• Meister der Verwandlung
• Gentechnische Arbeiten mit Influenzaviren
• Risikobewertung von gentechnischen Arbeiten mit Influenzaviren
• Links zu allgemeinen Stellungnahmen der ZKBS zu Influenza-A-Viren

Nach Schätzungen der Weltgesundheitsorganisation entwickeln jährlich drei bis fünf Millionen Menschen weltweit eine schwere Verlaufsform der Grippe. Von diesen Erkrankungen enden schätzungsweise 290.000 bis 650.000 tödlich. Auch in Deutschland sterben in einer Grippesaison bis zu 20.000 Menschen an der Erkrankung. Aber auch weniger dramatische Verläufe verursachen einen enormen wirtschaftlichen Schaden. So schätzt das Robert Koch-Institut, dass sich während der etwa acht- bis zehnwöchigen jährlichen Grippewelle 5 – 20 % der deutschen Bevölkerung anstecken. Entsprechend hoch sind Arbeitsausfälle und Kosten für das öffentliche Gesundheitssystem.

Schematische Darstellung eines Influenzavirus Partikels Quelle: © Kateryna_Kon / fotolia.com

Die Grippe wird von Influenza-A- und -B-Viren ausgelöst. Eine Abgrenzung zu Grippe-ähnlichen Erkrankungen, die von anderen Viren ausgelöst werden, ist auf Basis der Krankheitssymptome allein oft schwierig. Die Grippe ist durch plötzlich einsetzende Symptome wie Fieber, Husten, Kopf , Muskel- und Gelenkschmerzen und allgemeine Schwäche gekennzeichnet. Die meisten Menschen erholen sich innerhalb einer Woche von der Erkrankung. Vor allem bei älteren Menschen und bei Menschen mit Vorerkrankungen oder einem geschwächten Immunsystem kann die Infektion jedoch auch schwer verlaufen und eine medizinische Behandlung erfordern.

Neben Influenza-A- und -B-Viren gibt es außerdem Influenza-C-Viren, die ebenfalls den Menschen infizieren. Sie scheinen jedoch, wenn überhaupt, nur eine sehr leichte Erkrankung auszulösen. Antikörper gegen Influenza-C-Viren sind in der Bevölkerung weit verbreitet, was für eine häufige unbemerkte Ansteckung mit diesen Viren spricht. Die Viren haben demzufolge eine eher untergeordnete Relevanz für die öffentliche Gesundheit. Schließlich gibt es noch Influenza-D-Viren, die Rinder, Schafe, Ziegen und Schweine infizieren. Infektionen des Menschen sind bisher nicht bekannt. Auch Influenza-A-Viren können verschiedene Tiere infizieren. In der Regel folgt diesen Infektionen jedoch ein milder Krankheitsverlauf. Eine Ausnahme bilden Infektionen bei Hausgeflügel, bei dem bestimmte Influenza-A-Viren die tödliche Geflügelpest auslösen können.

Influenzaviren sind hochansteckend und werden über die Luft durch Tröpfchen, wie sie zum Beispiel beim Husten entstehen, oder durch Kontakt mit kontaminierten Oberflächen wie Türklinken und Hände übertragen. Auf diesen Oberflächen können die Viren zudem bei Raumtemperatur bis zu acht Stunden und bei Temperaturen um den Gefrierpunkt bis zu 30 Tage infektiös bleiben. Der wirksamste Schutz gegen eine Infektion ist daher eine gute Handhygiene sowie die seit mehr als 60 Jahren verfügbare Schutzimpfung (nähere Informationen zu Grippeimpfstoffen finden Sie hier). Die Zeit zwischen der Ansteckung und dem Auftreten erster Krankheitssymptome, die Inkubationszeit, beträgt ein bis vier Tage.

Meister der Verwandlung

Die Erbinformation (das Genom) von Influenza-A- und -B-Viren liegt in acht Teilen vor, die als Genomsegmente bezeichnet werden. Diese Erbinformation unterliegt ständigen Veränderungen. Zum einen entstehen bei ihrer Vervielfältigung im Zuge der Vermehrung der Viren Ablesefehler. Zum anderen können bei einer gleichzeitigen Infektion einer Zelle mit zwei oder mehr verschiedenen Influenzaviren die Genomsegmente neu kombiniert werden. Beides führt dazu, dass sehr schnell Viren mit neuen Eigenschaften entstehen. Von besonderer Bedeutung ist hierbei die Anpassung an einen neuen Wirt und das Umgehen der menschlichen Immunabwehr.

Um der Vielfalt der Viren Rechnung zu tragen, werden Influenza-A-Viren in Subtypen eingeteilt. Grundlage für die Einordnungen sind die viralen Oberflächenproteine Hämagglutinin (HA, 18 Typen) und Neuraminidase (NA, 11 Typen), deren Kombination den Subtyp der Viren festlegt. So besitzen beispielsweise Viren des Subtyps H3N2 das HA des Typs 3 und das NA des Typs 2. Influenza-B-Viren werden analog anhand ihres HA in die Victoria-Linie und die Yamagata-Linie eingeteilt. Trotz dieser groben Einteilung können Viren desselben Subtyps bzw. derselben Linie unterschiedlich schwere Erkrankungen verursachen. Dies ist auf die Variabilität der anderen viralen Proteine zurückzuführen.

Die Viren, die beim Menschen gegenwärtig die saisonale Grippe verursachen, sind den Influenza-A-Viren der Subtypen H1N1 oder H3N2 oder einer der beiden Linien des Influenza-B-Virus zuzurechnen. Influenza-A-Viren weiterer Subtypen treten bisher fast ausschließlich bei Tieren auf. Einige können jedoch auch gelegentlich den Menschen infizieren und in diesem schwere, häufig tödliche Erkrankungen auslösen. Die bekanntesten Beispiele für solche sporadisch den Menschen infizierenden Viren sind Viren des Subtyps H5N1. Sie stammen natürlicherweise aus Vögeln, sind bei engem Kontakt zu diesen jedoch auf den Menschen übertragbar. Infektionen mit diesen Viren verlaufen in der Hälfte der Fälle tödlich.

Die Oberflächenproteine werden auch vom Immunsystem erkannt. Die gegen die Oberflächenproteine gebildeten Antikörper sind zwar sehr effizient bei der Abwehr der Viren; sie sind jedoch auch sehr spezifisch. Das heißt, sie erkennen nur genau die Viren, die bei der aktuellen Infektion vorliegen. Da die Viren in der nächsten Grippesaison mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit eine Vielzahl an Veränderungen aufweisen, sind die bereits gebildeten Antikörper dann weitestgehend wirkungslos. Die Immunantwort gegen die neuen Viren muss folglich von Grund auf neu aufgebaut werden. Um einen maßgeschneiderten Schutz zu gewährleisten, muss deshalb auch die Impfung jährlich mit den dann vorherrschenden Virusstämmen durchgeführt werden. Der jeweils angewendete Impfstoff wird daher in jedem Jahr neu zusammengestellt.

Haben sich die Oberflächenproteine zum Beispiel durch eine Neukombination von Genomsegmenten so stark verändert, dass die bereits in der Bevölkerung vorliegenden Antikörper keinen Schutz bieten, kann es zu einer globalen Ausbreitung des betreffenden Influenzavirus, einer sogenannten Pandemie, kommen. Anders als bei den saisonalen Grippewellen, die durch regional verschiedene Stämme ausgelöst werden, führen hierbei ein einziger Virusstamm und seine Nachkommen zu einem globalen Grippeausbruch. Bisher gab es vier Grippeausbrüche, die von der Weltgesundheitsorganisation zu Pandemien erklärt wurden. Alle vier wurden von Influenza-A-Viren verursacht. Diese waren die „Spanische Grippe“ (Subtyp H1N1) im Jahr 1918 mit ca. 20 bis 50 Millionen Toten, die „Asiatische Grippe“ (Subtyp H2N2) im Jahr 1957 mit ca. zwei Millionen Toten, die „Hong Kong-Grippe“ (Subtyp H3N2) im Jahr 1968 mit ca. einer Million Toten sowie die „Mexiko-Grippe“ (auch „Schweinegrippe“) (Subtyp H1N1) im Jahr 2009 mit 150.000 bis 575.000 Toten. Wie die letzte Pandemie zeigte, müssen Pandemien nicht notwendigerweise mit einer hohen Zahl tödlicher Infektionen einhergehen (vgl. Zahl der Todesfälle in einer „normalen“ Grippesaison). Aber auch bei einer Pandemie mit einem vergleichsweise milden Verlauf können die nationalen Gesundheitssysteme aufgrund der hohen Anzahl an Krankheitsfällen überlastet werden. Zudem ist die Schwere einer zukünftigen Pandemie nicht vorhersehbar. Es gilt deshalb, frühzeitig Vorkehrungen für den Pandemiefall zu treffen (nähere Informationen zum deutschen Pandemieplan finden Sie hier). Ein wichtiger Bestandteil ist dabei die Erforschung aktuell zirkulierender Viren, um die Gefahren, die von neuen Viren ausgehen, möglichst gut einschätzen zu können und Viren mit pandemischen Potenzial frühzeitig zu erkennen. Besonderes Augenmerk wird dabei auf Influenza-A-Viren der H5- und H7-Subtypen gelegt, die bereits mehrfach vom Vogel auf den Menschen übertragen wurden und in letzteren oftmals eine tödliche Infektion ausgelöst haben. Bisher werden diese Viren nicht effizient von Mensch zu Mensch übertragen. Sollte sich dies ändern, könnte eine verheerende Pandemie die Folge sein.

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Gentechnische Arbeiten mit Influenzaviren

Gentechnische Arbeiten mit Influenzaviren werden zur Erforschung verschiedenster Fragestellungen durchgeführt. So kann die Gentechnik beispielweise dabei helfen, die Reaktion des menschlichen Immunsystems auf eine Influenzavirusinfektion aufzuklären, neue antivirale Wirk- und Impfstoffe zu entwickeln und die kontinuierliche Entwicklung der zirkulierenden Influenzaviren zu verstehen. Letzteres zielt vor allem darauf ab, Veränderungen der viralen Erbinformation zu identifizieren, die es dem Virus ermöglichen, sich effizienter im Menschen zu vermehren, die menschliche Immunabwehr besser zu umgehen oder von einem Tier auf den Menschen übertragen zu werden. Dieses Wissen kann anschließend genutzt werden, um die Eigenschaften neuer Viren vorherzusagen und so bereits frühzeitig Vorbereitungen für den Fall einer erneuten Influenza-Pandemie zu treffen.

Um diese Ziele zu erreichen, können Forscher auf zwei verschiedene Ansätze zurückgreifen: Die Reassortierung und die Mutagenese. Bei der Reassortierung (Abb.1) werden gezielt neuartige Influenzaviren erzeugt, indem einzelne Genomsegmente verschiedener Influenzaviren in eine Wirtszelle eingebracht und so zu einem neuen Set mit acht Genomsegmenten kombiniert werden. Solche Versuche können Hinweise auf die generelle Bedeutung bestimmter Varianten der Genomsegmente und der auf ihnen kodierten Proteine für die Vermehrung eines Virus, seine Übertragbarkeit oder Gesundheitsgefahr liefern.

^{Abb. 1: Erzeugung neuartiger Influenzaviren mittels Reassortierung. Kommt es unter natürlichen Umständen zur Infektion einer Wirtszelle mit mehr als einem Influenzavirus, enthalten die Nachkommen der Viren jeweils ein zufälliges Set der acht viralen Genomsegmente (Auswahl beispielhaft dargestellt) (A). Zur gezielten Erzeugung neuartiger Influenzaviren im Labor werden zunächst die Genomsegmente isoliert und in einer gewünschten Kombination in Wirtszellen eingebracht (B).}

Im Gegensatz hierzu kann mit Mutationsexperimenten (Abb.2) die Ursache für eine beobachtete Veränderung punktgenau auf einzelne Proteinbausteine zurückgeführt werden. Hierzu werden in die Erbinformation eines Virus auf natürlichem Weg oder mithilfe molekularbiologischer Techniken zufällige oder punktgenaue Veränderungen, sogenannte Mutationen, eingeführt und diese mit Änderungen der Eigenschaften des Virus in Verbindung gebracht (nähere Informationen zu Mutationsexperimenten finden Sie hier).

Quelle: © Symbolbilder: Reagenzglas: Colorlife/fotolia.com, Zellen: topvectors/fotolia.com

^{Abb. 2: Erzeugung neuartiger Influenzaviren mittels Mutagenese. Bei der Vermehrung von Viren in einer Wirtszelle entstehen Mutationen in der viralen Erbinformation. Durch die Zugabe bestimmter chemischer Wirkstoffe lässt sich die Zahl dieser natürlichen Mutationen erhöhen. Ihre Anzahl, Art und Position lassen sich nicht vorhersagen. Mithilfe molekularbiologischer Techniken an isolierten Genomsegmenten lassen sich hingegen eine oder mehrere genau definierte Mutationen in die Erbinformation einfügen.}

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Risikobewertung von gentechnischen Arbeiten mit Influenzaviren

Die Bewertungskriterien für gentechnische Arbeiten mit Mikroorganismen, Viren und eukaryotischen Einzellern in geschlossenen Anlagen sind in Deutschland in der Gentechniksicherheitsverordnung (GenTSV) aufgeführt. Ziel der Bewertung ist die Festlegung ausreichender Sicherheitsmaßnahmen für die Durchführung gentechnischer Arbeiten, die den Gefahren, die ein gentechnisch veränderter Organismus für die Gesundheit von Menschen und Tieren, für die Umwelt im Allgemeinen und für sonstige Rechtsgüter darstellen könnte, Rechnung tragen. Gleichzeitig müssen die erteilten Auflagen für die Durchführung gentechnischer Arbeiten jedoch auch Innovationen in den Bereichen Biotechnologie, Pflanzenzüchtung und insbesondere der Medizin in Deutschland ermöglichen und fördern. Hierzu muss abgeschätzt werden, ob und in welchem Ausmaß eine bestimmte gentechnische Veränderung die biologischen Eigenschaften eines Organismus und damit sein natürliches Gefahrenpotenzial verändern könnte. Anschließend können hieraus ein möglicher Schaden und seine Schwere abgeleitet werden und Vorhersagen dazu getroffen werden, mit welcher Wahrscheinlichkeit mit dem Eintreten dieses Schadens zu rechnen ist. Man spricht bei der Kombination aus theoretischer Schadenshöhe und Eintrittswahrscheinlichkeit allgemein vom Risiko eines Vorhabens. Je nach identifiziertem Risiko sind unterschiedlich strenge Sicherheitsmaßnahmen bei der Durchführung gentechnischer Arbeiten einzuhalten. Diese können im Vergleich zu den Sicherheitsmaßnahmen, die bei Arbeiten mit dem nicht gentechnisch veränderten Ausgangsorganismus notwendig sind, höher, niedriger oder genauso hoch sein. Die genauen Anforderungen an diese Maßnahmen sind in der GenTSV festgelegt. Ihre Einhaltung wird von den zuständigen Landesbehörden kontrolliert.

Neben Stellungnahmen zu konkreten Vorhaben gibt die ZKBS auch Stellungnahmen allgemeiner Natur ab. In diesen werden die Organismen selbst bewertet, die für gentechnische Arbeiten verwendet werden sollen, oder allgemeingültige weiterführende Bewertungskriterien für häufig durchgeführte gentechnische Arbeiten festgelegt.

Ein prominentes Thema solcher allgemeiner Stellungnahmen sind Influenza-A-Viren bzw. Arbeiten mit diesen Viren. Grund hierfür ist, dass in der Natur eine Vielzahl unterschiedlicher Influenza-A-Viren auftreten, die in Mensch und Tier Erkrankungen sehr unterschiedlicher Schwere auslösen können. Die Ursache für diese Unterschiede ist dabei nicht immer leicht zu identifizieren. Zudem treten aufgrund der schnellen Entwicklung von Influenzaviren, in der Natur oder im Labor, immer wieder Virusvarianten auf, die ein anderes Risiko für Mensch, Tier und Umwelt darstellen können als ihre nächsten Verwandten.

Um auch angesichts dieser Komplexität zu nachvollziehbaren und gerechtfertigten Bewertungen zu kommen, hat die ZKBS, basierend auf den umfangreichen, bereits in der Fachliteratur publizierten Erkenntnissen, weitestgehend allgemeingültige Kriterien für die Bewertung typischer gentechnischer Arbeiten mit Influenza-A-Viren entwickelt. Wenn nicht von einer Allgemeingültigkeit ausgegangen werden kann, nimmt die ZKBS hingegen Einzelfallbewertungen vor. Zudem erfolgt bei einer unklaren Datenlage, die keine hinreichend sichere Abschätzung des Risikos einer Arbeit zulässt, immer eine vorsorgliche Einstufung in die höhere der in Frage kommenden Sicherheitsstufen. Wie alle Empfehlungen der ZKBS werden diese Einstufungen und ihre Kriterien überprüft, sobald neue wissenschaftliche Daten vorliegen, und die Stellungnahmen anschließend wenn nötig aktualisiert.

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Links zu allgemeinen Stellungnahmen der ZKBS zu Influenza-A-Viren

1) Allgemeine Stellungnahmen zu Arbeiten mit Influenza-A-Viren

• Stellungnahme der ZKBS zur Risikobewertung von gentechnischen Arbeiten mit rekombinanten Influenza-A-Viren, Az. 45310.0113, aktualisiert Dezember 2019; enthält eine Einstufungshilfe für Influenza-A-Virus-Mutanten und Reassortanten gemäß der Stellungnahme. Die Einstufungshilfe wird fortlaufend aktualisiert.

• Empfehlung der ZKBS zur Einstufung von gentechnischen Arbeiten mit hochpathogenen aviären Influenza-A-Viren (HPAIV), die das Potenzial einer effizienten Luftübertragbarkeit zwischen Säugetieren besitzen, Az. 45310.0108, März 2013

2) Risikobewertung von Influenza-A-Viren als Spender- oder Empfängerorganismen für gentechnische Arbeiten

• Empfehlung der ZKBS zur Risikobewertung von Influenzaviren als Spender- oder Empfängerorganismen für gentechnische Arbeiten gemäß § 5 Absatz 1 GenTSV, Az. 6790-05-02-29, aktualisiert November 2015

• Stellungnahme der ZKBS zur Risikobewertung hochpathogener aviärer Influenzavirus-A-Stämme der Subtypen H5 und H7 und davon abgeleiteter Laborstämme gemäß § 5 Absatz 1 GenTSV, Az. 6790-05-02-34, aktualisiert Juli 2015

• Empfehlung der ZKBS zur Risikobewertung von Influenza-A-Viren des Subtyps H5N8 als Spender- oder Empfängerorganismen gemäß § 5 Absatz 1 GenTSV, Az. 45242.0145, Juli 2017

• Aktualisierung der Empfehlung der ZKBS zur Risikobewertung des neuartigen aviären Influenza-A-Virus H7N9 als Spender- oder Empfängerorganismus für gentechnische Arbeiten gemäß § 5 Absatz 1 GenTSV, Az. 45242.0103, September 2013

• Empfehlung der ZKBS zur Risikobewertung der Influenza-A-Virusstämme SC35 und SC35M (A/Seal/Massachusetts/1/80) als Spender- oder Empfängerorganismen gemäß § 5 Absatz 1 GenTSV, Az. 45242.0116, Juli 2015

• Stellungnahme der ZKBS zur Bewertung der Influenza-A-Virus-Mutante „Delta NS1“, Az. 6790-10-71, September 2001

erschienen Mai 2019

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