SARS-CoV-2: Virus und Impfung

Allgemeines

Im Dezember 2019 trat in Wuhan in China eine neuartige Lungenkrankheit auf. Die Patienten zeigten vor allem Lungenentzündung und Atemnot, und manche verstarben daran. Auf der Suche nach dem Auslöser der Krankheit, die COVID-19 genannt wurde, wurde aus den Patienten ein Virus isoliert, das sich in Zellkultur auf Epithelzellen der Atemwege (Lu et al., 2020) oder auf Zellen aus der Niere (Li et al., 2003) vermehren lässt und zu den Coronaviren gehört. Daher wurde es SARS-CoV-2 genannt. Es besteht aus einer Hülle aus einer Lipidschicht, die drei verschiedene Proteine enthält. Im Inneren befinden sich weitere Proteine sowie eine RNA, die das Genom des Virus darstellt. Die Sequenzierung des Genoms ergab eine Grösse von fast 30 000 Basenpaaren (Wu et al., 2020; Zhou et al., 2020). Zum Vergleich: Das Genom des Bakteriums Escherichia coli hat ca. 4600 000 Basenpaare, das des Menschen ca. 3100 000 000.

Wenn sich jemand mit SARS-CoV-2 infiziert, dauert es zwei Tage, bis die ersten Symptome sichbar werden, die Viren mit einem Antigentest nachweisbar werden und die Person das Virus an andere Personen weitergeben kann (Killingley et al., 2022). Bei einem leichten Krankheitsverlauf verschwinden die Symptome, die Infektiosität und die Nachweisbarkeit von Viren nach weiteren 7 bis 10 Tagen. Nur mit PCR sind die Viren oder ihre Reste länger nachweisbar. Ein ähnlicher Verlauf wurde bei Hamstern gefunden (Sia et al., 2020). Dort wurde auch gezeigt, dass sich ein Hamster von einem infizierten Hamster im Nachbarkäfig anstecken lässt, womit die Übertragung des Virus durch die Luft gezeigt ist.

Eindringen des Virus in die Zellen und Vermehrung

Da die unverletzte menschliche Haut ein unüberwindliches Hindernis für SARS-CoV-2 ist, dringt es vorzugsweise über die Atemwege oder über den Mund in den Körper ein; die Augen spielen keine Rolle (Martin et al., 2021). Bleibt es dort an einer Zelle der obersten Schleimhautschicht, des Epithels, hängen, kann es in diese Zelle eindringen, sofern sie den „Rezeptor“, das Protein ACE2, auf ihrer Zellmembran trägt (Li et al., 2003). An diesem Rezeptor bindet das Virus mit seinem S-Protein. Anschliessend wird das S-Protein durch die Protease TMPRSS2 in S1 und S2 gespalten, und durch eine zweite Spaltung ist das Virus vorbereitet, um in die Zelle einzudringen (Hartenian et al., 2020; Jackson et al., 2022). Hier wird nun die RNA vermehrt und in neue Viruspartikel verpackt, die von der befallenen Zelle freigesetzt werden.

Wege des Virus in den Körper

Um in den Körper eindringen zu können, braucht das Virus das Protein ACE2, an dem es bindet, bevor es in die Zellen eindringen kann. ACE2 kommt in den Atemwegen vor allem in der Riechschleimhaut im Dach der Nasenhöhle vor. Hier setzen sich die Viren fest und verbreiten sich nach vorn in die Nase, nach hinten in die Luftröhre und die Lunge sowie in den Mundraum. Die Verbreitung geht über den Schleim, den das Epithel der Schleimhaut in den Atemwegen und im Rachen abscheiden, bei starkem Befall auch über die Luft. Es dauert ein paar Tage, bis die Viren in der Lunge die Alveolen, die letzten Verzweigungen der Luftwege, erreicht haben (Sia et al., 2020). Das Eindringen der Viren in die tieferen Schichten der Schleimhaut wird durch die Basallamina, eine dünne, aber undurchdringliche extrazelluläre Schicht, die die Epithelzellen unter sich abscheiden, stark behindert. Dadurch breiten sich die Viren zunächst vor allem oberflächlich im Epithel aus. In den Alveolen wird die Basallamina dünner, damit sie den Gasaustausch mit dem Blut nicht behindert. Hier dringen die Viren dann ins Blut vor.

In der Riechschleimhaut im oberen Nasendach befallen die Viren nicht nur die Epithelzellen, sondern auch die olfaktorischen Nervenzellen, die durch die Basallamina ins Epithel reichen und über die die Viren ins Gehirn eindringen (Sia et al., 2020).

Die Viren aus dem Rachenraum gelangen beim Verschlucken in den Darm. Dort sind sie jedoch kaum infektiös, vermutlich überleben sie die Bedingungen in Magen und Darm nicht, oder es hält auch hier die Schleimschicht oder die Basallamina die Viren davon ab, tiefer ins Gewebe einzudringen. Der Befall des Darmepithels dürfte den Durchfall erklären, der bei COVID-19-Patienten beobachtet wird.

Antikörperbildung durch Krankheit oder Impfung

Obwohl bereits ein halbes Jahr nach Pandemiebeginn von COVID-19-Patienten berichtet wurde, die sich erneut infiziert hatten, wird SARS-CoV-2 mittels Impfung bekämpft. In allen Impfstoffen wird das virale S-Protein zur Bildung von Antikörpern eingesetzt. Dabei gibt es zwei Typen von Impfstoffen: die einen enthalten das virale S-Protein als Protein (abgetötete Viren oder S-Protein-haltige Impfstoffe), während die anderen dessen Vorstufe enthalten (mRNA- oder Vektorimpfstoffe). Wenn ganze, abgetötete Viren oder isoliertes S-Protein oder Teile davon geimpft werden, werden diese durch das Blut im ganzen Körper verteilt, um Antikörper gegen das S-Protein zu bilden. Bei den mRNA- und Vektorimpfstoffen werden bestimmte Körperzellen angeregt, das S-Protein zu bilden, so dass anschliessend Antikörper gebildet werden können. Bei der Impfung mit mRNA-1273 (Moderna) wurde das S-Protein nach einem Tag im Plasma (flüssiger Teil des Blutes) nachweisbar, erreichte am fünften Tag sein Maximum und verschwand am 14. Tag wieder (Ogata et al., 2022).Dabei ist bisher kaum untersucht worden, welche Körperzellen das S-Protein bilden, vermutlich sind das vor allem Leukozyten (weisse Blutkörperchen) im Blut und Endothelzellen, die die Innenseite der Blutgefässe als einzellige Schicht auskleiden und daher mit dem Impfstoff am meisten in Berührung kommen. Der Vektorimpfstoff AZD1222 (ChAdOx1 nCoV-19) wurde bereits 30 min nach der Injektion in Leber, Lunge, Milz, Niere, Gehirn und Herz nachgewiesen (Badbaran et al., 2021) und bis zu neun Tage in geringen Mengen in Knochenmark, Leber, Milz, Lymphknoten und Lunge gefunden (Stebbings et al., 2022); die Verteilung auf die einzelnen Zelltypen im jeweiligen Gewebe wurde nicht angegeben.

Durch die Impfung werden Antikörper als IgG gebildet und stehen dann im Blut und im Gewebe zur Abwehr eingedrungender Viren bereit. Die Viren befinden sich jedoch nach der Infektion zunächst im Epithel der Schleimhäute der Atemwege. Dort wird ein anderer Antikörpertyp, IgA gebraucht, IgG kommt dort kaum vor. Die IgA-Mengen, die im Schleim der Atemwege oder im Mund bestimmt wurden, sind um den Faktor 30 - 100 kleiner als die im Blut (Guerrieri et al., 2021; Piano Mortari et al., 2021). Und das erklärt, warum die Immunisierung gegen SARS-CoV-2 die Verbreitung des Virus nicht hemmt, so dass in den Gebieten, in denen viel geimpft wurde, die Inzidenzen trotzdem enorme Höhen erreicht haben. Bekanntlich haben sich viele Menschen trotz Impfung mit dem Coronavirus infiziert („Impfdurchbruch“).

Wirkungen des viralen S-Proteins im Körper

In allen Impfstoffen ist das virale S-Protein der zentrale Bestandteil. Da es auch der Hauptbestandteil der Virushülle ist, ist es denkbar, dass die Impfung zu ähnlichen Nebenwirkungen führt wie die Infektion mit dem Virus. Tatsächlich wurde gezeigt, dass das S1-Protein bei Mäusen nach Injektion in die Schwanzvene oder Einbringen in die Lunge zu COVID-19-ähnlichen Symptomen führt (Colunga Biancatelli et al., 2021; Nuovo et al., 2021). Man findet es in den Endothelzellen der Blutgefässe im Gehirn, der Leber und im Fettgewebe unter der Haut wieder, ebenso in den Macrophagen und Kupferzellen der Leber (Nuovo et al., 2022). Wenn S-Protein ins Blut gegeben wird, bilden sich Fibrin-Ausflockungen, die sich nur schwer wieder auflösen (Grobbelaar et al., 2021). Dazu genügt eine geringe Konzentration von 1 ng/ml, was im menschlichen Körper (ca. 5 l Blut) der Menge von 5 µg entspricht, die mit NVX-CoV2373 (Novavax) geimpft wird (Dunkle et al., 2022). Bei der Impfung mit mRNA-1273 (Moderna) wurden im Plasma im Mittel 68 pg/ml erreicht (Ogata et al., 2022). Allerdings dürfte der Wert im Blut höher liegen, da das S-Protein auch in den Blutzellen und nicht nur im Plasma vorkommt. Das Protein ACE2, an das das virale S-Protein bindet, wird in Thrombozyten (Blutplättchen) exprimiert (Zhang et al., 2020). Daher ist eine Ausflockung durch Zugabe von S-Protein zu Thrombozyten denkbar. Ausserdem beeinträchtigt der S1-Teil des S-Proteins die Blut-Luft-Schranke in der Lunge, so dass es dort zu Blutungen kommt (Colunga Biancatelli et al., 2021). Allein diese pathophysiologischen Merkmale zeigen, dass die Impfung gegen SARS-CoV-2 Nebenwirkungen wie Thrombosen oder Blutungen erwarten lässt, und viele sind inzwischen beschrieben worden.

Literatur

Badbaran, A. et al. (2021) ‘Digital PCR to quantify ChAdOx1 nCoV-19 copies in blood and tissues’, Molecular Therapy. Methods & Clinical Development, 23, pp. 418–423. doi:10.1016/j.omtm.2021.10.002.

Colunga Biancatelli, R.M.L. et al. (2021) ‘The SARS-CoV-2 spike protein subunit S1 induces COVID-19-like acute lung injury in Κ18-hACE2 transgenic mice and barrier dysfunction in human endothelial cells’, American Journal of Physiology. Lung Cellular and Molecular Physiology, 321(2), pp. L477–L484. doi:10.1152/ajplung.00223.2021.

Dunkle, L.M. et al. (2022) ‘Efficacy and Safety of NVX-CoV2373 in Adults in the United States and Mexico’, The New England Journal of Medicine, 386(6), pp. 531–543. doi:10.1056/NEJMoa2116185.

Grobbelaar, L.M. et al. (2021) ‘SARS-CoV-2 spike protein S1 induces fibrin(ogen) resistant to fibrinolysis: implications for microclot formation in COVID-19’, Bioscience Reports, 41(8), p. BSR20210611. doi:10.1042/BSR20210611.

Guerrieri, M. et al. (2021) ‘Nasal and Salivary Mucosal Humoral Immune Response Elicited by mRNA BNT162b2 COVID-19 Vaccine Compared to SARS-CoV-2 Natural Infection’, Vaccines, 9(12), p. 1499. doi:10.3390/vaccines9121499.

Hartenian, E. et al. (2020) ‘The molecular virology of coronaviruses’, The Journal of Biological Chemistry, 295(37), pp. 12910–12934. doi:10.1074/jbc.REV120.013930.

Jackson, C.B. et al. (2022) ‘Mechanisms of SARS-CoV-2 entry into cells’, Nature Reviews. Molecular Cell Biology, 23(1), pp. 3–20. doi:10.1038/s41580-021-00418-x.

Killingley, B. et al. (2022) ‘Safety, tolerability and viral kinetics during SARS-CoV-2 human challenge in young adults’, Nature Medicine, 28(5), pp. 1031-1041. doi:10.1038/s41591-022-01780-9.

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Lu, R. et al. (2020) ‘Genomic characterisation and epidemiology of 2019 novel coronavirus: implications for virus origins and receptor binding’, Lancet (London, England), 395(10224), pp. 565–574. doi:10.1016/S0140-6736(20)30251-8.

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Nuovo, G.J. et al. (2021) ‘Endothelial cell damage is the central part of COVID-19 and a mouse model induced by injection of the S1 subunit of the spike protein’, Annals of Diagnostic Pathology, 51, p. 151682. doi:10.1016/j.anndiagpath.2020.151682.

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Nuovo, G.J. et al. (2022) ‘The histologic and molecular correlates of liver disease in fatal COVID-19 including with alcohol use disorder’, Annals of Diagnostic Pathology, 57, p. 151881. doi:10.1016/j.anndiagpath.2021.151881.

Piano Mortari, E. et al. (2021) ‘Highly Specific Memory B Cells Generation after the 2nd Dose of BNT162b2 Vaccine Compensate for the Decline of Serum Antibodies and Absence of Mucosal IgA’, Cells, 10(10), p. 2541. doi:10.3390/cells10102541.

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Stebbings, R. et al. (2022) ‘AZD1222 (ChAdOx1 nCov-19): A Single-Dose biodistribution study in mice’, Vaccine, 40(2), pp. 192–195. doi:10.1016/j.vaccine.2021.11.028.

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Zhang, Si et al. (2020) ‘SARS-CoV-2 binds platelet ACE2 to enhance thrombosis in COVID-19’, Journal of Hematology & Oncology, 13(1), p. 120. doi:10.1186/s13045-020-00954-7.

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Letzte Änderung: 2022-06-05