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© F. A. Murphy / CDC
Influenza-A-Viren in bunt: Lassen sich künftige Stämme wirklich vorhersagen?
 
Infektiologie 17. März 2014

Virologische Glaskugel

Neue Influenza-Stämme einfach „errechnen“?

Wissenschaft der Zukunft: Forscher wollen die Grippeviren der kommenden Saison künftig am Computer vorhersagen. Ein neues Modell hat im Versuch schon ganz gut funktioniert. Und es berührt eine fundamentale Frage der Biologie.

Schon heute wissen, gegen welche Influenzastämme Ärzte „morgen“ impfen müssen? Was heute die WHO übernimmt, könnte Forschern zufolge bald schon im Computer stattfinden, quasi mit einem Blick in die virologische „Glaskugel“. Besser noch: Damit wäre die biologische Evolution eines Virus erstmals vorhersagbar. Zumindest vermuten zwei Forscher von der Uni Köln und der Columbia-Universität in New York, dass diese „Zukunftsmusik“ vielleicht schon bald keine mehr ist. Prof. Dr. Michael Lässig aus Köln und seine New Yorker Kollegin, die Biologin Dr. Marta Luksza, haben jetzt ein Modell vorgelegt, mit dem sie die Influenzastämme der jeweils nächsten Grippewellen voraussagen wollen (Nature 2014; online 26. Februar).

Würde diese Idee alltagstauglich funktionieren, könnte sie die Auswahl von Influenzavakzinen revolutionieren und womöglich deutlich beschleunigen. Denn heute beobachtet die Weltgesundheitsorganisation WHO bekanntlich kontinuierlich die zirkulieren Influenzatypen.

Anhand der Häufigkeit der Viren ermittelt sie für jede Saison die empfohlene Zusammensetzung der Impfstoffe. In der Regel sind das trivalente Vakzinen, hin und wieder auch tetravalente Zusammensetzungen. Sie unterscheiden sich oftmals zwischen den beiden Hemisphären. Für den Norden sind das derzeit ein 2009er H1N1-Stamm aus Kalifornien, ein H3N2-Stamm der Victoria-Linie und ein 2012er Influenza-B-Virus aus Massachusetts.

Lässig und Luksza glauben, dass ein mathematisches Modell dies ähnlich kann. Ihr Ansatz greift das darwinsche Prinzip des „Survival of the Fittest“ auf. Danach sind nur bestimmte Mutationen geeignet, damit Influenzaviren eine ausreichend hohe Replikationsrate in den Wirten erreichen.

Ansatzpunkt Hämagglutinin

Der Ansatzpunkt der Forscher ist das Hämagglutinin, das ganz maßgeblich die Bindung von Virus und Wirtszelle vermittelt. Aus den Jahren 1968 bis 2012 haben sie fast 4.000 Gensequenzen für das Membranprotein untersucht. Für jede Grippesaison konnten sie unterschiedliche Punktmutationen ausmachen, sowohl in den kodierenden Genen für die Hämagglutinin-Epitope als auch für nicht antigenspezifische Gene. Eben diese Mutationen sind es bekanntlich, die jedes Jahr aufs Neue für Grippewellen sorgen können – je nach „Fitness“ der Mutation mal mehr, mal weniger schwer.

Die Entwicklung der Stämme lässt sich nach Angaben der Forscher bis zu fünf Jahre zurückverfolgen. Diese genetischen Informationen gepaart mit Daten über die Häufigkeit von Grippeinfektionen bilden einen Fundus, der den Blick in die Zukunft öffnen kann. Die Forscher stützten sich dafür auf das sogenannte SIR-Modell, das Susceptible-Infected-Recovered-Model. Damit können Epidemiologen nicht nur die Ausbreitung von Pathogenen, sondern auch die Immunisierung der Wirte errechnen.

Aus dem viralen Datenpool haben die Forscher für die verschiedenen epitopen und nicht-epitopen Mutationen sogenannte Fitnesskosten und Amplituden der potenziellen Kreuzimmunität früherer Erreger errechnet. Erfolgreiche Mutationen schafften es länger, sich von Generation zu Generation zu erhalten. Erkennbar waren sie an einem höheren „Wachstum“ in der Bevölkerung, also mehr Infizierten. Diese Genveränderungen konnten Lässig und Luksza zudem in anderen Strängen finden.

Dieser Fundus bildet letztlich die Basis für die Glaskugel: Einzelne Mutationen erhalten in dem Modell der Forscher quasi Erfolgsfaktoren, wenn sie sich erfolgreich durchsetzen. Führt ein solcher Stamm schließlich auch noch zu hohen Erkrankungszahlen, steht die „Stärke“ des maßgeblichen Virus fest – mit erheblicher Wahrscheinlichkeit, dass dieser Virustyp sich weiter durchsetzen wird, bis eine hohe Immunität der Population erreicht ist.

Auch wenn es nach purer Mathematik und computerisierter Epidemiologie klingt, waren die Forscher doch erfolgreich: In einer Simulation hatten sie Vorhersagen jährlicher Grippestämme für die Jahre ab 1994 erstellt und mit den damals tatsächlich dominierenden Subtypen verglichen. Wenngleich es in den Jahren, in denen die Impfstämme von der WHO zwischenzeitlich angepasst wurden, kleinere Abweichungen gab, waren die Vorhersagen doch weitgehend treffsicher.

Lässig und Luksza vermuten deswegen, dass ihr Modell durchaus anwendbar ist, und zwar auch für Influenza-ähnliche Pathogene. Würde es weiterentwickelt und mit noch präziseren Daten gefüttert, ließen sich zudem die Vorhersagen noch genauer gestalten.

Und zuguterletzt vermuten die Forscher sogar eine Minirevolution in ihrer Arbeit: denn sie berühre eine der fundamentalen Fragen der Biologie, nämlich wie sehr die Evolution vorhersagbar ist. Zwar gebe es auch jetzt keine grundsätzliche Antwort darauf, doch ihre Arbeit zeige die Grundsätze auf, unter den ein Blick in die Glaskugel möglich sei.

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