Das Marburg-Virus

Das Marburg-Virus ist ein behülltes Einzel(−)-Strang-RNA-Virus (ss(−)RNA) der Familie Filoviridae und Gattung Marburg-Virus und der Erreger des Marburgfiebers.


Marburg-Virus
Systematik
Reich: Viren
Ordnung: Mononegavirales
Familie: Filoviridae
Gattung: Marburg-Virus
Art: Marburg Marburg-Virus
Taxonomische Merkmale
Genom: (-)ssRNA
Baltimore: Gruppe 5
Symmetrie: helikal
Hülle: vorhanden
Wissenschaftlicher Name
Marburg-Virus (engl.)
Taxon-Kurzbezeichnung
MARV
Links
NCBI Taxonomy: 11269
NCBI Reference: DQ217792
ICTVdB Virus Code: 01.025.0.01.001

Merkmale


Abb. 2: Darstellung eines Teils des Nukleokapsids des Marburg-Virus in der Kryoelektronentomographie (CryoEM), eingefügter Maßstab = 50 Å = 5 nm.

Größe und Gestalt

Dieses Virus besitzt eine fadenförmige (lateinisch filum, „Faden“) Gestalt, diese Grundstruktur kann langgestreckt vorliegen oder gekrümmt bzw. gebogen sein. Dabei ergeben sich Strukturen, die U-förmig, kreisförmig, wie die Ziffer 6 oder wie ein Angelhaken gebogen sind. Das Virus hat eine Länge von etwa 800 nm (Bereich von 130 bis 2600 Nanometer), während der Durchmesser relativ konstant bei 80–100 nm liegt. Im elektronenmikroskopischen Bild lassen sich kreuzförmige Riefen erkennen.[1] Untersuchungen von 2011 mit Hilfe der Kryoelektronentomographie ergeben eine durchschnittliche Länge von 892 nm, der Durchmesser liegt bei durchschnittlich 91 nm.[2] Zusammen mit den Ebolaviren aus derselben Familie gehört das Marburg-Virus zu den größten bekannten RNA-Viren.[3]
Aufbau des Virions

Das Virion besteht aus einer Virushülle, die das helikale Kapsid umgibt, in dem sich das Virusgenom befindet. Am Aufbau des Virions sind insgesamt sieben Strukturproteine beteiligt. In infizierten Wirtszellen erfolgt die Replikation innerhalb von intrazellulären Einschlüssen, in denen Vorstufen des Nukleokapsids gebildet werden. Diese röhrenförmigen Strukturen mit einem äußeren Durchmesser von 45–50 nm werden durch die Nukleoproteine (NP) gebildet. Zusammen mit den viralen Proteinen VP30, VP35 und L entsteht hieraus das Nukleokapsid.[3] Das virale Genom ist am NP gebunden, weshalb man von einem Nukleokapsid spricht. Das NP ist notwendig für die Transkription und Replikation und ist ebenfalls beim sogenannten budding, dem Abschnüren von Viruspartikels aus der Wirtszelle, von Bedeutung.[4] Der Komplex aus den Proteinen VP35 und L dient als RNA-abhängige RNA-Polymerase, wobei VP35 den Cofaktor der Polymerase darstellt.[3] Neben NP, VP35 und L ist auch VP30 an der Transkription und Replikation beteiligt, allerdings ist bei diesem Protein die genaue Wirkungsweise im Ablauf noch nicht geklärt.[4]

Die beiden Matrixproteine VP40 (Hauptkomponente) und VP24 stellen die Verbindung der Virushülle mit dem Nukleokapsid dar, wobei im Querschnitt des Virions VP24 eher im Inneren und VP40 im äußeren Teil vorhanden ist.[2] VP40 kann leicht vom Nukleokapsid abgespalten werden. Nach der Proteinsynthese in der Wirtszelle assoziiert VP40 mit der Zellmembran und ist somit beim budding beteiligt, indem Teile der Zellmembran die Virushülle bilden. Obwohl VP24 eher im Inneren des Virions lokalisiert ist, lässt sich dieses virale Protein durch Salzlösungen mit ansteigender Konzentration vom Nukleokapsid ablösen. Bei der Freisetzung von Viruspartikeln ist VP24 im Anschluss an die Replikation und vor dem budding beteiligt. Die Virushülle enthält neben den Lipiden der Zellmembran, die von der Wirtszelle stammen, noch virale Glykoproteine (GP). Beim GP handelt es sich um ein Transmembranprotein, das in der Virushülle verankert ist und zur Außenseite stachelförmige (engl. spikes) Ausbuchtungen bildet. In der Wirtszelle wird es während des Transports vom endoplasmatischen Retikulum zur Zellmembran glykosyliert, d.h. es werden Kohlenhydratketten an das Protein angelagert. Die Funktionen von GP liegen in der Anhaftung an die Wirtszelle an spezielle Rezeptoren und in der Fusion der Virushülle.[4]

Abbildung 2 zeigt einen Querschnitt des Virions. Im Inneren ist die RNA (rot) zu erkennen, verbunden mit den Nukleoproteinen (gelb) und weiteren viralen Proteinen, die gemeinsam das Nukleokapsid bilden. Dieses ist umgeben von der Virushülle (grün bis blau), deren Glykoproteine als etwa 10 nm lange Vorsprünge (dunkelblau) zu erkennen sind.[2][4]
Genom

Das virale Genom liegt in Form eines einzelsträngigen RNA-Moleküls (Ribonukleinsäure) vor, mit (–)-Polarität (antisense). Die RNA umfasst 19 kb (Kilo-Basenpaare),[2] wobei bei einem Einzelstrang keine Basenpaare, sondern ungepaarte Basen in den Nukleotiden vorkommen. Genetische Analysen zeigen, dass die RNA aus 19.111 bis 19.114 Nukleotiden aufgebaut ist. Das Genom umfasst sieben Gene, die als Cistrone gelten, und linear hintereinander liegen. Jedes Gen besteht aus einem hoch konservierten Start- und Stoppsignal, einem ungewöhnlich langen Genabschnitt am 3'- und 5'-Ende, der nicht für die Translation verwendet wird, und dem dazwischenliegenden offenen Leserahmen (engl. open reading frame, ORF). Die Gene können durch kurze Abschnitte nichtcodierender Ribonukleinsäure (engl. intergenic regions, IR) voneinander getrennt sein, wie dies beispielsweise bei den Genen für GP und VP30 der Fall ist. Die IR-Abschnitte umfassen 4 bis 97 Nukleotide. Alternativ können sich das Stoppsignal und das Startsignal des nächsten Gens überlappen; dies trifft beispielsweise bei den Genen für VP30 und VP24 zu. Diese Überlappung ist nur bei Vertretern der Familie der Filoviridae zu finden. Am 3'- und am 5'-Ende befinden sich Abschnitte, die als Promotor für die Transkription und die Replikation dienen.[4]
Abb. 3: Aufbau des Genoms des Marburg-Virus[4]

Abbildung 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Genoms des Marburg-Virus. Vom 3'- zum 5'-Ende liegen linear angeordnet die Gene, die für die sieben viralen Proteine NP, VP35, VP40, GP, VP30, VP24 und L codieren. Deren ORF sind unterschiedlich eingefärbt. Abschnitte, die zu einem Gen gehören, aber nicht für die Translation verwendet werden, sind als hellgraue Kästchen dargestellt, die IR sind als dunkelgraue Verbindungsstücke angegeben und die Anfangs- und Endsequenz am 3'- bzw. 5'-Ende erscheinen schwarz. Grüne Dreiecke symbolisieren die Startsignale für die Transkription, während rote Streifen die Stoppsignale darstellen.
Reservoir und Verbreitung

Das Reservoir, aus dem das Virus stammt, bzw. sein Reservoirwirt ist bis heute nicht genau bekannt. Vermutlich ist der Überträger der Nilflughund, eine Flughundart, die in Europa und Afrika vorkommt. Das Virus und virusspezifische Antikörper konnten in ihrem Blut nachgewiesen werden, auch in Regionen, in denen bislang keine Erkrankungsfälle registriert wurden. Da der Flughund sein Quartier in Höhlen hat, kann man Ausbrüche unter Bergleuten mit ihm in Verbindung bringen.[5]

Das Marburg-Virus stammt primär aus Afrika und kommt in den Ländern Uganda, Kenia (West-Kenia) und vermutlich Simbabwe vor. Eine weitere Ausdehnung wird von Wissenschaftlern für wahrscheinlich gehalten. In Europa wurden 1967 die ersten Erkrankungsfälle dokumentiert.
Virulenz

Bei diesem Virus handelt es sich um einen hochpathogenen Erreger, der beim Menschen das Marburg-Fieber, ein hämorrhagisches Fieber, auslöst. Die Sterblichkeit bei dieser Erkrankung liegt laut den Centers for Disease Control and Prevention (CDC) bei mindestens 23 bis 25 Prozent. Bei Ausbrüchen im Kongo und in Angola lag sie jedoch wesentlich höher (siehe Krankheitsfälle). Diese hohe Sterblichkeit deutet, wie bei den Ebola-Viren, darauf hin, dass weder das Virus an den Menschen noch der Mensch an das Marburg-Virus angepasst ist, da es vor allem andere Wirte infiziert. Die rasche Schädigung seines Wirtes bis hin zu seinem Tod ist zudem für ein Virus kein vorteilhafter Effekt, da es zur eigenen Vermehrung und Verbreitung auf einen lebenden Wirt angewiesen ist.[6]
Übertragung

Das Marburg-Virus wird durch den Austausch von Körperflüssigkeiten und durch Schmierinfektion bzw. Kontaktinfektion übertragen. Viruspartikel bleiben innerhalb von getrocknetem Blut für einen Zeitraum von 4–5 Tagen infektiös. Bei Rekonvaleszenten kann das Virus auch nach Ablauf der akuten Infektion für einige Monate an einzelnen Stellen des Körpers – insbesondere dem Sperma – in pathogener Form zurückbleiben.[7]

Systematik


Abb. 4: Phylogenetischer Baum des Ebolavirus und Marburg-Virus (Stand November 2008)[8]

Die Gattungen Ebolavirus und Marburg-Virus in der Familie der Filoviridae sind eng miteinander verwandt, was sich unter anderem in der Struktur der Virionen zeigt.[2] Die Viruspartikel der Marburg-Viren sind allerdings deutlich kleiner als die der Ebolaviren, wobei das Genom des Marburg-Virus (MARV) etwas größer ist als das des Ebola Virus (EBOV).[4]

In der Gattung Marburg-Virus ist lediglich eine Spezies enthalten, die früher als Lake Victoria Marburg-Virus bezeichnet wurde. Die ICTV Filoviridae Study Group hat 2010 eine aktualisierte Systematik und Nomenklatur der Vertreter der Filoviridae vorgeschlagen,[9] die in dem 9th ICTV Report von 2011 umgesetzt wurde.[10][11] Demnach soll die folgende Nomenklatur verwendet werden, bei der die Gattung als Marburg-Virus und die Spezies als Marburg Marburg-Virus bezeichnet wird.

Gattung Marburg-Virus
Spezies Marburg Marburg-Virus
Virus 1: Marburg-Virus (MARV)
Virus 2: Ravn Virus (RAVV)

Geschichte


Abb. 5: Elektronenmikroskopische Darstellung des Marburg-Virus

Das Virus wurde zuerst im Jahr 1967 bei Laborangestellten in Marburg (Hessen), später in Frankfurt am Main und Belgrad gefunden. Als am 25. August 1967 mehrere Personen in Marburg starben, wurde die Stadt in eine Art Ausnahmezustand versetzt.[12] Alle Infizierten, auch die später Verstorbenen, hatten zuvor sehr hohes Fieber, gefolgt von Übelkeit, Erbrechen und Durchfall. Diese Symptome deuteten auf eine Infektion mit Salmonellen oder Shigellen hin, diese Bakterien ließen sich aber nicht nachweisen. In der zweiten Woche nach Beginn der Erkrankung kamen hämorrhagische Symptome hinzu, die Patienten bluteten aus Körperöffnungen und nach Nadeleinstichen, von den Blutungen waren auch die inneren Organe, z. B. die Leber betroffen. Dies führte bei etwa 25 % der Patienten zum Tode.[13] Als möglicher Krankheitserreger wurde zunächst das Gelbfieber-Virus in Betracht gezogen, konnte aber später ausgeschlossen werden.[12] Auch Bakterien der Gattung Leptospira oder Rickettsia wurden im Verlauf der Untersuchungen ausgeschlossen.[1]

Um die Ätiologie der bis dahin unbekannten Krankheit zu klären, reisten Spezialisten für Tropenkrankheiten im Auftrag der Weltgesundheitsorganisation (WHO) an, darunter Werner Mohr aus Hamburg und der Virologe George B. Dick aus London. Insgesamt acht Laboratorien weltweit untersuchten Blut- und Gewebeproben.[12] Im Tierversuch wurden Meerschweinchen mit diesen Proben infiziert. Sie entwickelten ähnliche Symptome, u. a. Fieber bis zu 40,3 °C. Die Versuche, das unbekannte Virus in einer Zellkultur anzuzüchten, erwiesen sich als weniger effektiv.[1] Am 20. November 1967, weniger als drei Monate nach Beginn des Ausbruchs, konnte das neue Virus im Elektronenmikroskop dargestellt werden. Dazu wurden Blutproben der infizierten Meerschweinchen mit Formalin inaktiviert und mit Hilfe einer damals neuen Technik, der Negativkontrastierung (engl. negative stain) untersucht.[13] An der Untersuchung und der folgenden Veröffentlichung waren Werner Slenczka, Rudolf Siegert und ihr chinesischer Kollege Hsin Lu Shu am Institut für Virologie Marburg sowie Dietrich Peters und Gerhard Müller am Bernhard-Nocht-Institut für Tropenmedizin beteiligt.[14]

Ein Konsilium der Mediziner Rudolf Siegert, Walter Hennessen und Gustav Adolf Martini gab täglich einen Bericht zur Erforschung des Virus ab.[12] Bis Ende August 1967 starben zwei Tierpfleger und zwei Laborangestellte. 24 Erkrankte lagen in dem Universitätsklinikum Frankfurt am Main und in der Universitätsklinik der Philipps-Universität Marburg auf der Isolierstation. Insgesamt starben später fünf Menschen in Marburg und zwei in Frankfurt an dem neuen Virus.[15]

Neben der Suche nach dem neuen Virus begann zeitgleich eine epidemiologische Untersuchung, um seine Herkunft zu klären. Das Virus ist höchstwahrscheinlich von infizierten Versuchsaffen – es handelt sich um die Art Äthiopische Grünmeerkatze (Cercopithecus aethiops) – aus Uganda in die Labore des Pharmakonzerns Behringwerke im hessischen Marburg eingeschleppt worden.[13] Deshalb erhielt es auch den Namen Marburg-Virus. Der Pharmakonzern nutzte die Tiere zur Gewinnung von Masern- und Poliomyelitis-Impfstoff.[15] Am Paul-Ehrlich-Institut in der Nähe von Frankfurt am Main wurden diese Impfstoffe geprüft, am Torlak-Institut in Belgrad wurden ebenfalls Impfstoffe hergestellt. Im Nachhinein konnte geklärt werden, dass alle primär Infizierten Kontakt mit Blut, Organen oder Zellkulturen der Äthiopischen Grünmeerkatzen hatten. Informationen über den Gesundheitszustand der Affen ließen sich jedoch nicht ausreichend ermitteln. Wegen des Sechstagekriegs im Juni 1967 konnten die Tiere nicht direkt von Uganda nach Frankfurt transportiert werden, sondern mussten einige Zeit in einem Gehege an einem Londoner Flughafen untergebracht werden. Dabei hatten sie Kontakt zu Finken aus Südafrika und Languren aus Ceylon (heute Sri Lanka). Eine Übertragung des Virus von einer Tierart zur anderen wäre somit theoretisch möglich gewesen, konnte aber nicht bewiesen oder ausgeschlossen werden. Die Affen der Art Cercopithecus aethiops wurden in mehreren Lieferungen an die Institute verteilt. In Marburg und Frankfurt wurden keine Auffälligkeiten bezüglich ihres Gesundheitszustandes notiert, allerdings wurden die Versuchstiere nach kurzer Zeit planmäßig getötet. In Belgrad wurden die Tiere noch für sechs Wochen gehalten, dabei wurde eine überdurchschnittlich hohe Mortalitätsrate von 33 % festgestellt. Im Nachhinein ließ sich jedoch nicht mehr klären, ob die Virusinfektion dafür verantwortlich war.[13] In Deutschland wurden die Affen der Art Cercopithecus aethiops, die als Überträger des Virus verdächtig waren, getötet. Dies betraf auch Tiere aus vorhergehenden Lieferungen, die Zahl der insgesamt mit Blausäure getöteten Versuchstiere lag bei über 600.[12]
Risikogruppe, behördliche Einstufung

Nach der Biostoffverordnung in Verbindung mit der TRBA (Technische Regeln für Biologische Arbeitsstoffe) 462 wird die Virusspezies Marburg Marburg-Virus mit dem Vertreter Marburg-Virus (MARV) in die höchste Risikogruppe 4 eingeordnet.[16]

Durch die Biostoffverordnung werden für biologische Arbeitsstoffe vier Risikogruppen definiert. Das Arbeiten hat unter Berücksichtigung entsprechender Schutzmaßnahmen zu erfolgen, die durch die Biostoffverordnung in vier biologische Schutzstufen (englisch: biosafety level, BSL) eingeteilt werden. Demzufolge müssen Arbeiten mit dem Marburg-Virus unter den strengen Vorgaben der Schutzstufe 4 erfolgen. Weltweit werden Filoviren an 20 Laboratorien erforscht (Stand 2013). Diese müssen daher die Schutzstufe 4 beachten und werden auch als BSL-4-Laboratorien bezeichnet. Für Deutschland trifft dies auf das Bernhard-Nocht-Institut für Tropenmedizin und das Institut für Virologie der Universität Marburg zu.[11]
Verwendung als biologische Waffe

Das Marburg-Virus wurde vom US-amerikanischen CDC als potentieller biologischer Kampfstoff der höchsten Gefahrenklasse eingestuft.[17] Militärisch wurden die Möglichkeiten als biologischer Kampfstoff vom sowjetischen Kampfstoffprogramm Biopreparat erforscht, das 1967 Proben des Virus während des initialen Ausbruchs erlangte. Soweit bekannt, wurden in Bezug auf das Marburg-Virus insbesondere die Verteilung (Distribution) als Aerosol und die Stabilität gefriergetrockneter Viruspartikel erforscht.[7]

Mit einem simulierten Bioterrorismusangriff wurde 1998 ermittelt, dass eine Variola-Marburg-Chimäre einen ökonomischen Schaden von etwa 26 Milliarden US-Dollar pro 100.000 Infizierten bewirken würde.[18]

Krankheitsfälle


Abb. 6: In Angola (rot) breitete sich das Marburg-Virus 2005 aus


1967: Marburg, Frankfurt am Main, Belgrad: 31 Infizierte, 7 Tote
1980 Nairobi: 2 Infizierte, 1 Toter (Ursprung: vermutlich Kitum Cave in West-Kenia)
In der Stadt Kolzowo (Nowosibirsk) in der Sowjetunion kam es 1988 und 1990 zu insgesamt drei Infektionen. Ein Mensch verstarb.[19]
1998 bis 2000: Demokratische Republik Kongo: 149 Infizierte, 123 Tote
Oktober 2004 bis Mai 2005: Angola, Beginn in der Provinz Uíge: 388 Infizierte, 324 Tote[20]

Am 21. März 2005 wurde das Marburg-Virus in mehreren Blutproben von Todesopfern in Angola entdeckt. Im April war die Krankheit in sieben Provinzen ausgebrochen. Über 215 Angolaner starben bis dahin bereits am Marburg-Virus. Die meisten Opfer waren jünger als fünf Jahre. Besonders problematisch war die Weigerung der Bevölkerung, die Infizierten zu isolieren. Außerdem gehört traditionell bei den Familien zur Bestattung Verstorbener der persönliche Abschied in Form von Umarmung des Toten und anschließend weitere direkte, persönliche Kontakte der Trauergäste untereinander. Darum war es extrem schwierig, die eigentlich sofort notwendige, unverzügliche Beerdigung ohne jede Berührung mit der Leiche zu gewährleisten. Die Infektionsgefahr wurde somit erheblich gesteigert.

August 2007: Uganda, Kitaka, Provinz Kamwenge, 2 Infizierte, 1 Toter[21]
10. Juli 2008: Das Bernhard-Nocht-Institut für Tropenmedizin in Hamburg gibt den ersten Fall einer Einschleppung des Marburg-Virus aus Afrika nach Europa durch eine niederländische Touristin in Bakel, Niederlande, bekannt.[22] Die 40-jährige Frau verstarb am 11. Juli 2008 in Leiden.
2012: Ein Ausbruch in Uganda, im Distrikt Kabale, in Ibanda im Distrikt Mbarara und im Distrikt Kampala, hält über drei Wochen an, 15 Infizierte, 4 Tote[23]
2014: Uganda - ein Toter[24]

Impfungen

Im April 2006 wurden Forschungsergebnisse von Forschern aus den USA und Kanada veröffentlicht, denen es gelungen ist, einen Impfstoff gegen das Marburg-Virus zu entwickeln. Im Tierversuch bei Rhesusaffen erwies sich der Impfstoff auch in der Postexpositionsprophylaxe als wirksam. Die Affen, die bei einer Infektion normalerweise nach etwa 12 Tagen verstarben, überlebten nach einer Impfung den Untersuchungszeitraum von 80 Tagen.[25]
Therapie

Mit AVI-7288 wurde 2015 von einer amerikanischen Arbeitsgruppe erstmals ein Medikament zur Postexpositionsprophylaxe vorgestellt, das sich bei Primaten als wirksam erwies. Dabei handelt es sich um ein 23 Aminosäuren langes Phosphorodiamidate-Morpholino-Oligomer (PMO), das durch den Einsatz von Piperazine-Residuen zusätzlich positiv geladen ist (PMO plus). Dieses Oligomer bindet selektiv die mRNA-Sequenz des Nucleoproteins und unterbindet dadurch dessen Translation. Bei Makaken zeigte sich in der Placebo-kontrollierten Dosiseskalationsstudie eine dosisabhängige Wirkung bei Einsatz bis vier Tage nach Exposition mit einem Überleben bis zu 100 % bei 30 mg pro Kilogramm Körpergewicht (gegen 0 % unter Placebo). Erfahrungen bei der Verwendung am Menschen gibt es bisher nicht.[26]

Quelle