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Stoffliche Eigenschaften

Das macht SARS-CoV-2 aus

Das SARS-Coronavirus-2 ist vergleichsweise neu. Inzwischen werden seine physikochemischen Eigenschaften erforscht: Aus welchen Proteinen ist es zusammengesetzt, was hält es aus, was schadet ihm? Eine Übersicht.
Hermann Wätzig
03.06.2020  09:00 Uhr

Viren, und auch SARS-CoV-2, können als komplexe Zusammensetzung von Biomolekülen betrachtet werden, die bestimmte stoffliche Eigenschaften hat: Struktur und thermische Stabilität, Säure-Base-Eigenschaften, Lipophilie beziehungsweise Verhalten gegenüber Lösemitteln und die Stabilität während der Aufarbeitung, zum Beispiel bei der Zentrifugation. Diese Informationen zu kennen, hilft, die Ausbreitung einer Erkrankung zu verstehen, aber auch, richtige Strategien für die Impfstoffentwicklung zu finden und dabei geeignete Formulierungen und Qualitätskontrollmethoden zu entwickeln.

SARS-CoV-2 gehört zu den Coronaviren. Diese weisen Membranstrukturen an der Oberfläche (Lipid Envelopes) auf, die ihre Eigenschaften maßgeblich beeinflussen. Durch diese Strukturen sind Coronaviren stabil, aber nicht so hochsymmetrisch wie viele andere Viren. Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen, dass SARS-CoV-2 ein ziemlich variables Virus ist. Sein Durchmesser kann zwischen 60 und 140 nm variieren (»NEJM«, DOI: 10.1056/NEJMoa2001017).

Der Aufbau

SARS-CoV-2 wird aus vier Strukturproteinsorten aufgebaut: S (Spike), M (Membrane), E (Envelope) und N (Nucleocapsid). Die N-Proteine umschließen den inneren Bereich und beinhalten das RNA-Genom (siehe Abbildung). S, E und M bauen gemeinsam die äußere Hülle auf. Alle Proteine an der Oberfläche sind denkbare Antigene und können für die Entwicklung potenzieller Impfstoffe von großer Bedeutung sein. Am prominentesten ist sicher das S-Protein, das den Oberflächenkontakt des Virus zur Wirtszelle über den ACE2-Rezeptor herstellt.

Das S-Protein ist ein Homotrimer aus ineinander verflochtenen Monomeren (»Cell«, DOI: 10.1016/j.cell.2020.02.058). Die Strukturproteine E und M können ebenso für die Entwicklung potenzieller Impfstoffe von Bedeutung sein, da sie wichtige Rollen beim Eindringen des Virus in die Wirtszelle oder beim Zusammenbau des Virus spielen. E ist ein kationenselektiver Ionenkanal und wichtig beim Zusammenbau des Virus. Wenn es fehlt, entstehen attenuierte Viren. M ist der Hauptbestandteil der stabilisierenden Außenmembran und ähnelt häufig den Membranproteinen der Wirtszellen.


SARS-CoV-1 und SARS-CoV-2 sind sich in vielerlei Hinsicht ähnlich. Dadurch können viele Informationen über das neue Virus abgeleitet werden. Gut untersucht ist das Virus SARS-CoV, welches für die SARS-Pandemie 2002/2003 verantwortlich war. Beide Viren sind im Elektronenmikroskop höchstens von Experten zu unterscheiden. Ihre ebenso sehr ähnlichen Isoelektrischen Punkte (pI) erleichtern die Interpretation elektrophoretischer Daten.

Die S-Proteine von SARS-CoV-1 und -2 sind sehr ähnlich, aber die scheinbar nur kleinen Unterschiede haben starke Auswirkungen auf immunologische Eigenschaften. Ihre Aminosäure-Sequenzen sind zu 75 Prozent identisch. Die Bindungsdomäne des Spike-Proteins zum ACE2-Rezeptor weist nur noch 50 Prozent Sequenzhomologie auf, aber trotzdem sind 85 Prozent der antikörperbindenden Epitope von SARS-CoV-2 bei SARS-CoV-1 nicht vorhanden. Auch wenn sich die Spike-Proteine beider Viren ähneln, ist doch die Nanostruktur auf der Oberfläche offensichtlich sehr unterschiedlich. Das ist an sich nicht ungewöhnlich, da bereits der Austausch einer einzelnen Aminosäure die lokale Struktur und damit die Bindung von Antikörpern stark beeinflussen kann.

Stabilität

SARS-Coronaviren sind bekanntermaßen ausgesprochen stabil. Sie sind auch nach Stunden in Aerosolen und auf Oberflächen noch aktiv (»Journal of Hospital Infection«, DOI: 10.1016/j.jhin.2004.12.023). Die Abstandsregel funktioniert nur, wenn unter üblichen Verhältnissen ausgeatmete Tröpfchen schnell genug zum Boden absinken. Wenn das nicht gewährleistet ist oder sich besonders feine Aerosole gebildet haben, können noch nach drei Stunden aktive Viren im Luftraum nachgewiesen werden. An Oberflächen können aktive SARS-Coronaviren noch bis zu 24 Stunden (Pappe) oder 72 Stunden (Plastik und Eisen) nachgewiesen werden (»NEJM«, DOI: 10.1056/NEJMc2004973). Es ist allerdings unklar, ob die detektierten Mengen für eine Infektion ausreichen würden.

Weder Hitze noch UV- oder γ-Strahlung können SARS-CoV viel anhaben. Die Inaktivierung ist auch nach 45 Minuten bei 75 °C noch nicht sicher abgeschlossen, und intensive UV-C-Bestrahlung inaktiviert das Virus erst nach einer Viertelstunde (»Journal of Virological Methods«, DOI: 10.1016/j.jviromet.2004.06.006). Es kann zusätzlich eine ungewöhnliche pH-Stabilität im pH-Bereich von 3 bis 10 beobachtet werden (»Electrophoresis«, DOI: 10.1002/elps.202000121).

Eine Achillesferse hat SARS-CoV-2 jedoch: seine flexible lipophile Hülle. Diese kann mit organischen Lösemitteln und Tensiden effektiv angegriffen werden. Deshalb sind diverse alkoholhaltige Desinfektionsmittel, zum Beispiel mit Ethanol sowie mit 1- und 2-Propanol, sehr effektiv. Auch Formaldehyd und Glutaraldehyd können das Virus innerhalb von zwei Minuten inaktivieren. Auch Tenside schädigen die Lipidhülle effektiv, worauf der bekannte Rat zum regelmäßigen Händewaschen beruht. Auch durch Waschen mit Waschmittel bei 60 °C werden SARS-Coronaviren auf Kleidung inklusive Stoffmasken zuverlässig inaktiviert.

Totimpfstoffe

Das Wissen über die stofflichen Eigenschaften von SARS-CoV-2 wird auch bei der Entwicklung von Totimpfstoffen benötigt. Zur Herstellung von Totimpfstoffen sollen die Viren nicht mehr infektiös sein, aber ihre Oberflächenantigene sollen mindestens teilweise erhalten bleiben. Möglicherweise ist hier β-Propiolacton als Alkylans und Crosslinker eine gute Wahl. In einer aktuellen Arbeit, die auf dem Preprint-Server »BioRxiv« publiziert ist, wurde dieses Inaktivierungsreagenz für 24 Stunden eingesetzt, danach wurde das Zwischenprodukt mittels Ionenaustausch- und Größenausschluss-Chromatographie gereinigt und mit einem Aluminiumsalz als Adjuvans versetzt (DOI: 10.1101/2020.04.17.046375).

Der so erhaltene Impfstoff war im Tierversuch wirksam und gut verträglich, vor allem wurden keine infektionsverstärkenden Antikörper gebildet, die bei einer Zweitinfektion zu einem schwereren Krankheitsverlauf führen würden. Weitere bisher diskutierte Adjuvanzien sind das Inulin-basierte Polysaccharid Advax-1 TM, MF59, eine Wasser-in-Öl-Emulsion aus Tween 80, Sorbitol-trioleat und Squalen, sowie die Adjuvans-System-Serie (AS01 bis AS04) von Glaxo-Smith-Kline. AS03 wurde bereits bei Pandemrix®, dem Pandemie-Impfstoff gegen das Schweinegrippe-Virus H1N1, eingesetzt.

Fazit

Anhand der Erfahrungen mit SARS-CoV-1 konnten für das aktuelle Pandemievirus erfolgreiche Hygienekonzepte und Vorbeugemaßnahmen abgeleitet werden und es ist möglich, SARS-CoV-1-Daten als Referenz und Ausgangspunkt für Untersuchungen von SARS-CoV-2 und für die Impfstoffentwicklung zu verwenden. Ein unbewerteter Wissenstransfer von SARS-CoV-1 zu SARS-CoV-2 kann aber nicht empfohlen werden.

Die Stabilität des Gesamtvirus und von SARS-Virus-artigen Partikeln während nachgeschalteter Prozesse, zum Beispiel Ernte aus Zellkulturen, Reinigung, und Inaktivierung, wird in der wissenschaftlichen Literatur noch nicht umfassend behandelt. Auch zu Formulierungen liegen zurzeit nur begrenzte Informationen vor. Die Qualitätsstrategien für Impfstoffe müssen noch festgelegt werden, aber die dazu notwendigen Methoden können von bereits existierenden Untersuchungen über SARS-CoV-1 abgeleitet werden. Mehr Forschungsarbeit ist notwendig, es zeigt sich jedoch bisher, dass Standardvorgehensweisen zur Probenvorbereitung und Formulierung inklusive Einsatz von Adjuvanzien auch für SARS-CoV-2 angewandt werden können (»Electrophoresis«, DOI: 10.1002/elps.202000121). Wenigstens in dieser Hinsicht scheint SARS-CoV-2 ein Durchschnittsvirus zu sein.

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