Das Influenzavirus: Meister der Veränderung

Hust, schnief, trief: Jedes Jahr dasselbe, in den öffentlichen Verkehrsmitteln, an den Arbeitsplätzen, daheim in der Familie. Grippewellen kommen und gehen, immer wieder kann man sich neu anstecken, denn das Influenzavirus ist ausgesprochen wandlungsfähig. In jedem Vermehrungszyklus verändert sich das Erbgut der Viren, mindestens ein Gen mutiert, besonders beim Influenzatyp A.

Ein besonderes Augenmerk auf diese Veränderungen haben Forschende am Unispital Genf. Während der Grippesaison treffen dort im Nationalen Referenzzentrum für Influenza (NRZI) Nasen-Rachen-Abstriche aus der ganzen Schweiz ein. Das NRZI arbeitet mit verschiedenen Partnern im Netzwerk der Weltgesundheitsorganisation (WHO) zusammen. Die Abstriche von Patientinnen und Patienten mit Grippesymptomen werden speziell gesichert, dicht verpackt und erst im Labor in einer Sicherheitswerkbank mit Abluftfilter geöffnet. Gesammelt werden sie schweizweit von den Hausärztinnen und -ärzten (sogenannte Sentinel-Studie). Mit verschiedenen Techniken analysiert man die Proben. Erfolgt der Nachweis von Influenzaviren, werden diese noch genauer untersucht. Nicht jede Probe stellt sich als Influenzavirus heraus; vielfach sind auch Rhinoviren darunter, die Atemwegserkrankungen mit ähnlichen Symptomen verursachen. Wenn die saisonale Grippewelle hoch ausschlägt, also im Januar und Februar, können pro Woche schon mal mehr als 100 Abstrichproben im Genfer Labor eintreffen, so die Technische und Operative Leiterin des NRZI, Ana Rita Gonçalves Cabecinhas.

Influenzaviren haben eine kugelig-ovale Form mit einem ungefähren Durchmesser von einem zehntausendstel Millimeter. Proteine und Lipide bilden die Oberfläche, die sogenannte Virushülle, die die virale Erbinformation umschliesst. Insbesondere Influenza-A-Viren verändern ihre Oberflächenproteine Hämagglutinin (HA) und Neuraminidase (NA) sehr häufig und rapide schnell.

1. Täuschung

Forschende der ETH Zürich haben erstmals live unter dem Mikroskop beobachtet, wie Grippeviren in menschliche Zellen eindringen, und dabei festgestellt, dass die Zellen den Infektionsprozess aktiv mitgestalten. Mithilfe einer neu entwickelten Kombination aus Rasterkraft- und Fluoreszenzmikroskopie zeigte sich, dass Influenzaviren nicht einfach passiv eindringen, sondern von der Zelloberfläche gezielt eingefangen und über Membranbläschen ins Zellinnere transportiert werden. Dabei kapern die Viren einen natürlichen Aufnahmeprozess der Zelle, die sogenannte Endozytose, der eigentlich der Aufnahme lebenswichtiger Substanzen wie Hormonen oder Nährstoffen dient. Durch ihre passende Grösse und die Bindung an spezifische Rezeptoren täuschen die Viren der Zelle einen harmlosen Transport vor und gelangen so ins Innere, wo sie sich vermehren können. Diese neuen Einblicke in das Zusammenspiel von Virus und Zelle könnten wichtige Ansatzpunkte für die Entwicklung neuer antiviraler Therapien liefern.

2. Vielfalt

Im Unterschied zu allen lebenden Organismen, deren Erbinformation stets in Form von DNA vorliegt, ist das genetische Material von Viren äusserst vielfältig. Je nach Virus besteht es entweder aus DNA oder RNA und kann als Einzel- oder Doppelstrang organisiert sein. Zu den DNA-Viren zählen beispielsweise Herpes‑, Papilloma‑ und Pockenviren. Deutlich zahlreicher unter den bekannten Krankheitserregern sind jedoch RNA‑Viren, zu denen viele besonders gefährliche und weit verbreitete Infektionskrankheiten gehören. Dazu zählen unter anderem Influenza‑ und Masernviren, das Ebola‑Virus sowie das Coronavirus SARS‑CoV‑2. Auch zahlreiche durch Mücken oder Zecken übertragene Krankheiten wie Dengue‑, Zika‑, West‑Nil‑ oder Gelbfieber werden von RNA‑Viren verursacht. Ebenso trägt das HI‑Virus, der Erreger von Aids, RNA als Erbgut.

Analysen des Virusgenoms zeigen, dass Influenzaviren aus acht getrennten Genabschnitten bestehen, die sich neu kombinieren können. Besonders entscheidend für die Infektionsfähigkeit sind die Gene für die Oberflächenproteine Hämagglutinin (H), das das Andocken an menschliche Zellen ermöglicht, und Neuraminidase (N), die die Freisetzung neuer Viren steuert. Neue Kombinationen dieser Gene können dazu führen, dass ein Virus leichter Menschen infiziert und ein hohes Pandemiepotenzial entwickelt.

3. Anpassungsfähigkeit

Viren bestehen immer aus Erbgut und einer schützenden Proteinhülle, dem Kapsid, das besonders effizient aufgebaut ist, da es aus vielen identischen Proteinbausteinen besteht. Diese Bauweise spart Platz im Genom, schränkt aber die Anpassungsfähigkeit an neue Wirte ein. Kapside kommen vor allem in zwei Formen vor: helikal, wie bei Influenza‑ oder Masernviren, und ikosaedrisch, wie bei Polio‑ und Rhinoviren. Viele besonders gefährliche Viren, darunter SARS‑CoV‑2, besitzen zusätzlich eine Virenhülle aus einer Lipidmembran, die sie beim Austritt aus der Wirtszelle „stehlen“. Diese Hülle erleichtert ihnen später das Eindringen in neue Zellen, da sie mit deren Zellmembran verschmelzen kann. 

Behüllte Viren lösen besonders häufig neue Epidemien aus, weil sie sich leicht an neue Wirte anpassen können. Mithilfe veränderlicher Hüllproteine docken sie gezielt an bestimmte Rezeptoren auf Wirtszellen an und überwinden so Artgrenzen vom Tier zum Menschen. Welche Zellen und Organe infiziert werden, hängt von der Passgenauigkeit dieser Bindungsstellen ab, wie etwa beim Spike‑Protein von SARS‑CoV‑2, das an den ACE2‑Rezeptor menschlicher Atemwegszellen bindet. Da diese Bindungsstellen durch Mutationen schnell verändert werden können, sind behüllte Viren besonders prädestiniert für sogenannte Zoonosen. Beispiele dafür sind SARS‑CoV‑2, das vermutlich aus Fledermäusen stammt, sowie Influenzaviren, die häufig ihren Ursprung in Vögeln haben und wiederholt Pandemien ausgelöst haben.

Neben den Grundlagen wie Hände waschen, gesunde Ernährung, ausreichend Schlaf, Bewegung und ein gutes Stressmanagement bietet die Natur Unterstützung. Interessant sind dabei Pflanzen wie

• Echinacea, deren Alkylamide an den Rezeptoren der Körperzellen andocken und die Ausschüttung von Entzündungsmarkern (Zytokinen) regulieren, aber auch das Immunsystem stimulieren, indem sie die Produktion von T-Helferzellen und anderen Immunzellen erhöhen. 
• Ingwer, deren Scharfstoff 6-Gingerol bei der Abwehrarbeit aktiv ist.
• Meerrettich, dessen scharf schmeckende Glucosinolate Sinigrin und Gluconasturtiin im menschlichen Körper eine breite antibakterielle Wirkung zeigen und auch hervorragend gegen virale Atemwegsinfekten aktiv sind.   
• Holunder, der die Produktion von Makrophagen fördert. 

Zur Früherkennung der Influenzaaktivität trägt auch das Monitoring des Abwassers bei. In der Schweiz werden entsprechende Proben regelmässig auf Influenzaviren (und weitere) untersucht. Das erfolgt seit Sommer 2023 durch 14 grössere Kläranlagen. Damit soll ein möglichst grosser Teil der Bevölkerung erfasst werden, informiert die Universität Bern in ihrem Blog BEready. Diese Methode ermögliche eine frühzeitige Erkennung von Krankheitserregern und liefere wertvolle Hinweise für Gesundheitsbehörden und Risikopatientinnen und -patienten. In der Regel liegen die Resultate rund vier Tage nach der Probenentnahme vor. Das Abwassermonitoring zeigt frühzeitig Infektionstrends an. Auf dieser Basis können Fachleute in den Spitälern vorhersagen, wie sich die Hospitalisierungen (Einweisungen ins Krankenhaus) vermutlich entwickeln werden.

Influenzaviren zählen zu den wahrscheinlichsten Auslösern künftiger Pandemien – darum macht man sich auch die Mühe, ihre Veränderungen weltweit akribisch zu überwachen. International arbeiten Forschende daran, den Tricks der Viren auf die Spur zu kommen. Ein Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) und des Universitätsklinikums Freiburg beispielsweise hat eine Methode entwickelt, mit der die Interaktion von Viren mit Wirtszellen in nie dagewesener Detailtiefe untersucht werden kann. Mithilfe ihrer Neuentwicklung, quasi einer Art Supermikroskop, konnten sie zudem analysieren, wie neuartige Influenzaviren alternative Rezeptoren nutzen, um in die Wirtszellen einzudringen.

Aus der Historie lernen Nicht minder spannend und erhellend ist aber auch der Blick zurück: Forschenden an den Universitäten Basel und Zürich gelang es mittels eines historischen Präparats, dem Virus der (weltweit tödlichsten) Grippepandemie von 1918 bis 1920 in der Schweiz auf die Spur zu kommen. Dieses Influenzagenom ermöglicht neue Einblicke in die Dynamiken der Anpassung des Virus zu Beginn der Pandemie in Europa.