Viruslokalisierungssystem bereitet Terrain für neue infektionsbekämpfende Arzneien und Gentherapiestrategien, sagen Autoren der Publikation Science

Verblüffende Ergebnisse wurden nach einem Bericht der Zeitschrift Science, Ausgabe vom 30. November 2001, bei der Beobachtung einzelner Viren in lebenden Zellen erhalten. So wurde festgestellt, daß die meisten Infektionsschritte sehr viel schneller sind als man dies bisher gedacht hat und wahrscheinlich tubulare Strukturen im Kern als Pipelines für die gerichtete Bewegung von Viren im Kernbereich verantwortlich sind.

Erkenntnisse dieser Art - wie sie in Filmen, die von den Wissenschaftlern an der Ludwig-Maximilians.-Universität München in real time aufgenommen worden sind - bereiten möglicherweise das Terrain für bessere antivirale Medikamente oder den Transport gentherapeutischer Arzneien direkt in den Zellkern.

„Wir waren hier zum ersten Mal in der Lage, den Infektionsweg eines individuellen Virus, das nur mit einem einzelnen fluoreszierenden Farbstoffmolekül markiert war, in eine lebende Zelle zu beobachten“, erläuterte Forscher Christoph Bräuchle, der als Senior Author die Publikation in Science gemeinsam mit seinen Universitätskollegen Georg Seisenberger, Martin U. Ried, Thomas Endreß, Hildegard Büning und Michael Hallek verfaßte. „Die Markierung mit nur einem Farbstoffmolekül minimiert die Störung der Virus-Zell-Wechselwirkung. Ferner zeigt uns die Beobachtung einzelner Viren , daß die Infektion sehr viel schneller vonstatten geht als dies bisher angenommen wurde – innerhalb von Minuten anstatt von Stunden.“

Bei der Erforschung von Infektionswegen wurde bisher i.d.R. eine konventionelle Technik, die sogenannte Fluoreszenz-Mikroskopie, eingesetzt, und zwar häufig zusammen mit speziellen Anfärbemethoden. Es ist beispielsweise möglich, die Proteinhülle, die das genetische Material eines Virus umgibt und als Kapsid bezeichnet wird, mit fluoreszierenden Farbstoffmolekülen zu markieren. Derart gelabelte Kapside können dann durch das Fluoreszenzlicht sichtbar gemacht werden, das durch die Anregung der Farbstoffmoleküle mit Licht entsteht.

Leider, sagen Bräuchle und Hallek, seien für diesen konventionellen Ansatz hohe Viruskonzentrationen oder eine große Zahl von Markierungsmolekülen pro Virus oder gar beides erforderlich. Während die hohe Viruskonzentration das Erkennen individueller Viren schwierig macht, stören eine große Zahl von Farbstoffmolekülen pro Virus die diversen Virus-Zell-Wechselwirkungen, was letztlich die natürlichen Prozesse unter physiologischen Bedingungen verfälscht, erläutert er weiter.

Die beiden Teams von Bräuchle und Hallek verwendeten ein hochempfindliches Fluoreszenz-Mikroskopiesystem, das erlaubt, das Signal von bereits einem einzelnen Fluorophor zu messen. Damit können sie die Bewegungen von adenoassoziierten Viren (AAVs) —einer harmlosen Version der Parvoviren, die nicht-pathogen für den Menschen ist, – untersuchen. Einzelne Viren wurden mit einem einzelnen Cy5-Farbstoffmolekül markiert und dann mit HeLa-Zellen in Kontakt gebracht (eine allgemein gebräuchliche Zellinie für menschliche Zellen).

In insgesamt 74 Zellen, die sich in unterschiedlichen Infektionsstadien befanden, analysierte das Forscherteam 1009 Bewegungsbahnen einzelner, farbstoffmarkierter viraler Partikel. Immer wieder wurde beobachtet, wie sich das Virus verlangsamte, sobald es in unmittelbare Nähe der Zelloberfläche geriet. Diesem Abbremseffekt folgte die mehrfache Berührung des viralen Partikels mit der Zelloberfläche vergleichbar mit dem mehrmaligen Klingeln an einer Haustür. „Bislang ist noch unklar, ob diese Berührungsvorfälle Bindungs- und Wiederfreigabevorgänge an einem Rezeptor darstellen oder ob es sich einfach um eine unspezifische Virusadsorption an der Zelloberfläche handelt“, merkten die Forscher an. Klar sei jedoch, dass das Virus versuche, sich Einlass in die Zelle zu verschaffen.

In 13 Prozent aller Annäherungen, die zu Membrankontakt führten (43 von 339 Bewegungsbahnen) durchdrang das Virus die Zelloberfläche. Innerhalb von Sekundenbruchteilen wurde das Virus mittels Endozytose in das Zytoplasma aufgenommen; ein Prozeß, der damit beginnt, daß die Zellmembran ein sogenanntes Endosom bildet. Der Bräuchle-Gruppe gelang es sogar, zwischen Viren, die in Endosomen mit 50-Nanometer Durchmesser eingeschlossen waren, und sich schneller bewegenden, freien Viren zu unterscheiden, womit die Bestätigung dafür geliefert wurde, dass Endosome in der Tat eine Schlüsselrolle spielen, wenn einzelne Viren in das Zellinnere aufgenommen werden.

Die Hälfte der 74 Zellen war innerhalb von 15 Minuten infiziert, wobei mindestens ein farbstoffmarkiertes Virus im Kern nachgewiesen werden konnte. „Dies zeigt einen sehr viel schnelleren Infektionsprozeß an im Vergleich zu der zweistündigen Infektionszeit“, die laut Science bisher mit konventionellen Methoden gemessen worden sei.

„Viren sind clevere Teilchen. Sie können selbst das Transportsystem der Zelle benutzen, das aus Motorproteinen besteht, die entlang von Microtubuli wie auf Schienen laufen. Indem sie sich auf den Rücken eines solchen Motorproteins setzen, werden sie im Zytoplasma transportiert“ sagte Bräuchle.

Sogar im Bereich des Zellkerns, wo bisher solche Motorproteine nicht beobachtet worden sind, scheinen virale Partikel solchen Schienen zu folgen: „Zu unserem großen Erstaunen haben wir in 34 Fällen Bewegungsbahnen von Viren beobachtet, die innerhalb des Kernbereiches gerichtete Bewegung in wohl definierter Weise zeigen.“ berichtet das deutsche Forscherteam. „Einige der Wege wurden mehrfach hintereinander von unterschiedlichen Viren verwendet.“ Die Forscher spekulieren, daß die Schienen, auf denen die Motorproteine laufen, in bereits vorhandene gut bekannte tubulare Strukturen hinein gewachsen sind, welche als Pipelines durch die Einstülpung der Kernmembran gebildet wurden. Auf diese Weise könnte die gerichtete Bewegung von Viren als „Huckepack-Transport“ von Motorproteinen innerhalb solcher Pipelines gedeutet werden.

„Nach unseren Messungen findet der gesamte Eindringprozeß bis zum Kern in einem Zeitrahmen von nur wenigen Sekunden bis hin zu einigen Minuten statt“, sagt Bräuchle. “Aus unseren Beobachtungen, die uns die Virusbahnen während einer Infektion in einer lebenden Zelle prägnant und mit hoher Detailgenauigkeit darstellen, können wir ein Drehbuch für die Virusinfektion ableiten.“ Künftig werden, bemerkte Bräuchle, solche eingehenden Informationen über virale Bewegungsbahnen Herstellern pharmazeutischer Produkte dabei helfen können, neue Alternativen zur Verhinderung von Infektionen zu finden. Im übrigen erlaube die Beobachtung von Bewegungsbahnen einzelner Viren auch die Optimierung von Viren als Genfähren für die Gentherapie, fügt Hallek hinzu.

Die Autoren Georg Seisenberger, Thomas Endreß und Christoph Bräuchle sind vom Department Chemie der Ludwig-Maximilians-Universität, wobei Christoph Bräuchleauch Mitglied des „Center of NanoScience“ (CeNS) an dieser Universität ist.

Die Autoren Martin U. Ried, Hildegard Büning und Michael Hallek arbeiten am Genzentrum der Ludwig-Maximilians-Universität München, wobei Michael Hallek auch am Universitätsklinikum Großhadern tätig ist.

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