Kurzanalyse des Coronavirus SARS-CoV-2

von Dr. Walter Seelentag, Pathologe und Molekularbiologe aus der Schweiz

Seit dem epidemischen Auftreten des neuartigen Coronavirus ab Mitte Dezember 2019 in China gibt es zwar relativ viele Presseberichte und Meldungen in den sozialen Medien, aber deren Verlässlichkeit ist schwierig einzuordnen. Dieses Virus wurde ursprünglich Wuhan-Virus, dann 2019-nCoV genannt und ist der Erreger einer Erkrankung vorwiegend der Atemorgane mit dem Namen COVID-19, einer Abkürzung der englischen Bezeichnung „Corona virus disease 2019“. Der Zweck der vorliegenden Zusammenstellung, ist es, gestützt auf wissenschaftliche peer-reviewte Publikationen, Informationen für den interessierten, aber nicht unbedingt wissenschaftlich gebildeten Mitmenschen zusammenzustellen.

Dabei interessieren insbesondere folgende Fragen:

• Wie ist dieses neuartige Virus verwandt mit den anderen Coronaviren? Wie zum Beispiel dem SARS-Coronavirus (SARS-CoV-1), einer Abkürzung von „severe acute respiratory syndrome“, der im Süden Chinas im November 2002 entdeckt wurde, oder dem MERS-Coronavirus, einer Abkürzung von „Middle East respiratory syndrome“, welcher erstmals in Saudi Arabien im Jahr 2012 für Todesfälle gesorgt hatte.
• Besitzt das Virus eine Spezifizität für bestimmte Menschengruppen, wie zum Beispiel Asiaten?
• Wie stark ansteckend ist dieses neue Virus? Wie lange ist die Dauer der Inkubation, das heißt, wie lange dauert es von einer Ansteckung bis zum Auftreten der ersten Krankheitszeichen? Ist der Patient während diesem Zeitraum schon ansteckend?
• Wie hoch ist die Mortalitätsrate, das heißt, wie groß ist das Risiko an der Infektion und ihren Folgen zu sterben? Sind gewisse Altersgruppen anfälliger?

Leider sind zurzeit zuverlässige Daten eher rar und auch die offiziellen Meldungen der chinesischen Regierung zu diesem Thema sind meiner Meinung nach mit Vorsicht zu interpretieren. Daher ist es schwierig, insbesondere die Inkubationsdauer und die Mortalitätsrate genau festzulegen. Deshalb sollen in dieser ersten Analyse vor allem die grundlegenden Aspekte dieser Erkrankung beleuchtet werden, insbesondere die der Verwandtschaft mit anderen Viren und des Infektionsmechanismus auf der zellulären Ebene. Auch sollen noch kurz die Wege der Virenübertragung erwähnt werden und, damit verbunden, die notwendigen Schutzmaßnahmen.

Es liegt in der Natur der Sache, daß bei einer neuen Krankheit neben den harten Fakten auch ein Raum für Spekulationen bleibt, insbesondere in Bezug auf den Ursprung des Virus, was auch den Reiz dieser Thematik ausmacht. Dabei soll jedoch versucht sein, diese beiden Elemente voneinander zu trennen, so gut es geht.

Bevor auf Einzelheiten des Coronavirus eingegangen werden kann, muss die Frage beantwortet werden: „Was ist eigentlich ein Virus?“

Viren unterscheiden sich von anderen Infektionserregern, wie zum Beispiel Bakterien, dadurch, dass sie keinen eigenen Stoffwechsel haben. Das heißt, dass Viren weder in der Lage sind Energie durch chemische Reaktionen zu wandeln, noch über die Möglichkeit verfügen, die Substanzen zu synthetisieren, welche sie für ihren eigene Struktur benötigen. Daraus folgt, dass Viren unfähig sind, sich ohne eine Wirtszelle zu vermehren, deren Energiehaushalt sie anzapfen können und deren Stoffwechselmaschinerie sie nutzen können, um ihre eigenen Bestandteile herzustellen und ihre Erbsubstanz zu vervielfältigen.

Der Aufbau von Viren ist relativ einfach. Sie bestehen aus genetischem Material, dem manchmal auch noch ein paar Enzyme beigegeben sind. Das Ganze wird in der Regel von einer Kapsel aus Proteinen, dem sogenannten Kapsid, geschützt. Dieser Virenpartikel, der auch als Virion bezeichnet wird, kann bei manchen Viren, wie dem Grippevirus oder dem Coronavirus, noch von einer Hülle umgeben sein, welche von der Wirtszelle stammt, die der Vermehrung der Viren gedient hat. Obwohl diese Hüllmembran von der Wirtszelle stammt, hat der Vermehrungsmechanismus der Viren dafür gesorgt, dass in diese Membran zahlreiche, virenspezifische Proteine eingelassen sind, welche für die Infektion von neuen Wirtszellen absolut unerlässlich sind. Bei den Coronaviren werden diese Proteine „spike protein“ oder kurz S-Protein genannt, da sie wie Stacheln aus der Oberfläche des Virus herausragen, was auch zur Namensgebung Coronavirus, d.h. Kronenvirus geführt hat. Nachfolgend werden wir noch im Detail darauf eingehen.

Ohne allzuweit in die Klassifikation der Viren eintauchen zu wollen, kann man sie anhand der Art des genetischen Materials in DNS- und in RNS-Viren einteilen, also in Viren deren genetisches Material entweder aus Desoxyribonukleinsäure oder aus Ribonukleinsäure besteht. Beim Coronavirus handelt es sich um ein positiv-einsträngiges RNS-Virus. Das bedeutet, daß die Information auf einem Strang eines RNS Moleküls kodiert ist, und direkt, ohne Umwege, von der Wirtszelle in ein Protein übersetzt werden kann. Im Gegensatz dazu, liegt die genetische Information bei einer Säugetierzelle in Form eines Doppelstrangs eines DNS Moleküls vor, von welchem erst die Information, ein Gen, in ein RNS-Molekül kopiert werden muß, bevor es als Vorlage für die Synthese eines Proteins dienen kann.

Nach diesen einführenden Bemerkungen soll die Genetik des SARS-CoV-2 unter die Lupe genommen werden. Diese Betrachtungen stützen sich vor allem auf die Arbeit von Roujian Lu und Wenjie Tan et al, welche im Journal Lancet erschienen ist unter dem Titel „Genomic characterisation and epidemiology of 2019 novel coronavirus: implications for virus origins and receptor binding“ und die unentgeltlich von der Website des Lancet Journals heruntergeladen werden kann.[1]

In dieser Studie untersuchen die Autoren Viren, welche sie von neun Patienten aus Wuhan isoliert hatten, die mit viraler Lungenentzündung unbekannten Ursprungs hospitalisiert wurden. Von diesen Patienten hatten acht den Fischmarkt von Wuhan besucht, von dem die Epidemie ihren Ausgang genommen haben soll. Der neunte Patient hatte den Markt nicht besucht, hatte aber in einem benachbarten Hotel übernachtet. Die Autoren sequenzierten den genetischen Code aller acht Virenstämme und verglichen die Sequenzen untereinander, sowie mit den bisher bekannten Coronaviren. Dabei gelangten sie zu folgenden Feststellungen.

1. Die Sequenzen der Viren aller 8 Patienten nahezu identisch, mit einer Übereinstimmung von 99,98%. Dies ist erstaunlich, da die RNS-Viren im allgemeinen eine starke Neigung zu spontanen Mutationen haben, was sich durch das Fehlen eines Mechanismus zur Korrektur von Kopierfehlern erklären lässt. Daraus folgern die Autoren, dass die Patienten alle von einem einzigen Virenstamm innerhalb einer kurzen Zeitspanne infiziert wurden. Dieser Punkt wird später bei den Spekulationen noch einmal zur Sprache kommen.
2. Durch Vergleich der Gensequenz des SARS-CoV-2 mit den bisher bekannten Coronaviren lässt sich eine Art Stammbaum erstellen, indem man Viren mit ähnlichen Sequenzen zu Gruppen zusammenfasst. [2] Diese sogenannte phylogenetische Analyse zeigt, daß das SARS-CoV-2 nahe verwandt ist mit zwei Fledermaus-Coronaviren, dem bat-SL-CoVZC45 mit einer allgemeinen Übereinstimmung von 87,99% und dem bat-SL-CoVZXC21 mit einer allgemeinen Übereinstimmung von 87,23%. SARS-CoV-2 gehört damit zur Untergattung der Sarbecoviren zu denen auch das SARS-Coronavirus aus dem Jahre 2002 (SARS-CoV-1) gehört, nicht aber das MERS-Coronavirus, welches in die Untergattung der Merbecoviren einzuordnen ist.
3. Richtig interessant wird es, wenn man die Übereinstimmungen der Sequenzen nun auf der Ebene der einzelnen Gene betrachtet, das heißt den einzelnen Abschnitten der RNS, die für die verschiedenen Proteine kodieren. Davon zeigt das S-Gen, welches das S-Protein kodiert, die niedrigste Übereinstimmungsrate mit den Fledermausviren, von lediglich 75%. Das S-Protein ist beim SARS-CoV-2 deutlich länger als die S-Proteine der Fledermausviren wie auch die der SARS- und MERS-Coronaviren. Überraschenderweise besitzt das S-Protein des SARS-CoV-2 eine auffallende Übereinstimmung mit dem des SARS-CoV-1, obwohl es phylogenetisch viel weiter von ihm entfernt ist als von den Fledermausviren. Daraus, sowie aus der Tatsache, daß sich die Fledermäuse zur Zeit im Winterschlaf befinden, schließen die Autoren, daß es einen anderen Zwischenwirt zwischen der Fledermaus und dem Menschen geben muss. Auch auf diesen Punkt werden wir bei den Spekulationen wieder zurückkommen.
4. Mit Hilfe von Strukturmodellen konnten die Forscher auch zeigen, dass die Bindungstelle des S-Proteins beim aktuellen SARS-CoV-2 sehr ähnlich mit der des SARS-CoV-1 ist. Deshalb stellen sie die Vermutung auf, daß SARS‑CoV‑2 ebenfalls das angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) als Bindungspartner haben könnte. Die Tatsache, dass ACE2 vor allem auf Lungenzellen, Herzzellen und Nierenzellen zu finden ist, könnte die Komplikationen der COVID-19 Erkrankung erklären, in Form von Lungenentzündungen, Herz- und Nierenversagen. Auch ergibt sich daraus der Hinweis, dass SARS-CoV-2 nicht spezifisch für bestimmte Menschengruppen sein kann, da ACE2 bei allen Menschen gleich ist.

Nun zur Spekulation.

Aus der Schlussfolgerung Nummer drei, nämlich der, daß das SARS-CoV-1 aus zwei phylogenetisch weiter auseinanderliegenden Teilen besteht, folgt nicht zwangsmäßig die Notwendigkeit eines anderen Tieres als Zwischenwirt, wie es die Autoren postulieren. Es könnte sich auch um eine menschengemachte Zwischenstation handeln, nämlich ein virologisches Labor in dem man zwei etwas entfernter verwandte Viren kombiniert hatte, um die Spezifizität des ursprünglichen SARS-CoV-1, welche die Gefährlichkeit des Virus bedingt, mit gewissen Eigenschaften des anderen Virus zu verbinden. Diese Eigenschaften könnten vielleicht eine langsamere Virusreplikation sein, welche zu einer längeren Inkubationsdauer führt, in der der Patient zwar asymptomatisch, das heißt ohne Zeichen der Krankheit ist, aber trotzdem schon infektiös ist und so das Virus optimal verbreitet. Aber wie gesagt, handelt es sich lediglich um eine Spekulation, da sich in der Literatur keinerlei Angaben über die Eigenschaften der beiden Coronaviren bat-SL-CoVZC45 und bat-SL-CoVZXC21 finden lassen.

Auch die Schlussfolgerung Nummer 1, nämlich die, dass die ersten Patienten alle mit dem gleichen Stamm infiziert wurden, könnte auf eine gezielte Ausstreuung der Infektion hinweisen.

Zum Schluss noch einige mehr praktische Anmerkungen.

Das neue Coronavirus scheint sehr ansteckend zu sein, ähnlich wie das Grippevirus. Auch zeigten neuere Untersuchungen, dass im Gegensatz zum SARS-CoV-1, schon asymptomatische Patienten im Frühstadium der Infektion eine sehr hohe Viruspartikelanzahl im Mund- und Rachenraum besitzen und somit die Übertragung einerseits durch Tröpfcheninfektion beim Sprechen erfolgt und, sobald die Patienten symptomatisch werden, durch Tröpfcheninfektion beim Niesen und Husten. Dagegen kann man sich mit einer Atemmaske schützen. Oftmals wird dabei vergessen, daß die Bindehaut der Augen ebenfalls eine ideale Einlasspforte für das Virus ist. Daher ist auch das Tragen einer Schutzbrille unerlässlich, wenn man sich vor Tröpfcheninfektionen schützen will.

Ein zweiter wichtiger Übertragungsweg scheinen Schmierinfektionen zu sein, ähnlich wie beim SARS-CoV-1 und MERS-CoV. Darunter versteht man, dass der Patient seine Hände kontaminiert, zum Beispiel beim Schneuzen, vor allem in ein schon gebrauchtes Taschentuch, und dann die Viren auf irgendeinen Gegenstand überträgt den er berührt, wie zum Beispiel einen Einkaufswagen. Wenn nun jemand anders diesen Gegenstand danach ebenfalls anfasst, so übertragen sich die Viren auf die Hände dieser Person. Wenn diese Person dann damit ihre Schleimhäute berührt, wie zum Beispiel den Mund oder die Augen, dann kann sie sich mit dem Virus infizieren. Beim SARS-CoV-1 ist bekannt, daß das Virus auf inerten Oberflächen bis zu fünf Tagen infektiös bleiben kann.

Eine weitere, für die rasante, weltweite Verbreitung des neuen Coronavirus hilfreiche Eigenschaft ist die relativ lange Inkubationszeit. Darunter versteht man die Zeitspanne zwischen der Infektion und dem Auftreten der Symptome, das heißt der Krankheitserscheinungen. Diese scheint sehr variabel zu sein. Die ersten Daten aus Wuhan ergeben eine durchschnittliche Inkubationszeit von fünf Tagen, aber es häufen sich Fallberichte aus China mit einer Dauer von bis zu 24 Tagen.

Die Sterblichkeitsrate ist zu Zeit noch am schwierigsten zu beziffern. Bei hospitalisierten Patienten scheint sie um die 11% zu liegen. Da aber nur Patienten mit einer schweren Erkrankung hospitalisiert werden und die Dunkelziffer der nicht diagnostizierten Patienten hoch sein dürfte, könnte die tatsächliche Sterblichkeitsrate niedriger sein. Auf der anderen Seite ist etwa die Hälfte der in die Studien eingeschlossenen Patienten noch nicht genesen, so daß sich der Prozentsatz der Todesfälle auch erhöhen könnte.

Betreffend die Anfälligkeit, so dürften die allgemeinen Grundregeln bei Infektionskrankheiten gelten. Am stärksten gefährdet sind die älteren Menschen, sowie Patienten mit geschwächten Immunsystem oder auch Menschen mit eingeschränkter Lungenfunktion, wie zum Beispiel Raucher. Aber auch hier fehlen noch epidemiologische Studien, welche dies für das neuartige Coronavirus belegen könnten.

Nachtrag:

Um die Anzahl der am Corona Virus verstorbenen Personen in Wuhan auf Plausibilität zu prüfen, vollzieht der Autor dieser Analyse eine einfach nachvollziehende Rechnung.

Als Berechnungsgrundlage werden folgende Eckdaten zugrunde gelegt:

1. Einwohnerzahl Wuhans: 8 Millionen laut Wikipedia
2. Laut den Youtube-Reportagen des verschwundenen chinesischen Journalisten Li Zehua betrug die Auslastung der Krematorien vor Covid-19 einen halben Arbeitstag, während der Epidemie 24h/Tag.
3. Er berichtete außerdem von mobilen Krematorien, deren Anzahl und Kapazität unbestimmt sind.
4. Die Sterblichkeitskurve von Deutschland im Jahre 1990, von Wikipedia:
   

Folgende Annahmen (alle sehr konservativ):

1. Die Bevölkerung von Wuhan ist jünger als die Deutschlands und das durchschnittliche Alter auf 30 Jahre, was auf jeden Fall eher optimistisch ist.
2. Ich nehme an, dass die Gesundheitsversorgung und Sterberate ähnlich verläuft wie die von Deutschland im Jahre 1990, was auch optimistisch sein dürfte.
3. Ich setze den chinesischen halben Arbeitstag auf 4 Stunden an.
4. Ich nehme an, dass das Zuziehen der mobilen Krematorien die vorhandene Kapazität mindestens verdoppelt, da ich annehme, dass man sich darunter nicht die Mühe gemacht hätte.

Die Berechnung:

* Durchschnittliche normale Sterberate in Wuhan, abgelesen aus beiliegender Kurve: 100 Tote pro 100’000 Einwohner pro Jahr
* Anzahl Tote pro Tag in Wuhan in normalen Zeiten = 100 * 8 EE 6 / 1 EE 5 / 360 = 800 / 36 = *200 / 9 == 22 Tote / Tag
* Anzahl Tote während der Epidemie bei Vollauslastung der Krematorien ohne Berücksichtigung der mobilen Krematorien = 22 Tote / 4 *24 = *132 Tote / Tag
* Dito, unter Berücksichtigung der mobilen Krematorien = 132 * 2 = *264 Tote / Tag*
* Daraus folgt die Anzahl der Toten in *Januar und Februar*: 264 * 60 = *15’840 Tote*

Daraus schlussfolgere ich, dass es in Wuhan allein während der Monate Januar und Februar 2020 mindestens fünfmal mehr Tote gegeben haben muss, als offiziell in der gesamten Welt für die gesamte Dauer der Epidemie angegeben wurde (3254 Tote weltweit, 2871 Tote in Hubei, laut Jons Hopkins CSSE). Ich schreibe mindestens, da meine Annahmen sehr konservativ sind.

Man könnte auch Berechnungen für eine Ober- und eine Untergrenze anstellen indem man jeweils alle worst-case respektive best-case Szenarien berücksichtigt.

Was ich hinterfragen wollte ist die Sterberate, welche mit etwa 3.5% (aus den Hopkins Daten errechnet) relativ niedrig erscheint. Allerdings ist mir keine Möglichkeit eingefallen, die Anzahl der Infizierten zu eruieren, so dass wir die tatsächliche Sterberate nicht berechnen können. Wahrscheinlich weiß die chinesische Führung selbst nicht, wie viele ihrer Bürger infiziert sind.

[1]          https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0140-6736(20)30251-8

[2]          Man kann praktisch einen Stammbaum eines Virus erstellen, indem man die Gensequenzen vergleicht, um sehen welche Viren von welchem anderen Viren abstammen oder gemeinsame Ahnen haben müssen. Man nennt diese Untersuchung eine phylogenetische Analyse, abgeleitet aus dem Griechischen phylon, der Stamm und genetikós, der Ursprung. Ohne zu weit in die Details zu gehen, hier einen kurzen Überblick über den Stammbaum der Familie der Coronaviren, in der uns speziell die Unterfamilie der Orthocoronaviren interessiert: darin gibt es die Gattungen der Alpha-, Beta-, Gamma- und Delta-Coronaviren. SARS-CoV-2 gehört zur Gattung der Betacoronaviren, welche ihrerseits in verschiedene Untergattungen unterteilt wird, von denen uns die Untergattung der Sarbecoviren und der Merbecoviren interessieren. SARS-CoV-2 gehört wie auch der SARS-Coronavirus aus dem Jahre 2002 (SARS-CoV-1) zu den Sarbecoviren und der MERS-Coronavirus zu den Merbecoviren.