Ein wissenschaftliches Forschungsteam aus der Schweiz und Japan hat kürzlich zum ersten Mal mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung den gesamten Prozess der Bewegung des Influenzavirus auf der Oberfläche lebender menschlicher Zellen und des Eindringens in die Zellen aufgezeichnet und so eine beispiellose detaillierte Perspektive zur Aufdeckung des Anfangsstadiums einer Virusinfektion eröffnet. Untersuchungen zeigen, dass Wirtszellen keine passiven Ziele sind, sondern sich aktiv dehnen, drücken und ziehen, wenn sich das Virus nähert. Die Beziehung zwischen Virus und Zelle gleicht eher einem genau koordinierten „Invasionstanz“.
Eine Influenza-Infektion beginnt normalerweise, wenn virushaltige Tröpfchen in den menschlichen Körper gelangen. Das Virus heftet sich an die Oberfläche von Zellen wie dem Atemwegsepithel und vervollständigt die Invasion. Anhand kultivierter menschlicher Zellen als Modell entwickelte das Team eine spezielle mikroskopische Bildgebungstechnologie, die die ultrastrukturelle Dynamik der Zelloberfläche kontinuierlich unter einem vergrößerten Sichtfeld beobachten und so erstmals den gesamten Prozess des Eindringens von Influenzaviren in lebende Zellen „live übertragen“ kann. Das Projekt wurde von Yohei Yamauchi, Professor für Molekulare Medizin an der ETH Zürich, geleitet. Er beschrieb die Virusinvasion als „wie einen Tanz zwischen dem Virus und der Zelle“. Die Zelle wird aktiv in Richtung des Virus „ausstrecken“ und am gesamten Prozess seiner Umhüllung und Endozytose beteiligt sein.
Die Studie ergab, dass die Ergebnisse zwar zeigen, dass dieser Prozess dem Virus lediglich dabei hilft, die Infektion abzuschließen, dass das Virus jedoch tatsächlich den normalen endozytischen Weg kapert, über den Zellen essentielle Moleküle wie Hormone, Cholesterin und Eisen aufnehmen. Das Influenzavirus muss sich zunächst an bestimmte Moleküle auf der Zelloberfläche binden und dann entlang der Zellmembran „gleiten“ und sich auf der Membranoberfläche von einer Position zur anderen bewegen, bis es einen Bereich mit einer hohen Konzentration an Oberflächenrezeptoren findet, der zu seinem effektivsten „Invasionseingang“ wird. Wenn der Rezeptor das Virus erkennt und seine Aggregation abschließt, bildet die Zellmembran eine nach und nach einsinkende Grube. Ein Strukturprotein namens Clathrin ist an seiner Formung und Unterstützung beteiligt, wodurch sich die Grube vertieft und das Virus schließlich wie eine Tasche umhüllt, um ein Vesikel zu bilden. Anschließend wird dieses Vesikel in die Zelle gezogen und seine Oberflächenbeschichtung löst sich allmählich auf, sodass das Virus innerhalb der Zelle freigesetzt werden kann und die nächste Stufe des Replikationsprozesses eingeleitet wird.
In der Vergangenheit haben Forscher versucht, diesen wichtigen Zusammenhang mithilfe von Elektronenmikroskopen zu erfassen. Solche Techniken erfordern jedoch die Fixierung und Zerstörung von Zellen und können nur statische „Schnappschüsse“ erhalten, was die Wiederherstellung dynamischer Prozesse erschwert. Obwohl die Fluoreszenzmikroskopie lebende Zellen abbilden kann, ist sie durch die räumliche Auflösung begrenzt und kann keine feinen Strukturdetails wie Zellmembranvertiefungen und Proteinaggregation erkennen. Um diese Engpässe zu überwinden, entwickelte das Team eine neue Methode, die Rasterkraftmikroskopie (AFM) mit konfokaler Fluoreszenzmikroskopie kombiniert: „Virus Visible Dual-Mode Confocal-Atomic Force Microscopy“ (ViViD-AFM). Einerseits nutzt diese Technologie die Rasterkraftmikroskopie, um die Oberflächenmorphologie von Zellen im Nanometerbereich zu beschreiben. Andererseits nutzt es Fluoreszenzsignale, um die Positionen von Viren und verwandten Proteinen zu markieren und so eine gleichzeitige Verfolgung von Struktur und Funktion zu erreichen.
Mit Hilfe von ViViD-AFM beobachteten Forscher, dass Zellen auf mehreren Ebenen aktiv mit dem Virus „kooperieren“, um die Invasion abzuschließen: Sie rekrutieren beispielsweise präzise Clathrin am Ort des Virus und helfen bei der Bildung von Membranvesikeln, die das Virus einkapseln. Wenn sich das Virus etwas von der Zelloberfläche entfernt, „hebt“ sich die Zellmembran nach oben, was zu einer offensichtlichen Verformung und dynamischen Bewegung führt, um sich dem Virus wieder zu nähern und es einzufangen. Diese Bewegungen sind intensiver, wenn das Virus leicht abweicht. Dies zeigt, dass das Influenzavirus weitgehend das stark regulierte Stoffaufnahmesystem der Zelle selbst übernimmt und den Mechanismus, der ursprünglich für lebenserhaltende Aktivitäten als Infektionsweg genutzt wurde, „umkehrt“.
Das Forscherteam wies darauf hin, dass diese neue Bildgebungsplattform für die Entwicklung antiviraler Medikamente von großer Bedeutung ist, da sie die spezifischen Auswirkungen der Medikamentenkandidaten auf jeden Schritt der Virusinvasion in Echtzeit in einem lebenden Zellsystem beobachten kann und so ein gezielteres Screening und die Optimierung von Hemmstrategien ermöglicht. Darüber hinaus ist ViViD-AFM nicht auf Influenzaviren beschränkt. Zukünftig lässt sich damit auch die Interaktion zwischen anderen Viren und sogar Impfstoffpartikeln und -zellen untersuchen. Es wird erwartet, dass es umfassendere physikalische und biologische Hinweise in den frühen Stadien einer Infektion liefert und eine experimentelle Grundlage für die Entwicklung neuer antiviraler Therapien und Präventionsmethoden bietet.