Evolution von Krankheitserregern während Impfprogrammen
Eine aktuelle Veröffentlichung in PLOS-Biologie fasste das aktuelle Verständnis der Pathogenentwicklung zusammen.
Lernen: Erregerevolution während Impfkampagnen. Bildnachweis: nobeastsofierce/Shutterstock
Pathogenadaption tritt auf, wenn neuartige Varianten in der aktuellen Umgebung besser geeignet sind als ihre Vorgänger. Die Immunität des Wirts, sei es durch Impfung oder Infektion, könnte den bestehenden Lebensraum für Krankheitserreger prägen. Die Geschwindigkeit, mit der neue Varianten des Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) mit schwerem akutem respiratorischem Syndrom aufgetaucht sind, und das Ausmaß der weltweiten Impfbemühungen gegen SARS-CoV-2 haben Fragen zu den Auswirkungen der Impfung auf die Virusentwicklung aufgeworfen.
Die zeitliche Evolutionsdynamik für neuartige Krankheitserreger kann zwei Phasen umfassen. In der ersten Phase sind die Wirte immunnaiv, und die Selektion begünstigt die Anpassung an diese Wirte. In der zweiten Phase erwirbt die Wirtspopulation durch Infektion oder Impfung allmählich ein immunologisches Gedächtnis, und die Selektion verschiebt sich zugunsten der Anpassung an diese immunologisch vorbereiteten Wirte. In der vorliegenden Studie untersuchten die Forscher, wie sich Krankheitserreger in neuartigen Wirten entwickeln, wenn Wirte immunologisch vorbereitet werden.
Anpassung von Krankheitserregern und Mechanismen
Die Anpassung von Pathogenen an immunnaive und -geprimte Wirte beruht auf der Entstehung neuer Varianten und ihrer Fitness in verschiedenen Wirten. Die Fitness könnte anhand absoluter und relativer Wachstumsraten berechnet werden. Die absolute Wachstumsrate von Infektionen hilft festzustellen, ob sich eine Variante in der Bevölkerung ausbreiten könnte. Im Gegensatz dazu zeigt die relative Wachstumsrate an, ob die Variante an Häufigkeit zunehmen und die gegenwärtig dominante Variante, nämlich den Wildtyp, verdrängen könnte.
Die absolute Wachstumsrate muss positiv sein, damit sich eine Variante in der Population ausbreitet. Der Selektionskoeffizient (Unterschied zwischen den Wachstumsraten von Variante und Wildtyp) muss positiv sein, damit eine Variante ihre relative Häufigkeit erhöht. Varianten könnten sich unter anderem durch Immunumgehung, Unterdrückung, Ausbeutung und Anpassungen der Lebensgeschichte zwischen Wirten ausbreiten.
Eigenschaften wie erhöhte Affinität für Wirtsrezeptoren, veränderte Latenz, große Burst-Größen und Änderungen des Gewebetropismus untermauern diese Mechanismen. In Fällen, in denen der Tod des Wirts oder ein Krankenhausaufenthalt die Übertragung des Pathogens einschränken, könnte eine durch Infektion oder Impfung induzierte Immunität die Übertragung verstärken, indem die Schwere der Krankheit verringert wird. Diese Ideen führen zur Klassifizierung von immunitätsangepassten Varianten auf zwei Arten.
Erstens ist eine immunitätsadaptierte Variante ein Generalist, wenn sie an naive Wirtspopulationen angepasst ist. Im Gegensatz dazu ist eine immunadaptierte Variante ein Spezialist, wenn sie an naive Wirte schlecht angepasst ist. Eine andere Art der Kategorisierung besteht darin, zu beurteilen, ob die absolute Wachstumsrate durch immunologisches Priming erleichtert oder gehemmt wird. Die absolute Wachstumsrate einer immunitätsunterstützten Variante steigt mit zunehmendem Anteil geprimter Wirte, während sie bei immunitätsinhibierten Varianten abnimmt.
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Die Immunität verringert das Ausmaß der Pathogenreplikation auf zwei Arten. Die Immunantwort minimiert die Pathogenlast und beseitigt die Infektion in vorbereiteten Wirten schnell, und der hohe Anteil an vorbereiteten Wirten in einer Population verringert die Häufigkeit infizierter Wirte. Wirksame Impfstoffe und ihre schnelle Einführung schränken die Entstehung neuer Varianten ein; Die Pathogenanpassung könnte jedoch durch undichte Impfstoffe, die eine Infektion nicht vollständig verhindern, und durch chronische Infektionen bei immungeschwächten Wirten zunehmen.
Bemerkenswerterweise wurden viele Impfstoffe nicht durch die Anpassung von Krankheitserregern untergraben. Es wurde spekuliert, dass der Mangel an Anpassung auf zwei Merkmale zurückzuführen ist, die mit der Impfung verbunden sind. Erstens kann die Impfung, da sie prophylaktisch ist, die Anzahl der Krankheitserreger in geimpften Wirten begrenzen und das Auftreten/die Übertragung neuer Varianten einschränken. Zweitens lösen Impfstoffe im Allgemeinen Immunantworten gegen mehrere Ziele auf dem Pathogen aus, wodurch es für das Pathogen schwierig wird, die Immunantworten zu umgehen.
Auswirkungen auf SARS-CoV-2
Experimentelle Evolution ist der direkte Weg, um zu untersuchen, wie Impfstoffe die Anpassung von Krankheitserregern beeinflussen. Nur eine Studie hat diesen Ansatz angewendet, während die meisten anderen Beobachtungsstudien sind und sich auf Krankheitserreger mit einer langfristigen Assoziation mit Wirten konzentrieren. Zunehmende Beweise deuten auf eine schnelle adaptive Evolution für SARS-CoV-2 hin. Epidemiologische Daten weisen darauf hin, dass die meisten immunadaptierten SARS-CoV-2-Varianten immuninhibierte Generalisten sind.
Die Häufigkeit der Delta-Variante nahm in Ländern mit hoher und niedriger Durchimpfungsrate zu, was darauf hindeutet, dass es sich um eine generalistische Variante handelt. Auch die neuere Omicron-Variante scheint immuninhibiert zu sein, wobei noch zu klären ist, ob es sich bei den Omicron-(Unter-)Varianten um Spezialisten oder Generalisten handelt. Bisher sind keine immunitätsunterstützten SARS-CoV-2-Varianten aufgetaucht, und es ist möglich, dass solche Varianten je nach verfügbarer genetischer Variation niemals entstehen würden.
Dennoch sind spezialisierte Varianten wahrscheinlich, wenn SARS-CoV-2 als Reaktion auf das immunologische Priming eine weitere Anpassung erfährt. Darüber hinaus könnten in Zukunft Impfstoffe der nächsten Generation oder modifizierte Impfpläne erforderlich sein, um die Entwicklung von SARS-CoV-2 zu bekämpfen. Es wurden mehrere SARS-CoV-2-Impfstoffe eingesetzt und die Impfpläne werden kontinuierlich angepasst.
Wenn diese Diversität zu einer immunologischen Heterogenität in der Population führt, würde die natürliche Selektion unterschiedliche Varianten zu unterschiedlichen Zeiten/Orten begünstigen oder die Koexistenz mehrerer Varianten zulassen. Daher ist es entscheidend, Impfprogramme zu optimieren, um Infektionen kontinuierlich einzudämmen. Je mehr ein Impfstoff die Übertragung unterdrücken, auf verschiedene Epitope abzielen und die Infektion und Replikation innerhalb des Wirts wirksam hemmen kann, desto besser wäre es, die Anpassungsrate des Krankheitserregers zu drosseln.
Abschließende Bemerkungen
In den frühen Stadien von Pandemien ist mit einer Zunahme generalistischer Varianten zu rechnen. Später beinhaltet die Evolution von Krankheitserregern Anpassungen an immungeprimte Wirte und eine Abnahme der Anpassung an naive Wirte. Die Immunität könnte sowohl Generalisten als auch Spezialisten hemmen, wobei die Wachstumsrate mit zunehmendem Anteil an geprimten Wirten abnimmt.
Die SARS-CoV-2-Varianten wurden bisher immungehemmt, und viele sind Generalisten, was unabhängig von den Impfbemühungen an Häufigkeit zugenommen hätte. Irgendwann könnte eine weitere Anpassung durch die Ausbreitung von Spezialisten erfolgen, obwohl es von viralen Mutationen abhängen würde, ob sie immunitätsinhibiert oder -erleichtert werden.
Referenz:- Day T, Kennedy DA, Read AF, Gandon S. (2022). Erregerevolution während Impfkampagnen. PLoS-Biologie. doi: 10.1371/journal.pbio.3001804 https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3001804
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