Schwein

Afrikanische Schweinepest: Mit Genome Editing gegen Virus-Infektionen

Landwirte in Europa zittern vor der Afrikanischen Schweinepest. Seit 2007 rückt sie von Osten her vor, 2020 ist sie auch in Deutschland angekommen: Zuerst nur in Wildschweinen, im Juli 2021 erstmals auch in Hausschweinen. Sollte es nicht gelingen, eine weitere Verbreitung zu stoppen, wären die Folgen gewaltig. Gegenmittel oder einen Impfstoff gibt es noch nicht. Schon länger arbeiten Forscher an resistenten Schweinen, auch am Friedrich-Loeffler-Institut auf der Ostsee-Insel Riems. Nun scheint es tatsächlich möglich zu werden. Doch der Weg bis zum Ziel ist noch weit, auch bei der Entwicklung von Impfstoffen.

Afrikanisches Warzenschwein

Das afrikanische Warzenschwein trägt eine bestimmte Variante des RELA-Gens, die die Tiere widerstandsfähiger gegen die Afrikanische Schweinpest macht. Dagegen breitet sie sich unter Wildschweinen immer weiter aus.

Schweine, ASF resisent

Am schottischen Roslin Institute wurde bei Hausschweinen das RELA-Gen so umgeschrieben, dass es dem der Warzenschweine entspricht. So sollen die Tiere widerstandsfähiger gegen die ASP gemacht werden.

Fotos: University of Edinburgh; Norrie Russell, Roslin Institute. Großes Foto oben: Dmitri Kalinovsky, budabar / 123RF

Vermutlich kamen die Viren, Auslöser der Afrikanischen Schweinepest (ASP), 2007 mit verseuchten Speiseabfällen nach Georgien. Von dort breiteten sie sich immer weiter nach Westen aus und haben inzwischen die EU erreicht. 2020 wurden in osteuropäischen Ländern 11.000 infizierte Wildschweine sowie gut 1200 Hausschweine registriert. Auch 2021 steigen die Fallzahlen weiter an. Vor allem Rumänien, Polen, Ungarn und weitere osteuropäische Länder sind betroffen.

„Das Risiko eines Eintrags nach Deutschland ist sehr hoch: Die Seuche steht quasi vor der Haustür“, so Thomas Mettenleiter, Präsident des Friedrich-Loeffler-Instituts (FLI) im November 2019 (Agrarheute, 29.11.2019) - inzwischen ist sie da: Anfang September 2020 wurde in einem im Grenzgebiet zu Polen gefundenen Wildschweinkadaver die Afrikanische Schweinepest erstmals nachgewiesen. Seitdem werden immer mehr infizierte Wildschweine in Deutschland entdeckt: 403 im ganzen Jahr 2020, bald 1200 allein bis Anfang Juli 2021 (Stand 16.07.2021).

Im Juli 2021 waren erstmals auch in Deutschland Hausschweine befallen. In drei Betrieben in Brandenburg - einem großen mit 200 Schweinen und zwei kleinen mit nur zwei bzw. vier Tieren - wurden ASP-Viren gefunden. Alle Tiere wurden getötet, Sperrbezirke eingerichtet.

Das ASP-Virus wird zwischen Schweinen nur direkt etwa durch Blut und Sekret übertragen. Menschen oder andere Tierarten befällt der Erreger nicht. Doch das Virus schafft es, auch größere Entfernungen problemlos zu überwinden – mit Hilfe des Menschen, etwa durch Tiertransporte, Kleidung und Schuhe, vor allem in Nahrungsresten. In Fleisch- und Wurstprodukten bleibt das Virus mehrere Jahre aktiv. Ein achtlos weggeworfenes Schinkenbrot kann so der Anfang einer Infektionskette sein, über die sich das Virus in Wildschweinbeständen ausbreitet. Der Sprung vom Wild- auf das Hausschwein ist dann nicht mehr weit.

Fast alle infizierten Tiere sterben innerhalb von sieben bis zehn Tagen. Was bleibt, sind rigorose seuchenhygienische Maßnahmen, um eine weitere Verbreitung des Virus zu unterbinden. Schon im Verdachtsfall werden in einem betroffenen Bestand alle, auch die noch gesunden Tiere getötet und beseitigt. Zudem schreibt die Schweinepest-Verordnung vor, großflächige Sperrbezirke einzurichten, in die keine Schweine oder Schweineprodukte hinein- und auch nicht herausgebracht werden dürfen. Einige EU-Länder haben Schutzzäune errichtet, um das Einwandern von infizierten Wildschweinen zu verhindern, etwa Dänemark entlang der Grenze zu Deutschland, Frankreich und Luxemburg zu Belgien. Allerdings ist umstritten, ob solche Zäune tatsächlich einen wirksamen Schutz bieten können.

Für die Länder, in denen die ASP bereits nachgewiesen wurde, ist es trotz seuchenhygienischer Maßnahmen schwierig, die Krankheit wieder vollständig los zu werden. Damit ein Land wieder als „ASP-frei“ gilt, darf das Virus ein Jahr lang nicht mehr nachgewiesen werden.

Forschung (1): Resistente Hausschweine?

Schon seit Jahren wird daran geforscht, Medikamente oder einen Impfstoff gegen den ASP-Erreger zu entwickelt, lange Zeit vergeblich. Auch die Züchtung resistenter oder weniger anfälliger Schweinerassen ist bisher erfolglos geblieben. Doch inzwischen besteht Hoffnung, denn auch in der Tierzüchtung haben sich mit den neuen Genome Editing-Verfahren vielversprechende Möglichkeiten eröffnet.

Am Institut für Nutztiergenetik des Friedrich-Loeffler-Instituts (FLI) wollen Wissenschaftler mit Hilfe der Gen-Schere CRISPR/Cas Schweine widerstandsfähiger gegen ASP-Infektionen machen. Die Grundidee: die Schweine sollen in ihren Zellen selbst geeignete molekulare Werkzeuge herstellen, welche die eingedrungenen ASP-Viren zerstören.

Zunächst überprüfte die Arbeitsgruppe am FLI ihr Konzept an Lungenzellen von ASP-anfälligen Wildschweinen. Mit gentechnischen Verfahren wurde in deren Erbgut zusätzliches Genmaterial eingeführt, welches dafür sorgt, dass in den so veränderten Zellen die CRISPR-Werkzeuge - RNA-Sonde und das Schneideprotein Cas9 - gebildet werden. Die Sonde passt genau auf ein bestimmtes Virus-Gen. Dort zerschneidet das mit der Sonde verbundene Cas-Protein das Virus-Gen und verhindert so, dass sich die ASP-Viren vermehren können. Mit Erfolg: der Virenbefall konnte so um ein Vielfaches reduziert werden. Fehlschnitte (off-target-Effekte) außerhalb des definierten Ziels im Virus-Genom wurden nicht festgestellt.

Was in der Zellkultur funktionierte, soll auch bei Schweinen gelingen: Der DNA-Code für die Bauanleitung der CRISPR-Werkzeuge wurde in fötale Zellen eingebracht. Die aus den Zellen herangezogenen Schweine erwiesen sich als robuster im Vergleich zu unveränderten Tieren. Nach einer ASP-Infektion war die Vermehrung der Viren deutlich gehemmt. Als nächstes stehen nun weitere Testreihen an.

Einen anderen Ansatz verfolgen Forscher am Roslin Institute im schottischen Edinburgh. Sie zielen auf ein Schweine-Gen (RELA), welches bei einer Virus-Infektion eine Überreaktion des Immunsystems auslöst und damit für den schnellen Krankheitsverlauf verantwortlich ist. Einige afrikanische Schweinearten wie Warzen- und Buschschwein sind resistent gegenüber dem ASP-Virus. Sie tragen eine andere Variante (Allel) des RELA-Gens in ihrem Genom, welche die Immunreaktion dämpft und die Tiere robuster gegen die Virusattacken macht.

Die Wissenschaftler am Roslin Institute haben mit Zinkfinger-Nukleasen, einem anderen Genome Editing-Verfahren, das RELA-Gen in Hausschweinen so umgeschrieben, dass es genau der Warzenschwein-Variante entspricht. Die gezielten Veränderungen wurden an frisch befruchteten Eizellen durchgeführt, aus denen mehrere Schweine herangezogen wurden. In einer abgeschlossenen Station wurde dann geprüft, ob das umgeschriebene RELA-Gen die Widerstandsfähigkeit gegenüber der Schweinegrippe tatsächlich erhöht.

Die editierten Hausschweine erwiesen sich in den Tests zwar nicht so widerstandsfähig wie erhofft, doch bei einigen Tiere dauerte es länger, bis sich Krankheitssymptome zeigten. Zudem enthielten sie im Blut und Nasensekret weniger Viren-DNA. Dennoch wollen die Wissenschaftler ihre Grundidee weiterverfolgen, den genetischen Hintergrund für die ASP-Resistenz der Warzenschweine auf Hausschweine zu übertragen. Wahrscheinlich müssen noch weitere genetischen Elemente einbezogen werden, nicht nur das RELA-Gen.

Forschung (2): Impfstoffe gegen die Afrikanische Schweinegrippe

Auch bei der Entwicklung eines Impfstoffes gibt es Fortschritte. Wissenschaftler am Harbin Veterinary Research Institute in China haben einen Lebendimpfstoff mit reduzierter Virulenz entwickelt, indem sie sieben Genabschnitte im Virengenom entfernt haben. In Testreihen konnte nachgewiesen werden, dass bei Hausschweinen, denen der neue Impfstoff verabreicht worden war, die Vermehrung des ASP-Virus gehemmt war. Das Virus war nach etwa zwei Wochen im Körper nicht mehr nachweisbar.

Allerdings macht es das ASP-Virus nicht leicht: Es ist außergewöhnlich groß und komplex ist. So verfügt es über bestimmte Stoffe - sogenannte Immunmodulatoren -, die es davor schützt, vom Immunsystem entdeckt zu werden, so dass sich in eingedrungene Viren in den Schweinezellen ungestört vermehren können. Am Friedrich-Löffler-Institut hat man ASP-Viren mit gentechnischen Methoden diese Faktoren entfernt, damit das Immunsystem die Viren erkennt und Antikörper und Abwehrzellen bilden kann. Außerdem wurden die Virulenzfaktoren, also diejenigen Eigenschaften, die das Tier erkranken lässt, entfernt. In Labortests erwies sich der Impfstoff als vielversprechend. In ersten Versuchen mit lebenden Hausschweinen zeigten die meisten der geimpften Schweine keine Krankheitssymptome, während die ungeimpften Kontrolltiere schwer erkrankten.

Forscher in den USA haben einen Impfstoff entwickelt, der oronasal - also über die Schleimhäute von Maul und Nase - verabreicht werden kann. Damit wäre es möglich, auch Wildschweine über Köder zu impfen. Der Impfstoff basiert auf einem hochvirulenten ASP-Stamm, dem ein Gen entfernt wurde. In Wildschweinen, die den Impfstoff über einen Köder aufgenommen hatten, waren während der dreiwöchigen Beobachtungszeit Viren nicht - oder nur in sehr geringer Zahl - nachweisbar, ähnlich wie die intramuskulär geimpften Vergleichstiere. Nun geht es darum, den neuen Impfstoff in eine geeignete Köderform zu bringen, so dass die freilebenden Schweine den Impfstoff sicher aufnehmen können.

Noch ist offen, ob und wann die neuen Impfstoffe eingesetzt werden können. Besonders, wenn es sich dabei um modifizierte gentechnisch veränderte Viren handelt, sind die Hürden für eine Zulassung besonders hoch. Werden sie über Köder ausgebracht, müssten mögliche Risiken einer solchen Freisetzung beherrschbar sein. Die Untersuchungen zur Sicherheit und Wirksamkeit solcher Impfstoffe dürften sich noch über Jahre hinziehen.

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