Von Ausbruch bis Prävention
Neue Strategien gegen Viren
Überall auf der Welt beobachten Wissenschaftler*innen aufmerksam die Entwicklung potenzieller Pandemien. Klimawandel, Urbanisierung und globale Mobilität erleichtern es Viren zunehmend, von Tieren auf den Menschen überzugehen und nationale wie kontinentale Grenzen zu überwinden. In Laboren rund um den Globus arbeiten Forschungsteams mit Hochdruck daran, einen Schritt voraus zu sein und neue Medikamente zu entwickeln, die einen zukünftigen Ausbruch bereits im Keim ersticken können.
Im Mittelpunkt ihrer Arbeit steht VIGILANT – ein von der Europäischen Union gefördertes Forschungsprojekt –, das die Entwicklung einer neuen Art antiviraler Medikamente zum Ziel hat. Diese sollen die Grundlage für ein breit wirksames antivirales Therapeutikum schaffen, das frühzeitig auf neu auftretende Viren reagieren kann.
Langfristig könnten im Rahmen von VIGILANT entwickelte Medikamente zur Behandlung von Patient*innen eingesetzt werden, Einsatzkräfte schützen und dazu beitragen, Ausbrüche zu verlangsamen oder sogar zu stoppen, bevor sie sich festsetzen.
Dies ist die Geschichte des VIGILANT Projekts
Von Patient*in Null zur Pandemie
Jede Pandemie beginnt mit einer einzigen Infektion: Patient*in Null. Von diesem Moment an kann sich ein Virus innerhalb weniger Tage über Städte, Länder und Kontinente ausbreiten. Entscheidend ist es, diesen Weg frühzeitig zu unterbrechen, um den nächsten Ausbruch bereits im Ansatz zu stoppen.
Genau das ist das Ziel des VIGILANT-Projekts.
Viren im Visier: Unsere Watchlist
Um zu verstehen, womit wir es zu tun haben, müssen wir die Viren selbst genau betrachten. Jedes von ihnen erzählt eine Geschichte von Evolution, Anpassung, Chancen. Und genau gegen diese Bedrohungen arbeitet das VIGILANT-Konsortium an.
EBOLA-VIRUS
Ebola-Ausbrüche können katastrophale Auswirkungen haben und Gesundheitssysteme an ihre Grenzen bringen. Es existieren mehrere Stämme des Virus, und bisher konnten Forschende nur eine Behandlung für den Zaire-Stamm entwickeln. Ein Ziel des VIGILANT-Projekts ist es, diesen Schutz auf alle Ebola-Varianten auszudehnen.
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Familie |
Filoviridae (Filovirus) |
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Region |
Zentral- und Westafrika (DR Kongo, Gabun, Guinea, Liberia, Sierra Leone, Republik Kongo) |
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Ursprung & Verbreitung |
Fruchtfledermäuse; Übertragung von Mensch zu Mensch über Körperflüssigkeiten |
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Zielzellen |
Makrophagen, dendritische Zellen, Endothelzellen, Leberzellen |
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Symptome |
Plötzliches Fieber, Schwäche, Erbrechen, Durchfall, innere und äußere Blutungen, Organversagen |
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Sterblichkeits- |
25–90% |
MARBURG-VIRUS
Das Marburg-Virus, ein naher Verwandter des Ebola-Virus, verursacht plötzliches Versagen meist mehrerer Organe. Es ist selten, doch wenn es auftritt, ist es tödlich – eine zugelassene Impfung oder antivirale Behandlung gibt es bislang nicht. Aus diesem Grund steht es weit oben auf der Watchlist des VIGILANT-Projekts.
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Familie |
Filoviridae (Filovirus) |
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Region |
Zentral- und Ostafrika (Uganda, Kenia, Demokratische Republik Kongo, Angola, Ghana, Sierra Leone, Tansania) |
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Ursprung & Verbreitung |
Fruchtfledermäuse (Rousettus aegyptiacus); Kontakt von Menschen mit Fledermäusen oder infizierten Primaten |
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Zielzellen |
Immunzellen (Makrophagen, dendritische Zellen), Leber-, Endothel- und Fibroblastenzellen |
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Symptome |
Fieber, Kopfschmerzen, Muskelschmerzen, Erbrechen, Durchfall, Hautausschlag, Gelbsucht, innere Blutungen, Multiorganversagen |
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Sterblichkeits- |
24–88% |
CHIKUNGUNYA-VIRUS
Das Chikungunya-Virus macht aus einem Mückenstich Wochen voller Gelenkschmerzen und Fieber. Zwar ist die Erkrankung selten tödlich, doch Ausbrüche können die Lebensqualität erheblich beeinträchtigen und die Gesundheitssysteme in betroffenen Regionen überlasten. Derzeit beschränkt sich die Behandlung auf die Linderung der Symptome. Deshalb ist die Prävention von Infektionen durch neue medizinische Ansätze ein zentrales Ziel des VIGILANT-Projekts.
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Familie |
Togaviridae (Alphavirus) |
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Region |
Globale Tropen und Subtropen (Afrika, Südasien, Südamerika, Südeuropa) |
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Ursprung & Verbreitung |
Nichtmenschliche Primaten; Übertragung durch Mücken (Aedes aegypti, Aedes albopictus) |
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Zielzellen |
Hautfibroblasten, Gelenk- und Muskelzellen, Makrophagen |
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Symptome |
Hohes Fieber, starke Gelenk- und Muskelschmerzen, Hautausschlag, geschwollene Gelenke, Müdigkeit |
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Sterblichkeits- |
~0.1% |
NIPAH-VIRUS
Obwohl die meisten noch nie etwas vom Nipah-Virus gehört haben, zählt es zu den gefährlichsten Erregern. Ausbrüche sind selten, verlaufen aber häufig schwer und können bei den Betroffenen gefährliche Gehirninfektionen verursachen. Für Nipah gibt es derzeit weder eine zugelassene Impfung noch eine antivirale Behandlung. Die Entwicklung wirksamer Schutzmaßnahmen gehört zu den Zielen des VIGILANT-Projekts.
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Familie |
Paramyxoviridae (Paramyxovirus) |
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Region |
Süd- und Südostasien (Indien, Bangladesch, Malaysia) |
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Ursprung & Verbreitung |
Fruchtfledermäuse (Pteropus-Arten); Kontakt mit infizierten Schweinen oder kontaminierten Früchten |
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Zielzellen |
Endothel- und Nervenzellen; Atemwegs- und Immunzellen |
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Symptome |
Fieber, Kopfschmerzen, Husten, Verwirrtheit, Krampfanfälle, Gehirnentzündung, Koma |
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Sterblichkeits- |
40–75% |
ZIKA-VIRUS
Bei den meisten Erwachsenen verursacht eine Infektion mit dem Zika-Virus nur milde Symptome. Während einer Schwangerschaft können die Folgen für das ungeborene Kind verheerend sein. Infektionen traten bisher hauptsächlich in tropischen Regionen auf, doch der Klimawandel wird die Ausbreitung des Zika-Virus begünstigen. Daher arbeiten die Forschenden des VIGILANT-Projekts mit Hochdruck daran, einen umfassenderen Schutz zu entwickeln.
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Familie |
Filoviridae (Orthoflavivirus) |
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Region |
Afrika, Südostasien, Pazifische Inseln und Amerika |
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Ursprung & Verbreitung |
Mücken (Aedes aegypti, Aedes albopictus); Mutter-Kind-Übertragung während der Schwangerschaft |
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Zielzellen |
Immunzellen, neuronale Vorläuferzellen, Plazentazellen |
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Symptome |
Leichtes Fieber, Hautausschlag, Gelenkschmerzen, Bindehautentzündung; kann während der Schwangerschaft zu Fehlbildungen des Gehirns des Fötus (Mikrozephalie) führen. |
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Sterblichkeits- |
<0.1% bei Erwachsenen; bis zu 14% bei ungeborenen Kindern |
VIRUS X
Viren entwickeln sich ständig weiter. Viele zirkulieren bereits unbemerkt in der Natur, sind bislang aber nicht auf den Menschen übergesprungen. Andere könnten in Zukunft entstehen – beeinflusst durch Klimawandel, Globalisierung oder einfach Zufall. Wissenschaftler*innen bezeichnen diese unbekannte Bedrohung als Virus X.
Gefährlich macht Virus X nicht das, was wir über ihn wissen, sondern das, was wir noch nicht wissen.
VIGILANT ist nicht nur auf bekannte Viren ausgelegt, sondern auch auf solche, die noch nicht aufgetreten sind – insbesondere auf RNA-Viren einer bestimmten Untergruppe. Statt einzelne Viren direkt zu bekämpfen, konzentriert sich VIGILANT auf die gemeinsamen biologischen Prozesse, die diese Viren für ihre Vermehrung benötigen, um künftige Ausbrüche abzuschwächen.
Virus X ist also kein einzelnes Virus. Es ist jedes Virus, dem wir bisher noch nicht begegnet sind.
Resilienz stärken für die nächste globale Krise
WELTWEITE AUSWIRKUNGEN
Die COVID-19-Pandemie hat gezeigt, wie fragil unsere Systeme sein können. Innerhalb weniger Wochen brachen Lieferketten zusammen und die Wirtschaft stand nahezu still. Schulen schlossen, Krankenhäuser kamen kaum hinterher, und das Alltagsleben wurde binnen kürzester Zeit grundlegend verändert. Über den tragischen Verlust an Menschenleben hinaus lassen sich die Folgen der Pandemie auch an Einschränkungen beim Lebensunterhalt, Unterbrechungen im Bildungsbereich und geschwächtem öffentlichen Vertrauen messen. Diese Erfahrung machte eines deutlich: Die Fähigkeit, künftige Pandemien einzudämmen, ist mehr als eine medizinische Herausforderung – Pandemievorbereitung ist eine gesamtgesellschaftliche Notwendigkeit.
SCHUTZ GEGEN PANDEMIEN
Hinter jeder antiviralen Behandlung stehen Jahre unsichtbarer Arbeit – unzählige Zyklen aus Experimenten, Rückschlägen und Verbesserungen. Die meisten heute verfügbaren antiviralen Mittel wirken nur gegen ein einzelnes Virus oder wenige eng verwandte Arten. Darum bündeln die Wissenschaftler*innen im VIGILANT-Projekt ihr Wissen mit dem Ziel, breit wirksame Medikamente zu entwickeln, die gegen viele verschiedene Viren mit pandemischem Potenzial Schutz bieten können.
HILFE FÜR HELFER*INNEN
Mit breitenwirksamen antiviralen Mitteln beginnt der Schutz dort, wo das Risiko am höchsten ist. Ärzt*innen und Pflegekräfte an vorderster Front werden besser geschützt, während Patient*innen früher behandelt werden können. Frühzeitig eingesetzt, könnten diese Medikamente die Belastung der Gesundheitssysteme verringern und die Verbreitung eines Ausbruchs bremsen, bevor er sich verschärft – und so das Risiko von Verwerfungen reduzieren, wie sie während der COVID-19-Pandemie 2020 stattgefunden haben.
Der Verlauf der Infektion
Um herauszufinden, wie ein Medikament vor mehreren Virusinfektionen schützen kann, hilft es zunächst zu verstehen, wie Viren funktionieren.
Viele der Viren, die eine Gefahr für den Menschen darstellen, haben ihren Ursprung im Tierreich. Oft springen sie durch kaum wahrnehmbare Veränderungen von Klima, Lebensräumen oder alltägliche Kontakte auf den Menschen über. Fieber, Erschöpfung und Schmerzen sind lediglich die sichtbaren Spuren eines mikroskopischen Geschehens, das sich zu diesem Zeitpunkt bereits im Inneren des Körpers abspielt.
Ein Virus ist nicht lebendig im Sinne der üblichen biologischen Definition von Leben. Es besteht aus einem Strang genetischen Materials – häufig RNA – der von einer Proteinhülle umgeben ist. Allein kann es weder wachsen noch sich bewegen oder vermehren.
Ein Virus muss den richtigen Wirt, die richtige Zelle und den richtigen Zeitpunkt finden, um seinen Weg zu beginnen.
Die geeignete Zelle ist eine, bei der winzige Proteine auf der Oberfläche des Virus – seine „Schlüssel“ – zu spezifischen Rezeptoren auf der Zelloberfläche passen – den „Schlössern“.
Passt der Schlüssel, kann sich das Virus an die Zelle anheften. Schritt für Schritt wird diese Bindung durch eine Reihe fein abgestimmter molekularer Wechselwirkungen verstärkt, während sich das Virus der Zellmembran nähert. An diesem Punkt beginnt die eigentliche Infektion.
Einmal in der Zelle angekommen, setzt das Virus sein genetisches Material frei und kapert die zellulären Prozesse. Die Zelle wird so zu einer Art Fabrik, die Hunderte oder sogar Tausende neuer Viruspartikel produziert.
Mit Zellbiologie den Körper schützen
Die Wissenschaftler*innen im VIGILANT-Projekt konzentrieren sich darauf, die viralen Prozesse zu unterbrechen – nicht indem sie das Virus selbst angreifen, sondern indem sie die zellulären Funktionen in den Blick nehmen, auf die das Virus angewiesen ist.
Indem VIGILANT die zellulären Mechanismen adressiert, die RNA-Viren für ihre Vermehrung ausnutzen, eröffnet sich die Möglichkeit, mit einem einzigen Ansatz Schutz vor einer Vielzahl unterschiedlicher Viren zu bieten.
Stufe 1: Den Übernahmeversuch blockieren
Bei Viren wie Zika oder Chikungunya zielt VIGILANT darauf ab, vorübergehend zelluläre Funktionen auszuschalten, die das Virus für seine Vermehrung benötigt, die der Körper jedoch entweder kompensieren kann oder auf die er vorübergehend verzichten kann.
So wird die Zelle zu einem ungünstigen Wirt: Die Schlüssel können die Tür zwar öffnen, doch sie führen ins Leere.
Dies führt dazu, dass das Virus entweder nicht in der Lage ist, sich zu replizieren, oder Kopien produziert, die unvollständig, defekt und nicht in der Lage sind, andere Zellen zu infizieren.
Stufe 2: Die Schlüssel blockieren
Die Viren, die im Rahmen von VIGILANT untersucht werden, besitzen keine vollständig funktionsfähigen Schlüssel. Stattdessen produzieren sie „Proto-Schlüssel“, die auf die Wirtszelle angewiesen sind, um aktiviert zu werden und das Virus infektiös zu machen.
VIGILANT zielt darauf ab, diese Kaskade zu unterbrechen und den finalen molekularen „Handschlag“ zu blockieren, der dem Virus den Eintritt in die Zelle ermöglicht.
Der Schlüssel erreicht das Schloss – doch es fehlen die Zähne, um ihn zu drehen.
VIGILANT geht noch einen Schritt weiter
Es greift in die Fähigkeit des Virus ein, auf die Zellbereiche zuzugreifen, die es benötigt, um seine Schlüssel fertigzustellen. Ohne diesen Zugang kann das Virus die Strukturen, die für die Infektion neuer Zellen erforderlich sind, nicht vervollständigen.
Indem sie verstehen, wie Viren auf zellulärer Ebene funktionieren, finden die Wissenschaftler*innen hinter VIGILANT Wege, eine Infektion zu blockieren, bevor sie beginnt, oder ihren Verlauf früh zu stoppen.
Eines Tages könnten Ärzt*innen, die in Ausbruchsgebiete – darunter Ebola-Behandlungszentren – gehen, Medikamente aus dem VIGILANT-Projekt präventiv einsetzen, um sich selbst zu schützen, sowie als Behandlung für Infizierte, um die Ausbreitung eines Virus während eines Ausbruchs zu verlangsamen.
VIGILANT zum Einsatz bringen
Hypothesen aufstellen und biochemische Wirkstoffe entwickeln
Der Prozess beginnt mit einer Frage: Wo ist das Virus am verletzlichsten?
Anschließend entwickeln und testen die Wissenschaftler*innen Theorien darüber, wie der Lebenszyklus des Virus unterbrochen werden kann, und entwerfen Moleküle, die die Bildung der Virushülle oder der Schlüsselproteine verhindern, die das Virus für seine Vermehrung benötigt.
Diese Phase ist teils Wissenschaft, teils Kunst: Hypothesen werden erforscht, Wechselwirkungen modelliert und eine stabile synthetische Verbindung entwickelt, die die Virusvermehrung stoppen kann, ohne dabei gesunde Zellen zu schädigen.
Ausgangspunkt: Zellkulturen
In kontrollierten Laborumgebungen prüfen die Wissenschaftler*innen die antivirale Wirkung ihrer neuen Verbindungen an lebenden Zellkulturen. Anschließend setzen sie diese Zellen dem Virus aus und beobachten, wie sich die Infektion im Vergleich zu unbehandelten Proben ausbreitet.
Wenn die Verbindung die Infektion stoppt, ist dies ein früher, aber aussagekräftiger Hinweis darauf, dass der Ansatz über die Petrischale hinaus Potenzial haben könnte.
Legende:
* bestanden bedeutet:
keine erkennbaren toxischen Effekte
Tierversuche zur Prüfung von Sicherheit und Wirksamkeit
Bevor eine Behandlung am Menschen getestet wird, wird sie zunächst an Tieren durchgeführt, um sowohl Sicherheit als auch Wirksamkeit zu gewährleisten. Verschiedene Tierarten liefern dabei unterschiedliche Erkenntnisse.
Nagetiere werden eingesetzt, um frühe Toxizität zu verstehen und – bei manchen Viren – herauszufinden, ob eine Behandlung überhaupt vielversprechend ist. Anschließend folgen Versuche an größeren Tieren, darunter Frettchen, die helfen, das Verhalten von Atemwegsviren zu modellieren, sowie an nicht-menschlichen Primaten, um wichtige Einblicke in die Immunantwort zu erhalten.
In diesen Studien werden behandelte und unbehandelte Gruppen miteinander verglichen, sodass die Forschenden feststellen können, ob die Behandlung tatsächlich vor einer Infektion schützt und vom Körper sicher vertragen wird.
Klinische Studien
Wenn ein Präparat in Tierversuchen vielversprechend ist, wird es in klinischen Studien mit Menschen getestet. Diese Tests werden von unabhängigen Gesundheitsorganisationen durchgeführt und sorgfältig überwacht. Mithilfe von Freiwilligen wird geprüft, wie sich die Verbindung im Körper verhält: Ist sie sicher, wirksam und über die Zeit pharmakologisch stabil?
Das ist der entscheidende Punkt, an dem jahrelange Laborarbeit auf die Komplexität der menschlichen Biologie trifft und ein potenzielles Medikament zu einer realen Möglichkeit wird. Der gesamte Prozess kann Jahre dauern und mehr als 1 Milliarde Euro kosten.
Fragen an das Team
Warum wir immer noch an Tieren testen?
Interview mit PD Nadine Krüger, PhD, Tierärztin, Deutsches Primatenzentrum
Wie besorgt müssen wir wegen der nächsten Pandemie sein?
Interview mit Prof. Dr. Stefan Pöhlmann, Virologe, Deutsches Primatenzentrum
Wie können wir mit nur einem Medikament unterschiedliche Viren bekämpfen?
Interview mit Dr. Miriam Ruth Heindl, Virologin, Universität Marburg
Woher kommt die Idee, um dieses Medikament zu entwickeln?
Interview mit PD Ville Paavilainen, Biochemiker, Universität Helsinki
Wer ist an diesem Projekt beteiligt
Every discovery comes with responsibility. The scientists behind VIGILANT are developing technology with transparency and accessibility at the forefront.
Get to know the VIGILANT researchers and their academic institutions here:
KI:
Karolinska Institutet has one lab involved in the VIGILANT project. The Alphavirus research lab, headed by Prof Gerald McInerney, conducts research on cell biology of alphavirus infection, particularly on chikungunya and Semliki Forest viruses.
JSI:
Jozef Stefan Institute has one lab involved in VIGILANT – the Structural Biology lab, headed by Prof. Dušan Turk, PhD. JSI conducts research on biomedically relevant topics addressing structure function relationships of molecules originating from humans, bacteria, and viruses.
NIAID:
The National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) within the US National Institutes of Health is committed to improve public health. Dr. Marzi's Immunobiology & Molecular Virology Section within the Laboratory of Virology is part of NIAID and participates in VIGILANT providing medical countermeasure development and preclinical study expertise.
UMR:
The Philipps University Marburg has three labs involved in VIGILANT:
the Institute of Virology with focuses on studies on a whole range of highly pathogenic zoonotic and vector-born viruses, including Ebola virus, Marburg virus and Nipah virus. The institute operates the only university BSL4 laboratory in Germany. VIGILANT PI Dr. Alexandra Kupke is head of the BSL4 Animal Facility. The research of Prof. Dr. Eva Böttcher-Friebertshäuser focuses on “Viral glycoprotein cleavage by host cell proteases”. Prof. Dr. Torsten Steinmetzer from the Institute of Pharmaceutical Chemistry focuses on the development, synthesis and characterization of protease inhibitors.
FLI
The “Laboratory for Biology of Henipa- and Filoviruses” headed by Dr. Sandra Diederich of the Friedrich-Loeffler-Institut (FLI) is involved in the VIGILANT project. FLI as Federal Research Institute for Animal Health addresses farm animal health and welfare. The work aims at the prevention, diagnostics and control of animal diseases, the improvement of animal welfare and animal nutrition as well as the preservation and use of farm animal genetic resources.
CNPD3 @ UF:
The Center for Natural Products, Drug Discovery and Development (CNPD3) at the University of Florida is directed by Prof. Hendrik Luesch. A major goal of the CNPD3 is to fully exploit the biosynthetic and therapeutic potential of untapped biodiversity for drug discovery. The center embraces all aspects of natural products research from discovery, biosynthesis and chemical synthesis, screening, and target identification to early-stage drug development. Under the umbrella of VIGILANT, the focus is on marine natural products based broad-spectrum antivirals.
https://cnpd3.pharmacy.ufl.edu/
The group of Ville Paavilainen contributes to VIGILANT consortium at University of Helsinki. University of Helsinki is a multidisciplinary research University across various disciplines. The Paavilainen group studies how inhibitors of protein secretion pathway can be harnessed as novel antiviral inhibitors.
HI:
The Hubrecht Institute of the KNAW participates in VIGILANT through the Organoid Group, led by Prof. Hans Clevers. The main focus of research at the Hubrecht Institute is developmental biology and stem cell research.
Lund University:
Lund University has one research infrastructure involved in VIGILANT – the Lund Protein Production Platform (LP3, www.lp3.lu.se), headed by Dr. Wolfgang Knecht. LP3 is a LU research infrastructure for protein production, characterization, crystallization and structure determination.
Die nächste Pandemie wird kommen – doch wie gut wir darauf vorbereitet sind, liegt in unserer Hand. Projekte wie VIGILANT stehen für einen Wandel: weg von der reaktiven Reaktion, hin zu vorausschauender Vorbereitung, von der Krisenbewältigung zur Prävention. Es ist eine Geschichte von Wissenschaft, Zusammenarbeit und der Hoffnung, dass zukünftige Herausforderungen vorhergesehen und gemeistert werden können.
IMPRESSUM
Deutsches Primatenzentrum GmbH – Leibniz-Institut für Primatenforschung
Kellnerweg 4, 37077 Göttingen
Telefon: 0551–3851–0
E-Mail: info@dpz.eu
www.dpz.eu
Vertretungsberechtigt: Prof. Dr. Stefan Treue, Dr. Katharina Peters
Handelsregister: AG Göttingen, HRB 933
USt-IdNr.: DE115314015
Verantwortlich nach § 18 Abs. 2 MStV:
Dr. Susanne Diederich (Anschrift s.o.)
Konzeption, Design, Bild und Grafik:
Sapera Studios GmbH
Kastanienallee 10, 10435 Berlin
Telefon: +49 (0)30 44324166
E-Mail: hello@sapera-studios.de
This work was funded by the European Commission [Horizon Europe, VIGILANT (101041799)]
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