Was ist ein Virus? Eine kurze Geschichte der Viren und krebsverursachende Viren

Was ist ein Virus?

Ein Virus ist ein kleiner infektiöser Erreger, der sich nur in lebenden Zellen anderer Organismen vermehren kann. Viren können sämtliche Lebensformen infizieren, von Tieren und Pflanzen bis zu Bakterien und Algen.

1892 beschrieb Dmitri Ivanovsky einen Erreger, der Tabakpflanzen infizierte, jedoch kein bakterieller Krankheitserreger war. In einer Veröffentlichung von Martinus Beijerinck aus dem Jahr 1898 wurde dieser Erreger als Tabakmosaikvirus beschrieben. Damit waren Viren Ende des 19. Jahrhunderts entdeckt. Heute weiß man, dass es Millionen Virustypen gibt. Sie kommen in nahezu jedem Ökosystem der Erde vor und bilden die vielfältigste Gruppe biologischer Einheiten. Die Erforschung der Viren ist Aufgabe der Virologie, eines Teilgebiets der Mikrobiologie.

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Wenn sich ein Virus weder in einer infizierten Zelle befindet noch gerade eine Zelle infiziert, liegt es als eigenständiges Partikel vor. Diese als Virionen bezeichneten Viruspartikel bestehen aus zwei oder drei Teilen:

1. DNA oder RNA bilden das genetische Material, lange Moleküle, die die Erbinformation tragen;
2. eine als Kapsid bezeichnete Proteinhülle umgibt und schützt das genetische Material; und
3. in manchen Fällen (iii) umgibt eine Lipidhülle die Proteinhülle.

Die Formen dieser Viruspartikel reichen von einfachen bis zu sehr komplexen Strukturen. Die meisten Viren sind zu klein, um mit einem gewöhnlichen Mikroskop gesehen zu werden. Ein durchschnittliches Virus ist ungefähr ein Hundertstel so groß wie ein durchschnittliches Bakterium. Die Größe von Viren wird in Nanometern gemessen. Beispielsweise ist das Grippevirus, Influenza A, 80-120 Nanometer groß. 1 Nanometer ist ein Milliardstel Meter. Somit beträgt der Durchmesser eines durchschnittlichen Virus ein Zehnmillionstel von 1 Meter, also bezogen auf 10 Millionen.

Die Ursprünge der Viren in der Evolutionsgeschichte sind unklar. Einige könnten sich aus Plasmiden entwickelt haben, also DNA-Abschnitten, die zwischen Zellen wandern können, andere aus Bakterien. In der Evolution sind Viren wichtige Vermittler des horizontalen Gentransfers, der die genetische Vielfalt erhöht. Manche betrachten sie als Lebensform, da sie Erbmaterial tragen, sich vermehren und sich durch natürliche Selektion weiterentwickeln. Ihnen fehlen jedoch grundlegende Merkmale wie eine Zellstruktur, die gewöhnlich als Voraussetzung für Leben gelten. Aufgrund dieser Eigenschaften wurden Viren als Organismen am Rand des Lebens und als Replikatoren bezeichnet.

Wie werden Viren übertragen beziehungsweise verbreitet?

Viren verbreiten sich auf vielfältige Weise;

• Bei Pflanzen werden Viren meist durch pflanzensaugende Insekten wie Blattläuse von Pflanze zu Pflanze übertragen.
• Bei Tieren und Menschen können Viren durch blutsaugende Insekten übertragen werden. Diese krankheitsübertragenden Organismen sind als Vektoren bekannt. Influenzaviren verbreiten sich durch Husten und Niesen. Noroviren und Rotaviren, häufige Ursachen einer viralen Gastroenteritis beziehungsweise Darminfektion, werden fäkal-oral übertragen und gelangen bei der Übertragung zwischen Menschen über Lebensmittel oder Wasser in den Körper. HIV ist eines von mehreren Viren, die durch Sexualkontakt und Körperflüssigkeiten übertragen werden.

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Virusinfektionen lösen gewöhnlich eine Immunantwort aus, die das verursachende Virus beseitigt. Immunantworten können auch durch Impfstoffe ausgelöst werden, die eine künstlich erworbene Immunität gegen eine bestimmte Virusinfektion vermitteln. Einige Viren, die AIDS und Virushepatitis verursachen, entgehen diesen Immunantworten und führen zu chronischen Infektionen. Antibiotika wirken überhaupt nicht gegen Viren; es wurden jedoch einige antivirale Arzneimittel entwickelt.

Die folgende Abbildungzeigt einige bekannte Viren und veranschaulicht, wie unterschiedlich ihre Strukturen sein können.

Meilensteine der Geschichte der Viren

Louis Pasteur, der Erfinder des Tollwutimpfstoffs, (1822-1895) fand trotz der Entwicklung des Impfstoffs keinen ursächlichen Erreger der Tollwut. Er vermutete einen Krankheitserreger, der zu klein war, um mit dem Mikroskop erkannt zu werden. 1884 erfand der französische Mikrobiologe Charles Chamberland einen Filter mit Poren, die kleiner als Bakterien waren. Damit ließen sich Bakterien vollständig aus einer bakterienhaltigen Lösung entfernen. 1892 verwendete der russische Biologe Dmitri Ivanovsky diesen Filter, um das heute als Tabakmosaikvirus bekannte Virus zu untersuchen. Bei seinen Experimenten beobachtete er, dass nach Filtration von Lösungen aus zerdrückten Blättern infizierter Tabakpflanzen die Erreger im Filtrat verblieben. Ivanovsky vermutete, die Infektion werde durch ein von Bakterien gebildetes Toxin verursacht, verfolgte diese Idee jedoch nicht weiter. Damals nahm man an, alle infektiösen Erreger ließen sich durch Filter zurückhalten und in Nährmedien vermehren; dies gehörte zur Keimtheorie der Krankheiten. 1898 wiederholte der niederländische Mikrobiologe Martinus Beijerinck diese Versuche und kam zu der Überzeugung, das Filtrat enthalte eine neue Form infektiöser Erreger. Er beobachtete, dass sie sich nur in teilungsfähigen Zellen vermehrten, konnte die krankmachenden Partikel jedoch nicht sehen. Er nannte die Erreger contagium vivum fluidum also gelöste lebende Keime. Später erhielten sie die Bezeichnung Virus als neuen Namen. Beijerinck vertrat die Ansicht, Viren kämen in der Natur flüssig vor. Diese Theorie wurde später von Wendell Stanley widerlegt, der Viren für Partikel hielt.

Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckte der britische Bakteriologe Frederick Twort eine Gruppe bakterieninfizierender Viren, die heute als Bakteriophagen oder kurz Phagen bezeichnet werden. Der französisch-kanadische Mikrobiologe Félix d’Herelle beschrieb Viren, die Bakterien abtöteten, wenn sie als Suspension zu deren Nährmedium gegeben wurden. Phagen wurden als mögliche Behandlung von Krankheiten wie Typhus und Cholera vorgestellt, nach der Entwicklung von Penicillin jedoch beiseitegeschoben. Die Phagenforschung half dabei, die Mechanismen des An- und Abschaltens von Genen sowie einen nützlichen Mechanismus zur Übertragung fremder Gene in Bakterienzellen zu verstehen. Bei der Erforschung der Beziehung zwischen Phagen und Bakterien entstand sogar eine der als bedeutendste Entdeckungen unserer Zeit geltenden Entwicklungen, die CRISPR-CAR9-Gentechnologie als Ergebnis dieser Forschung.

1949 vermehrten John Franklin Enders, Thomas Weller und Frederick Robbins Polioviren in menschlichen embryonalen Zellkulturen. Damit gelang Virusvermehrung außerhalb intakten tierischen Gewebes und embryonierter Eier. Diese Arbeit wurde von Jonas Salk zur Herstellung eines wirksamen Impfstoffs gegen Polio, also Kinderlähmung, durchgeführt.

Die ersten Aufnahmen von Virenwurden möglich, nachdem die deutschen Ingenieure Ernst Ruska und Max Knoll 1931 das Elektronenmikroskoperfunden hatten. Stellen Sie sich vor: Viren konnten erst 40 Jahre nach dem theoretischen Nachweis ihrer Existenz sichtbar gemacht werden.

In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts erlebte die Entdeckung von Viren ihre Blütezeit. Damals wurden über 2000 Virusarten von Tieren, Pflanzen und Bakterien entdeckt. 1963 entdeckte Baruch Blumberg das Hepatitis-B-Virus; 1965 beschrieb Howard Temin das erste Retrovirus. Das Enzym Reverse Transkriptase wird von Retroviren verwendet, um DNA aus ihrer RNA zu kopieren. Es wurde erstmals unabhängig voneinander von Howard Martin Temin und David Baltimore 1970 beschrieben. 1983 isolierte Luc Montagniers Team am Institut Pasteur in Frankreich erstmals das heute als HIV bekannte Retrovirus.

Der Zusammenhang zwischen Viren und Krebs war ebenfalls Gegenstand unzähliger Untersuchungen. Besonders bemerkenswert ist dabei der Zusammenhang zwischen HPV und Zervixkrebs, also Gebärmutterhalskrebs,als Forschungsgebiet. Von den über 100 bekannten HPV-Typen infizieren etwa 40 den Genitalbereich; darunter gelten 15 als Hochrisikotypen für Gebärmutterhalskrebs. Man nimmt an, dass ungefähr %5 aller Krebserkrankungen mit HPV zusammenhängen.

Obwohl HPV für Krebs so bedeutsam ist, ist der Großteil unseres Wissens darüber neu. Er beruht auf bahnbrechenden Arbeiten des Forschers, der für die Entdeckung, dass HPV Gebärmutterhalskrebs verursacht, 2008 den Nobelpreis erhielt: Harald zur Hausenund seine wegweisenden Untersuchungen bildeten diese Grundlage.

Harald zur Hausen stellte in den 1970er-Jahren eine zuvor von niemandem geäußerte Idee auf: „Das humane Papillomavirus (HPV) könnte die Ursache von Gebärmutterhalskrebs sein!“. Er vermutete, dass dieses Virus seine eigene DNA in die DNA von Gebärmutterhalszellen integriert und diese Zellen zur Vermehrung nutzt. Dafür musste er HPV-DNA in Gebärmutterhalskrebszellen nachweisen. Harald zur Hausen verfolgte diese Idee über mehr als 10 Jahre und untersuchte verschiedene HPV-Typen. Dies war schwierig, weil nur ein Teil der viralen DNA in das Wirtsgenom integriert wird und über 100 HPV-Untertypen existieren. Schließlich wies er 1983 HPV-DNA in Gebärmutterhalskrebsbiopsien nach. Er zeigte außerdem, dass die Typen 16 und 18 die Hauptursache dieser Krebserkrankungen sind: HPV 16 und 18 wurden in etwa % 70 der Gebärmutterhalskrebsbiopsien gefunden.

Diese wertvolle Entdeckung ermöglichte die Entwicklung von Impfstoffen, die vor Infektionen mit den Hochrisikotypen HPV16 und 18 einen Schutz von % 95 bieten, den HPV-Impfstoffenals Ergebnis dieser Forschung. Der vorbeugende HPV-Impfstoff erhielt 2006 die FDA-Zulassung und senkte bereits deutlich die Häufigkeit von Gebärmutterhalskrebs in Ländern, in denen er regelmäßig eingesetzt wird. Das Land, das die HPV-Impfung besonders ernst nimmt, ist Australien, das kurz davorsteht, Gebärmutterhalskrebs im eigenen Land vollständig zu beseitigen.

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Wie sind Viren aufgebaut?

Alle Viren bestehen grundsätzlich aus Nukleinsäure (DNA oder RNA) und einem Kapsid, einer Proteinhülle. Diese Struktur wird als Nukleokapsid bezeichnet. Bei einigen Viren umgibt eine Lipidhülle das Virus. Die aus dieser Hülle nach außen ragenden Strukturen werden als Glykoprotein einheiten bezeichnet. Glykoproteine ermöglichen die Anheftung des Virus an den Rezeptor der Zielzelle. Der Raum zwischen Hülle und Kapsid heißt Tegument und enthält Matrixproteine (M). Die Aufgabe der Matrixproteine besteht darin, bei behüllten Viren das Austreten aus der Wirtszelle durch Knospung zu ermöglichen.

Da Viren keine Energie erzeugen können, benötigen sie zur Vermehrung unbedingt lebende Zellen. Daher sind sie obligat intrazelluläre Mikroorganismen. Bei ihrer Vermehrung entstehen Tausende Viruspartikel.

Strukturen aus viraler Nukleinsäure und Protein in einer infizierten Zelle werden Einschlusskörperchen genannt.

Krebsverursachende Viren – Onkoviren / onkogene Viren

Es ist bekannt, dass Viren bei Menschen und anderen Arten verschiedene Krebserkrankungen verursachen. Es wird sogar geschätzt, dass %16 aller Krebserkrankungen durch Virus- und Bakterieninfektionen entstehen und auf diese zurückgehen. Das Forschungsgebiet, das krebsverursachende Mikroorganismen untersucht, wird als Metagenomik bezeichnet. Virale Krebserkrankungen entstehen jedoch nur bei sehr wenigen infizierten Personen. Beispielsweise verursachen %70-90 der HPV-Infektionen keine Beschwerden und heilen innerhalb von 1-2 Jahren von selbst aus; nur ein kleiner Teil kann sich als Warzen bemerkbar machen.

Krebsviren stammen aus mehreren Virusfamilien, darunter RNA- und DNA-Viren. Es gibt somit keinen einzelnen krebsverursachenden Virustyp. Die Krebsentwicklung hängt vom Immunsystem der Person, der Leistungsfähigkeit ihrer DNA-Reparatursysteme und den durch das Virus verursachten Mutationen sowie verschiedenen weiteren Faktoren ab.

Welche Viren verursachen beim Menschen Krebs?

Epstein-Barr-Virus (EBV): Es ist der Virustyp, der beim Menschen am häufigsten Infektionen verursacht. Schätzungsweise sind 95 Prozent der Weltbevölkerung damit infiziert. Untersuchungen haben einen Zusammenhang dieses Virus mit Lymphomen, Magenkrebs und Nasopharynxkrebs, also Krebs im Nasenrachen, gezeigt. Bei infizierten Personen ist die Wahrscheinlichkeit, durch eine EBV-Infektion Krebs zu entwickeln, jedoch sehr gering. Es gibt keinen entwickelten Impfstoff gegen EBV.

Hepatitis-C-Virus (HCV): Es wird mit chronischen Leberentzündungen und Leberkrebs in Verbindung gebracht. Bekannt ist, dass bei 20 Prozent der HCV-infizierten, also HCV-positiven Personen schwere Lebererkrankungen und bei 4–7 Prozent HCV-bedingter Leberkrebs entstehen. Es gibt keinen wirksamen Impfstoff gegen HCV.

Hepatitis-B-Virus (HBV): Es spielt eine grundlegende Rolle bei der Entstehung von Leberkrebs, der 5. häufigsten Krebsart. Studien zeigen, dass das Virus durch anhaltende Infektionen chronische Leberentzündungen und Krebs verursacht. Gegen diesen Virustyp existieren sehr wirksame Impfstoffe.

Humanes T-lymphotropes Virus (HTLV): Es ist der erste entdeckte Retrovirus typ. Da Retroviren aus RNA DNA herstellen können, können sie Gene leicht in Zellen einfügen. Bei 10 Prozent der mit HTLV infizierten Personen wurde eine adulte T-Zell-Leukämie beobachtet. Es gibt keinen vorbeugenden Impfstoff gegen dieses Virus, jedoch wurden Medikamente zur Behandlung entwickelt.

Humanes Papillomavirus (HPV): Es gehört zu den am intensivsten erforschten Viren. Über 100 Untergruppen wurden identifiziert, und das Virus wird mit Gebärmutterhalskrebs in Verbindung gebracht. Neuere Untersuchungen zeigten sogar, dass %99 der Gebärmutterhalskrebserkrankungen durch HPV-Infektionen verursacht werden. Bei 10- 20 Prozent der infizierten Personen wurden Krebserkrankungen am Gebärmutterhals, Anus / After, an Vulva, Penis sowie Kopf und Halsbeobachtet. Die wirksamen HPV-Impfstoffe Gardasil und Cervarix sind derzeit auf dem Markt.

Kaposi-Sarkom-assoziiertes Herpesvirus (KSHV): Unter den Onkoviren wird ihm die größte Zahl an Onkogenen zugeschrieben, also Genen, die eine Krebsentstehung verursachen können. Kaposi-Sarkom heißt die von ihm verursachte Krebsart, die vorwiegend bei AIDS-Patienten und Menschen mit unterdrücktem Immunsystem auftritt.

Merkelzell-Polyomavirus (MCV): Bei diesem Virus wurde erst vor Kurzem eine krebsverursachende Wirkung entdeckt. Merkelzellkarzinom wird die sehr seltene und aggressive Krebsart genannt, die es verursacht. In jüngsten Untersuchungen wurde dieses Virus jedoch bei 20 Prozent der Patienten mit dieser Krebsart nicht nachgewiesen. Es gibt weder einen Impfstoff noch ein Medikament gegen das Virus. Die Forschung dazu, ob es Krebs verursacht, dauert an.

Wie verursachen Viren oder Bakterien Krebs?

Viren als Mikroorganismen können nach ihrem Eintritt in den Körper Zellen angreifen und ihr eigenes genetisches Material zufällig in die DNA im Zellkern einbauen. Dadurch kann es zu einer Überproduktion der an der Tumorentwicklung beteiligten Onkogene kommen. Alternativ können sie diese Onkogene in ihr eigenes Erbgut aufnehmen, sich rasch im Körper verbreiten und so die Tumorbildung fördern. Bei normaler Produktion wirken diese Gene an der Zellvermehrung mit. Nach einer Mutation hindern sie jedoch Gene, die Tumoren unterdrücken, an ihrer Aufgabe. Zellen, die eigentlich sterben müssten, entgehen den Todesmechanismen und vermehren sich unkontrolliert. Dadurch tragen sie wie andere Mikroorganismen zur Tumorbildung bei. All diese Vorgänge liefern ausreichende Belege zur Erklärung, wie Mikroorganismen Krebs verursachen können.

Wie reagiert das Immunsystem nach einer Virusinfektion?

1. Interferonantwort: Sie ist die erste immunologische Antwort des Wirts auf Virusinfektionen. Einige Viren wie HIV und EBV sind jedoch gegenüber Interferon resistent.
   Interferone gehören zur Familie der sogenannten Zytokine. Sie wirken nicht unmittelbar auf das Virus. Interferone, die von virusinfizierten Zellen freigesetzt werden, stoppen in anderen Zellen die Produktion von Proteinen, die Viren benötigen. Interferone sind nur gegen intrazelluläre Viren wirksam.
   Es gibt 3 Interferonarten: Alpha-, Beta- und Gamma-Interferon. Davon wird Alpha-Interferon bei HHV-8-assoziiertem Kaposi-Sarkom, Nierenkrebs, HPV-bedingten Warzen sowie chronisch aktiver Hepatitis eingesetzt, die durch chronische Hepatitis-B-C-Viren verursacht wird.
2. Natürliche Killerzellen, natural killer, NK, und zytotoxische T-Lymphozyten (Tc): Sowohl NK- als auch Tc-Lymphozyten töten nicht das Virus, sondern die virusinfizierte Zelle. NK-Zellen sind nicht zielgerichtet arbeitende Immunzellen und werden deshalb bei Virusinfektionen früher als Tc aktiv. Einige Zellen können die Struktur der von ihnen infizierten Zelle verändern, um dem Immunsystem zu entgehen; Krebszellen können ähnliche Taktiken nutzen. Manche nach Virusinfektionen beobachteten Auswirkungen, etwa der Hautausschlag durch Masernviren, entstehen dadurch, dass unsere Abwehrzellen infiziertes Gewebe teilweise blind angreifen.
3. Antikörper: Die Antikörperantwort des Immunsystems gegen Viren hat 3 Folgen:
   1. Neutralisierung des Virus durch Überzug mit Antikörpern: Sie verhindert, dass Viren mit Zellrezeptoren wechselwirken und neue Zellen infizieren. Auf intrazelluläre Viren wirkt sie jedoch nicht. Deshalb schützen durch Impfung erworbene Antikörper vor neuen Virusinfektionen, sind gegen bereits bestehende ältere Infektionen aber unwirksam.
   2. Antikörperabhängige zelluläre Zytotoxizität: Mit Antikörpern bedeckte Viren können von Immunzellen leichter gefunden und abgetötet werden.
   3. Komplementaktivierung: Durch die als Virolyse bezeichnete Methode wird die Lipidhülle des Virus teilweise zerstört.

Fazit

Heute ist klar bekannt, dass einige dieser kleinsten Lebensformen, der Viren mit ihren Millionen Arten, Krebs verursachen und wie sie dies tun. Allerdings entwickelt nur ein kleiner Teil der mit diesen Viren infizierten Menschen eine durch die jeweilige Virusinfektion bedingte Krebserkrankung. Außerdem wurden in den letzten Jahren viele Impfstoffe gegen krebsverursachende Viren entwickelt (vorbeugende Krebsimpfstoffe).

Wissenschaftler, die den engen Zusammenhang zwischen Viren und Krebs entdeckten, begannen in den letzten Jahren, Viren zur Entwicklung von Krebsimpfstoffen zu nutzen. Beispielsweise wurde bei dem von der FDA zur Behandlung des Hautkrebses Melanom zugelassenen Krebsimpfstoff Lmlygicein Herpesvirus verwendet. Interessanterweise können Viren somit sowohl krankmachend als auch therapeutisch sein. Damit sie therapeutische Eigenschaften erhalten, müssen sie selbstverständlich eine Reihe technologisch anspruchsvoller Verfahren durchlaufen.

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