Personalisierte Medizin in der Virologie

Individualisierte Infektionsmedizin am Beispiel von Hepatitis E Virus Infektionen

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  • Abb. 1: Identifizierung von Viruspopulationen im Wirt. ©Tabea Cubelic, Bundesministerium für Bildung und Forschung.
  • Abb. 2: Mögliche Ausgänge einer Infektion mit HEV und Genomveränderungen bei HEV, die mit RBV Therapieversagen assoziiert sind. Eine hohe Heterogenität ist assoziiert mit persistenten Infektionen, während eine niedrige Heterogenität eher selbstlimitierende Infektionen hervorruft. Die Erfolgswahrscheinlichkeit einer Ribavirin Therapie hängt auch von Nukleotidvarianten im HEV Genom ab. Nukleotidvarianten, die mit Ribavirin Therapieversagen assoziiert sind, sind in der Box dargestellt. Annotiert sind außerdem die funktionellen Genabschnitte der Viruserbinformation. Diese wird unterteilt in drei offene Leseraster (engl.: open reading frames; ORF). ORF1: MeT – methyltransferase, Y – Y-domain, PCP – papain-like cysteine protease, X – Xdomain, Hel – helicase, RdRp – RNA-dependent RNA polymerase. Abbildung entnommen aus Current Opinion in Virology 6. Reprint mit Erlaubnis von Elsevier (Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)).

Bei der Behandlung von HIV-infizierten Menschen stehen heute eine ganze Reihe von spezifischen antiretroviralen Medikamenten zur Verfügung. Allen gemeinsam ist, dass sie die Vermehrung des Virus im Körper verhindern und die Viruslast senken. Unterschiede bestehen aber in ihrer Wirkungsweise. Je nach Medikamentenklasse wird der Eintritt des Virus in die Zelle, die Interaktion des Virus mit der Wirtszelle oder die Freisetzung neu produzierter Viruspartikel verhindert. Da man sich in der Klinik über die Wandelbarkeit des HI-Virus im Klaren ist, wird vor Therapiebeginn das virale Genom, die Erbinformation des Virus, sequenziert und auf bestimmte Mutationsmuster hin untersucht. Die Zusammenstellung der antiretroviralen Medikamente wird dann spezifisch auf den jeweiligen Patienten und das ihn befallene Virus zugeschnitten.

Auch bei chronisch Hepatitis C Virus (HCV) infizierten Patienten wurde bis vor kurzem noch der Geno- bzw. Subtyp des zugrundeliegenden Pathogens bestimmt, um entsprechend medikamentös intervenieren zu können. Seit der Zulassung sogenannter direkt wirkender antiviraler Medikamente (direct acting antivirals; DAA) die gegen alle bekannten HCV Typen wirken, ist diese Unterscheidung jedoch nicht mehr nötig.

Behandlung von Hepatitisviren

HIV und HCV als Beispiele veranschaulichen, dass Ansätze personalisierter Medizin auch in der Virologie schon in der Klink angewendet werden. Mit der hier vorgestellten Forschung soll ein entscheidender Teil dazu beigetragen werden, ein weiteres Virus dieser Behandlungsidee zuzuführen. Es werden hauptsächlich Hepatitisviren untersucht, also Viren die eine Leberentzündung hervorrufen können. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf einem recht neuem Vertreter der Hepatitis auslösenden Pathogene, dem Hepatitis E Virus (HEV). Obwohl HEV erst seit wenigen Jahren auf dem Radar von Ärzten in Industrienationen präsent ist, ist das Virus doch Hauptverursacher akuter Virushepatitiden und weltweit eine große gesundheitliche Belastung, die jedes Jahr über 3.000.000 symptomatische Infektionen und mehr als 70.000 Todesfälle verursacht [1]. Etwa jeder sechste Mensch in Deutschland hat schon einmal in seinem Leben eine HEV Infektion durchlebt.

Da diese bei intaktem Immunsystem in der Regel ohne Symptome ablaufen, bemerken Patienten die Infektion meist gar nicht (Abb. 1). Als Hauptgefahrenquelle für eine HEV Übertragung gelten rohes oder nicht durchgegartes Schweinefleisch, sowie kontaminierte Blutprodukte. Bei Patienten mit reduziertem oder unterdrücktem Immunsystem, wie Organtransplantatempfängern oder HIV-infizierten Patienten kann HEV jedoch zu chronischen Verläufen führen. Fatalerweise sind die Therapieoptionen für chronisch infizierte Patienten stark limitiert. Eine Dosisreduktion der Immunsuppressiva und pegyliertes Interferon (IFNα) sind Möglichkeiten der Intervention. Dennoch machen nicht zufriedenstellende Erfolgsquoten der Therapien und schwere Nebenwirkungen, darunter erhöhte Chance auf Abstoßung des empfangenen Organs den Einsatz anderer Medikamente notwendig [2]. Aktuell wird das antivirale Breitband-Medikament Ribavirin als Behandlungsmethode der Wahl angesehen. Die Therapie führt zwar bei der Mehrheit der Patienten zu einer Heilung innerhalb von 3-5 Monaten, für die sogenannten Therapieversager, bei denen Ribavirin nicht zu einer permanenten Senkung der Viruslast führt, stehen bedauerlicherweise keine weiteren medikamentösen Alternativen bereit. Einer der Gründe, warum die Forschung auf diesem Gebiet so schleppend vorangeht und man die Biologie des Virus, sowie potentielle Behandlungsmethoden, noch wenig versteht, ist die Tatsache, dass es immer noch kein verlässliches Zellkulturmodell gibt [3]. So lassen sich heutzutage in Labors nur einzelne Schritte der Virusvermehrung untersuchen. Den kompletten viralen Lebenszyklus kann man noch nicht in Zellkulturschalen abbilden.

Hepatitis E Behandlung verbessern

Ziel der hier vorgestellten Forschung ist es drei Hauptthemen in der HEV-Forschung zu bearbeiten: 1) Die Etablierung eines robusten Zellkultursystems, das die Adressierung von Fragestellungen zur Biologie des Virus in Wirtszellen ermöglicht. 2) Die Bereitstellung alternativer Medikamente für die Behandlung chronisch infizierter Patientinnen und Patienten. 3) Die Beantwortung der Frage, warum Ribavirin in manchen Fällen anschlägt und in anderen die Therapie nicht zu einer Ausheilung der Infektion führt.

Um zu klären, warum Ribavirin nicht immer den erhofften Therapieerfolg bringt, haben sie Serumproben chronisch infizierter Patienten über längere Zeiträume gesammelt. Die Kohorte schloss sowohl Therapieversager als auch Patienten die auf die Therapie angesprochen haben ein. Besonders interessiert waren die Forscher an den Nukleotidsequenzen der viralen Populationen und wie sie sich unter Ribavirin verhalten [4]. HEV trägt seine Erbinformation in Form von einem einzelnen RNA-Strang von ca. 7.200 Nukleotiden Länge mit sich. Eines der Proteine für das die RNA kodiert, ist eine Polymerase, mit deren Hilfe die Erbinformation vervielfältigt wird. Diese Polymerase ist aber fehleranfällig wodurch während des Replikationszyklus unzählige genetische Varianten desselben Virus entstehen. HEV bildet in seinem Wirt, wie viele andere RNA-Viren auch, eine sogenannte virale Population aus. Neueste Tiefensequenzierungsmethoden haben es erlaubt, die Dynamik dieser Populationen unter Ribavirintherapie in Patienten zu verfolgen (Abb. 1). Dabei fiel auf, dass eine persistente Infektion oft mit einer erhöhten Heterogenität der Viruspopulation einherging und dass bestimmte Varianten in Therapieversagern gehäuft auftraten. Interessanterweise waren diese Varianten in vielen Fällen schon vor Therapiebeginn als Minoritäten in den Populationen vorhanden. Während des untersuchten Zeitraums jedoch wurden sie zur dominanten Variante in der genetischen Nukleotidsequenz. Im Gegensatz dazu waren diese Mutationen in Patienten mit Therapieerfolg zu Beginn entweder nicht oder nur in viel geringem Umfang detektierbar. Diese Ergebnisse legen nahe, dass der Anteil bestimmter Varianten an der viralen Population beziehungsweise ihre Selektion in den ersten Therapiewochen prädiktiv für den Therapieerfolg insgesamt ist (Abb. 2). Damit konnten die Forscher zeigen, dass ihre in den klinischen Alltag problemlos implementierbare Methode genutzt werden kann, um frühzeitig Patienten mit erhöhtem Risiko eines Therapieversagens zu identifizieren [4].

Zurzeit wird versucht noch mehr Patienten mit chronischen HEV Verläufen zu identifizieren und die Kohorte einzuschließen. Dadurch sollen noch tiefere Erkenntnisse über die Selektion verschiedener Varianten in vivo gewonnen und verstanden werden, wie diese eine Ribavirinresistenz in HEV bedingen. Es werden sich davon eine verbesserte Prognosefähigkeit des Therapieerfolges unter Einbeziehung von Sequenzdaten von Seren chronisch infizierter Personen, sowie Erkenntnisse über den zugrundeliegenden Resistenzmechanismus erhofft. Mit der Ausweitung des Ansatzes auf mehr Patienten wird es nicht nur möglich sein, Resistenzen vorherzusagen, sondern auch den Einfluss dieser Veränderungen mit anderen Eigenschaften wie Risiko zur Chronifizierung zu korrelieren.

Translationalität ist in der heutigen Zeit ein oft geforderter Aspekt wissenschaftlichen Arbeitens. Sie muss in der medizinischen Forschung aber nicht ausschließlich den Weg von der Laborbank ans Krankenbett nehmen, sondern kann auch in die andere Richtung funktionieren. So konnten die Forscher um Daniel Todt mithilfe der in oben beschriebener Studie identifizierten Mutationen ihr HEV Zellkultursystem maßgeblich verbessern, um zukünftig alle Schritte des viralen Lebenszyklus abbilden zu können. Dies ist ein substantieller Fortschritt für die gesamte HEV Forschung und wird dabei helfen, Naturstoffe oder bereits zugelassene Medikamente auf ihre Aktivität gegen HEV im Hochdurchsatzverfahren zu testen. Erste Erfahrungen mit diesem System konnten schon genutzt werden, um die chemische Verbindung Silvestrol, ein natürliches Extrakt der Mahagonipflanze, als potenten Replikationshemmer des HEV zu identifizieren [5].

Mit ihrer Arbeit haben die Forscher den Grundstein für eine personalisierte Behandlung von HEV Infektionen legen können. Anhand detaillierter Analysen der Viruspopulation können Aussagen über den Therapieerfolg mit Ribavirin individuell getroffen werden. Mit ihrer Forschung zu anti-HEV Molekülen leisten sie einen Beitrag zur Bereitstellungen von alternativen Behandlungsmöglichkeiten bei negativer Prognose für einen Ribavirin-Therapieerfolg. Außerdem haben die Forscher der Ruhr-Uni durch den translationalen Transfer der in vivo gewonnenen Erkenntnisse die Voraussetzung für ein Zellkulturmodell geschaffen, das die Entwicklung neuer Therapiemöglichkeiten beschleunigen kann. Die Entwicklung neuer Behandlungsmöglichkeiten in der Zukunft wird wiederum helfen, das diagnostische Potential dieses Ansatzes anzuwenden.

Autor
Daniel Todt

Abteilung für Molekulare und Medizinische Mikrobiologie
Medizinische Fakultät
Ruhr-Universität Bochum
Bochum, Deutschland
daniel.todt@ruhr-uni-bochum.de

Zusatzinformation

Hepatitis E
Das Hepatitis E Virus trägt seine Erbinformation in Form von RNA. RNA-Viren ist gemeinsam, dass sie während der Vermehrung im Wirt mit bestimmter Häufigkeit Fehler einbauen. Dadurch wird die Erbinformation leicht verändert. Da pro Tag in einem infizierten Wirt mehrere Milliarden neuer Viren produziert werden, entsteht eine sog. Virus-Population, die sich durch eine gewisse Heterogenität im Erbgut auszeichnet. Klassische Sequenziermethoden können nur die am häufigsten vertretenen Erbinformation abbilden. Oft sind aber gerade die weniger häufig anzutreffenden Informationen entscheidend für den Therapieverlauf. Hier kommt die sog. Tiefensequenzierung ins Spiel, mit der Forscher in der Lage sind auch seltenere Varianten abzubilden.

Literatur

[1] Wedemeyer H, Pischke S, Manns MP: Pathogenesis and treatment of hepatitis e virus infection. Gastroenterology,142(6):1388-1397.e1 (2012)
[2] Todt D, François C, Anggakusuma, et al.: Antiviral Activities of Different Interferon Types and Subtypes against Hepatitis E Virus Replication. Antimicrobial agents and chemotherapy, 60(4):2132-2139 (2016)
[3] Todt D, Walter S, Brown RJP, Steinmann E.: Mutagenic Effects of Ribavirin on Hepatitis E Virus-Viral Extinction versus Selection of Fitness-Enhancing Mutations. Viruses, 8 (10) (2016)
[4] Todt D, Gisa A, Radonic A, et al.: In vivo evidence for ribavirin-induced mutagenesis of the hepatitis E virus genome. Gut, 65:1733-1743 (2016)
[5] Todt D, Moeller N, Praditya D, et al.: The natural compound silvestrol inhibits hepatitis E virus (HEV) replication in vitro and in vivo. Antiviral research. 2018;157:151-158.
[6] Todt D, Meister TL, Steinmann E: Hepatitis E virus treatment and ribavirin therapy: Viral mechanisms of nonresponse. Current opinion in virology, 32:80-87 (2018)

 

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