Der Corona Atlas

Harald Renz, Harald Renz

• Verlag: De Gruyter
• Jahr: 2022
• ISBN:
  9783110752656
• Auflage: 1
• Thema: Medizin
• Thema: Klinische Medizin

Es gibt wohl keine Erkrankung, wie die durch das SARS-CoV-2 Virus ausgelöste Covid-19, bei der es in so kurzer Zeit zu einem so hohen Wissenszuwachs gekommen ist. Dies betrifft sowohl Erkenntnisse zum Virus, zur Pandemie, zur Immunabwehr, zu diagnostischen Möglichkeiten, zur Impfstoff- und Medikamentenentwicklung, zu Therapiekonzepten, zu sozioökonomischen Konsequenzen, aber auch zu wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Auswirkungen und noch vieles mehr. Dieses Buch fasst die ersten zwei Jahre dieser Pandemie und deren Auswirkungen auf wissenschaftlichem Niveau zusammen und stellt die Evidenzen synoptisch dar. Dabei erreicht es mit seinem Inhalt ein breites Publikum von interessierten Laien bis hin zu Wissenschaftlern und Ärzten.

1 SARS-CoV-2 – Virologie und Mutationen

Lara Kümmel

Sarah Gruninger

Harald Renz

Hanna Krumbein

Dank intensiver Forschung gibt es heute ein detailliertes Wissen über die Virologie von SARS-CoV-2, über seine Genetik und Struktur. Aufgaben und Funktionen von viralen Proteinen konnten geklärt werden, sodass nachvollziehbar ist, wie sich das Virus vermehrt und wie es mutiert. Dies sind komplexe Vorgänge, die zum Verständnis für den Ablauf der Infektion ebenso wichtig sind wie für die Nachvollziehbarkeit epidemiologischer Entwicklungen.

1.1 Welche Coronaviren können Menschen infizieren? – Eine Übersicht der humanpathogenen Coronaviren

Coronaviren sind eine große Virusfamilie, die hauptsächlich unter Vögeln und Säugetieren vorkommen, darunter Fledermäuse und auch Menschen. Sie gehören der Ordnung der Nidovirales an, einer Gruppe von Viren, die weiter unterteilt werden kann. Dort gehören sie der Untergruppe der Orthocoronaviridae an, die wiederum in vier Gattungen unterteilt wird: Alpha-, Beta-, Gamma- und Deltacoronaviren [1]. Von diesen sind bis heute ausschließlich Viren der Gattung Alpha und Beta beim Menschen gefunden worden (siehe Abb. 1.1). SARS-CoV-2 zählt zur Gattung der Betacoronaviren.

1931 wurde ein bronchitisauslösendes Virus bei neugeborenen Küken entdeckt, 1960 eine humanpathogene Variante, die Menschen infizieren kann. Erst einige Jahre später wurden diese Viren der Familie der Coronaviren zugeordnet, die 1964 durch eine junge Virologin elektronenmikroskopisch identifiziert worden waren [2]. Mit der Entdeckung des neuartigen SARS-CoV-2 sind nun seit 2019 sieben Virusvarianten des Coronavirus bekannt, die beim Menschen zu Erkrankungen führen können [3]. Diese reichen von leichten Erkältungen bis hin zu schweren Verläufen mit Todesfolge.

Vier dieser bekannten Coronaviren (HCoV-229E, HCoV-NL63, HCoV-HKU1 und HCoV-OC43) kursieren jährlich endemisch und sind für etwa 10–15 % der akuten respiratorischen Erkrankungen (ARE), der nicht durch Influenza verursachten Atemwegserkrankungen, verantwortlich [4].

Zusätzlich zu diesen Varianten kam es in den letzten Jahrzehnten zu Infektionen mit neuartigen Coronaviren, die aus dem Tierreservoir auf den Menschen übergegangen sind. Dazu gehört das 2002 erstmals beim Menschen entdeckte SARS-CoV, welches häufig schwere Krankheitsverläufe mit sich brachte und Auslöser des Schweren Akuten Respiratorischen Syndroms (Severe Acute Respiratory Syndrome, SARS) war. Sein geographischer Ursprung lag 2002 in Asien, wo vermutlich eine Übertragung durch Fledermausarten auf den Menschen stattgefunden hat. Diese Variante kursierte über 2 Jahre besonders im asiatischen Raum, mit einer Letalität von ca. 10 % [4]. Doch glücklicherweise wurden seit 2004 keine neuen Fälle mehr gemeldet.

2012 kam es zum Ausbruch des MERS, welches bis heute besonders auf der Arabischen Halbinsel kursiert und Auslöser schwerer Pneumonien (Lungenerkrankungen) ist. Bis 2019 wurden weltweit über 2.400 Fälle gemeldet, von denen 35 % einen tödlichen Verlauf nahmen [5]. Darunter waren auch Fälle in Deutschland, meist mit einer positiven Reiseanamnese unmittelbar nach einem Aufenthalt auf der Arabischen Halbinsel. Der Ursprung von MERS-CoV konnte ebenso auf Fledermäuse zurückgeführt werden, allerdings spielen im Gegensatz zu SARS-CoV bei der Verbreitung besonders Dromedare eine große Rolle, aber auch Mensch-zu-Mensch-Übertragungen werden vermutet [5].

Die siebte humanpathogene Form der Coronaviren ist das neuentdeckte SARS-CoV-2, das zentrale Thema dieses Buches.

Abb. 1.1: Zeitstrahl zum Auftreten humanpathogener Coronaviren. Die dargestellten Zeitpunkte kennzeichnen den erstmaligen Nachweis der entsprechenden Coronaviren beim Menschen. Vor 1960 waren keine Coronaviren bekannt, die beim Menschen Erkrankungen auslösen können.

1.2 Der Aufbau des Virus

Viren sind kleine Partikel, die neben Bakterien zu den wichtigsten Krankheitserregern zählen. Im Gegensatz zu Bakterien können Viren allerdings keinen eigenständigen Stoffwechsel betreiben oder Proteine synthetisieren. Aus diesem Grund sind Viren auf die Syntheseapparate von Wirtszellen, wie zum Beispiel von menschlichen Zellen, angewiesen, um sich zu vermehren und neue Viruspartikel bilden zu können.

Die freie und damit extrazelluläre Form eines Virus ist das sogenannte Virion, der infektiöse Viruspartikel. Er besteht aus seinem Genom und verschiedenen Proteinen. Im Fall der Coronaviren ist das Virion außerdem von einer Hülle umgeben, die aus einer Lipiddoppelschicht, ähnlich einer Zellmembran, besteht. In diese Hülle sind Proteine eingelagert, die über bestimmte Sequenzen in der Lipidschicht verankert sind und die verschiede Funktionen im Vermehrungszyklus des Virus übernehmen können. Zu diesen Proteinen, die in die Membranhülle eingelagert vorliegen, gehören das Spike-Protein sowie die Envelope- und Membranproteine von SARS-CoV-2, auf die im Weiteren genauer eingegangen wird. Die Oberflächenproteine bzw. Spikes haben eine Länge von 20–25 nm und verleihen dem Coronavirus seine charakteristische Kronenform [6].

Innerhalb des Virions befindet sich das virale Erbgut, welches zum Schutz von einer Proteinstruktur umgeben ist, dem sogenannten Kapsid, bestehend aus den Nukleoproteinen. Diese bilden als Einheit das Nukleokapsid, als helikale bzw. spiralförmige Struktur im Innern des Viruspartikels.

Das Genom von Viren kann entweder ein RNA- oder DNA-Strang sein, wobei es im Fall von SARS-CoV-2 und auch bei allen anderen Coronaviren aus einem RNA-Strang besteht. Dieser liegt als helikale Struktur vor und ist ein RNA-Einzelstrang und nicht, wie beim Menschen, ein Doppelstrang. Der RNA-Strang hat eine positive Polarität und damit dieselbe Polarität wie die der mRNA zur Proteinbiosynthese. Aus diesem Grund kann die virale RNA in der Wirtzelle direkt in Aminosäuresequenzen übersetzt und somit Proteine gebildet werden, ohne eine vorhergegangene Transkription.

Die infektiösen Virionen können je nach Virus unterschiedlich groß sein. Während sie bei kleinen Viren wie den Parvoviren nur 20 nm groß sind, gibt es Viren mit Größen von bis zu 400 nm. Virionen von SARS-CoV-2 haben dagegen einen Durchmesser von etwa 120 nm und eine Masse von etwa 1 Femtogramm [1,3,7,8,9] – siehe Abb. 1.2.

Abb. 1.2: Kryoelektronenmikroskopische Aufnahmen von SARS-CoV-2-Virionen. Mit freundlicher Genehmigung zur Verfügung gestellt von Dr. Beata Turonova, Max-Planck-Institut für Biophysik. Sie zeigen die Struktur von SARS-CoV-2 mit seiner charakteristischen „Corona“, die durch die Spike-Proteine entsteht.

1.2.1 Virusproteine und ihre Funktionen

Die wichtigsten Komponenten des Virions von SARS-CoV-2 sind die Strukturproteine und das virale Genom. Zu diesen Proteinen gehören das Spike-Protein (S), das sogenannte Membranprotein (M), ein Envelope-Protein (E) und ein Nukleoprotein (N). Dabei sind die Spike-Proteine sowie die Envelope- und Membranproteine in die Membranhülle eingelagert, während das Nukleoprotein mit dem Virus-Genom das helikale Nukleokapsid im Innern bildet – siehe Abb. 1.3.

Abb. 1.3: Aufbau eines Virions und der Strukturproteine. Zu den Strukturproteinen gehören das Spike-Protein, das Nukleoprotein als Teil des Nukleokapsids, das Envelope- und das Membranprotein. Diese sind die strukturell bedeutsamsten Bestandteile eines Virions von SARS-CoV-2. Das Spike-Protein lässt sich dabei weiter unterteilen in seine S1- und S2-Untereinheit, wobei erstere die Rezeptorbindungsdomäne enthält.

Das wohl am meisten erwähnte und in der Laiensprache diskutierte Protein ist das Spike-Protein, welches in der Membranhülle verankert ist, dem Virusp...