Nach dem Auftreten von SARS-CoV-2 im Jahr 2020 ist mittlerweile bekannt, dass sieben verschiedene Coronaviren Menschen infizieren können. Vier davon werden mit häufigen Atemwegsinfektionen in Verbindung gebracht, die im Allgemeinen harmlos sind, die anderen drei (SARS, SARS-CoV-2 und MERS) sind jedoch viel gefährlicher.
Warum einige Coronaviren relativ harmlos sind, während andere unglaublich tödlich sind, bleibt ein Rätsel. Einige Antworten liegen in den Proteinen, die jedes Virus verwendet, wenn es in menschliche Zellen eindringt, aber was genau SARS-CoV-2 bei manchen Menschen so schwerwiegend und bei anderen so harmlos macht, ist unklar.
Eine beeindruckende neue Studie unter der Leitung von UCLA-Forschern schlägt eine neue Hypothese vor, um die Schwere von SARS-CoV-2 zu erklären. Mithilfe eines auf künstlicher Intelligenz basierenden maschinellen Lernsystems fanden Forscher heraus, dass SARS-CoV-2 im menschlichen Körper in Fragmente zerlegt wird und dass diese viralen Fragmente endogenen Peptiden, die das Immunsystem überstimulieren, sehr ähnlich sind. Dies kann ein wichtiger Grund dafür sein, dass die Schwere der Erkrankung von Person zu Person unterschiedlich ist.
„Lehrbücher sagen uns, dass nach der Eliminierung des Virus der kranke Wirt ‚gewinnt‘ und dass verschiedene Virusfragmente verwendet werden können, um das Immunsystem für die zukünftige Erkennung zu trainieren“, sagte der korrespondierende Autor Gerald Huang.
Aber die Geschichte des Virus ist nicht so einfach. Nachdem das Virus vom Immunsystem neutralisiert wurde, wird es schnell in winzige Fragmente zerlegt bzw. aufgelöst. Dieses Stadium des Virusabbaus gilt im Allgemeinen als harmlos, doch neuere Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass einige dieser kleineren Virusfragmente eine angeborene Immunantwort auslösen können, die zu schweren Erkrankungen führen kann, die mit einer übermäßigen Entzündung einhergehen.
Um diese Idee im Kontext der COVID-19-Pandemie zu untersuchen, verfolgten die Forscher alle möglichen Kombinationen von Peptiden, die beim Abbau von SARS-CoV-2-Proteinen entstehen. Sie nutzten ein maschinelles Lernsystem, um die entzündungsfördernden Eigenschaften all dieser potenziellen Peptide zu messen und fanden heraus, dass einige der Virusfragmente den Molekülen, die unser Immunsystem zur Verstärkung von Entzündungsreaktionen verwendet, sehr ähnlich waren.
„Wir haben gesehen, dass verschiedene Formen zerstörter Virusfragmente zu diesen biologisch aktiven ‚Zombie‘-Komplexen wieder zusammengesetzt werden können“, erklärte Huang. „Interessanterweise wurden die von den Virusfragmenten nachgeahmten menschlichen Peptide mit rheumatoider Arthritis, Psoriasis und Lupus in Verbindung gebracht, und verschiedene Aspekte von COVID-19 erinnern an diese Autoimmunerkrankungen.“
Anschließend verglichen die Forscher diese SARS-CoV-2-Virusfragmente direkt mit Fragmenten eines harmloseren Erkältungs-Coronavirus (HCoV-OC43). Es wurde festgestellt, dass OC43-Virusfragmente das Immunsystem völlig anders stimulieren als SARS-CoV-2-Virusfragmente.
Noch interessanter ist, dass die Forscher untersuchten, welche Arten der Genexpression diese SARS-CoV-2-Virusfragmente stimulierten. Es wurde festgestellt, dass diese neuen Peptide ähnliche Expressionsmuster wie das intakte Virus hervorriefen.
„Das Auffällige an den Ergebnissen der Genexpression ist, dass wir in unseren Experimenten keine aktive Infektion verwendeten“, bemerkte Huang. „Wir haben nicht einmal das gesamte Virus verwendet – wir haben nur etwa 0,2 oder 0,3 Prozent des Virus verwendet – aber wir haben dieses unglaubliche Maß an Konsistenz gefunden, das sehr suggestiv ist.“
Daher könnten diese Ergebnisse in gewisser Weise erklären, warum SARS-CoV-2 schwerere Erkrankungen verursacht als Erkältungs-Coronaviren. Die Studie kann jedoch nur darüber spekulieren, warum die Auswirkungen des Virus von Person zu Person unterschiedlich sind.
Hier weisen Forscher darauf hin, dass die Enzymeffizienz jedes Menschen deutlich einzigartig ist, was der Grund dafür sein könnte, dass manche Menschen gar nicht bemerken, dass sie an COVID erkrankt sind, während andere schließlich im Krankenhaus schmachten. Grundsätzlich baut jeder von uns Fremdpartikel unterschiedlich ab, und diese einzigartigen Unterschiede können für die Schwere unserer Erkrankung verantwortlich sein.
Die Forscher schrieben in der neuen Studie: „...der proteolytische Abbau von SARS-CoV-2 ist wahrscheinlich heterogen, da die Enzymeffizienz verschiedener Wirte unterschiedliche Muster zeigt, die oft um das 4- bis 50-fache variieren, und die Proteinexpression selbst auf Einzelzellebene „verrauscht“ ist. Es wird erwartet, dass der proteolytische Abbau von SARS-CoV-2 zwischen den Wirten stark schwankt, was erklären könnte, warum das Ergebnis von SARS-CoV-2 ausfällt.“ Die Infektion ist sehr unterschiedlich und reicht von asymptomatischen bis hin zu toten Wirten.
Die Idee, dass Virusfragmente im Körper verbleiben und langfristige Gesundheitsprobleme verursachen können, ist relativ neu. Beispielsweise gab es in den letzten Jahren immer mehr Hinweise darauf, dass Fragmente des Influenzavirus bei manchen Menschen eine langfristige Lungenerkrankung verursachen können. Doch was genau diese Ergebnisse für mögliche zukünftige Behandlungen bedeuten, ist noch unbekannt.
Huang spekuliert, dass es möglich sein könnte, Krankheiten wie COVID zu behandeln, indem man die Wirkung bestimmter Enzyme hemmt, die für den Abbau von Viren in schädlichere Bestandteile verantwortlich sind. Um dies zu erreichen, muss natürlich noch mehr Arbeit geleistet werden, um systematisch zu untersuchen, wie bestimmte Virusfragmente erzeugt werden.
Die neue Forschung wurde in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht.