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Kommendes Grippevirus besser voraussagen

Jeweils im Februar gibt die Weltgesundheitsorganisation WHO ihre Empfehlung zur Zusammensetzung der Grippeschutzimpfung für die kommende Wintersaison. Ihre Entscheidung beruht auf Beobachtungen, auf Labortests, aber auch auf Erfahrung und Intuition. Welches Grippevirus sich tatsächlich durchsetzen wird, blieb bisher im Wesentlichen Spekulation. Richard Neher vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen hat zusammen mit Wissenschaftlern aus Großbritannien und den USA eine Software entwickelt, die genau das versucht: Den Blick in die Zukunft werfen.

Richard Neher nutzt seine Kenntnisse als Physiker, um die Evolution von Grippeviren vorauszusagen. © Helmine Braitmaier

„Es dauert gut ein halbes Jahr bis ein Grippeimpfstoff hergestellt ist. Daher ist es wichtig, weit im Voraus abzuschätzen, welche Grippeviren das Rennen machen werden", sagt Dr. Richard Neher, Forschungsgruppenleiter am Tübinger Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie. Manchmal verschätzt sich die WHO mit ihrer Prognose auch, so wie im Februar 2014. Kurze Zeit später, als die Impfstoffproduktion für die Wintersaison 2014/2015 schon voll im Gange war, tauchte ein neuer Grippevirus-Subtyp auf. Er dominierte fortan die Saison. Der entwickelte Grippeimpfstoff war folglich nur zu 23 Prozent wirksam. Die Effektivität von guten Grippeimpfstoffen liegt normalerweise zwischen 50 und 60 Prozent.

Neher weist auf einen phylogenetischen Stammbaum auf seinem Bildschirm. Dieser zeichnet die Verwandtschaftsbeziehungen verschiedener Grippestämme anhand der Erbgutinformation ihres Oberflächenrezeptors Hämagglutinin nach. Je ähnlicher die Sequenz des Hämagglutinin-Gens zwischen zwei Virenvarianten, desto enger sind sie miteinander verwandt. „Wir suchen nach Regionen im Stammbaum, wo aus einer Virusvariante eine Explosion neuer Virus-Subtypen hervorgeht", erklärt der 35-Jährige.

Wer ist am fittesten?

Unter dem Druck der in der menschlichen Bevölkerung vorhandenen Immunität sind besonders diejenigen Virusvarianten erfolgreich, die durch Veränderung ihrer Oberflächenmoleküle der körperlichen Immunabwehr entwischen. Sie vermehren sich explosionsartig. Durch zufällige Fehler bei der Vervielfältigung ihres Erbguts entstehen wiederum neue Subtypen, die mehr oder weniger erfolgreich sein werden. „Unsere mathematische Methode wertet die Verzweigungsstrukturen des Stammbaums aus, um daraus die biologische Fitness für jeden Verzweigungspunkt abzuschätzen", erklärt Neher. Die Fitness drückt aus, wie überlebensfähig eine Virusvariante ist und welcher Teil des Baumes sich voraussichtlich stark ausbreiten wird.

„Für die Prognose brauchen wir keine historischen Daten", unterstreicht Neher den Vorteil der Methode. Der gebürtige Göttinger muss die weltweiten Grippe-Datenbanken lediglich nach den genetischen Fingerabdrücken aller bekannten Grippevarianten durchforsten, die zum aktuellen Zeitpunkt irgendwo auf dem Globus zirkulieren. Mit den rekonstruierten Stammbaumdaten füttert er dann die Prognose-Software. Neher und seine Kollegen demonstrierten die Leistungsfähigkeit der Sopftware durch Vorhersagen für die Jahre 1995 bis 2013 auf Basis der historischen Daten. Hierbei haben die Wissenschaftler sieben Mal ins Schwarze getroffen. In drei der untersuchten Jahre lagen sie mit ihren Vorhersagen des vorherrschenden Virus in der darauf folgenden Grippesaison daneben. Für die restlichen Jahre war die Vorhersage nicht optimal, aber besser als eine zufällige Wahl.

Evolution im Zeitraffer

Aus dem Stammbaum von Grippeviren berechnet der Algorithmus, welcher Subtyp vermutlich die kommende Grippesaison dominieren wird. © nextflu.org

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Der genetische Fingerabdruck einer Person ist ein charakteristisches Muster, dass sich durch die Anordnung der DNA-Fragmente dieser Person ergibt. Er sagt nichts über die genetischen Eigenschaften der Person aus.
  • Mit dem Begriff Mutation wird jede Veränderung des Erbguts bezeichnet (z. B. Austausch einer Base; Umstellung einzelner DNA-Abschnitte, Einfügung zusätzlicher Basen, Verlust von Basen oder ganzen DNA-Abschnitten). Mutationen kommen ständig in der Natur vor (z. B. ausgelöst durch UV-Strahlen, natürliche Radioaktivität) und sind die Grundlage der Evolution.
  • Nukleotidsequenzen sind Abfolgen der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin auf der DNA (bzw. Uracil statt Thymin bei RNA).
  • Ein Virus ist ein infektiöses Partikel (keine Zelle!), das aus einer Proteinhülle und aus einem Genom (DNA oder RNA) besteht. Um sich vermehren zu können, ist es vollständig auf die Stoffwechsel der lebenden Zellen des Wirtsorganismus angewiesen (z.B. Bakterien bei Phagen, Leberzellen beim Hepatitis-A-Virus).
  • HIV ist die Abkürzung für Humaner Immundefizienz Virus, dem Auslöser von AIDS. Dabei handelt es sich um einen Retrovirus, dessen genetisches Material aus RNA besteht.
  • Das Immunsystem ist das körpereigene Abwehrsystem von Lebewesen, das Gefahren durch Krankheitserreger abwenden soll. Es schützt vor körperfremden Substanzen und vernichtet anormale (entartete) Körperzellen. Dies wird durch ein komplexes Zusammenspiel mehrerer Organe, Zelltypen und chemischer Moleküle vermittelt.

In den letzten Monaten hat Neher zusammen mit einem Forscher aus Seattle eine Visualisierungssoftware entwickelt, mit der sich die Stammbäume auf dem Bildschirm darstellen und nach biologischer Fitness, Mutationen oder geografischer Herkunft der Grippevarianten anfärben lassen. „Wenn eine neue Grippevariante aus Fernost kommt - dem Epizentrum von Grippeepidemien in Europa, müssen wir ihr mehr Aufmerksamkeit schenken als einer Variante in Südamerika", sagt Neher. Um einen Eindruck der Grippe-Evolution zu vermitteln, haben die Wissenschaftler auch die Grippevarianten der vergangenen zwölf Jahre eingespeist. Und jede Woche macht sich das Team daran, neu in den Datenbanken hinterlegte Grippevarianten in die Software zu integrieren.

Doch nicht nur Grippeviren hat Neher mit der Prognose-Software im Blick. Auch die Evolution anderer Virenarten sowie von Bakterien und Krebszellen, die sich unter dem Druck des Immunsystems schnell verändern, ließen sich damit voraussagen. Der Grund: Der Algorithmus benötigt für die Prognose nur die Stammbaumstruktur, nicht aber die biologischen Eigenschaften der Viren oder Zellen. Zurzeit untersucht Neher, wie sich das Immunschwächevirus HIV innerhalb eines einzigen Menschen kontinuierlich verändert. „Ich will wissen, welche Viren dem Immunsystem ein Schnippchen schlagen und welche durch die körperliche Abwehr gut kontrolliert werden", sagt Neher.

Die Brücke von mikroskopischen zu makroskopischen Phänomenen, etwa wie sich das Verhalten einzelner Viren auf die gesamte Viren-Population auswirkt, schlägt der studierte Physiker mit Hilfe der statistischen Methoden seines Fachgebiets. Über seine Forschungsarbeit berichtet er regelmäßig in seinem Blog „neherlab.wordpress.com".

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