key: cord-0686038-neq2vqym
authors: Ueffing, Marius; Bayyoud, Tarek; Schindler, Michael; Ziemssen, Focke
title: Grundlagen der Replikation und der Immunologie von SARS-CoV-2
date: 2020-07-01
journal: Ophthalmologe
DOI: 10.1007/s00347-020-01155-w
sha: 6f687083d23f06bc42f15f7b8d9238c2fb5cace3
doc_id: 686038
cord_uid: neq2vqym

Coronaviruses are a genetically highly variable family of viruses that infect vertebrates and have succeeded in infecting humans many times by overcoming the species barrier. The severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), which initially appeared in China at the end of 2019, exhibits a high infectivity and pathogenicity compared to other coronaviruses. As the viral coat and other viral components are recognized as being foreign by the immune system, this can lead to initial symptoms, which are induced by the very efficiently working immune defense system via the respiratory epithelium. During severe courses a systemically expressed proinflammatory cytokine storm and subsequent changes in the coagulation and complement systems can occur. Virus-specific antibodies, the long-term expression of which is ensured by the formation of B memory cell clones, generate a specific immune response that is also detectable in blood (seroconversion). Specifically effective cytotoxic CD8+ T‑cell populations are also formed, which recognize viral epitopes as pathogen-specific patterns in combination with MHC presentation on the cell surface of virus-infected cells and destroy these cells. At the current point in time it is unclear how regular, robust and durable this immune status is constructed. Experiences with other coronavirus infections (SARS and Middle East respiratory syndrome, MERS) indicate that the immunity could persist for several years. Based on animal experiments, already acquired data on other coronavirus types and plausibility assumptions, it can be assumed that seroconverted patients have an immunity of limited duration and only a very low risk of reinfection. Knowledge of the molecular mechanisms of viral cycles and immunity is an important prerequisite for the development of vaccination strategies and development of effective drugs.

Für die Bindung des Virus an die Wirtszelle ist das virale Glykoprotein, das sog. Spike(S)-Protein verantwortlich (. Abb. 1). Mit hoher Affinität bindet SARS-CoV-2 über die Rezeptor-Bindungs-Domäne (RBD) des auf der Oberfläche der Virushülle inkorporierten Spike-Proteins an den Zielrezeptor der Wirtszellen, das Angiotensinkonvertierende Enzym 2 (ACE2). Verschiedene Mechanismen unterstützen die Internalisierung des Viruspartikels in die Zelle, die dann wiederum neue virale einzelsträngige RNA [8] , neues Viruskapsid und neues Hüllprotein produziert (. Abb. 2). SARS-CoV-2 kann v. a. an Epithelzellen der Atemwege, Alveolarepithelzellen, vaskuläre Endothelzellen und Makrophagen der Lunge binden, die alle ACE2 exprimieren. Aber auch Enterozyten und andere Zellen exprimieren den SARS-CoV-2-Eintrittsrezeptor und weisen damit die wichtigste Zielstruktur des Virus auf [9, 10] . ACE2 befindet sich auch auf Gliazellen. Aus Versuchen an Mäusen gibt es Hinweise darauf, dass SARS-CoV-2 durch retrograden Transfer über das olfaktorische Epithel bzw. Os cribriforme in das Gehirn eindringen und somit Störungen des Geruchsinns verursachen könnte. Obwohl die systemische Form einer Virämie für Coronaviren untypisch ist, kann eine Störung der Blut-Hirn-Schranke das direkte Eindringen des Virus in das Gehirn erleichtern [11, 12] .

Der Name "Coronaviren" leitet sich von der dichten Anordnung viraler Glykoproteine, den S-Proteinen, auf der Oberfläche des Viruspartikels ab (. Abb. 1). Diese Anordnung erscheint im Elektronenmikroskop wie eine Korona um das Viruspartikel. Das S-Protein setzt sich aus 2 Untereinheiten zusammen. Die S1-Untereinheit besteht aus einer aminoterminalen Domäne und einer rezeptorbindenden Domäne (RBD, Aminosäure 318-510 [13] ). Innerhalb von Endosomen wird die S1-Untereinheit abgespalten, wodurch das Fusionspeptid der S2-Unterheit freigesetzt wird, welches die Verschmelzung der Virushülle mit der Endosomenmembran induziert. Das Virus weist eine besondere Glykansignatur an der Oberfläche auf, die für eine nativ gefaltete trimere Spitze charakteristisch ist und sich von anderen Viren unterscheidet [14] . Neben der höheren Bindungsaf- 

Bindungsaffinität · Immunantwort · SARS-CoV-2 · Serokonversion · Virusreplikation

Coronaviruses are a genetically highly variable family of viruses that infect vertebrates and have succeeded in infecting humans many times by overcoming the species barrier. The severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), which initially appeared in China at the end of 2019, exhibits a high infectivity and pathogenicity compared to other coronaviruses. As the viral coat and other viral components are recognized as being foreign by the immune system, this can lead to initial symptoms, which are induced by the very efficiently working immune defense system via the respiratory epithelium. During severe courses a systemically expressed proinflammatory cytokine storm and subsequent changes in the coagulation and complement systems can occur. Virus-specific antibodies, the long-term expression of which is ensured by the formation of B memory cell clones, generate a specific immune response that is also detectable in blood (seroconversion). Specifically effective cytotoxic CD8+ T-cell populations are also formed, which recognize viral epitopes as pathogen-specific patterns in combination with MHC presentation on the cell surface of virus-infected cells and destroy these cells. At the current point in time it is unclear how regular, robust and durable this immune status is constructed. Experiences with other coronavirus infections (SARS and Middle East respiratory syndrome, MERS) indicate that the immunity could persist for several years. Based on animal experiments, already acquired data on other coronavirus types and plausibility assumptions, it can be assumed that seroconverted patients have an immunity of limited duration and only a very low risk of reinfection. Knowledge of the molecular mechanisms of viral cycles and immunity is an important prerequisite for the development of vaccination strategies and development of effective drugs.

Binding affinity · Immune response · SARS-CoV-2 · Seroconversion · Viral replication finität des S-Proteins an ACE2 enthält SARS-CoV-2 eine Furin-artige Spaltstelle. Neben dieser Vorspaltung erleichtert die zelluläre transmembrane Serinprotease 2 (TMPRSS2) den Eintritt des Virus in die Wirtszelle [15] 

Eine starke Virusvermehrung innerhalb des respiratorischen Epithels kann zu einem Übergreifen der Infektion auf die Lunge führen. Die insgesamt beobachteten Krankheitsverläufe sind vielfältig und variieren stark. Neben symptomlosen Infektionen v. a. bei Kindern und Jugendlichen wurden überwiegend milde bis moderate Verläufe beobachtet, jedoch auch schwere mit beidseitigen Lungenentzündungen bis hin zu Lungenversagen und Tod. Obwohl die Transmission durch Aerosole gegenüber dem möglichen fäkal-oralen Übertragungsweg im Vordergrund steht, handelt es sich bei COVID-19 keineswegs um eine reine Erkrankung der Atemwege. Neben Gewebeschäden, die durch direkte Virusreplikation verursacht werden, spielt eine aggressive Entzündungsreaktion eine wesentliche Rolle; neben der Virusinfektion ist somit die Wirtsreaktion ent-scheidend, und es kommt zur Immunpathologie (. Abb. 3). Das akute Lungenversagen, auch "acute respiratory distress syndrome" (ARDS), schwerer Verläufe ist durch Atembeschwerden und niedrigen Sauerstoffgehalt im Blut gekennzeichnet [17] . Sekundäre bakterielle und Pilzinfektionen wurden beschrieben. Oft verursacht eine überschießende Immunreaktion Multiorganschäden, die zum Organversagen von Herz, Leber und Nieren führen [18, 19] . Eine reduzierte ACE2-Expression und somit der Verlust der pulmonalen ACE2-Funktion tragen zum akuten Lungenschaden bei [20] . Zunehmend verdichten sich aber auch Hinweise, dass eine Aktivierung des Gerinnungssystems, eine Komplementaktivierung, Mikrothrombenbildung und eine fortschreitende Mikroangiopathie in schweren Verläufen auftreten [21, 22] .

Eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle der frühen Infektion und somit asymptomatischen Infektionsverläufen könnte der natürlichen Immunität über Interferone zukommen [23] . SARS-CoV ist sensitiv gegenüber Typ-I-und -III-Interferonen und hat aus diesem Grund effiziente Mechanismen entwickelt, um die Interferoninduktion zu antagonisieren [24] . Dementsprechend werden Interferone als potenzielle Therapieoptionen evaluiert, die v. a. in der Frühphase der Infektion die Entstehung einer fulminanten COVID-19-Erkrankung verhindern könnten. Vorsicht ist bei fortgeschrittener Infektion geboten, da Interferone in diesem Stadium zu einer Verstärkung der Inflammation und somit Immunpathogenese führen könnten [23] .

Erste Studien haben gezeigt, dass Personen nach durchgemachter SARS-CoV-2-Infektion spezifische Antikörper entwickeln, die vorrangig gegen das Nukleokapsid-und/oder S-Protein gerichtet sind. Bei der Mehrzahl der Patienten findet diese Serokonversion in der zweiten Woche nach Symptombeginn statt [25] .

Innerhalb von 5 bis 6 Tagen nach Symptombeginn erreicht die Viruslast von SARS-CoV-2 ihren Höhepunkt ( [26] [27] [28] ; . Abb. 3). Bereits eine Woche nach Symptombeginn werden die ersten B-Zellbasierten Immunantworten identifiziert [29] , oft zuerst gegen das Nukleokapsid(N)-Protein. Vier bis 8 Tage nach Beginn der Symptome werden Antikörper gegen das S-Protein detektiert [30, 31] . Die meisten Patienten entwickeln neutralisierende Antikörper ab Woche 3 [32] . Ein Zusammenhang zwischen Virustiter, Schweregrad der Infektion und Höhe der Antikörpertiter wurde beobachtet ist jedoch nicht zwingend. Nach positiven Erfahrungen mit Plasmaspenden wird neutralisierenden Antikörpern, die gegen die Bindungsdomäne des S-Proteins gerichtet sind, ein mögliches therapeutisches Potenzial eingeräumt [33] .

Auch wenn sich die Majorität der in der Entwicklung befindlichen mehr als 100 Impfstoffkandidaten auf die Ausbildung einer neutralisierenden Immunantwort über Antikörper fokussiert, darf nicht vergessen werden, dass auch bei einer SARS-CoV-2-Infektion spezifische T-Zellen zur immunologischen Kontrolle der Erkrankung beitragen. CD8positive T-Zellen können eine protektive Immunität aufbauen, bei der spezifisch wirksame T-Killer-Zellpopulationen die Viruspeptide als pathogenspezifische Muster in Verbindung mit einer MHC-Präsentation auf der Zelloberfläche virusbefallener Zellen erkennen und diese Zellen abtöten. Unklar ist zum jetzigen Zeitpunkt, wie regelhaft, robust und dauerhaft diese Immunität wirksam ist. Die Erfahrungen mit anderen Coronavirus-Infektionen (SARS und MERS) deuten darauf hin, dass die Immunität bis zu 3 Jahre anhalten könnte [16] . Durch Tierversuche an Rhesusaffen, früheren Erkenntnissen zu SARS sowie Plausibilitätsannahmen gehen Experten davon aus, dass genesene Patienten ein nur sehr geringes Reinfektionsrisiko haben. Rezente Studien unterstützen diese Annahme, da auch einige Menschen ohne vorherige SARS-CoV-2-Infektion über zelluläre Abwehrmechanismen verfügen. Wahrscheinlich können Kreuzimmunitäten aufgrund der Infektion mit anderen Coronaviren dazu beitragen. T-Zellen können Infektionen auf 2 verschiedene Arten verhindern: T-Helferzellen (CD4 + ) unterstützen die humorale Antwort der B-Zellen und der übrigen Immunabwehr, während zytotoxische CD8 + -T-Zellen betroffene, virusinfizierte Zellen gezielt attackieren und zerstören können. Nach milden Erkrankungsverläufen wiesen alle Patienten Helferzellen auf, die das Spike-Protein erkannten [34] . Die T-Zell-Antworten konzentrieren sich nicht nur auf Epitope im Spike-Protein. Auf Grundlage bioinformatischer Voraussagen konnte T-Zell-Reaktivität auch gegen weitere virale Proteinfragmente bestätigt werden, so gegen das virale M-und N-Protein und Proteinepitope aus weiteren viralen Leserahmen. Über 70 % der 10 Untersuchten und 20 % unter 20 nicht exponierten Kontrollpersonen verfügten über spezifische T-Killerzellen [34] .

Ganz ähnliche Häufigkeiten einer deutschen Stichprobe geben Anlass zu Optimismus: 83 % infizierter Patienten und 34 % seronegativer gesunder Spender wiesen reaktive T-Zellen auf [35] .

Die T-Zellen gesunder Spender reagierten ausschließlich auf den C-terminalen Teil des Spike-Proteins, das durch eine höhere Homologie zu endemischen Erkältungs-Coronaviren gekennzeichnet ist. Die Zellen Infizierter wiesen zudem höhere CD38-und HLA-DR-Spiegel auf, ein Hinweis auf eine kürzlich erfolgte Aktivierung. Prospektive Kohortenstudien werden zeigen, ob entsprechende T-Zell-Antworten mit günstigeren Verläufenähnlich wie seinerzeit im Rahmen der SARS-Infektion -assoziiert sind [36] . Zelluläre Abwehrreaktionen des oberen Rachenraums und bronchoalveolären Systems dürften zur Dysregulation bei schweren Verläufen ebenso beitragen wie zur Kontrolle der Erkrankung nach klonaler Expansion spezifischer Abwehrzellen [37] . Dass Patienten trotz einer angeborenen Antikörperbildungsstörung (Agammaglobulinämie) oder einer medikamentös bedingten Störung der humoralen Antwort die Infektion überstehen können, zeigt, wie wichtig zelluläre und unspezifische Immunität bei der Abwehr und der körpereigenen Kontrolle von SARS-CoV-2-Infektionen sind [38, 39] . 

coronavirus: classifying 2019-nCoV and naming it SARS-CoV-2

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