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Virus steuert Fortschreiten der Infektion stärker als angenommen
Das HI-Virus bestimmt die Virenlast im Wirt zu einem überraschend hohen Anteil selbst. Dies hat einen wesentlichen Einfluss auf das Fortschreiten der HIV-Infektion zu Aids. Im Interview mit ETH-News beschreiben Sebastian Bonhoeffer und Gabriel Leventhal, wie sie auf diese Erkenntnis gekommen sind und welche Schlussfolgerungen sie daraus ableiten.
Um das Thema HIV und Aids ist es eher still geworden. Nun betrachten Sie in einer neuen Studie die Infektion aus der «Perspektive der Evolutionsbiologie». Worum geht es dabei?
Sebastian Bonhoeffer: Wir zeigen, dass der Grad des Virusbefalls – die sogenannte Virenlast – zu einem viel höheren Anteil als bisher angenommen vom Virus selbst bestimmt wird. Da die Viruslast das Fortschreiten der Infektion beeinflusst, heisst das auch, dass es weniger auf die Gene des Patienten ankommt, wie eine HIV-Infektion verläuft.
Wie kommen Sie darauf, dass die Virusgenetik entscheidend ist, ob ein Patient eine hohe oder niedere Virenlast aufweist?
Gabriel Leventhal: Um diese Frage zu beantworten, möchte ich ein Beispiel geben: Virusträger A gibt das Virus an einen Empfänger B weiter. Bei A messen wir als Virenlast 150‘000 Virenpartikel pro bestimmter Menge Blut, bei B nach einiger Zeit 120‘000. Bei einem anderen Pärchen beträgt der Geberwert 10‘000, der Empfängerwert 13‘000. Warum hat dieser Empfänger nicht 150‘000 Partikel? Die Antwort ist: Weil das Virus diesen Wert grösstenteils selbst festlegt. Ist die Virenlast zwischen zwei genetisch völlig verschiedenen Individuen sehr ähnlich, muss der Grund dafür im Virus selbst liegen. Nur wenn Geber und Empfänger genetisch ähnlich wären, müssten wir annehmen, dass deren Gene Einfluss auf die Virenlast hätten.
Was löst den Anstieg der Virenlast und damit das Fortschreiten der Krankheit zu Aids aus?
GL: HIV verläuft typischerweise so: Nach der Erstinfektion steigt die Zahl der Virenpartikel im Blut stark und schnell an und fällt nach rund drei Monaten auf ein bestimmtes Niveau ab. Dieses bezeichnen wir als Set point viral load, als Virenlast. Diese ist oft über längere Zeit stabil. Dann aber beginnt das Virus sich zu vermehren, und die Virenlast im Blut nimmt stark zu – Aids bricht aus. Was diesen steilen Anstieg zum einem bestimmten Zeitpunkt auslöst, wissen wir nicht genau.
Kann man beziffern, welchen Anteil die Virusgenetik an der Virenlast hat?
GL: In unserer Studie errechnen wir einen Anteil der Virusgenetik am Merkmal Virenlast von 30 Prozent – das ist ein wirklich grosser Anteil. Der Wirt und dessen Genetik machen dagegen nur ungefähr 20 Prozent aus. Die restlichen 50 Prozent entfallen auf noch unbekannte Faktoren.
Was bedeutet das?
SB: Das Virus bestimmt die Viruslast, die Viruslast das Fortschreiten der Krankheit. Jetzt kommt hinzu, dass das Virus auch noch sehr schnell evolviert. Darum ist die Evolution des Virus‘ eben so relevant für den Krankheitsverlauf.
GL: Zum Beispiel hat man gezeigt, dass die Evolution die Viruslast so eingestellt hat, damit die Übertragung maximal ist. Ist die Virenlast zu tief oder zu hoch, überträgt sich das Virus insgesamt zu wenig. Entweder sind zu wenige Viren vorhanden für eine effiziente Übertragung pro Kontakt, oder der Erkrankte hat aufgrund der hohen Virenlast einen rascheren Krankheitsverlauf und daher insgesamt weniger Übertragungsmöglichkeiten. Also stellt sich die Viruslast auf einem Optimum ein.
Was lässt sich aus Ihrer Studie denn für die Bedingungen, die in westlichen Ländern herrschen, ableiten?
SB: Die Situation, die wir beschreiben, gilt nur für unbehandelte Patienten. Diese treffen wir in den westlichen Industrieländern kaum mehr an. Aber auch in den Entwicklungsländern, wo derzeit HIV am stärksten verbreitet wird, erhalten immer mehr Infizierte angemessene Therapien. Unsere Studie betrachtet das Virus und den Verlauf einer Infektion im Patienten aus einem evolutionären Blickwinkel. Wir wollen von Grund auf verstehen, welche Faktoren – Virusgenetik, Patientengenetik oder Umwelt – den Verlauf der Infektion bestimmen. Die Tatsache, dass das Virus zu einem grossen Teil für die Viruslast verantwortlich sein kann, finde ich extrem spannend. Es heisst nämlich, dass es noch unbekannte Mechanismen gibt, durch die das Virus den Verlauf der Krankheit beeinflusst.
GL: Diese Mechanismen beziehungsweise die Gene unterliegen dann auch der Evolution. Eine medikamentöse Behandlung ist eine andere Umgebung für das Virus als die «natürliche» Infektion. Also ist es möglich, dass dieser Teil der Virusgenetik sich bei uns durch Behandlung verändert. Unsere Arbeit sagt bestimmte Eigenschaften dieser Gene vorher. Das grenzt die Suche stark ein und wird uns helfen, diese Gene experimentell zu identifizieren. Viruslast ist der bestimmende Faktor für den Krankheitsverlauf. Wenn wir besser verstehen, was die Viruslast bestimmt, wird das langfristig die Behandlungsmöglichkeiten verbessern.
Sebastian Bonhoeffer ist seit 2005 Professor am Institut für theoretische Biologie der ETH Zürich und beschäftigt sich in seiner Forschung mit mathematischen Modellen, welche die Populationsdynamik von Vireninfektionen innerhalb infizierten Individuen beschreiben. Seine Modelle haben wichtige Einblicke in die Pathogenese von Viren insbesondere dem HI-Virus ermöglicht.
Der 30-jährige Gabriel Leventhal ist PhD in Sebastian Bonhoeffers Gruppe. Seine Arbeiten befassen sich mit Evolution und Epidemiologie von Infektionskrankheiten.
Literaturhinweis
Fraser C, Lythgoe K, Leventhal GE, Shirreff G, Hollingsworth TD, Alizon S, Bonhoeffer S. Virulence and Pathogenesis of HIV-1 Infection: An Evolutionary Perspective. Science 21 March 2014: 343 (6177), 1243727. DOI:10.1126/science.1243727