Info und Ansichten zur Corona

Liebe Leser,

In der heutigen Pandemie der Berichterstattung über das Corona Virus (COVID-19), fällt es jedem schwer aus den Reportagen in Fernsehen, Zeitungsberichte und Mitteilungen im Internet, für sich selbst ein umfassender und realistischer Eindruck der Lage zu gewinnen.

Es ist zwar schön, dass die Wissenschaftler nach Fakten gefragt werden (und dabei fast zu Medienstars werden), jedoch sind die sich nicht immer einig. Die Wissenschaft findet Zusammenhänge heraus und bildet Verständnis. Sie liefert aber niemals Lösungen . Zudem kann man Zweifel haben ob die Zuhörer (Journalisten, Politiker) auch genügend Hintergrund in dem Gebiet der Virologie und Statistik haben, um den befragten Wissenschaftler zu verstehen und ihre Ansichten zu interpretieren (Beispiel Trump). Erst die nachgeschaltete gewerbliche Umsetzung der Erkenntnisse aus die Forschung stellt die Produkte, wie z.B. neue Arzneimittel bereit.

Deshalb habe ich mich entschlossen, auf Basis meiner akademischen Ausbildung als Chemiker, meiner gewonnen Erfahrung in der Bio-Analytik während meiner beruflichen Laufbahn, und Studie öffentlichen Quellen, ein Blog zu dem Thema Corona zu erstellen. Dieser Blog wird mehreren Artikeln umfassen wovon die erste 4 hier bereitstehen.

Ich werde mich freuen, wenn diesen Artikeln bei euch auf Interesse stoßen und auch auf eure Rückmeldungen. Bitte habe auch dafür Verständnis, dass ich den publizierten Artikeln auf Basis von neuer Information oder eure Kommentare aktualisiere u/o korrigiere. Der Link zu Kommentar schreiben findet man rechts oben eines Artikels.

Den folgenden Artikeln geht es um die Themen „Wie wird ein Impfstoff erstellt“ und über „Therapien gegen die Infektion“ und „Wie verbreitet sich ein Virus“

Gerard

Über Infektionszahlen

Die gemeldete Zahl der Infektionen ist Grundlage für behördliche Anordnungen und Restriktionen des öffentlichen Lebens. Globale Zahlen findet man auf die in dem ersten Beitrag erwähnte Stelle des Johns Hopkins University in Washington USA. Recht detaillierte und übersichtliche Darstellung der aktuellen Lage und Dynamik für einzelne Länder sowie die Welt insgesamt findet man im Worldometer. Daneben bietet Microsofts Suchmaschine Bing eine ebenso übersichtliche grafische Darstellung. Für Deutschland findet man detaillierte Zahlen sortiert nach Bundesland auf den Seiten des Robert Koch Instituts.

Die absoluten Zahlen bilden auch der Basis für Prognostik der COVID-19 Pandemie. Weniger absolut sind aber die Ausgangspunkte,  womit die Prognosen berechnet werden. Sie stuhlen auf Annahmen von Faktoren, die zur Hochrechnung benötigt werden. Eine hervorragende Behandlung dieser Aspekte wurde vor einigen Tagen von Schüller et al publiziert1. Die Annahmen betreffen die sog. Reproduktionsrate (wie viele Menschen eine infizierte Person typischerweise ansteckt), die Inkubationszeit und die Frage der Immunisierung eines geheilten Individuums. Trotz dem kritischen Ansatz dieser Publikation betonen die Autoren die Bedeutung der Reduktion der sozialen Kontaktmaßnahmen, aber fordern auch den kritischen Umgang mit den Zahlen.

Mir ist aufgefallen, dass die publizierte Diagrammen eine kumulative Wiedergabe der Infektionsfälle sind. Die sehen dramatisch aus und lassen nicht zu, eine Veränderung der Rate zu erkennen. D.h. man kann nicht sehen, ob die Steigung sich verändert. Dazu muss die Kurve, wie in der Mathematik, differenziert werden. Da man die Kurvengleichung nicht kennt, kann man die Zunahme der gemeldeten Infektionen/Tag, d.h. die Differenz zum Vortag, auftragen. Deshalb habe ich die Zahlen von der Bing Corona Webseite in einem Excelsheet eingetragen und ein Differenzdiagramm daraus gemacht. Die beiden folgenden Diagramme zeigen diese Darstellung für Deutschland und Italien. Datenstand 4. April. In rot habe ich eine Trendlinie wie eine Aktienkurs zugefügt. Es wurde den Mittelwert über 3 Tage (moving average) fortgeschrieben. Im Worldometer (Link oben) findet man ein Balkendiagram mit Neuansteckungen, was dem Differential der kumulativen Fallzahl gleich kommt.

Klar zu sehen ist die Steigerung der Infektionsrate ab etwa 15 März. Etwa zwei Wochen nach dem Faschingsferien. Die Schwankungen sind auf fehlende Daten an einem Tag und die Nachmeldung am nächsten Tag zu erklären.

Es ist aber noch lange nicht ein Trend zu sehen. Die Veränderung der Meldezahlen in den nachfolgenden Tagen ist entscheidend um einen Trend zu erkennen. Da in Deutschland immer mehr getestet wird, ist die Steigung der Meldezahlen auch darauf zurück zu führen, dass dadurch mehr infizierte Personen detektiert werden.

In Deutschland ist laut diese Zahlen, die Steigerungsrate der Neu-Infektionen unverändert. Merkwürdig ist deswegen die Äußerung vom RKI am Freitag 3. April, dass die Steigerungsrate abflaut.

Laut Gerd Antes,  sind diese Zahlen kein guter Basis für Prognostik der Pandemie weil man nicht weis, wieviel der nicht getestete Personen infiziert sind. Man kann nicht davon ausgehen, dass alle nicht-getestete Personen auch nicht infiziert sind. In einem Interview im ZDF Morgenmagazin am Donnerstag 2. April, hat er angeregt das alle Personen in einem großen Stichprobe getestet werden. Damit kann man feststellen wie hoch der Anteil der Infizierten in eine homogene Gruppe sind und hochrechnen, wieviel Prozent der Menschen in Deutschland, ein Krankenhaus Aufenthalt benötigen werden.

 

 

 

Wie wird auf COVID-19 getestet?

Ein Test auf eine Virusinfektion hat zwei Ansatzpunkte1:

  • Direkter Nachweis des Erbmaterials des Virus.
  • Nachweis von Antikörpern gegen den Virusproteinen.
Direkter Nachweis des Virus RNA

Basis dieses Verfahrens ist die sog. Polymerase Ketten Reaktion2 (PCR auf Englisch). Mit der PCR kann man kleinste Mengen eines DNA-Stücks, z.B. ein Gen, vervielfältigen soweit man die Sequenz der DNA Basenpaare (Nukleotiden) dieses Stücks kennt. Erforderlich für die Vervielfältigung mittels PCR ist eine Enzym aus der Familie der DNA Polymerasen. Seit dieser Entdeckung (siehe Referenz 2) sind diese Enzymen weiter entwickelt und kommerziell erhältlich.

Um aus der großen Anzahl der DNA-Molekülen, die sich in einer Zellprobe befinden können, den richtigen Strangteil zu finden und die Vervielfältigung an der richtigen Stellen zu beginnen, braucht man sog. Primer3. Diese Primer sind kurze einzelsträngige DNA Stücke, typisch 18-30 Nukleotiden, die komplementär zu den gesuchten Strang sind und nach Aufspalten der DNA, binden. Danach kann die Polymerase loslegen und wieder einen Doppelstrang aufbauen. Typisch ist eine Länge von 3000 Basenpaare. Danach wird der neue Doppelstrang wieder aufgeteilt und der Prozess geht wieder von vorne los. Durch exponentielle Multiplikation kann man eine ausreichende Menge des gesuchten DNAs generieren. Die heißt dann cDNA.

Heutzutage ist PCR Stand der Technik in der Genetik. Es gibt viele Anwendungen, z.B. für Täteridentifizierung in der Forensik, oder für Vaterschaftstest. Die PCR wird in kommerziell erhältliche Automaten durchgeführt, die sämtliche Prozessschritte übernehmen. Alle notwendige Ingredienzen wie die Enzymen sind kommerziell verfügbar. Primer müssen für jeden Zweck synthetisiert werden wofür es auch sog. DNA-Synthesizer gibt.

Das Corona-Virus gehört aber zur Familie der RNA Viren. Da RNA einzelsträngig ist, kann die PCR prinzipiell nicht verwendet werden. Aus der Probe (Abstrich oder Speichel) werden die Zellen aufgeschlossen und das Erbmaterial extrahiert. Die RNA des Corona Virus ist in der Mischung vorhanden aber in eine sehr geringe Konzentration wodurch das Virus RNA nicht direkt nachgewiesen werden können. 

Um dennoch PCR in der molekularen Diagnostik einzusetzen, wird ein Trick angewandt. Bekanntlich wird bei Genexpression, die DNA abgelesen und wird durch ein Enzym, RNA-Polymerase, den sog. mRNA gebildet, woraus die Zelle ein Protein bilden kann. Man hat in der Forschung von RNA Viren ein Enzym gefunden, das den umgekehrten (reverse) Weg geht und aus der RNA, doppelsträngiges DNA bilden kann4. Nach weiterer gentechnischen Entwicklung wurde daraus Enzymprodukte generiert, die man bei der molekularen Diagnostik von Viren einsetzt. Diese Entdeckung hat auch geführt zur Entwicklung von Arzneimitteln, die die Transkriptase in eine infizierte Wirtszelle hemmen kann und z.B. bei der Behandlung von AIDS und Ebola einzusetzen.

Die Reverse Transkriptase in Kombination mit PCR bildet die RT-PCR Diagnostik5 und ist die Methode der Wahl zum Nachweis des Erbmaterials eines Virus in den Zellen eines Organismus.

Im Falle des aktuellen Corona Virus wurde von Droste und Mitarbeiter ein Testverfahren entwickelt und publiziert6. Zuerst hat diese AG die Genen dieses Virus kartiert und für den Nachweis ausgewählt7. Auf Basis davon wurden die Primer definiert und von einer Firma in Berlin hergestellt.

Eine weitere Methode wurde von der Hongkong Universität publiziert8  Die Verfahren sind somit öffentliche Protokolle die über die WHO publiziert wurden und jedes Labor zur Verfügung stehen. Deshalb kann man davon ausgehen, dass Labors aufrüsten und Testkapazität erweitern soweit sie Personal mit Erfahrung und Kompetenz in dieser Technik haben. Dennoch soll man in diesem Moment Vorsicht walten lassen. Falsch-positiv bzw. falsch-negativ Resultaten müssen bestimmt werden und Kreuzreaktionen auf andere Viren ausgeschlossen. Frage ist, ob die vorhandenen Diagnostik-Automaten die starkwachsende Probenzahl verarbeiten können. Und insbes. ob die erforderlichen Enzymen auch verfügbar bleiben.

Nachweis von Antikörpern gegen Virusproteinen

Antikörper sind Proteinen mit einem sehr hohen Molekulargewicht und haben deshalb einen komplexen chemischen Struktur9. In einem Organismus stellen sie quasi die ersten Verteidigungslinien gegen Eindringlingen wie z.B. Bakterien. Solche Eindringlingen werden Antigenen genannt und sind selbst auch Proteinen mit hohem Molekulargewicht. Sie stehen somit am Anfang des Verteidigungsprozesses, welches zu Immunität führt.

Die Anwesenheit von Antikörpern im Blut eines Organismus ist Nachweis einer Infektion hinterher. Unter gewisse Voraussetzungen können AKs aber auch als Therapiemittel eingesetzt werden (in einer der nächsten Beiträge). Das wurde bereits im 19. Jahrhundert von Paul Ehrlich erkannt, der mit Sera von genesen Diphterie Patienten neu Erkrankten genesen konnte und in der ARD Serie Charité Berlin erzählt wurde.

Vordergründig werden Antikörper in der Forschung von Biopharmazeutika, Biochemischer Analytik und Molekularen, klinischer Diagnostik eingesetzt. Aber wie bekommt man diese Substanzen? Die entscheidende Arbeit wurde von Köhler und Milstein in 1975 publiziert, wofür beide später den Nobelpreis erhielten. Die Blutzellen welche die Antikörper produzieren, die β-Lymphozyten, können nicht in eine Zellkultur wachsen. Tumorzellen dagegen haben ein ewiges Leben in einer Kultur. Köhler und Milstein ist es gelungen, diese beide Zell Typen zu fusionieren zu sog. Hybridoma oder Zellklonen.

Nun muss man für jeden Antikörper, den man benötigt das Antigen und den entsprechenden β-Lymphozyten haben. Das Antigen ist z.B. ein Teil des Hüllenproteins eines Virus. Dieses Antigen wird einem Versuchstier, z.B. einem Maus,  eingespritzt, der damit immunisiert wird.  Eine recht übersichtliche Beschreibung dieses Verfahrens findet man im Schülerlexikon der Lernhelfer10. Eine Differenzierung hierzu ist wichtig zwischen Polyklonalen und Monoklonalen Antikörpern. Letztere sind ganz Spezifik gegen ein Antigen gerichtet und sind besonders wichtig in der Krebstherapie.

Es sind viele Molekular-Biologische Test entwickelt wo AKs zum Einsatz kommen. Für diese Molekulardiagnostik ist einer weltweite Industriezweig entstanden, die Automaten, Hilfsmittel und erforderliche Bioreagenzien anbietet (z.B. Euroimmun, Lübeck). Der Test wird durchgeführt in einem Labor-Automat.

Ganz aktuell wurden AK-Schnelltests angekündigt. Z.B. Bosch in Deutschland und Becton-Dickinson Co., in USA. Es sind aber Geräte womit nur eine Probe bearbeitet werden kann und in einen Arztpraxis zum Einsatz kommt. Auch diese Tests erfordern die Verwendung eines Testgerät. Eine Testmethode der ohne Gerät auskommt wurde in China vorgestellt.

Es muss aber betont werden, dass bei einem neu-auftretenden Virus, erstmal ein Protokoll befolgt werden muss, um einen neuen Test zu entwickeln. Danach muss der Test validiert, Anteil falsch-positiven und falsch-negativen Resultaten bestimmt, zertifiziert und zugelassen werden bevor der auf den Mensch angewandt werden kann. So auch bei COVID-19.

 

 

 

 

 

 

Was ist ein Virus

Ein Virus ist ein organischer Struktur, der aus Erbmaterial und Proteine besteht1. Außerhalb einer Wirtszelle ist ein Virus zu betrachten als organischer Staub und vergleichbar mit Pollen (Staubmehl). Beide sind keine Organismen weil sie weder eine eigenständige Replikation noch einen eigenen Stoffwechsel haben und sind deshalb auf den Stoffwechsel einer Wirtszelle angewiesen. Sie sind Träger von Erbmaterial.

Ein Virus außerhalb einer Wirtszelle bezeichnet man als Virion.  Das Erbmaterial (DNA oder RNA) befindet sich in einer Hülle von Proteinen (Kapsid), die bei Betrachtung unter einem E-Mikroskop, eine bestimmte Form annimmt (siehe Bilder auf der referierte Wikipedia Seite). Es gibt jedoch Viren, die ohne eine Protein-Hülle auskommen z.B. Influenza Viren. Virionen haben eine Größe von 15-400 nm (0.015-0.4 µm). Man findet sie im Kot von infizierten Wild- und Nutztieren, können Oberflächen kontaminieren und durch Flächenkontakt zu einer Wirtszelle finden. Bekanntlich existieren Virionen in Aerosolen, die von einem infizierten Mensch ausgehen was der wahrscheinlichste Ansteckungsweg von Mensch zu Mensch ist. Daneben sind auch Insekten Hostorganismen für Viren und übertragen direkt durch Stiche (z.B. Zecken, Mücken usw.).

Es sind etwa 3000 verschiedene Arten von Viren identifiziert. Die zu klassifizieren ist die Aufgabe der Wissenschaft. Am gebräuchlichsten ist die Klassifizierung nach David Baltimore, der als Basis die Art des Erbmaterials mit oder ohne Protein-Hülle als Merkmale verwendet. Das DNA (Desoxyribonuklein Säure, DNS) kann doppelsträngig (dsDNA) oder einzelsträngig vorlegen. RNA meistens als Einzelstrang. Hier folgen eine Anzahl dieser Klassen (ohne die Unterklassen zu nennen) mit den Krankheitsymptomen die sie verursachen.

Familie Poxviridae – Pocken
Familie Herpesviridae – Herpes, Windpocken, Gürtelrose, Pfeiffer-Drüsen Fieber, Hepatitis B
Familie Togaviridae – Röteln und weitere fieberartige Krankeiten
Familie Flaviviridae – Hepatitis C, FMSE, Gelbfieber, Nilfieber
Familie Coronaviridae – Erkältung, SARS, MERS und jetzt auch COVID-19
Familie Retroviridae – AIDS
Familie Arenaviridae – Lassa Fieber
Familie Bunyaviridae, Gattung Hantavirus – hämorrhagisches Fieber
Familie Filoviridae – Marburg Fieber, Ebola Fieber
Familie Orthomyxoviridae – Influenza, Vogelgrippe
Familie Paramyxoviridae – Masern, Mumps
Familie Rhabdoviridae – Tollwut
Familie Papillomaviridae – Warzen, Gebährmutterhals Krebs
Familie Caliciviridae, Gattung Norovirus, Erbrechen Durchfall
Familie Picornaviridae – Kinderlähmung, Hepatitis A, Erkältung
Onkoviren – Krebserkrankungen.

In diesem Auszug findet man wohl die meist bekannten, von Viren verursachten Krankheiten. Gegen manche dieser Viren ist der menschlichen Körper erst mal machtlos bis er Gegenwehr (Immunisierung) aufgebaut hat. Viele dieser Krankheiten sind bereits länger bekannt und es existieren Vakzins und Therapien (z.B. AIDS). Die Variabilität (Mutation) von Viren wirkt dem entgegen.

In weiteren Beiträgen gehe ich auf dem Vermehrungsprozess in den Wirtszellen ein, wie man die Anwesenheit des aktuellen Coronavirus nachweisen kann, welche Arzneimitteln in der Entwicklung bzw. verfügbar sind und wie ein Vakzin entwickelt wird.

COVID-19 und mehr

In der aktuelle Lage werden viele Meinungen, Äußerungen und Auffassungen zur aktuellen Situation verbreitet, die Basis sind für Maßnahmen die unseres täglichen Leben durcheinander bringen. Die Wissenschaft hat aber nicht alle Antworten die wir brauchen. Die führenden Virologen und Epidemielogen sind sich z.T. uneinig.

Deswegen hier erst ein paar globale Statements meinerseits.

  • Das COVID-19 ist ein neues Virus aus der Corona-Familie. Deswegen gibt es kein schützender Impfstoff gegen COVID-19 wie gegen der „normalen“, Influenza Grippe. Weil dieses Virus neu ist, gibt es auch keine sog. Gruppenimmunität. Laut Fachleute sollte 60% Gruppenimmunität erreicht werden damit weitere Ansteckung begrenzt wird.
  • Es gibt auch noch keine, für die Behandlung der Infektion zugelassenen Arzneimitteln, die die Wirkung des Virus im Mensch hemmen.

Auf Basis der obigen Statements sind die Maßnahmen zur Eindämmung der Infektionen der Deutschen Regierung verständlich. Eine ungebremste Vermehrung und damit davon ausgehend das 2-4% der Patienten im Krankenhaus und in der IC landen, würden die Kapazitäten der Kliniken bald übersteigen. Man muss sich aber davon bewusst sein, dass damit die Gruppenimmunität von 60% sehr viel langsamer, 3-12 Monate, erreicht wird und somit die Maßnahmen entsprechend länger dauern müssen

In den folgenden Beiträgen werde ich auf einzelne Aspekte in Detail eingehen und soweit wie möglich nach entsprechenden Fachpublikationen referieren bzw. zitieren. Zum Beispiel „was ist ein Virus“, „wie agiert ein Virus in einem Organismus, „gibt es Wirkstoffe, die die Infektion entgegen wirken“, und „was ist ein Vakzin und wie wird es hergestellt“. Darüber hinaus, kann ich empfehlen, in Wikipedia zu suchen, da dort verständlichen, umfassenden und objektiven Informationen präsentiert werden. Auch fand ich die Webseiten der Süddeutschen Zeitung zu dem Thema sehr informativ, kompetent, realistisch und vertrauenswürdig. Hier geht es zu Webseiten der Süddeutsche Zeitung. Die international anerkannte Stelle mit den Meldezahlen findet man bei der Johns Hopkins Universität in Washington, USA in Zusammenarbeit mit der WHO. Recht detaillierte und übersichtliche Darstellung der aktuellen Lage und Dynamik für einzelne Länder sowie die Welt insgesamt findet man im Worldometer. Daneben bietet Microsofts Suchmaschine Bing eine ebenso übersichtliche grafische Darstellung.