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02.07.2009

Ein Virus, das im Versteck auf seine Chance lauert

Das humane Cytomegalievirus (HCMV) steht im Schatten bekannter Viren wie dem Aids-Erreger, den Mitarbeiter von Thomas Mertens am Ulmer Institut für Virologie beforschen. Thomas Mertens, Ärztlicher Direktor der Virologie, beschäftigt sich seit langem klinisch und wissenschaftlich mit dem komplexen viralen Riesen. Das Virus stellt die Forscher vor enorme Herausforderungen und geizt mit schnellen Erfolgen.

Ein Riese unter den Viren - der Steckbrief des HCMV liest sich beeindruckend:
Das zur Familie der Herpes-Viren gehörende humane Cytomegalievirus zählt zu den größten Viren beim Menschen und ist überall auf der Welt verbreitet. Sein Erbgut codiert mehr als 200 Gene. Verglichen damit ist zum Beispiel das Hepatitis-B-Virus ein Zwerg - enthält dieses nur mehrere 1.000 Nukleotide, weist das HCMV 200 Mal so viele Basenpaare auf. Das Virus, das über Körperflüssigkeiten übertragen wird, vermehrt sich kaskadenartig.

Vermehrung in Etappen

Das Schema, das auf den ersten und zweiten Blick eine Vielzahl von Kreisen und wechselwirkenden Zuständen mit der zellulären Umgebung zeigt sowie die verschiedenen klinischen Eingriffsmöglichkeiten, veranschaulicht in hohem Maße die Komplexizität des Virusgiganten und erklärt ein wenig die Schwierigkeiten, vor denen Forscher wie Mertens stehen, die pathogene Wirkung des Virus nachzuverfolgen und eventuelle Angriffsziele zu identifizieren.
Dieses Schema der verschiedenen Infektionszustände des humanen Cytomegalievirus veranschaulicht die Komplexizität und die Vielfalt seiner Interaktionen mit den befallenen Zellen und die verschiedenen diagnostischen und therapeutischen Möglichkeiten. (© Mertens)

Komplex und fintenreich

Aus der Größe seines Genoms ergibt sich für die Forscher die Schwierigkeit, dass es sehr viele Interaktionen zwischen der Zelle und dem Virus gibt. Hinzu kommt, dass sich das HCMV zurückzieht, wenn es den Menschen befallen hat. Die Fachleute sprechen von latenter Infektion. Viele Menschen, erklärt Thomas Mertens, tragen es in sich, sind aber gesund, wenn ihr Immunsystem intakt ist. Im Ulmer Raum - gibt der Virologe ein Beispiel - trägt es jeder Zweite in sich, in anderen Weltgegenden mit geringerem hygienischen Standard, beinahe jeder.

Inzwischen weiß man, dass sich das Virus in bestimmte Zellen zurückzieht, in Monozyten, wahrscheinlich auch in Endothelzellen. Aber noch, schränkt Mertens ein, sind nicht alle Virus-„Verstecke“ bekannt. In dieser latenten Phase kann das Virus aber reaktiviert werden und zwar mit mehreren Mechanismen.

Gefahr für Immunschwache und Ungeborene

HCMV ist nach Mertens’ Worten der häufigste Erreger, der zu intrauterin erworbenen kindlichen Schäden durch Infektionen führt. Das Virus entfaltet nicht nur bei Schwangerschaften, sondern auch in der Hochleistungsmedizin seine pathogene, teilweise lebensgefährliche Wirkung. Es trifft Transplantierte und Krebspatienten, deren Immunsystem geschwächt ist, verursacht Lungenentzündungen oder gastrointestinale Ulzerationen. Jeder dritte Knochenmarktransplantierte bekommt nach Mertens' Worten Probleme mit dem Virus. Bei Transplantationspatienten ist das humane CMV der bedeutendste Erreger unter Pilzen und Bakterien.

Wann und wie kommt das Virus aus seinem Versteck?

Warum das Virus durch die Schwangerschaft bei Frauen häufiger reaktiviert wird, ist bislang ungeklärt. Mertens vermutet dahinter molekulare „Trigger“-Mechanismen. Klar scheint, dass im Moment seiner Reaktivierung das Immunsystem des Betroffenen eine große Rolle spielt, weil die Kontrolle der aktiven Virusinfektion wesentlich durch die CD8-positiven (zytotoxischen) T-Zellen geschieht. Klar ist auch, dass im Zustand der Latenz nur ganz wenige Gene des Virus exprimiert werden. Unklar aber sind immer noch die Latenz- und Umschaltgene.
Der schematische Aufriss zeigt die verschiedenen Stationen des Virus im Stadium seiner Replikation auf. Daran sind viele Gene beteiligt. Die Replikation geschieht im Zellkern mittels eines sogenannten rolling circle.
Wenn das Virus aus seiner Latenz heraus wieder aktiviert wird, beginnt es sich langsam und kaskadenartig zu vermehren, was auch an der Vielzahl seiner damit eingebundenen Gene liegt. (© Mertens)

Rascher Befall, langsame Vermehrung

Die DNA-Replikation des Virus findet im Zellkern der infizierten Zelle statt. Sie vollzieht sich nach der Methodik des „rolling circle“: die virale DNA wird ringförmig geschlossen, dann wird die DNA in Einheitslängen geschnitten. Diese werden in vorbereitete Kapside verpackt und über die innere und äußere Zellmembran durch Mechanismen der Um- und Enthüllung mithilfe der Golgi-Membran aus der Zelle geschleust. Während das Virus die Zelle schnell befällt, verläuft seine Vermehrung langsam, erklärt Mertens. Ein Poliovirus vermehrt sich in Zellkultur in sechs Stunden, das HCMV braucht 72 Stunden.

Ausweichmanöver umgehen Abwehr

Diese Langsamkeit bereitet Forschern wie Mertens Probleme. Denn die Replikation ist komplex, interagiert an vielen Stellen mit der zellulären Genexpression. Das Virus hat daraus Ausweichmanöver entwickelt, um dem Immunsystem zu entkommen: Es muss verhindern, dass die Zelle frühzeitig apoptotisch zugrunde geht, bevor neue funktionstüchtige Viren gebildet werden.
Die elektronenmikroskopischen Aufnahmen zeigen humane Fibroblasten und glatte Gefäßmuskelzellen im nichtinfizierten und infizierten Zustand. Befallene Zellen werden durch das Virus aus ihrem Verbund gelöst, weil das Virus die Bildung der extrazellulären Matrix beeinträchtigt.
Die Aufnahmen veranschaulichen, wie befallene Zellen durch virale Wirkung aus dem zellulären Verband herausgelöst werden. (© Mertens)
Einige dieser Ausweichmanöver sind verstanden. So reguliert das Virus MAC-Moleküle herunter, die dem Immunsystem an der Zelloberfläche Virusteile präsentieren. Darüber hinaus aktiviert das Virus Gene, die den zellulären Selbstmord verhindern. Das HCMV beeinträchtigt weiterhin die Bildung von extrazellulärer Matrix - die infizierte Zelle wird „entblößt“, kann leichter aus dem Gewebe ausscheiden. Das Virus reguliert weiterhin Rezeptoren (VEGF) der Zelle sowohl herauf- als auch herunter.

Zusammenhang mit anderen Krankheiten?

Die elektronenmikroskopische Aufnahme zeigt ein Nierenarterien-Organmodell. In dieser kulitivierten Zelle ist sehr deutlich der kugelige und stachelige Körper des Virus erkennbar.
Im Nierenarterienorganmodell ist der Nachweis des HCMV gelungen. Auf der elektronenmikroskopischen Aufnahme ist der stachelige runde Erreger deutlich zu erkennen. (© Mertens)

Der Ulmer Virologe, der auch Influenza-Experte und Mitglied der Ständigen Impfstoffkommission am Robert-Koch-Institut ist, hat sich innerhalb des sehr breiten Forschungsspektrums auf drei Fragen konzentriert.
Er geht der Frage nach, ob eine so komplexe Interaktion zwischen Virus und Wirtszelle nicht auch für andere Krankheiten, die einem nicht unmittelbar in den Sinn kommen, eine Bedeutung hat. Seine Arbeitsgruppe fand tatsächlich belastbare Hinweise für Arteriosklerose. Versuche in Tiermodellen belegten, dass Herpesviren Arteriosklerose befördern. Beim Menschen, so Mertens, sei es gut vorstellbar, dass befallene Zellen oder Gewebe in einen „proarteriogenen“ Zustand versetzt werden. Der Nachweis beim Menschen ist aber schwer, weil es für HCMV kein Tiermodell gibt.

Virus nutzt Escort-Systeme der Zelle

Grundsätzliche wie anwendungsnahe Bedeutung hat Mertens’ zweiter Forschungsschwerpunkt, der sich mit der Morphogenese des HCMV beschäftigt. Welche viralen Proteine und wann benötigt es diese, damit es sich in der Wirtszelle „normal“ vermehren kann? Damit wäre geklärt, wie die Replikation funktioniert und welcher zellulären Mechanismen sich der Virus bedient. Im Fokus stehen vor allem Transportmoleküle der Zelle oder sogenannte Escort-Systeme, die das Virus oder Teile von ihm nutzt. Mertens zufolge gibt es Hinweise, dass Viren wie HIV, Herpes und HCMV diese Mechanismen in der Zelle mitnutzen, um die eigene Replikation zu vervollständigen.

Der morphogenetische Ansatz interessiert Mertens aber auch, weil sich daraus neue therapeutische Angriffspunkte ableiten lassen. Denn die Hemmung der Virusreplikation konzentriert sich auf diese Schritte in der Zelle. Dazu, so Mertens, muss der Replikationszyklus in kleine Teilprozesse zerlegt werden. Erst dann wisse man genau, wo man eingreifen muss.

Medikamente mit Mängeln

Die derzeit marktgängigen Virustatika setzen hier an – sie hemmen die Vervielfältigung des viralen Erbguts, zielen auf die Polymerase des Virus, entweder durch Nukleosidanaloga (falsche Genombausteine) oder Pyrophosphat-Analoga. Allerdings haben diese Medikamente für den Patienten zum Teil erhebliche Nebenwirkungen, sind nur bedingt verträglich.

Nicht nur das: Der Ulmer Virologe hat gezeigt, dass HCMV gegen diese Substanzen Resistenzen entwickelt. Die dem Selektionsdruck unterworfenen viralen Gene verändern sich spontan und werden gegen diese Substanzen unempfindlich. Deshalb ist es nach Mertens' Überzeugung wichtig, das Repertoire möglicher Therapeutika zu erweitern und neue Substanzen zu entwickeln, die sich gegen unterschiedliche Zielmoleküle richten und nicht automatisch zur Kreuzresistenz führen.

UL 97 – ein neuer Angriffspunkt?

Bei der Analyse und Aufklärung dieser Resistenzmechanismen und deren Mutationen stieß Mertens’ Arbeitsgruppe auf einen möglichen neuen Angriffspunkt, ein virales Enzym mit der Bezeichnung UL 97. Diese Kinase ist seit 20 Jahren bekannt und überträgt Phosphor auf ein Protein. Mertens und Mitarbeiter entdeckten, dass diese Kinase „sozusagen zufällig“ bestimmte Nukleosidanaloga, die in der Therapie eingesetzt werden, phosphoryliert.

Diese Übertragung erst macht ein Nukleosidanalogon virusselektiv: Wird das Nukleosidanalog in die befallene Zelle gegeben, stellt nur diese Zelle das virale Enzym zur Verfügung, das dann den falschen Genombaustein zum Monophosphat phosporyliert. Die Aufphosphorylierung zum Triphosphat ist wiederum nötig, damit dieses Molekül von der Polymerase in die zu synthetisierende virale DNA eingebaut werden kann.

Datenbank für internationale Forschungsgemeinde

Ist die Funktion dieses Enzyms verstanden, erhofft sich Mertens Aufschluss darüber, wo es verändert werden muss, um seine Funktion zu beeinträchtigen. Momentan baut seine Arbeitsgruppe mit Hans Armin Kestler vom Ulmer Institut für Neuroinformatik eine Datenbank auf. Damit sollen alle Mutationen dieses Proteins möglichst weltweit verfügbar sein, so dass alle, die eine Mutation bei ihrem Virus finden, Rückschlüsse auf die Empfindlichkeit des Virus gegenüber der antiviralen Substanz ziehen können.

Stellt sich heraus, dass UL 97 für die virale Replikation notwendig ist, wäre ein neues Ziel für therapeutische Eingriffe gefunden, unabhängig von dessen Eigenschaft der Phosphorübertragung. Obendrein hätte dieses Target den Vorteil, dass es auf einem anderen Mechanismus beruht und nicht auf die Polymerase zielt. Davor steht aber noch jede Menge Grundlagenforschung. Es müssten Hemmer von Proteinkinasen auf ihre antivirale Wirksamkeit getestet werden, die gleichzeitig die Proteinkinasen der Wirtszelle unbehelligt lassen.

Kein Impfstoff, keine klinischen Kandidaten

Theoretisch könnten alle replikationsrelevanten viralen Gene ein mögliches Target abgeben. Doch das erfordert ein aufwendiges Molekül-Screening im Hochdurchsatz. Einige Pharmaunternehmen führen dies durch, einige Substanzen sind nach Informationen von Mertens in der Pipeline, wurden in einigen klinischen Phasen bereits am Menschen erprobt, gestalten sich aber wegen der Komplexität des Virus mühselig. Auch Versuche, einen Impfstoff gegen HCMV zu entwickeln, scheiterten bislang. Derzeit gebe es keine Vakzine in fortgeschrittener klinischer Testung.

Differenzierungszustand der Zelle im Verdacht

Immer noch ungeklärt sind die molekularen Schalter, die das Virus abtauchen (Latenz) und reaktivieren, sprich wieder vermehren lässt. Im Verdacht haben Forscher den Differenzierungszustand bestimmter Zellen. So können Monozyten das Virus zwar aufnehmen, hindern es aber an seiner Vermehrung. Weiterdifferenzierte Makrophagen hingegen sind in der Lage, den Replikationszyklus zu unterstützen. Aus solchen Laborbefunden schließt Mertens, dass es nicht nur eine Eigenschaft des Virus, sondern zusätzlich eines Differenzierungszustandes der Zelle mit vielen möglichen Folgen (Zytokinausschüttung oder Alloreaktionen) bedarf, um ein Milieu zu schaffen, in dem dann mehrere molekulare Schalter umgelegt werden. Diese Checkpoints in der Zelle zu identifizieren, erfordert verstärkt die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Zellbiologen mit Virologen.
Ein Beitrag von:
Logo der Region Ulm
wp - 02.07.2009
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH

Weiterführende Literatur:
Chevillotte M, Schubert A, Mertens T, von Einem J.: A fluorescence-based assay for phenotypic characterisation of human cytomegalovirus polymerase mutations regarding drug susceptibility and viral replicative fitness, in: Antimicrob Agents Chemother. 2009 Jun 22.

Schreiber A, Härter G, Schubert A, Bunjes D, Mertens T, Michel D.: Antiviral treatment of cytomegalovirus infection and resistant strains, in: Expert Opin Pharmacother. 2009 Feb;10(2):191-209.

Chevillotte M, Landwehr S, Linta L, Frascaroli G, Lüske A, Buser C, Mertens T, von Einem J.: Major tegument protein pp65 of human cytomegalovirus is required for the incorporation of pUL69 and pUL97 into the virus particle and for viral growth in macrophages, in: J Virol. 2009 Mar; 83(6):2480-90.

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