Trickreiche Viren

Manche Viren sind jedoch in der Hinsicht einzigartig, dass sie nicht nur DNA, sondern auch RNA als Erbgut verwenden können. Die meisten RNA-Viren enthalten Erbgut in Form eines RNA-Einzelstrangs. Er wird entweder direkt als mRNA verwendet, weil er bereits in der richtigen Leserichtung vorliegt, oder muss noch von einem Enzym, das die Viren selbst mitbringen, umgeschrieben werden. Zu den RNA-Viren gehören beispielsweise Corona-, Hanta-, Ebola- und Influenzaviren.

Eine Besonderheit sind Retroviren wie das Humane Immundefizienz-Virus (HIV). HIV bringt ebenfalls RNA-Erbgut mit. Mithilfe eines Enzyms, das nur in Retroviren vorkommt, hebelt HIV jedoch die natürliche Abfolge von der DNA über die mRNA zum Protein aus. Es wandelt sein RNA-Erbgut in DNA um und baut diese ins menschliche Erbgut ein. Dieser Mechanismus ist einer der Hauptgründe, warum HIV-Infektionen heute zwar gut behandelbar, aber nicht heilbar sind.

Die meisten Viren sind nur zwischen 20 und 300 Nanometer groß, also bis zu 100-mal kleiner als Bakterien und circa 10.000-mal kleiner als ein Stecknadelkopf. Ihre Entdeckung war eine Herausforderung. Robert Koch reinigte Ende des 19. Jahrhunderts mithilfe von Filtern Bakterien aus Patientenproben auf. 1898 beschrieb der Niederländer Martinus Beijerinck dann Erreger, die durch diese Filter gehen. Er nannte sie „ultrafiltrierbare Viren“. Den Begriff „Virus“ leitete er vom lateinischen Wort für „Gift“ ab.

Immunsystem bekämpft infizierte Zellen

Viren sind überall. Wir atmen sie ein. Wir essen sie. Wir interagieren mit Oberflächen oder anderen Menschen und schmieren uns die Viren anschließend in Nase oder Mund. Klingt eklig, ist aber normal. Die meisten Viren beeinträchtigen unsere Gesundheit nicht. Nur ein kleiner Teil kann uns infizieren. Dann bekämpft unser Immunsystem Viren sehr effektiv.

Das Immunsystem wird grob in zwei Teile unterteilt: das angeborene und das adaptive Immunsystem. Das angeborene Immunsystem nutzt lösliche Botenstoffe, sogenannte Interferone, um Viren zu bekämpfen. Infizierte Zellen setzen diese Botenstoffe frei, um ihre „Nachbarn“ zu warnen. Interferon-α triggert etwa einen antiviralen Zustand, der in der frühen Phase der Infektion die Virusausbreitung eindämmt.

H5N1, der Erreger der Vogelgrippe, gehört zu den Influenza-Viren. Um die Proteinproduktion der Wirtszelle zu unterwandern, nutzt dieser Erreger RNA (violette Helixstruktur in der Illustration) als Vorlage. · Foto: © catalin / stock.adobe.com

Aber wie erkennt die Zelle, dass sie infiziert ist? Sie nutzt intrazelluläre Rezeptoren als „Sinnesorgane“. Diese erkennen spezifische Muster, die nur in Krankheitserregern vorkommen, und schlagen Alarm. Bei Viren triggert vor allem deren Erbgut. Denn Viren sind schlechte Fälscher. Ihr Erbgut ist der zellulären DNA oder RNA zwar ähnlich, ist aber nicht identisch. Das Erbgut von RNA-Viren trägt beispielsweise oft drei Phosphatgruppen, die in zellulärer RNA nicht frei zugänglich sind. Im Alarmfall setzt die Zelle Interferon-α frei. Zusätzlich produziert sie weitere Botenstoffe, um Immunzellen anzulocken.

Zunächst erscheinen die Zellen des angeborenen Immunsystems. Zu ihnen gehören die Fresszellen, die so viele Erreger wie möglich verschlingen. Wenn Viren sich jedoch im Inneren infizierter Zellen erst einmal versteckt haben, sind sie für Fresszellen unerreichbar. Natürliche Killerzellen (NK) wiederum spüren Viren selbst dort auf. Deshalb spielen sie bei deren Bekämpfung eine besonders wichtige Rolle.

Um herauszufinden, ob eine Zelle infiziert ist, tastet die NK-Zelle die Körperzelle ab. Dieser Prozess ähnelt einer Verkehrskontrolle. Die Körperzelle kann jedoch nicht einfach das Autofenster herunterkurbeln, um die NK-Zelle in ihr Inneres blicken zu lassen. Stattdessen kehrt die Körperzelle ihr Inneres nach außen. Die Zelle belädt Spezialproteine im Inneren zufällig mit Proteinbruchstücken und transportiert diese an die Oberfläche. Einmal beladen, hält jedes Spezialprotein sein Bruchstück hoch, damit es alle gut sehen können. Ist eine Körperzelle infiziert, werden so auch Virusbruchstücke präsentiert. Streng kontrolliert die NK-Zelle die Proteine der Körperzelle. Da! Ein Virusbruchstück. Die Immunzelle zieht die infizierte Zelle sofort aus dem Verkehr, bevor diese weitere Viren freisetzen kann.

Einige Viren sind schlau. Sie entfernen Präsentationsproteine von der Oberfläche infizierter Zellen, um sich zu „tarnen“. Aber NK-Zellen sind schlauer. Sie werden nicht nur durch Virusbruchstücke getriggert, sondern erkennen auch, wenn eine Zelle insgesamt verdächtig wenige Präsentationsproteine auf ihrer Oberfläche hat. Da ist doch etwas faul! Die NK-Zelle tötet diese Körperzellen vorsichtshalber ebenfalls.

Die wichtigsten Zellen des adaptiven Immunsystems heißen T- und B-Zellen. Killer-T-Zellen patrouillieren – ähnlich wie NK-Zellen – durch den Körper. Sie überprüfen, ob sie Präsentationsproteine finden, die mit Virusbruchstücken beladen sind. Wenn ja, töten sie die infizierten Zellen. B-Zellen dagegen produzieren Antikörper und geben diese ins Blut ab. Antikörper können Viren direkt unschädlich machen, indem sie verhindern, dass sie in Körperzellen eindringen. Außerdem können sie mehrere Viren zu größeren „Klumpen“ verkleben, sodass Fresszellen sie leichter verschlingen können.

Hantaviren (blau eingefärbt in der Transmissionselektronenmikroskop-Aufnahme) treten an der Oberfläche einer befallenen Nierenzelle aus, um andere Zellen zu befallen. · Foto: © Science Photo Library / Science Source

Evolutionärer Wettlauf mit Grippe-Viren

Wenn unser Immunsystem so viele Wege gefunden hat, um Viren zu bekämpfen, warum werden wir dann noch krank? Die Antwort ist: Viren sind Meister darin, unser Immunsystem zu manipulieren, um ihm zu entgehen. Es ist ein ständiger Wettlauf. Das Immunsystem entwickelt sich zwar durch Evolution weiter, aber viel langsamer als Viren, die bei jedem Vermehrungszyklus mutieren und neue Virusvarianten hervorbringen. In seltenen Fällen verändern Mutationen die Spezifität eines Virus für einen bestimmten Wirt und ermöglichen, dass tierische Viren auf andere Tiere oder den Menschen überspringen.

Das beobachten Forschende zum Beispiel bei Influenza-Viren: Seit 30 Jahren verbreiten sich hoch ansteckende Vogelgrippe-Viren. Immer wieder springen die Viren von Vögeln auf Säugetiere über. 2024 hat sich das Vogelgrippe-Virus H5N1 auf eine Milchkuh in Texas übertragen. Dieser Texas-Virusstamm infizierte über kontaminiertes Melkgeschirr und Viehtransporte Tausende Rinder in 20 US-Bundesstaaten. „Aus meiner Sicht wurde leider erst sehr spät begonnen, die Verbreitung des Virus einzudämmen“, sagt Martin Beer, der Vizepräsident des Friedrich-Loeffler-Instituts, dem Bundesforschungsinstitut für Tiergesundheit. „Sobald sich Vogelgrippe-Viren unkontrolliert in Säugetieren verbreiten, besteht das Risiko, dass sie sich an ihren neuen Wirt anpassen. Da wir Menschen auch Säugetiere sind, steigt damit meist auch unser Risiko“, erklärt der Virologe.

Eine Besonderheit von Influenza-Viren ist, dass ihr Erbgut segmentiert, also in acht Stücke unterteilt ist. Sobald sich ein Wirt gleichzeitig mit zwei verschiedenen Influenza-Viren infiziert, „würfeln“ die Viren ihr Erbgut neu zusammen. So entstehen völlig neue Influenz-Virus-Kombinationen. Kreuzen sich an Tiere angepasste Viren mit bereits an den Menschen angepassten Viren, können neue für den Menschen infektiösere Influenza-Viren entstehen.

Die gute Nachricht ist, dass unser Immunsystem Influenza-Viren bereits kennt. Gemeinsam mit Forschenden aus Köln haben Beer und sein Team nachgewiesen, dass selbst gesunde Personen Antikörper im Blut haben, die auch die H5N1-Texasvariante binden. Der Körper bildet sie vermutlich nach einer Infektion mit zirkulierenden H1N1-Grippe-Viren oder nach der saisonalen Impfung. Dies könnte auch ein Grund sein, warum die Krankheitsverläufe H5N1-infizierter Farmer in den USA meist mild ausfielen. In der EU sind außerdem bereits erste Impfstoffe gegen H5N1 zugelassen.

Forschende versuchen, hoch ansteckende Viren mit Pandemiepotenzial möglichst engmaschig zu überwachen und Vorbereitungen zu treffen. Für bekannte Viren werden diagnostische Tests sowie Impfungen entwickelt und regelmäßig an kursierende Virusvarianten angepasst. Trotzdem lässt sich schwer vorhersehen, welches Virus wann die nächste Pandemie auslösen könnte.

Bakteriophagen docken an die Oberfläche eines Bakteriums an und töten es. · Foto: © iStock.com / MARHARYTA MARKO

Entscheidend ist zum Beispiel, ob und wie ein Virus von Mensch zu Mensch übertragen wird. Die H5N1-Texasvariante war hierzu zum Beispiel nicht in der Lage. Auch Hantaviren tun sich damit schwer. Sie können es aber schaffen, wie die Andes-Virusvariante beim Ausbruch auf dem Kreuzfahrtschiff MV Hondius kürzlich gezeigt hat. Für die Übertragung des Andes-Virus von Mensch zu Mensch braucht es einen engen und andauernden körperlichen Kontakt, beispielsweise im Haushalt oder bei der Pflege. Es verhält sich daher nicht wie SARS-CoV-2 und breitet sich nicht über flüchtige Alltagskontakte aus. Hinzu kommt, dass Infizierte erst ansteckend sind, sobald sie Symptome entwickeln oder kurz davor. Durch Abstand halten, Kontaktmanagement, Quarantäne und Schutzkleidung bei engem Kontakt lässt sich das Andes-Virus daher leichter kontrollieren, als es bei SARS-CoV-2 der Fall war.

Viren als Werkzeug

Obwohl der Mensch den Großteil seiner Geschichte unter Viruserkrankungen litt, begann er – wenn auch unwissentlich – ebenfalls sehr früh damit, Viren für sich zu nutzen. Im 17. Jahrhundert züchteten Bauern in Holland zum Beispiel Tulpen mit wunderschönen Mustern, indem sie das sogenannte Tulpenmosaik-Virus verbreiteten.

Heute werden Viren auch als Medizin erforscht. Bakteriophagen sind Viren, die Bakterien infizieren und zukünftig als Antibiotika-Alternative dienen könnten. In der Forschungsgruppe zur Prävention mikrobieller Erkrankungen am Helmholtz Zentrum München untersucht Mohammadali Khan Mirzaei deshalb, welche Phagen antibiotikaresistente Bakterien töten. Die Forschenden mixen individuelle „Phagen-Cocktails“ für Patienten. „Wir kombinieren Phagen, die Bakterien auf unterschiedliche Weise töten, um zu vermeiden, dass die Bakterien auch gegen die Phagen resistent werden“, erklärt der Virologe.

Die Therapie ist in Deutschland noch nicht zugelassen. Forschende und Ärzte dürfen nur Patienten behandeln, für die es keine Alternative gibt. Einzelnen Patienten konnten die Forschenden bereits helfen. In einer ersten klinischen Studie zu personalisierter Bakteriophagen-Therapie am Queen Astrid Military Hospital in Brüssel ließen sich bei 61,3 Prozent der Infektionen die Zielbakterien ausrotten. Da die Entwicklung individueller Therapien oft Monate dauert, möchte Khan Mirzaei eine „Phagen-Bibliothek“ zur Behandlung wichtiger Erreger anlegen. Zunächst mussten die Forschenden jedoch lernen, die Phagen über längere Zeit haltbar zu machen. Am besten lassen sich Phagen laut neuester Erkenntnis schockgefroren und bei minus 80 Grad Celsius lagern. In weiteren Experimenten untersuchen Khan Mirzaei und sein Team, wie die Phagen am effektivsten verabreicht werden können. Bis Phagen klinische Routine werden, gilt es also, noch einige wissenschaftliche und regulatorische Herausforderungen zu bewältigen. ■

KRISTINA HOPFENSPERGER ist promovierte Virologin und freie Wissenschaftsjournalistin. Sie fasziniert, wie trickreich Viren das menschliche Immunsystem manipulieren.

Viren vs. Bakterien

Sowohl Viren als auch Bakterien können uns krank machen. Darüber hinaus haben diese Krankheitserreger jedoch wenig gemeinsam.

Bakterien sind Lebewesen, die aus einer einzelnen Zelle bestehen. Sie besitzen eine Zellwand und Ribosomen, aber keinen Zellkern und keine Zellorganellen. Bakterien haben einen eigenen Stoffwechsel und benötigen Nahrung. Sie vermehren sich, indem sie sich teilen. Bakterien sind zu klein, um sie mit dem bloßen Auge zu sehen.

Viren sind dagegen nicht lebendig. Sie bestehen nur aus einer Hülle, die das Virus-Erbgut enthält. Viren haben keinen Stoffwechsel und benötigen deshalb auch keine Nahrung. Sie beuten Wirtszellen aus, um sich zu vermehren. Viren sind sogar noch kleiner als Bakterien.

Wichtig zu wissen ist, dass Antibiotika nur bei Infektionen helfen, die durch Bakterien verursacht werden. Denn die meisten Antibiotika zerstören entweder gezielt die Zellwand von Bakterien und töten diese so direkt oder sie blockieren deren Stoffwechsel. Da Viren weder Zellwand noch Stoffwechsel haben, sind Antibiotika gegen sie absolut unwirksam. Da Bakterien bei falscher Anwendung resistent gegen Antibiotika werden können, sollten diese sorgsam eingesetzt werden. Es sollte daher unbedingt vor der Einnahme beim Arzt abgeklärt werden, ob wirklich eine bakterielle Infektion vorliegt.

Zur Bekämpfung von Viren gibt es ebenfalls spezifische Medikamente. Die sogenannten Virostatika hemmen gezielt deren Vermehrung. Ein bekanntes Beispiel ist Aciclovir, das die Vermehrung von Herpesviren hemmt.