteren zählen Infektionen mit Viren, Bakterien oder Parasiten und deren Produkte. Eine Entzündung ist durch einen in Phasen gegliederten Ablauf gekennzeichnet: vaskuläre Reaktion, gesteigerte Gefäßpermeabilität, Exsudation (die Abgabe bestimmter Anteile des Blutes durch die entzündungsabhängig veränderten Gefäßwände in die Nachbargewebe oder auf eine innere oder äußere Körperoberfläche), leukozytäre Emigration (Chemotaxis oder Phagocytose), Bindegewebsproliferation. Klassische Entzündungszeichen sind Rötung, Überwärmung, Schwellung, Schmerz und eingeschränkte Funktion. Enzephalitis: Akute oder chronische Entzündung von Gehirngewebe. Enzym: Protein, das eine spezifische chemische Reaktion katalysiert. Episom: Ringförmig geschlossenes (zirkuläres) Nukleinsäuremolekül. Epithel: In einer oder mehreren Schichten angeordnetes Deckgewebe aus fast lückenlos aneinandergefügten Epithelzellen. Es enthält keine Gefäße und stellt ein Schutz- und Stoffwechselorgan mit der Fähigkeit zur Resorption (Aufnahme von Stoffen, beispielsweise das Alveolarepithel der Lungenkapillaren oder das Darmepithel) und Sekretion (beispielsweise in Drüsen). Es bedeckt als Epidermis die äußere Körperoberfläche und kleidet die Hohlorgane und Körperhöhlen aus. Epitop: Für das Immunsystem zugängliche Struktur (antigene Determinante). Von der variablen Domäne von Antikörpern (Immunglobulinen) erkannte Epitope befinden sich meist auf der Oberfläche von Partikeln und Makromolekülen wie Proteinen. Sie können zum Beispiel von vier bis sechs Aminosäuren langen Peptidabschnitten eines Proteins (sequentielle Epitope) oder von strukturellen, faltungsabhängigen Parametern (strukturelle oder diskontinuierliche Epitope) dargestellt werden. Auch Proteinmodifikationen (etwa Zuckermoleküle oder Phosphate) werden von Antikörpern als Epitope erkannt. Von T-Lymphozyten erkannte Epitope sind dagegen Peptidabschnitte von Proteinen, die mit MHC-Proteinen Komplexe bilden und auch von nicht an der Oberfläche exponierten Proteinstrukturen abgeleitet sind. Diese Komplexe werden von T-Zell-Rezeptoreii erkannt.

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Eukaryot, eukaryotische Zelle: Organismen (Menschen, Tiere, Pflanzen, Pilze, einige Algen), die in ihren Zellen einen echten, von einer Membran umgebenen Kern enthalten, in dem die Erbinformation (DNA) in Chromosomen vorliegt. Eukaryotische Zellen verfügen des weiteren über Organellen wie Mitochondrien, Chloroplasten, ein Endoplasmatisches Retikulum, Golgi-Apparat, Endosomen, Lysosomen. Fibrozyt, Fibroblast: ruhende beziehungsweise junge Bindegewebszelle. Flimmerepithel: Epithel, das an seiner freien Oberfläche mit eigenbeweglichen Flimmerhärchen ausgestattet ist, die den Transport von Flüssigkeiten und kleinen Teilchen in Richtung einer Körperöffnung bewirken (beispielsweise von Staubpartikeln im Bereich der Bronchien in Richtung Kehlkopf, von Nährstoffen und Flüssigkeiten im Bereich des Dünndarms in Richtung Dick- und Mastdarm). Ganglion (Ganglion nervosum): Von einer Kapsel umschlossene Nervenzellen und -fasern mit umgebenden gliösen Mantelzellen, die sich als Verdickungen im Verlauf der Hirnnerven, der Rückenmarksnerven (Spinalnerven) oder als cholinerge Schaltstellen im vegetativen Nervensystem befinden. Gen: Abschnitt auf der Erbinformation, der eine bestimmte Eigenschaft oder Funktion eines Organismus kontrolliert, die üblicherweise einem einzelnen RNA-Molekül oder Protein entspricht. Genexpression: Der Prozeß, über den ein Gen seinen Einfluß auf eine Zelle oder einen Organismus ausübt. In seinem Verlauf wird von dem Gen eine mRNA abgelesen und diese in ein Protein mit einer bestimmten Funktion (beispielsweise ein Enzym oder ein Strukturprotein) übersetzt. Genom: Die gesamte genetische Information einer Zelle oder eines Organismus (auch eines Virus). Genus (lateinisch: genus = Gattung, Klasse, Art): Hier verwendet als Bezeichnung für Virusgattungen. Golgi-Apparat (nach seinem Entdecker Camillo Golgi benannt): Membranumgebenes Organeil in eukaryotischen Zellen, in welchem die im Endoplasmatischen Retikulum hergestellten Proteine und Lipide modifiziert, sortiert und mittels der Golgi-Vesikel zu ihren Bestimmungsorten transportiert werden. Hepatitis: Entzündung der Leber. Herdimmunität: Der in einer Bevölkerung vorhandene Schutz vor einer Infektionskrankheit. Hülle (Virushülle; englisch: = envelope): Von zellulären Membranen (Zytoplasmamembran, Kernmembran, Membran des Endoplasmatischen Retikulums oder des Golgi-Apparats) abgeleitete äußere Lipidschicht, in welche die viralen, teilweise glycosylierten Membran- oder Hüllproteine eingelagert sind. Die Virushülle umgibt als Membran das Kapsid oder Nukleokapsid. Ikosaeder: Regelmäßiger Körper (Partikel) mit 20 gleichseitigen Dreiecken als Flächen und zwölf Ecken. Immunsuppression (lateinisch: supprimere = unterdrücken, unterschlagen):

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Herabsetzung oder Unterdrückung der körpereigenen Abwehrmechanismen. Die Immunsuppression kann durch Virusinfektionen (zum Beispiel durch das Humane Immundefizienzvirus) oder durch Einsatz von Medikamenten (zum Beispiel durch Gabe von Corticosteroiden, Cyclosporinen bei Organ- oder Knochenmarkstransplantationen sowie bei der Behandlung von Autoimmunerkrankungen) verursacht sein. Außerdem gibt es angeborene Immundefekte. Infiltration: Krankhaft vermehrtes, meist örtlich begrenztes Eindringen oder Einwandern von regulären, krankhaften oder fremdartigen Zellen in bestimmte Körperregionen und/oder Organe. Gebräuchlich in Zusammenhang mit immunologisch aktiven Zellen, die als Folge der Virusvermehrung in die infizierten Organe einwandern. Inkubationsphase (-periode): Zeitspanne zwischen der Infektion (dem Kontakt) mit einem Erreger und dem Auftreten der ersten Krankheitsanzeichen. Inokulation: Einbringung oder Übertragung von Erreger- oder Zellmaterial (Inokulum) in einen Organismus oder in einen Nährboden. Kapsid: Aus Proteinen aufgebaute, ikosaedrische oder helikale Partikelstrukturen von Viren. Kapsomere: Proteinkomponenten, welche die Kapside aufbauen. Sie können von einem oder mehreren Virus-Strukturproteinen gebildet werden. Karzinom: Bösartiges Neoplasma epithelialer Herkunft. Kernmembran: Aus zwei Lipiddoppelschichten bestehende Membran (einer inneren und einer äußeren Kernmembran), die den Kern einer eukaryotischen Zelle umgibt. Sie wird von Kernporen (Kanälen durch die Kernmembran) durchquert. Sie ermöglichen den Export (beispielsweise von mRNA-Molekülen) oder den Import (beispielsweise von Kernproteinen) aus dem Kern in das Zytoplasma und umgekehrt. Latenz, latente Infektion: Infektionsform, bei der das Virus nach einer Primärinfektion im Organismus verbleibt, ohne dabei infektiöse Viren zu bilden oder Krankheitsanzeichen zu verursachen. Die Viren können durch bestimmte innere oder äußere Reize zur erneuten Replikation angeregt werden, was zu Rekurrenzen der Symptome der Primärinfektion führt. Latente Infektionen findet man vor allem bei Herpesviren. Meningitis: Entzündung der Hirn- und/oder Rückenmarkshäute (Meningen). Meningoenzephalitis: Entzündung der Hirn- und/oder Rückenmarkshäute (Meningen) zusammen mit einer Entzündung des angrenzenden Hirngewebes. Myokarditis: Entzündung des Herzmuskels. Nekrose: Lokales Absterben von Zellen eines Gewebeverbandes in einem lebenden Organismus. Neoplasma, Neoplasie: Neubildung von Körpergewebe durch unreguliertes, enthemmtes autonomes Überschußwachstum der Zellen. nosokomial: Mit Bezug auf Krankenhaus. Unter Nosokomialinfektionen ver-

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steht man solche, die man bei Aufenthalten in Kliniken, Krankenhäusern oder ähnlichen Einrichtungen erworben hat. Nukleokapsid: Komplex aus Kapsidproteinen und dem Virusgenom (DNA oder RNA). Pathogenität: Die genetisch bedingte Fähigkeit von Viren (auch Bakterien oder Parasiten), eine Krankheit bei Menschen oder Tieren auslösen zu können. perinatal: Die Zeit um die Geburt des Kindes betreffend. Persistenz, persistierende Infektionen (lateinisch: persistere = verharren, stehenbleiben): Infektionen, in deren Verlauf das Virus nicht durch das Immunsystem aus dem Organismus entfernt wird, sondern über lange Zeiträume dort verbleibt und sich kontinuierlich, wenn auch oft nur mit niedriger Rate vermehrt. Pharmakokinetik: Die Lehre der Pharmakokinetik beschreibt die Wirkung des Organismus auf ein Medikament. Dazu zählen die Art und Weise der Resorption (Aufnahme durch die Körperzellen), seine Verteilung im Körper, seine Wechselwirkung mit zellulären Bestandteilen und Proteinen, seine Ausscheidung. Alle diese Vorgänge bestimmen die Zeit und die Konzentration, in der die Substanz im Organismus vorhanden und verfügbar ist. Pharyngitis: Entzündung der Rachenschleimhaut. Pneumonie: Diffuse oder herdförmige Entzündung der Lunge. Polymer: Große, meist lineare Moleküle, die durch Verknüpfung einer Vielzahl identischer oder ähnlicher Untereinheiten (Monomere) aufgebaut sind. Polymerase: Allgemeine Bezeichnung für ein Enzym, das die Addition von Untereinheiten an ein Polymer katalysiert. So macht eine DNA-Polymerase DNA und fügt dabei Desoxyribonukleotidbausteine aneinander, wohingegen die RNA-Polymerasen Ribonukleotide miteinander verbinden und somit RNA synthetisieren. pränatal: Vor der Geburt, auf das Kind bezogen. Prokaryot: Organismen (Bakterien, Blaualgen), die weder einen membranumschlossenen Zellkern noch Organellen wie Mitochondrien oder Chloroplasten enthalten. Protease (Proteinase, proteolytisches Enzym): Enzym, das Proteine durch Hydrolyse (Spaltung) einiger Peptidbindungen abbaut (Beispiele: Trypsin, Chymotrypsin, Papain). Protein: Lineares Polymer aus Aminosäuren, die in einer spezifischen Sequenz über Peptidbindungen miteinander verknüpft sind. Die Sequenzabfolge der Aminosäuren ist in der Basenfolge der Nukleinsäure (Erbinformation) festgelegt. Replikation: Autoduplikation (Neusynthese) der Erbinformation einer Zelle, eines Bakteriums, eines Virus. Rekurrenz (lateinisch: recurrere = zurücklaufen, wiederkommen): Wiederkehrende Symptomatik einer Infektion. Bekannt vor allem bei Herpes-

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virusinfektionen, bei welchen die Erreger latent im Organismus bleiben. Durch innere und äußere Einflüsse können sie aus der Latenz zur erneuten Virusvermehrung angeregt werden, die mit ähnlichen Krankheitsanzeichen einhergeht wie die Erstinfektion. Rezidiv: Das Wiederauftreten einer Erkrankung nach ihrer völligen Abheilung. Rezidive von Infektionskrankheiten können durch eine erneute Infektion mit dem ursprünglichen Erreger verursacht werden (zum Beispiel durch die nach der Erstinfektion latent im Organismus vorliegenden Herpesviren) oder durch Erreger aus einem erneut aktiven Krankheitsherd. Sarkom: Bösartige, örtlich zerstörende, auf dem Blutweg metastasierende Geschwulst mit Ursprung in mesenchymalen Geweben (Weichteil-, Stützund neurogenes Gewebe sowie dem interstitiellen Bindegewebe einzelner Organe). Sekretion: Produktion und Ausscheidung einer Substanz durch eine Zelle. Serokonversion: Das Auftreten von Antikörpern im Serum eines Patienten, das bisher frei von den entsprechenden Immunglobulinen war. Die Serokonversion tritt als Folge einer Infektionserkrankung oder Impfung auf. Serum (Blutserum): Der flüssige, nach erfolgter Blutgerinnung verbleibende Teil des Blutes. Symptom: Krankheitsanzeichen. Transkription: Das Kopieren (Umschreiben) eines Nukleinsäurestranges (üblicherweise eines DNA-Stranges) in eine komplementäre RNA-Sequenz durch das Enzym RNA-Polymerase. Translation: Vorgang, bei dem im Zytoplasma der Zelle von einem mRNAMolekül ein Protein synthetisiert wird. Die Sequenzfolge der mRNA bestimmt dabei die Aminosäureabfolge im Protein, Überträger der Aminosäuren sind die tRNA-Moleküle. Der Prozeß findet an Ribosomen statt und benötigt eine große Anzahl an Enzymen und Faktoren. Tumor (lateinisch: tumor = Anschwellung, Geschwulst): Allgemeine Bezeichnung für jede umschriebene Schwellung von Körpergewebe. Tumorsuppressorprotein (Antionkogen): Ein Zellprotein, dessen normale Funktion die Beschränkung und Regulation der Teilungsaktivität und des Invasivverhaltens von Zellen (Eindringvermögen in andere Gewebebereiche) in einem Gewebe ist. Der Verlust, die Inaktivierung oder die Mutation der Gene, die für diese Zellproteine kodieren, führt zum Verlust der Kontrolle der Teilungsaktivität und trägt dazu bei, daß eine Zelle zur Krebszelle wird. ultrafiltrierbar: Bezeichnung für Substanzen oder Partikel, die durch für Bakterien dichte Filtersysteme nicht abgetrennt werden können. Uncoating: Freisetzen der viralen Erbinformation beziehungsweise des Nukleokapsids in das Zytoplasma nach Aufnahme eines an die Zelloberfläche gebundenen Viruspartikels, beispielsweise durch Endozytose. Vakzine: Impfstoff. Virion: Infektiöses Viruspartikel. Virämie: Auftreten von Viren im Blut der infizierten Person.

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Virulenz: Summe aller Eigenschaften eines Erregers (Virus), die zur Krankheitsentstehung in einem Menschen oder einem Tier beitragen. Die Virulenz wird quantifiziert als LD50, das heißt die Zahl der Erreger, die ausreicht, um 50 Prozent der Versuchstiere oder der Zellen in einer Kultur zu töten. Virus-Assembly (Virus-Morphogenese): Geordneter Zusammenbau der Virus-Strukturproteine und der Virusgenome zu infektiösen Partikeln am Ende des Infektionszyklus. Zelle: Die Grundeinheit aller lebenden Organismen. Sie besteht aus einer wäßrigen Lösung organischer Moleküle, die von einer Membran (Zellmembran, Zytoplasmamembran) umschlossen werden. Alle Zellen entstehen durch Teilung aus bereits exisitierenden Zellen. Zellinie: Aus primären Gewebekulturen gewonnene, meist relativ einheitliche Zellen oder Zeilklone, die sich ohne Begrenzung in Kultur vermehren können. Zellkern: Von einer Doppelmembran umhülltes Organeil einer eukaryotischen Zelle, das die in Chromosomen organisierte DNA als Erbinformation enthält. Zytopathogenität, zytopathogen: zeilschädigend. Beispielsweise die zeilschädigende Wirkung von Infektionserregern auf die Funktion, Gestalt und den Stoffwechsel von Zellen. Zytopenie (Granula-, Leuko-, Erythro-, Lympho-, Mono-, Thrombozytopenie): Verminderung der Zahl der jeweiligen Zellen im peripheren Blut. Zytoplasma, Zytosol, Zellplasma: Die wäßrige, von der Zytoplasmamembran umschlossene Lösung kleiner und großer Moleküle, die das Hauptkompartiment der Zelle ausfüllt. Ausgenommen sind membranumschlossene Organellen wie das Endoplasmatische Retikulum, die Mitochondrien, der Zellkern etc. Im Zytoplasma findet unter anderen der Glucosestoffwechsel, die Fettsäuresynthese, die Translation der mRNAs in Proteine statt. Zytoskelett: Gerüst von Proteinfilamenten im Zytoplasma einer eukaryotischen Zelle. Es verleiht den Zellen ihre polarisierte Form (Ober- und Unterseite) und die Fähigkeit, gerichtete Bewegungen (Motilität) zu vollziehen. Die wichtigsten Bestandteile des Zytoskeletts sind die Aktinfilamente (etwa 7nm dicke Ketten aus Aktinmolekülen, die wichtig für die Bewegung der Zellen sind), die Mikrotubuli (etwa 20 nm im Durchmesser umfassende, steife, zylindrische Strukturen aus Tubulin; sie verleihen den Zellen ihre Form und sind auch an der Ausbildung der Mitosespindel beteiligt) und die Intermediärfilamente (etwa 10 nm dicke seilartige Bündel, die den Zellen Zugfestigkeit verleihen).

Kommentiertes Literaturverzeichnis Alberts, B., Bray, D., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., Walter, P.: Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie, Verlag Wiley-VCH, 1. Auflage, 1999, übersetzt aus dem Englischen. Dieses Lehrbuch richtet sich an alle, die zu den molekularen Vorgängen in einer Zelle (sowohl hinsichtlich der Genetik wie dem Zellaufbau und biochemischen Vorgängen) Informationen suchen. Brandis, H., Köhler, W., Eggers, H. J., Pulverer, G.: Lehrbuch der Medizinischen Mikrobiologie, Gustav-Fischer-Verlag, 7. Auflage, 1994. Ein Standardwerk, das eine umfassende Übersicht zu den Infektionserkrankungen des Menschen gibt. Brown, T. A.: Gentechnologie für Einsteiger, Spektrum Akademischer Verlag, 2. Auflage, 1996. Dieses übersichtliche Taschenbuch enthält grundlegende Erklärungen und Darstellungen zur den in der Gentechnologie üblichen Methoden und Praktiken. Evans, A. S., Kaslow, R. A.: Viral Infections of Humans, Plenum Publishing Cooperation, 4. Auflage, 1997. Ein in englischer Sprache geschriebenes Übersichtswerk zu den medizinischen und klinischen Aspekten der Virusinfektionen des Menschen. Fields, B.N., Knipe, D.M., Howley, P.M.: Virology, 2 Bände, LippincottRaven Publishers. 3. Auflage, 1996. Das grundlegende und umfassende Werk der Virologie. Auf insgesamt 3000 Seiten werden in englischer Sprache alle medizinischen, klinischen und molekularbiologischen Fragen der Virologie abgehandelt. Glick, B. R., Pasternak, J.J.: Molekulare Biotechnologie, Spektrum Akademischer Verlag. 1. Auflage 1995, aus dem Englischen übersetzt. Das Buch gibt einen Überblick zu den grundlegenden Methoden der Gen- und Biotechnologie. Hacker, J., Heesemann, J.: Molekulare Infektionsbiologie – Interaktionen zwischen Mikroorganismen und Zellen. Spektrum Akademischer Verlag, 2000. Das Buch befaßt sich mit den molekularbiologischen Aspekten von überwiegend bakteriellen Infektionen. Hahn H., Falke, D., Kaufmann, S. H. E., Ullmann U.: Medizinische Mikrobiologie und Infektiologie. 3. Auflage, Springer-Verlag 1999. Das Buch gibt einen guten Überblick zu den medizinischen Aspekten der Infektionserkrankungen des Menschen. Neben Viren gehen die Autoren sehr ausführlich auch auf die durch Bakterien, Pilze oder Parasiten verursachten Infektionen ein. Jilg, W: Schutzimpfungen – Kompendium zum aktiven und passiven Impfschutz. Ecomed-Verlag, 1996. Das Taschenbuch gibt einen umfassenden Überblick zu den in Deutschland zugelassenen Impfungen und ihrer Anwendung. Kayser, F. H., Bienz, K. A., Eckert, J., Zinkernagel, R. M.: Medizinische Mi-

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krobiologie, Georg Thieme-Verlag 1998. Ein übersichtlich gegliedertes Taschenbuch, das sich mit den naturwissenschaftlichen, aber auch mit den medizinischen Fragen zu Infektionen befaßt. Es werden neben den Erreger-spezifischen Fragen auch die immunologischen Aspekte schwerpunktmäßig angesprochen. Levine, A. J.: Viren – Diebe, Mörder und Piraten. Spektrum Akademischer Verlag, 1991. Ein anschaulicher, leicht zu lesender und unterhaltsamer Überblick über Viren und Virusinfektionen. Lewin, B.: Molekularbiologie der Gene, Spektrum Akademischer Verlag, 1998. Standardwerk für alle, die sich über Grundfragen der Genetik informieren wollen. Marre, R., Mertens, T., Trautmann, M., Vanek, E.: Klinische Infektiologie, Urban und Fischer-Verlag, 1. Auflage, 2000. Dieses Buch befaßt sich überwiegend mit den klinischen Fragestellungen bei Infektionen des Menschen. Mims, C. A., Playfair, J. H. L., Roitt, I. M., Wakelin, D., Williams, R.: Medizinische Mikrobiologie,Verlag Ullstein-Mosby, 1996. Das Werk ist gegliedert hinsichtlich der Symptome, die mit Infektionserkrankungen beim Menschen auftreten, und befaßt sich mit den Bakterien, Viren, Pilzen und Parasiten, welche diese hervorrufen. Modrow S., Falke D.: Molekulare Virologie. 1. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag, 1996. Dieses Buch richtet sich vor allem an Studierende der Naturwissenschaften und der Medizin. Es befaßt sich grundlegend mit den molekularbiologischen Aspekten von humanpathogenen Viren.

Register α-Herpesviren 19, 60; s.a. Herpessimplex-Viren, Herpesviren Acycloguanosin 89f. Adenoviren 14, 19, 23, 33, 39, 46f., 49, 52, 62, 64, 72 Adjuvantien 105 f. Adsorption 26, 29, 31–34, 86, 101 adulte T-Zell-Leukämie 61 AIDS 76, 92, 97; s.a. Humanes Immundefizienzvirus aktive Immunisierung 100f. aktive Impfung 108 Amantadin 94, 97 Amplifikation 76 f. Antibiotika 10, 83 f. Antigen-Capture-Elisa-Test 81 Antigene 69 Antikörper 32, 71, 76, 101 monoklonale – 71 neutralisierende – 57,100 ff., 105 Antimycotika 85 Antionkogen p53 64 Apoptose 42, 54, 66 Artenschranke s. Speziesschranke Arthropoden 24, 44, 48 Assembly 41 attentuierte Viren 102 Azidothymidin 92, 94 Bakteriophagen 8,42 Basenanalogon 89f., 92 Blut, Übertragung durch 46 Blutgruppenantigen P 31 f. Blutprodukte 24, 46, 100 BSE 22 Burkitt-Lymphom 63 cap-binding-Komplex 52 Capture-ELISA-Test 73 CD4-Rezeptoren 26, 29ff. Chaperone 53 Chemokinrezeptoren 26, 29, 31

chronisch-persistierende Infektion 51 c-Onc 63 Creutzfeldt-Jakob-Erkrankung 22 Cytomegalovirus 92 Dengueviren 24, 44, 47f. Diagnose 76, 87 Diagnostik 70 Didesoxycytidin 93 Didesoxyinosin 93 Differentialdiagnose 69 direkter Nachweis der Viren 69 f. DNA-Impfstoffe 107 DNA-Polymerasen 39 DNA-Vakzinen 107 Ebolavirus(-Epidemien) 17, 30, 46 Einschlußkörperchen 53 Negrische – 69 Eintrittspforten 23 f., 43 f., 80 Elektronenmikroskop 8, 69, 71 f. ELISA-Test 70, 73 f., 79 Endoplasmatisches Retikulum 13, 20, 25, 41 Endosomen 13, 20, 32, 34 Endothelzellen 44 Endozytose 25, 32 f. rezeptorvermittelte – 33 f. Epidermen HO; s.a. Ebolavirus Epitope 58, 71 Epstein-Barr-Virus 19, 45, 47 f., 61 ff., 8 8 Erythromycin 83 Expositionsprophylaxe 108 fäkal-orale Übertragung 46 Felines Immundefizienzvirus (FIV) 30 Foscarnet 88, 93 Freisetzung 42, 86 Frühsommer-Meningoenzephalitis-

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viren (FSME-Viren) 16, 44, 47 f., 99, 104, 106 Fusion 32, 34, 53 Gangciclovir 92 Gelbfieberviren 8, 16, 24, 44, 47f., 103 f. Gelenkentzündung 59 Geschlechtsverkehr 45, 48, 100 Gewebekultur 10, 49, 69 Golgi-Apparat 13, 20, 25, 41 Golgi-Vesikel 25, 42 Grippe s. Influenza H+-Ionenpumpe 33, 40 Hämagglutinationstest 70, 74, 81 Hämagglutinin 94 Hauttumoren 63 HBsAg 70, 106 Hepatitis-A-Virus 16, 23, 47, 99, 104, 106 Hepatitis-B-Virus 18, 21, 46f., 49, 55ff., 59, 62, 70, 93, 99, 106, 108 f. Hepatitis-C-Virus 16, 49 f., 56 ff., 61 f., 64 Hepatitis-D-Virus 21 Hepatitis-E-Virus 16, 47, 99 Herdimmunität 110 Herpes-simplex-Viren 19, 60, 62, 88f. Herpesviren 19, 39, 47, 49, 52, 72, 86, 89 f. HIV s. Humanes Immundefizienzvirus Hodenentzündung 110 Hüllmembran 13, 15 Humane T-Zell-Leukämieviren 18, 61 Humanes Herpesvirus–8 63 Humanes Immundefizienzvirus (HIV) 18, 23, 26, 29 f., 44, 46 ff., 50, 58 f., 62, 80f., 86, 88, 92ff., 100 Hundestaupe 30

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ICAM–1 28 IgG-Antikörper 70, 78, 81 IgM-Antikörper 70, 76, 78, 81 Ikosaeder 12, 14 Immortalität 51 Immunantwort 81, 99, 106 Immunfluoreszenztest 70 f., 78 Immunglobuline 101 Immunglobulinpräparate 107 f. Immunglobulin-Superfamilie 28 Immunisierung 100f. Immunität 78 immunologisches Gedächtnis 102 Impfmüdigkeit 109 Impfstoffe 10, 100–107 Lebendimpfstoffe 101 –105 Totimpfstoffe 105 ff. Impfung 99 ff., 108 Impfviren 104 indirekter Nachweis der Viren 70 Infektionen 23, 31 chronisch-persistierende – 51 In-vitro- 78 perinatale–48, 56 persistierende – 56 ff. pränatale–48 Infektionskette 45 f., 99 Influenza-A-Viren 17, 88, 93 Influenzaviren 23, 30, 33, 40, 46 f., 86, 94, 97, 104 f. Inkubationsphase 80 Insektenstiche 24; s. a. Arthropoden Interferon 55 Ioddesoxyuridin 89 Ionenkanalprotein 93 Kaposi-Sarkom 63 Kapsle 12–15, 28, 32, 34 Karzinome 63 Katzenleukose 63 Katzenseuche 30 Kernfaktor NFKB 60 Kinderlähmung 9 f., 28, 102, 109; s.a. Poliomyelitis, Poliovirus

Knospung 42 Kombinationstherapie 97 Komplementbindungsreaktion 70 Komplementkaskade 55 Kondylome 87, 96 Kuru 22 Lamivudin 93 Lassaviren 18, 87, 96 latente Viren 87 Latenz 59, 62 Lebendimpfstoffe 101–105 Leberkarzinom 106 Leberkrebs 109 Lebertumoren 59 Leberzellkarzinom 62, 109 Leberzirrhose 59, 62 Leukoseviren der Katze 63 Lyse 42, 102 Lysosomen 13, 20, 25 M2-Protein 33, 93 Masernviren 17, 32, 47, 62,103 f., 109 f. Maul- und Klauenseuche 8, 16 MHC-Klasse-I-Antigene 101 Mikrotiterplatten 73, 78 Mitochondrien 20, 25 monoklonale Antikörper 71 Morphogenese 41 f., 86 Mumps(viren) 17, 32, 99, 104, 109f. Murein 84 Mutationen 22, 58, 63, 66, 97, 102 Nachweis der Viren direkter–69f. indirekter – 70 Nasopharynxkarzinom 63 Negrische Einschlußkörperchen 69 Nekrose 55 Neuraminidase 94 neutralisierende Antikörper 57, 100ff., 105

Papillomviren 23, 47, 61 ff., 96 f., 99 Paramyxoviren 32 Parvoviren 12,14, 19, 32, 47 Parvovirus–1519-Infektionen 31, 47ff., 59, 62, 81 passive Immunisierung 101, 107 Penicilline 84 Peptidimpfstoffe 107 perinatale Infektionen 48, 56 Peroxidase 74, 78 persistierende Infektionen 56ff. Persistenz 45, 62 Peyer’sche Plaques 28, 44 Plazentaschranke 48 Pockenerkrankung 102, 108 Pockenviren 12, 38 f., 46f. Poliomyelitis 8–10, 109; s.a. Kinderlähmung Poliovirus 10f., 14, 16, 23, 28, 44, 47, 52, 103 f., 109 Polykaryozyten 53 Polymerase-Kettenreaktion (PCR) 74, 76, 87, 100 Polymerasen 21, 85, 96 Polyprotein 40 postinfektiöse Enzephalitis 110 pränatale Infektionen 48 Prionen 22 programmierter Zelltod 54 Proofreading 96 Protease-Hemmstoffe 86 Proteasen 21, 39, 42, 96,93 Protonenpumpe 34 Reaktivierung 60 rekombinante Viren 104 Rekurrenzen 61 Replikation 33, 38, 41 Resistenz(en) 31 f. Respiratorische Syncytialviren 87, 96 Retinoblastomproteine Rbl05/107 64 Reverse Transkriptase 26, 39, 76, 92,97

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rezeptorvermittelte Endozytose 33 f. Rhinoviren 23, 28, 43, 47 Ribavirin 96 Ribosomen 53, 83 Ringelröteln 31 f., 62 RNA-abhängige DNA-Polymerasen 39; s. a. Reverse Transkriptase RNA-abhängige RNA-Polymerasen 38, 57 Röteln(viren) 16, 47, 99, 104, 109 Rous-Sarkom-Virus 8 Satellitenviren 21 Schmierinfektionen 46 Schnupfen(virus) 16, 28 Scrapie 22 serologische Kriterien 20 Sialylsäure 30 Speziesschranke 29, 103 SSPE (subakute sklerosierende Panenzephalitis) 62, 110 Stechmücken 24 Streßfaktoren 53 subakute Enzephalopathien 22 Tabakmosaikvirus 8, 14 Taq-Polymerase 75 Taxonomie 15 Tetracyclin 83 Therapie 83, 85, 87, 96 f. Thymidinkinasen 86, 89 f. Tollwutinfektion 69 Tollwutviren 8, 17, 24, 47f., 99, 104, 107 f. Totimpfstoffe 105 ff. Transformation 63 Transfusionen 24 Tröpfcheninfektion 46, 80 Tumorbildung 60 f. Tumoren 8, 51, 64 Tumoristatika 87 Tumorsuppressorproteine 64 ff. Tumorviren 66

Übertragung 46 ff. durch Blut 46 fäkal-oral 46 Uncoating 33 f., 38, 40, 94 Vacciniaviren 19, 46,103 f., 108 Variabilität 57 Varicella-Zoster-Viren 88 f. Variola-Virus 108 Vermehrung 34 vhs-Effekt 52 Virämie 46, 81 virämische Phasen 44 Viroide 21 Virulenz 102, 104 Virus-Antikörper-Komplexe 74 Virusgenom 13 ff., 75 Virusgrippe 93 Viruslatenz 51, 59 Virusoide 21 Virusprotein-Antikörperkomplexe 78 Viruszüchtung 49 v-Onc63f. Western-Blot-Test 78 Wiederholungsimpfungen 103 Wirtspezifität 29 Zanamivir 96 Zeckenstiche 24, 99 Zellinien 49 Zellkultur 69, 71, 102 Zellspezifität 29 Zelltod, programmierter 54 Zellzyklus 65 Zervixkarzinom 63 Züchtung 70 Zytokine 55 zytopathischer Effekt 10, 53, 71 Zytopathogenität 51, 56 Zytostatika 87 zytotoxische T-Lymphozyten 55, 101 f., 106