14.07.2017

Frühwarnsystem gegen Grippe-Erreger

Forscher entwickeln Programm für bessere Impfstoff-Empfehlung

Ein computergestütztes Verfahren kann das Gefahrenpotenzial bestimmter Grippe-Viren frühzeitig einstufen, indem es genetische Veränderungen bei den Erregern beobachtet und auswertet. Entwickelt wurde das Prognose-Tool von einem Team von Wissenschaftlern unter Leitung der Bioinformatikerin Prof. Alice McHardy vom Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) in Braunschweig. Die Forscher untersuchten rückblickend Daten zu früheren genetischen Veränderungen bei verschiedenen Viren-Stämmen. Durch die Weiterentwicklung eines bestehenden Verfahrens erarbeiteten sie dann eine Methode, um gefährliche Tendenzen rechtzeitig zu erkennen. Die Anwendung ihrer Erkenntnisse könnte in Zukunft dabei helfen, neuartige Virus-Varianten frühzeitig zu identifizieren und den Schutz durch einen verbesserten Grippeimpfstoff noch weiter zu erhöhen.

HZI_Wiss_influenza_mi_001_590x240.jpgDas Influenza-Virus, Erreger der Grippe (schematische Darstellung) © HZI/Britta MießenDie Grippe, ausgelöst durch Influenza A- und Influenza B-Viren, gehört zu den häufigsten und ansteckendsten Infektionskrankheiten weltweit. Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation WHO erkranken jedes Jahr drei bis fünf Millionen Menschen an einer Grippe, zwischen 250.000 und 500.000 sterben. Viele Typen von Influenza-Viren kommen vor allem in Wasservögeln vor, einige davon zirkulieren aber auch in der menschlichen Bevölkerung und lösen dort die jährlich wiederkehrenden Grippewellen aus.

Ein hervorstechendes Merkmal dieser Erreger ist ihre extreme Wandlungsfähigkeit. Größere Veränderungen im Erbmaterial der Influenza-Viren führen beispielsweise dazu, dass sie von Mensch zu Mensch übertragen werden können anstatt sich – was bei den meisten Virus-Typen der Normalfall ist – unter Vögeln auszubreiten und nur vereinzelt auf Menschen oder auf Zwischenwirte wie das Schwein überzugehen. Auf solche tiefgreifenden Veränderungen folgt manchmal ein weltweiter Krankheitsausbruch, eine sogenannte Pandemie, wie beispielsweise die Spanische Grippe von 1918, der mindestens 25 Millionen Menschen zum Opfer fielen.

Auch geringfügigere Veränderungen von bereits an den Menschen angepassten Virus-Varianten können weitreichende Folgen haben. So führen kontinuierliche Mutationen zu ständigen Umbildungen der Oberflächenstruktur der Erreger – mit der Folge, dass das Immunsystem des Wirts die veränderten Viren nicht mehr oder zumindest deutlich schlechter erkennt. „Solche Mutationen passieren ständig“, sagt Alice McHardy, Leiterin der Abteilung „Bioinformatik der Infektionsforschung“ am HZI.

Mutationen sind der Grund dafür, dass der Grippe-Impfstoff jedes Jahr neu evaluiert werden muss. Weil in fast jedem Jahr neue Virus-Varianten im Umlauf sind, bietet der Impfstoff aus dem Vorjahr meist zu wenig Schutz und muss erneuert werden.

Alice McHardy

Mit einer Bioinformatik-Software namens „Sweep Dynamics Plots“ – kurz „SD-Plots“ – haben Wissenschaftler solche Veränderungen der Virus-Gene jetzt genauer unter die Lupe genommen. Neben McHardy und ihren Kollegen am Braunschweiger Systembiologie-Zentrum BRICS, einem gemeinsamen Institut des HZI und der Technischen Universität Braunschweig, waren auch Forschungspartner in Hamburg, Lübeck, Hannover und Wolfenbüttel an den Arbeiten beteiligt.

Die SD-Plots – grob zu übersetzen mit „Auswertung der Dynamik von sprunghaften (genetischen) Änderungen“ – filtern aus der Vielzahl von Daten über Gen-Sequenzen von Virenstämmen, die in den zurückliegenden Jahren kursierten, die entscheidenden Veränderungen heraus, die bestimmten Virus-Varianten Vorteile beim Überleben und der Ausbreitung verschafften.

„Dabei konnten wir charakteristische Muster erkennen“, sagt HZI-Wissenschaftlerin Susanne Reimering. Bei dem Virus-Typ pH1N1, der die pandemische Influenza des Jahres 2009 auslöste – die sogenannte Schweinegrippe – fanden die Forscher Veränderungen in den Genen, die wahrscheinlich die Anpassung an den Menschen als Wirt erleichterten. Ein anderer untersuchter Virus-Typ, H3N2, zählt zu den Erregern der jährlich auftretenden saisonalen Grippe. Hier entdeckten die Wissenschaftler in vielen Jahrgängen bestimmte Mutationen, die in neuen Virus-Varianten auftraten, die sich dann in der jeweils folgenden Grippesaison verbreiteten.

Das Entscheidende dabei: „Die betreffenden Veränderungen traten zeitlich jeweils deutlich vor der großflächigen Verbreitung der Virus-Variante auf“, sagt HZI-Wissenschaftler Thorsten Klingen. Sie zeigten sich etwa bei H3N2, ehe diese Stämme zu den dominierenden Grippeerregern der jeweiligen Saison wurden. Der Vorlauf betrug in manchen Fällen bis zu einem Jahr. Die entscheidenden Veränderungen bis zu einem Jahr im Voraus zu entdecken ist ausschlaggebend für eine korrekte Impfstoffempfehlung.

Daher, so die Überzeugung der HZI-Bioinformatiker, bieten die SD-Plots die Chance, wichtige Vorhersagen über künftige Grippewellen zu treffen: „Wenn die WHO die Grippe-Impfungen für die bevorstehende Saison vorbereitet, muss sie vorher festlegen, gegen welche Influenza-Stämme geimpft werden soll“, sagt Alice McHardy. „Dafür könnte eine auf SD-Plots basierende Vorhersage wertvolle Dienste leisten und die Virologen der WHO bei der Datenauswertung unterstützen.“

Originalpublikation

Thorsten Ralf Klingen, Susanne Reimering, Jens Loers, Kyra Mooren, Frank Klawonn, Thomas Krey, Guelsah Gabriel, Alice McHardy. Sweep Dynamics (SD) plots: Computational identification of selective sweeps to monitor the adaptation of influenza A viruses. doi: doi.org/10.1101/110528

Der Artikel ist noch nicht in einer Fachzeitschrift erschienen, ist jedoch als “Pre-Print” im Internet frei verfügbar

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