Corona Mutationen

Corona: Wie Virusvarianten entstehen und was sie bedeuten

Von Juliette Irmer

Alpha, Delta, Omikron…. Die immer wieder neuen Corona-Virusvarianten sind ein eindrucksvolles Beispiel für Evolution. Die Varianten werfen allerdings Fragen auf hinsichtlich der Wirksamkeit der Impfstoffe. Behörden und Impfstoffentwickler arbeiten bereits an Lösungen.

Viren sind strenggenommen keine Lebewesen, da ihnen ein eigener Stoffwechsel fehlt und sie für ihre Vermehrung zwingend auf eine Wirtszelle angewiesen sind. Entsprechend sind Viren wahre Spezialisten, wenn es darum geht, in Körperzellen einzudringen. Ist ihnen das gelungen, programmieren sie die Zellmaschinerie um, so dass diese fortan massenweise neue Viren produziert: bis zu 10000 pro Zelle. Die Informationen für diesen Vorgang sind im viralen Erbgut codiert, das bei SARS-CoV-2 aus 30.000 RNA-Nukleotiden besteht, was im Virenreich riesig ist. Zum Vergleich: Bei HIV sind es 10.000 Nukleotide, bei Influenza 14.000. (Das Erbgut des Menschen ist mit 3,2 Milliarden DNA-Nukleotiden 100.000-mal größer.)

Corona Spike Protein

Mutationen im Spike-Protein haben dazu geführt, dass das Corona-Virus leichter in Zellen eindringen kann.

Variants of concern (VOC) alle Muta-tionen Spike Muta-tionen
Delta (B.1.617.2) 22 9
Omikron (B.1.1.529 / 21M) 50+ 30+

Stand: März 2022 (Covariants/WHO)

Foto: iStock, Grafik oben: iStock/Frank Ramspott (modifiziert)

Am 10. Januar 2020 stellten chinesische Wissenschaftler das erste vollständig entschlüsselte Genom des neuen Coronavirus online. Heute (Stand März 2022) umfasst die GISAID-Datenbank, die Wissenschaftlern rund um den Globus bislang dazu diente, Daten über Influenzaviren zu teilen und zu analysieren, mehr als 9,5 Millionen SARS-CoV-2-Sequenzen aus fast allen Ländern. (Je etwa ein Viertel stammt aus den USA und England, Deutschland belegt mit rund 460.000 eingebrachten Sequenzen den dritten Platz).

Das Viren-Erbgut ist nicht nur der Schlüssel für die Entwicklung von Impfstoffen und Medikamenten, sondern dient auch der Kontrolle der Pandemie. Zentral ist dabei das Open-Source-Projekt Nextstrain. Das Projektteam analysiert die Genomsequenzen, erstellt Stammbäume, visualisiert Übertragungsketten und Ausbreitungswege und stellt alles online. Die Plattform CoVariants stellt zudem die Ausbreitung der unterschiedlichen Coronavirus-Varianten in einzelnen Ländern grafisch dar.

Ursache für die Varianten sind Mutationen, kleine Veränderungen des Erbguts, die durch das Entschlüsseln der Genome nachverfolgt werden können. Mutationen entstehen zufällig und sie entstehen ständig. Denn bei der Vermehrung eines Coronavirus werden seine 30.000 RNA-Bausteine tausende Male kopiert. Dabei können Fehler passieren, obwohl Coronaviren, anders als viele andere Viren, einen Reparaturmechanismus besitzen.

Die frisch vermehrten Viren erben einen solchen „Kopierfehler“ und infizieren neue Zellen oder Wirte, wo es im nächsten Vermehrungszyklus wieder zu Mutationen kommen kann. Der Großteil der Mutationen ist bedeutungslos. Ab und an führen sie aber zu neuen Eigenschaften, die sich auf das Infektionsgeschehen auswirken können. Im Falle des Coronavirus etwa Mutationen im Spike-Protein, das dem Virus Zugang ins Zellinnere verschafft. Bieten die neuen Mutationen Vorteile, können sie zum Trend werden.

Im Verlauf der Pandemie war das bereits mehrmals gut zu beobachten: Die Virusvariante Alpha tauchte Ende 2020 erstmals in England auf und dominierte später das Infektionsgeschehen in ganz Europa. Auch anderswo wurden neue Virusvarianten identifiziert, die leichter übertragbar sind. Beta verbreitete sich hauptsächlich in Südafrika, Gamma vor allem in Brasilien und Chile. Die Delta-Variante sorgte im Frühling 2021 für eine verheerende zweite Welle in Indien und verbreitete sich weltweit, bis sie im November 2021 von Omikron abgelöst wurde, der momentan (Mai 2022) vorherrschenden Virusvariante, von der mittlerweile etliche Subtypen existieren. (siehe Grafik rechts)

Im Mai 2021 hatte die WHO eine neue Klassifikation und Nomenklatur für Virusvarianten vorgestellt: Die Varianten werden nach den Buchstaben des griechischen Alphabets benannt und in drei Kategorien eingeteilt. Eine besorgniserregende Variante, Variant of Concern (VOC), ist danach ansteckender, verursacht schwere Erkrankungen und/oder verringert die Wirksamkeit von Impfstoffen. Eine Variant of Interest (VOI) ist eine Virusvariante, mit genetischen Veränderungen, die auf ein neu auftretendes Risiko für die globale öffentliche Gesundheit hindeuten. Eine Variant under Monitoring (VUM) steht unter Beobachtung.

Bei den zwei momentan klassifizierten VOC, darunter auch einige Omikron-Subtypen, sorgen Mutationen im Spike-Protein dafür, dass die Viren leichter in Zellen eindringen können. Sie sind also ansteckender, infizieren mehr Menschen als das ursprüngliche Coronavirus und haben mehr Nachkommen, die ebenfalls leichter übertragen werden. Delta und vor allem Omikron weisen so genannte Immun-Escape Mutationen auf. Das sind Veränderungen im viralen Erbgut, die dazu führen, dass Antikörper, die nach einer Impfung oder einer Infektion gebildet wurden, die neuen Virusvarianten weniger gut erkennen und unschädlich machen können, wodurch die Wirksamkeit der Impfung schwächer werden kann.

Die Evolution des Coronavirus wirft zwangsläufig die Frage auf, wie lange die entwickelten Impfstoffe wirksam sind und wie gut sie gegen Varianten schützen. Dabei muss zwischen dem Schutz vor Infektion und dem Schutz vor einem schweren Verlauf unterschieden werden. Gegen Alpha haben die Impfstoffe verlässlich sowohl vor einer Infektion, als auch einem schweren Verlauf geschützt. Bei Delta ist der Schutz vor einer Infektion geringer und nimmt mit der Zeit immer weiter ab. Das heißt, auch Geimpfte können sich infizieren und das Virus dann übertragen. Sie infizieren sich allerdings seltener als Ungeimpfte und der Schutz vor einem schweren Verlauf ist hoch: Das Hospitalisierungs- und Sterberisiko ist im Vergleich zu Ungeimpften um 90 Prozent reduziert (Delta). Bei Omikron ist der Schutz vor einer Infektion deutlich reduziert, das heißt, auch Geimpfte und Genesene können sich neu anstecken.

Der Schutz vor einem schweren Verlauf bleibt nach einer vollständigen Impfung aber bei allen bisherigen Varianten bestehen. Eine vollständige Impfung umfasst dabei drei Impfdosen, da die dritte Impfung die Immunantwort verbreitert und stärkt. Dabei sind Kombinationen verschiedener Impfstoffe möglich (siehe im Web: Epidemiologisches Bulltin 7/2022 des Robert-Koch-Instituts).

Für den Fall, dass die Impfwirkung weiter nachlässt oder Varianten auftauchen, die den Impfschutz noch stärker untergraben, bereiten sich Impfstoffhersteller und Zulassungsbehörden bereits vor. Geprüft, entwickelt und geplant werden

  • Impfstoff-Updates gegen die neuen Varianten
  • Universeller Impfstoff gegen Coronaviren (steht noch am Anfang)

Gerade die neuen mRNA-Impfstoffe lassen sich relativ einfach aktualisieren, indem die Antigen-Information für das Spike-Protein an die mutierte Virussequenz angepasst wird. Laut dem Verband der forschenden Pharmaunternehmen (vfa) haben Impfstoffhersteller bereits damit begonnen, einen extra an Omikron angepassten Impfstoff zu entwickeln. Die Behörden bereiten außerdem einen neuen Zulassungsmechanismus vor, mit dem Impfstoff-Updates möglichst zügig zugelassen werden sollen. So soll die Entwicklung eines solchen Updates und dessen Herstellung innerhalb von drei Monaten ermöglicht werden.

Grundsätzlich steigt die Wahrscheinlichkeit für Mutationen mit einem hohen Infektionsgeschehen: Dort wo viele Viren zirkulieren, vermehren sie sich millionenfach und es entstehen ab und an „Kopierfehler“, die zu harmloseren Varianten oder zu Variants of Concern führen können. Wichtig ist hier auch das Zusammenspiel von Mutation und Selektion: Sind viele Menschen durch eine natürliche Infektion oder Impfung immun, gerät SARS-CoV-2 unter Selektionsdruck: Jene Viren, die durch eine zufällige Mutation Antikörpern besser entgehen, haben dann einen Überlebensvorteil.

Bei hohem Infektionsgeschehen steigt außerdem die Wahrscheinlichkeit für Rekombinationsereignisse: Infizieren sich Personen gleichzeitig mit zwei unterschiedlichen Virusvarianten, können diese Teile ihres Erbguts austauschen, wenn sie sich in den gleichen Zellen vermehren. Das ist bereits geschehen, wie der Nachweis mehrerer Hybridvarianten zeigt, die von der WHO unterschiedlich klassifiziert werden.

Als problematisch könnte sich auch die Fähigkeit von SARS-CoV-2 erweisen, die Artgrenze zu überspringen: Bislang wurden der Weltorganisation für Tiergesundheit Übertragungen in 19 unterschiedlichen Tierarten gemeldet. Möglicherweise könnten so weitere Reservoire für das Virus entstehen. Rückübertragungen in den Menschen wurden bereits aus Nerzen und Hamstern nachgewiesen, wie häufig und wie leicht dies geschieht ist unklar.

Die Entwicklungen unterstreichen die Notwendigkeit einer kontinuierlichen genomischen Überwachung von SARS-CoV-2, auch um die Impfstoffe, wenn es notwendig wird, anzupassen.

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