Genom-Sequenzierung : Corona-Mutationen frühzeitig erkennen

Die neue SARS-CoV-2-Virus-Variante B.1.1.7 aus Großbritannien sorgt derzeit für enorme Verunsicherung und auch heftige politische Debatten über zu ergreifende Gegenmaßnahmen. Es ist völlig unklar, wie viele Menschen sich in Deutschland bereits mit der Virus-Mutante infiziert haben und wie viele andere Varianten derzeit im Umlauf sind. Dabei gibt es längst Methoden wie die Genom-Sequenzierung, die Mutationen frühzeitig erkennen können. Während Länder wie Großbritannien hier große Erfolge verzeichnen, agiert Deutschland auf dem Gebiet regelrecht wie ein „Entwicklungsland“. Es fehlt an notwendigen Strukturen und ausreichenden Finanzierungsmöglichkeiten. 

Wieso kommt es zu Virus-Mutationen? 

Es ist normal, dass sich Viren durch Mutationen verändern. Laut Statistiken der Genomdatenbank Nextstrain.org sind bei SARS-CoV-2 mittlerweile weit über 1.000 Mutationen bekannt. Allein B.1.1.7, eine vergleichbar langsam mutierende Version, verzeichnet im Vergleich zur ursprünglichen Variante aus Wuhan 23 veränderte Genompositionen – davon sind 17 Veränderungen neu aufgetaucht. Erste Studien zeigen, dass diese Mutationen die Übertragbarkeit des Virus deutlich erhöhen und sich Menschen unter 20 Jahren deutlich häufiger als bisher infizieren. Eine erhöhte Übertragbarkeit erhöht selbst bei gleichbleibender Sterblichkeit den Druck auf das Gesundheitssystem, da schlichtweg mehr Menschen mit Symptomen behandeln werden müssen. 

Genom-Sequenzierung ermöglicht exakte Entschlüsselung von Viren

Die Genom-Sequenzierung mit der sogenannten Next-Generation-Sequencing-Methodik (NGS) ist das wichtigste Werkzeug für die Analyse des Erbguts von Viren, das uns derzeit zur Verfügung steht. Im Gegensatz zur qPCR-Analyse oder Antigen-Tests können wir damit das vollständige Erbgut jeder spezifischen Lebensform, wie auch des Corona-Virus SARS-CoV-2, Base für Base auflösen und entschlüsseln. Die dabei generierten digitalen DNA-Fragmente erlauben es uns, kleinste Veränderungen im Erbgut des Virus zu identifizieren. Mit diesen Daten sind wir also in der Lage, veränderte Eigenschaften – zum Beispiel die Infektiosnrate – durch neue Mutationen zu entdecken, die Mutationsraten des Virus zu verstehen oder Herkunfts- und Verbreitungsmuster nachzuvollziehen. 

Weltweit sind bereits hunderttausende positiver Abstrichproben des SARS-CoV-2 Virus-Genoms sequenziert worden und die Anzahl steigt täglich. Im Oktober 2020 wurde in Südafrika die Corona-Mutante 501.V2 entdeckt, die inzwischen ebenso Ländergrenzen überschritten hat und in Europa, vor allem in Großbritannien und Frankreich, angekommen ist. Auch in Deutschland haben Wissenschaftler diese Virus-Mutante mittlerweile nachgewiesen. Wie stark sie sich bereits ausbreiten konnte, ist jedoch aufgrund der hierzulande geringen Anzahl durchgeführter Genom-Sequenzierungen noch unklar. Um es in Zahlen auszudrücken: Während in Deutschland nur knapp 1.000 positive Corona-Proben auf diese Weise analysiert wurden, waren es in Großbritannien etwa 200.000 Genom-Sequenzierungen.

Mutationen könnten Wirksamkeit der Impfungen beeinflussen

Sowohl die britischen als auch die südafrikanischen Virus-Mutanten haben Einfluss auf das sogenannte Spike-Protein, das man sich als Verbindungselement beim Andocken des Virus an die menschliche Zelle vorstellen kann. Die Veränderungen am genetischen Code des Spike-Proteins könnten nun darauf hindeuten, dass sich diese Virus-Mutanten immer besser an den Menschen als Wirt anpassen. Inwiefern das Einfluss auf die Wirksamkeit der verfügbaren Impfstoffe hat, ist heute noch ungewiss und wird sich in den kommenden Monaten zeigen. Fest steht jedoch, dass Teile des Spike-Proteins beziehungsweise seine genetische Bauanleitung beim RNA-Impfstoff als Grundlage für unsere Immunisierung durch die Bildung spezifischer Antikörper gegen das Corona-Virus verwendet werden.

Stellen sich neue Mutationen in den betreffenden genetischen Abschnitten dieser Antikörper-Bindungsstellen ein, können unsere körpereigenen Antikörper gegebenenfalls nicht mehr schützend wirken beziehungsweise wären wirkungslos. Ebenso verhält es sich mit ungünstigen Mutationen in Zielbereichen der qPCR-Methode oder des Antigen-Tests, die somit falsch negative Ergebnisse hervorrufen würden. Im Gegensatz dazu würde die Genom-Sequenzierung diese Probleme der Identifikation von SARS-CoV-2 nicht hervorrufen und gleichzeitig neue Virus-Mutanten frühzeitig identifizieren.

In Deutschland fehlt eine Gesamtstrategie, um Mutationen zu erkennen

In Deutschland wird die NGS-Technologie für die Corona-Virus-Überwachung bisher zu wenig genutzt, obwohl an Universitäten ausreichend technische Sequenzierungssysteme in spezialisierten Laboren existieren. Die Gründe hierfür sind vielfältig – eine große Rolle spielt jedoch die Finanzierung. Deshalb begrüße ich die neueste Anordnung der sogenannten „Coronavirus-Surveillanceverordnung“, die regelt, dass Labore in den kommenden sieben Monaten pro Corona-Sequenzierung 200 Euro erhalten. Dennoch sollte eine zukünftige deutschlandweite oder sogar europäische Gesamtstrategie für die Sequenzierung ins Auge gefasst werden, die in Zukunft die Überwachung von Corona-Viren oder auch anderen Pathogenen, wie multiresistenten Bakterien, flächendeckend und in ausreichender Anzahl ermöglicht. Dabei müssen auch insbesondere der freie Zugang der erzeugten Sequenzdaten für die Forschungswelt durch institutionell verwaltete Datenbanken ermöglicht sowie eine ausreichende finanzielle Ausstattung nationaler Referenzzentren und Konsiliarlabore gewährleistet werden. 

Die Genom-Sequenzierung ist in der Pandemie zentral. Deutschland sollte ein Interesse daran haben, diese Methodik nicht nur kurzfristig einzusetzen, sondern sie zum Wohle aller flächendeckend und langfristig weiter auszubauen. 

Dr. Paul Hammer ist Gründer und CEO des Biotechnologie-Unternehmens BIOMES. Für die Erforschung der genomischen und mikrobiellen Mechanismen und ihrer Auswirkungen auf das Leben kombiniert er DNA-Hochdurchsatztechnologien mit maschinellen Lernalgorithmen und großen Datensätzen.