Warum ist das neue Coronavirus anderen immer einen Schritt voraus?

Solange es anfällige Menschen gibt, wird sich das Virus weiterentwickeln.

Die C.1-Linie des neuen Coronavirus, die im Januar 2021 erstmals in Südafrika auftrat, ähnelte damals anderen Varianten, verbreitete sich nicht allzu weit und ihr Genom wies keine Besonderheiten auf. Dennoch entwickeln sich Viren unglaublich schnell, schneller als jeder andere Organismus auf der Erde. Ed Feil, Professor an der University of Bath in den USA, der sich der Erforschung der Evolution von Krankheitserregern widmet, analysierte kürzlich die Mutationsrate des neuen Coronavirus und stellte fest, dass „die Anzahl der Mutationen, die SARS-CoV-2 während der Pandemie erfahren hat, der Anzahl der Mutationen entspricht, die der Mensch seit seinem ersten aufrechten Gang vor 2,5 Millionen Jahren bis heute erlebt hat.“

Nur vier Monate nach dem Auftreten der C.1-Linie erlebte Südafrika die dritte Welle der COVID-19-Pandemie, die durch die hoch ansteckende Delta-Variante verursacht wurde, und ein Team, das den Stamm verfolgte, entdeckte eine Reihe von Veränderungen in der neuen Version des C.1-Genoms. Sie stellten bald fest, dass die neue Version, die Variante C.1.2, mehr Mutationen aufwies als andere Varianten – sie enthielt alle Schlüsselmutationen der Alpha-, Beta-, Gamma- und Delta-Varianten sowie einige Mutationen im Zusammenhang mit der Immunflucht.

Die neue Variante ist 40 bis 60 Prozent ansteckender als Alpha, das wiederum 50 Prozent ansteckender ist als der ursprüngliche Stamm. Einige Epidemiologen bezeichnen dies als „die ansteckendste Krankheit, die wir je in unserem Leben erlebt haben“. Die Viren, die Masern und Windpocken verursachen, sind ansteckender als die Delta-Variante, letztere verbreitet sich jedoch extrem schnell und kann die Übertragung von Wirt A auf Wirt B innerhalb von 4 Tagen abschließen, während andere Viren mindestens 10 bis 14 Tage benötigen.

Im menschlichen Körper wird die neue Kronenfabrik eröffnet. Solange es anfällige Menschen gibt, wird sich das Virus verbreiten, replizieren und mutieren. Die Evolution des Lebens durch natürliche Selektion ist ein Gesetz der Biologie, genau wie die Schwerkraft ein Gesetz der Physik ist. Die weitere Verbreitung des neuen Coronavirus wird zu weiteren Mutationen und der Entstehung neuer Varianten führen, was wiederum mehr Todesfälle und eine anhaltende Pandemie zur Folge haben wird.

Die Menschheit bemüht sich zweifellos sehr, die Entwicklung des Coronavirus zu kontrollieren. Jeden Tag verfolgen Impfstoffhersteller, Forscher und Regierungen die Veränderungen des Virus, identifizieren und kontrollieren neue Varianten und versuchen, die Ausbreitung zu verlangsamen. Wir haben die größte Impfkampagne der Geschichte gestartet – 3,9 Milliarden Menschen haben in den zwei Jahren seit dem Ausbruch mindestens eine Dosis eines COVID-19-Impfstoffs erhalten.

Bisher ist es dem Menschen jedoch nicht gelungen, das neue Coronavirus unter Kontrolle zu bringen. Man kann sagen, dass SARS-CoV-2 ein Modell der Evolution des Lebens unter natürlicher Selektion ist, das uns, die wir die Macht der Natur unterschätzen, in Gefahr bringt – wie wir es in der Vergangenheit unzählige Male erlebt haben und auch in Zukunft erleben werden.

Das Genom von SARS-CoV-2 besteht aus 30.000 Basen, die Anweisungen für Proteine ​​speichern, die für die Entführung unserer Zellen und die Produktion von Milliarden neuer Viren verantwortlich sind.

Wenn eine Person SARS-CoV-2 einatmet, erkennt das Spike-Protein auf der Oberfläche des Virus Proteine ​​auf menschlichen Zellen und bindet daran. Obwohl der Infektionsprozess im Rachen und in der Lunge beginnt, greift SARS-CoV-2 schließlich Systeme im gesamten Körper an, darunter Herz, Blutgefäße, Darm und Nieren.

Nachdem sich das Virus an eine Wirtszelle anheftet, injiziert es sein Genom – einen einzelnen Strang aus 30.000 RNA-Basen – in die Zelle. Dort beginnen virale Proteine, die Struktur der Zelle umzugestalten, um ihrer massiven Vermehrung gerecht zu werden. Das SARS-CoV-2-Genom ist wie der Architekt und Generaldirektor einer Fabrik, der die Arbeit aller Beteiligten leitet und koordiniert, um mehr Viren zu produzieren.

Viele mutieren, aber einige überleben. Jedes neue Viruspartikel trägt eine neu replizierte Kopie des RNA-Genoms und ist bereit, weitere Zellen zu infizieren. Wenn sie ihre Wirtszelle verlassen, lösen sie eine Kette von Ereignissen aus, die diese töten. Wenn Zellen absterben, senden sie Signale an das Immunsystem und warnen den Körper vor der Gefahr. In einigen Fällen kann die daraus resultierende Immunreaktion auf diese Signale – einschließlich schwerer Lungenschäden oder Zytokinstürme – mehr Schaden als Nutzen anrichten.

Während der RNA-Replikation (der oben erwähnten Vervielfältigung der Genomkopie) können Fehler auftreten, wie etwa Basensubstitutionen oder das Hinzufügen oder Löschen eines kleinen RNA-Segments aus der ursprünglichen Sequenz. Diese zufälligen Mutationen sind oft subtil, können aber schwerwiegende Folgen haben. Normalerweise gehen wir davon aus, dass Mutationen schädlich für einen Organismus sind. So sind beispielsweise Mutationen im Hämoglobin-Gen für die Sichelzellenanämie verantwortlich. Mutationen können aber auch neutral oder sogar vorteilhaft sein. So verringert beispielsweise eine Mutation in einem Gen, das mit der Insulinproduktion zusammenhängt, die Wahrscheinlichkeit, an Diabetes zu erkranken, um 65 Prozent – ​​selbst wenn bei den Betroffenen Risikofaktoren wie Fettleibigkeit vorliegen.

Jedes Mal, wenn ein Virus einen neuen Wirt infiziert und neue Kopien produziert, kann es zu neuen Mutationen kommen, sowohl guten als auch schlechten. Im Juni 2021 führte ein Forschungsteam des Weizmann Institute of Science in Israel in Zusammenarbeit mit anderen Einheiten Berechnungen durch und fand heraus, dass der Körper eines Menschen bei jeder Infektion mit SARS-CoV-2 eine bis 100 Milliarden Kopien des Virus produziert. Sie schätzten außerdem, dass bei jeder Infektion 0,1 bis 1 Mutation im viralen Genom auftreten können. Wenn wir die Zahl der neuen Mutationen konservativ auf 0,1 festlegen, dann bringen die 425.000 neuen Fälle weltweit pro Tag etwa 42.500 Mutationen mit sich, was bedeutet, dass jeden Tag jede 30.000. Base im Genom von SARS-CoV-2 mutieren kann.

Glücklicherweise können sich nur wenige dieser Mutationen festsetzen, da aufgrund der Übertragungsengpässe Mutationen, die während einer Infektion auftreten, nur selten auf einen anderen Wirt übertragen werden. Bei den kleinen Virusmengen, die auf andere übertragen werden, handelt es sich laut zwei aktuellen Studien häufig um denselben Stamm, der die Infektion ausgelöst hat. Mit den Worten von Vaughn Cooper, einem Mikrobiologen an der Universität Pittsburgh: „Was hineingeht, ist oft das, was herauskommt.“

Leider gibt es eine Ausnahme. Wenn das Virus längere Zeit in einer Person verbleibt (beispielsweise bei einer Person mit einem schwachen Immunsystem, das nicht in der Lage ist, das Virus zu beseitigen), interagiert es intensiv mit dem menschlichen Immunsystem und erwirbt nützliche Mutationen, um der Immunität entgegenzuwirken. So haben Wissenschaftler beispielsweise im vergangenen Jahr beobachtet, dass die SARS-CoV-2-Variante Mutationen erworben hat, die ausreichen, um die Form des Spike-Proteins zu verändern, sodass es für schützende Antikörper schwierig wird, es anzugreifen. (Die Antikörper binden wie ein Schlüssel an ein Schloss an das Spike-Protein und neutralisieren das Virus.)

Während sich das Virus im Wirt ausbreitet, vermehren sich die neuen Mutationen bis zu dem Punkt, an dem sie allgegenwärtig sind und unter Umgehung von Übertragungsengpässen an andere Menschen weitergegeben werden können. Es gibt Hinweise darauf, dass die Alpha-Variante zuerst bei immungeschwächten Personen auftreten könnte, und Cathrine Scheepers, eine Computerbiologin am National Institute for Communicable Diseases (NICD) in Südafrika, glaubt, dass dasselbe für C.1.2 gilt.

Natürlich gehen die meisten Mutationen, die sich bei einer einzigen Infektion angesammelt haben, aufgrund des Übertragungsengpasses verloren, aber einige werden durchkommen. Das Virus verbreitet sich so schnell, dass es häufig zu Ereignissen mit geringer Wahrscheinlichkeit kommt und Stämme Mutationen erwerben und weitergeben. Jede adaptive Mutation, die dem Virus einen Wettbewerbsvorteil verschafft, um in seiner Umgebung zu überleben und sich zu vermehren, wird eher weitergegeben und wird zu einem dauerhaften Teil des Genoms. So funktioniert die natürliche Selektion.

Die Einzelstellenmutation D614G beschleunigt seine Ausbreitung. Heute erleidet SARS-CoV-2 im Zuge seiner Verbreitung in der Weltbevölkerung jeden Monat etwa zwei dauerhafte Mutationen. Die Epidemie ist noch lange nicht vorbei.

Am 5. Januar 2020 lud Professor Zhang Yongzhen, ein Virologe am Shanghai Public Health Clinical Center der Universität Fudan, die erste Genomsequenz von SARS-CoV-2 in eine öffentliche Datenbank hoch und erregte damit weltweite Aufmerksamkeit. Bis Ende Oktober 2021 wurde die von China veröffentlichte Coronavirus-Sequenz mehr als 4,7 Millionen Mal in der Datenbank der kostenlosen Genom-Sharing-Plattform GISAID (2008 für Influenza gestartet) geteilt.

Millionen gemeinsam genutzter Genomsequenzen ermöglichen es Wissenschaftlern, Virusmutationen nahezu in Echtzeit zu verfolgen – ein Novum in der Menschheitsgeschichte. Nachdem die Wissenschaftler ein System zur Erkennung von Mutationen entwickelt hatten, begannen sie, deren Auswirkungen in rätselhaften molekularen Details zu bestimmen. D614G (manchmal auch „Doug“ genannt) war die erste größere Mutation von SARS-CoV-2 und eine der Mutationen, die die weltweite Verbreitung des Virus beschleunigten.

Anfang April 2020 startete Doug seinen Angriff von Großbritannien aus und verbreitete sich in der ganzen Welt. Die Forscher stellten fest, dass die Variante D614G, nachdem sie in ein Gebiet eingeführt worden war, dort schnell zum am weitesten verbreiteten Stamm wurde. Die Mutation selbst besteht darin, dass die Base A an Position 23.403 im viralen Genom durch G ersetzt wird, wodurch Asparaginsäure im Spike-Protein zu Glycin wird. Diese Veränderung erleichtert es der Rezeptorbindungsdomäne des Virus (dem Abschnitt, der sich an menschliche Zellen anheftet), sich an Wirtszellen anzuheften.

Nach D614G erschien vor unseren Augen eine Reihe adaptiver Mutationen des neuen Coronavirus in Form von Codefolgen: P681R, L452R, D950N, del144Y, K417N, T1027I, A701V, N501Y, L18F, del242-244... Studien haben gezeigt, dass Mutationen in SARS-CoV-2 die Ausbreitungsfähigkeit des Virus und seine Resistenz gegen Antikörper erhöhen und auch die Schwere der Infektionssymptome verstärken.

Genom-Rekombination und konvergente Evolution Obwohl einzelne Punktmutationen wie Doug einen erheblichen Einfluss auf die Anpassungsfähigkeit des Virus haben, glauben Wissenschaftler, dass die Kombination von Mutationen die Hauptkraft ist, die die Varianten stärker macht, insbesondere Delta, dessen Spike-Protein 9 Mutationen angesammelt hat, was es übertragbarer macht.

Darüber hinaus verfügen RNA-Viren über eine weitere Möglichkeit, sich schnell zu entwickeln: die genetische Rekombination – mehrere virale RNAs in derselben Zelle tauschen Nukleotidsequenzen aus. Nach Ansicht einiger Epidemiologen ist es möglich (sogar wahrscheinlich), dass die derzeit im Umlauf befindlichen Varianten durch genetische Rekombination zu sogenannten „Supervarianten“ werden könnten. Obwohl wir einige Rekombinationsphänomene festgestellt haben, handelt es sich derzeit noch immer um Ereignisse mit geringer Wahrscheinlichkeit.

Es gibt auch einige gute Neuigkeiten. In den letzten 20 Monaten haben Wissenschaftler Hinweise zur Evolution des Virus entdeckt. Durch die natürliche Selektion wird das Virus in Richtung einer verbesserten Übertragungsfähigkeit und eines besseren Immunsystems getrieben, was jedoch nicht zwangsläufig zu schwereren Erkrankungen beim Menschen führt. Cooper sagte, schwere Symptome wie Zytokinstürme seien Nebenprodukte der Infektion und schienen nicht zu einer besseren Verbreitung oder Vermehrung des Virus beizutragen, sodass dieses Merkmal nicht ausgewählt würde.

Andererseits nutzten Trevor Bedford, Katie Kistler und andere vom Seattle Cancer Research Center kürzlich die GISAID-Datenbank, um herauszufinden, dass die erfolgreichsten Viruslinien Mutationen im Spike-Protein erworben haben, die mit einer verbesserten Fähigkeit zum Eindringen in Wirtszellen verbunden sind, sowie Mutationen im Nsp6-Protein und im ORF7a-Protein (die mit der Virusreplikation bzw. der Umgehung des angeborenen Immunsystems in Zusammenhang stehen). Diese Mutationen treten in unterschiedlichen Stämmen in unterschiedlichen Teilen der Welt auf, ein Phänomen, das wir konvergente Evolution nennen.

Wenn SARS-CoV-2 bestimmte Schlüsselanpassungen aufweist, wird es vorhersehbarer, was Wissenschaftlern dabei helfen könnte, das Virus zu verfolgen und Impfstoffe zu entwickeln. „Die gute Nachricht ist, dass wir keine völlig neue Kombination sehen, also ist das hoffentlich beruhigend“, sagte Cooper.

Infektionen treiben die Evolution voran, Impfstoffe schützen vor Infektionen und beschleunigen die Beseitigung. Der Versuch, die nächste dominante Mutation vorherzusagen, ist ein sinnloses Unterfangen, doch die Virusevolution zu stoppen, ist eine wichtige Aufgabe, die Impfstoffhersteller und Regierungen auf der ganzen Welt aktiv verfolgen.

Kistler sagte, die einzige Möglichkeit, die Evolution des Virus zu verlangsamen und die damit einhergehenden Mutationen sowie die Entstehung neuer Varianten zu verhindern, bestehe darin, die Ausbreitung des Virus zu verzögern. „Jede Infektion ist eine Chance für das Virus, sich weiterzuentwickeln.“

Die stärkste Waffe der Menschheit, um die Ausbreitung von COVID-19 zu verlangsamen, ist die Impfung. Verschiedene Impfstoffe schützen den Körper auf unterschiedliche Weise vor Eindringlingen. Das gemeinsame Muster besteht jedoch darin, dass der Impfstoff inaktivierte Viren oder Virusfragmente (nicht infektiös) vor das Immunsystem des Impfempfängers platziert, wodurch das Szenario einer Virusinvasion simuliert und die Abwehrkräfte des Körpers trainiert werden.

Der Nutzen einer Impfung geht über die bloße Prävention hinaus. Wenn sich eine geimpfte Person mit dem Virus infiziert, ist die in ihrem Körper produzierte Virusmenge oft geringer und sie kann den Erreger in der Regel schneller loswerden als eine ungeimpfte Person. Dadurch verkürzt sich die Zeit, die das Virus zur Mutation benötigt.

Immunflucht und Impfprobe Ärzte oder Wissenschaftler sprechen von sogenannten „Escape“-Varianten, die in der Lage sind, den Immunschutz durch Impfungen oder Infektionen zu umgehen. Beispielsweise ermöglichen Mutationen der Beta-Variante, darunter E484K (auch „Eek“ genannt), dass diese dem Immunsystem bis zu einem gewissen Grad entgehen kann, da ihr Spike-Protein weniger leicht von Antikörpern gebunden wird. Bereits im Februar 2021 zeigten klinische Studien, dass der Impfstoff von AstraZeneca eine leichte bis mittelschwere Erkrankung des Coronavirus, die durch die Beta-Variante verursacht wird, nicht verhindern konnte. Südafrika hat die Verwendung des Impfstoffs sogar eingestellt. Auch die Verbreitung der Delta-Variante scheint durch ähnliche Mutationen beeinflusst zu werden.

Derzeit geben die Impfstoffhersteller an, dass die von ihnen auf den Markt gebrachten Impfstoffe den besten Schutz gegen alle bekannten mutierten Stämme bieten. Zudem empfehlen die meisten Impfstoffhersteller Hochrisikogruppen, sich Auffrischungsimpfungen zu verabreichen. Darüber hinaus haben Pfizer, Moderna und AstraZeneca in den letzten Monaten „Generalproben“ für bekannte COVID-19-Varianten durchgeführt. Dazu gehörten die Aktualisierung der Impfstoffe, um sie an Varianten wie Beta und Delta anzupassen, das Testen aktualisierter Impfstoffe, die Anpassung interner Arbeitsprozesse und die Abstimmung mit den Aufsichtsbehörden. Ziel ist es, durch „Übungen“ „Praxis“ zu erlangen und Hindernisse im Prozess der Impfstoffeinführung zu beseitigen. „Wenn wir eine Variante sehen, die tatsächlich der Immunität entgehen kann, können wir sofort rasch Maßnahmen ergreifen“, sagte Philip Dormitzer, Vizepräsident und wissenschaftlicher Leiter für Virusimpfstoffe bei Pfizer Vaccine Development.

Pfizer-Sprecher Kit Longley sagte, unabhängig davon, welche neue Variante auftritt, können Pfizer und sein Partner Bio NTech „innerhalb von etwa 100 Tagen nach der Entscheidung einen Impfstoff gegen diesen Stamm entwickeln und produzieren“.

Die Impfungen verlaufen ungleichmäßig und die Menschheit befindet sich in einem Wettlauf gegen das Virus. Wir möchten so viele Menschen wie möglich impfen, bevor sich SARS-CoV-2 zu neuen Varianten entwickelt. Den meisten Schätzungen zufolge müssen 60 bis 70 % der Bevölkerung immun sein, um die Ausbreitung des Virus zu verlangsamen oder zu stoppen. Laut den vom Projekt „World in Data“ der Universität Oxford geschätzten Impfraten hatten bis Ende Oktober 2021 48,7 % der Weltbevölkerung mindestens eine Dosis des neuen Kronenimpfstoffs erhalten. Klingt gut, oder? Es liegt bei fast 60 %.

Leider sind die Impfraten weltweit derzeit nicht so hoch. Es gibt große Unterschiede zwischen den einzelnen Ländern. Wohlhabendere Länder weisen höhere Impfraten auf, weniger entwickelte Länder hingegen nicht. Insgesamt haben in Ländern mit niedrigem Einkommen nur drei Prozent der Bevölkerung mindestens eine Impfdosis erhalten. Das bedeutet, dass diese Länder weiterhin sehr anfällig für eine Infektion sind und das Virus viel Spielraum hat, sich weiter auszubreiten und zu entwickeln. PATH, eine gemeinnützige globale Gesundheitsorganisation mit Sitz in den USA, bezeichnete die Einführung des COVID-Impfstoffs als „globalen Notfall“ und wies darauf hin, dass die Impfung vieler Bevölkerungsgruppen weltweit Monate oder sogar Jahre dauern könnte.

Der ungleiche Impfstatus in den Gemeinden der Vereinigten Staaten – diejenigen, die nicht geimpft wurden, diejenigen, die nur eine Impfung erhalten haben, und diejenigen, die Auffrischungsimpfungen erhalten haben – hat in gewisser Weise dazu beigetragen, dass sich das Virus schneller, stärker und immunresistenter entwickelt hat: Große Mengen des Virus zirkulieren unter ungeimpften Menschen; große Mengen des Virus können geimpfte Personen infizieren und mit den durch den Impfstoff induzierten Antikörpern interagieren, was zur Entstehung neuer Varianten führt, die den Antikörpern entgehen können; Diese infizieren dann ungeimpfte Menschen, ihre Zahl nimmt zu und sie verbreiten sich erneut, wobei sie alle infizieren.

Solange die Infektion anhält, wird sich auch die Entwicklung fortsetzen. Das Tragen einer Maske, eine gründliche Desinfektion, die Einhaltung sozialer Distanz und die Impfung sind universelle und wirksame Möglichkeiten für uns, uns zu schützen und die Ausbreitung des neuen Coronavirus zu verlangsamen.