Studie: Pathogenität und Übertragbarkeit des bovinen H5N1-Influenzavirus im Tierversuch

Forschende der Universität von Wisconsin-Madison veröffentlichen in „Nature“ erste Ergebnisse zum Infektionsverhalten und der Übertragbarkeit des Vogelgrippevirus H5N1 in Mäusen und Frettchen. Auch liefert die Studie Daten zum Verständnis von H5N1 in Rindern.

Seit dem 25. März diesen Jahres ist bekannt, dass sich das Virus in Milchkuhherden in den USA verbreitet. Aktuell sind 138 Herden in zwölf US-Bundesstaaten von H5N1-Infektionen betroffen, und vergangene Woche ist der vierte Fall eines infizierten Farmarbeiters bekannt gegeben worden. Die Person aus Colorado berichtete über Augensymptome, wurde mit dem Grippemedikament Oseltamivir behandelt und hat sich erholt [I].

Weltweit befürchten Experten, dass der enge Kontakt der Farmbelegschaften mit den infizierten Kühen dazu führen könnte, dass das Virus wiederholt die Chance hat, auf den Menschen überzuspringen und schlussendlich auch von Mensch zu Mensch übertragen zu werden – was bislang nicht beobachtet wurde.

Um den in Kühen auftretenden H5N1-Virusstamm besser charakterisieren zu können, infizierten Forschende um Yoshihiro Kawaoka nun Mäuse und Frettchen mit den H5N1-Viren, die sie aus Kuhmilch gewonnen hatten. Das Virus konnte sich in den Versuchstieren ausbreiten und infizierte auch deren Milchdrüsen. Darüber hinaus übertrugen die säugenden Mäuse das Virus auf ihre Nachkommen. Die Autoren testeten zudem, ob eine Übertragung durch Tröpfcheninfektion der Atemwege bei Frettchen möglich ist. Sie berichteten über eine begrenzte Übertragung auf diesem Weg.

In einem weiteren Experiment stellten sie fest, dass das Virus aus Kühen in der Lage ist, an einen Sialinsäure-Rezeptor zu binden, der in den oberen Atemwegen von Menschen zu finden ist. Influenza-A-Viren, die Menschen infizieren, binden bevorzugt an Sialinsäuren, die über eine sogenannte Alpha-2,6-Verknüpfung mit Galaktose verbunden sind, während Vogelgrippe-A-Viren bevorzugt an eine alpha-2,3-verknüpfte Sialinsäure binden.

Die Studienautoren schlussfolgern, dass es dem aus Kühen extrahierten Virus möglicherweise gelingen könnte, an Zellen der oberen Atemwege des Menschen zu binden.

Vier Experten erörtern im Folgenden, welchen Mehrwert die Studiendaten zum Verständnis des aktuellen Infektionsgeschehen in den USA in ihren Augen liefern und inwiefern die Studie Aussagen zum Zoonosepotenzial des H5N1-Virus aus Kühen ermöglicht.

Prof. Martin Beer, Leiter des Instituts für Virusdiagnostik (IVD) am Friedrich-Loeffler-Institut (FLI) ordnete die Studienergebnisse zunächst grob ein: „Die vorliegende Studie liefert sehr interessante Experimente und Ergebnisse, um das HPAIV H5N1 (hochpathogenes aviäres Influenzavirus H5N1) aus Kühen weitergehend zu charakterisieren. Die Möglichkeit der Bindung an Alpha-2,3- und Alpha-2,6-Sialinsäure-Rezeptoren ist eine Eigenschaft, die in die Bewertung der Übertragungsmöglichkeiten an andere Spezies mit einbezogen werden sollte. Ein Transfer der Ergebnisse auf die Übertragung von Rind-zu-Rind ist nur schwer möglich, da es sich um sehr unterschiedliche Spezies handelt und besondere Umstände – wie die Infektion des Euters – eine Rolle spielen. Besonders die Übertragungsexperimente von Frettchen zu Frettchen, die keinen effizienten Virustransfer ergaben, bestätigen eine noch eingeschränkte Anpassung und das geringe zoonotische Potenzial des verwendeten H5N1-Isolates aus Kühen.“   

Auch Prof. Stephan Ludwig, Universität Münster, äußerte sich zu den Untersuchungen. „Die in dieser Studie vorgelegten Daten sind in der Tat hilfreich, um das gesamte Schadenspotenzial von H5N1 in infizierten Kühen in Milchviehbetrieben besser beurteilen zu können. Insbesondere die Tatsache, dass eine Übertragung von Tier zu Tier durch die Aufnahme von kontaminierter Milch möglich zu sein scheint, ist für das Betriebsmanagement, die Ausbruchsprävention und natürlich das Produktmanagement von Bedeutung“, sagte er.

Bindungsspezifität des Virus

In Bezug auf die Limitationen der Untersuchungen gab Ludwig zu bedenken: „Die vorgelegten Daten beruhen auf sehr soliden Experimenten und sind überzeugend, wie nicht anders von dem durchführenden Labor zu erwarten. Die Rezeptorbindestudien sind hochinteressant, da sie eine Bindefähigkeit der bovinen H5N1-Viren sowohl an Rezeptoren, die hauptsächlich im Vogel vorkommen, als auch an Rezeptoren beim Menschen zeigen. Allerdings haben diese Experimente auch ihre Limitationen: So müsste für die Aussage, dass sich die Fähigkeit der Bindung an beide Rezeptortypen erst in Milchkühen entwickelt haben könnte (siehe S. 8, Zeile 217) durch Untersuchung weiterer früherer H5N1-Isolate der Klade 2.3.4.4b verifiziert werden. Zudem muss noch gezeigt werden, dass diese Viren auch im infizierten Gewebe an die entsprechenden Zellen mit den jeweiligen Rezeptortypen binden und diese Zellen produktiv infizieren. Daher sind die Daten ein erster und wichtiger Hinweis, es sind jedoch weitere unabhängige Studien mit unterschiedlichen Virusisolaten, Techniken und Versuchsanordnungen erforderlich, die aber nun sicherlich durchgeführt werden.“ Weiter sagte Ludwig, dass die Daten aus dem Frettchenmodell, dem Goldstandard für die Untersuchung aerosolischer Übertragung von Grippeviren, zwar auf eine sehr ineffiziente Übertragung von Tier zu Tier hindeuten würden, dass sie aber zeigen, dass dieser Infektionsweg prinzipiell möglich sei. Außerdem weist der Experte auf die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen bei Mäusen hin: „Obwohl Mäuse ihre Limitationen als Influenza-Infektionsmodell haben, sind auch die Ergebnisse der Studien mit säugenden Mäusen hochinteressant. Zwar deuten die Befunde einer Mehrzahl der Tiere darauf hin, dass die Übertragung von Muttertier auf die Nachkommen über die Milch geschieht, jedoch wurde bei zwei Nachkommen eine Infektion auch ohne Virusnachweis in den Milchdrüsen der Mutter gefunden. Die Ursache ist noch unklar und bedarf nun dringend weiterer Untersuchungen.“

Ludwig kommt zu dem Resümee, dass die Veröffentlichung bei Weitem noch nicht alle Fragen im Zusammenhang der Übertragung auf die Milchkuh als neue Wirtsspezies und dem Euter als neuem Zielgewebe von H5N1-Viren beantworte. Die Experimente seien jedoch ein sehr guter Anfang und genau die Art von Experimenten, die jetzt gemacht und erweitert werden müssten. Und er fügt ergänzend hinzu: „Es sollte vielleicht auch erwähnt werden, dass das durchführende Labor vor einigen Jahren aus meiner Sicht zu Unrecht sehr in Verruf geraten ist, weil dort Übertragungsexperimente mit genetisch veränderten H5N1-Viren durchgeführt wurden. Wenn diese Experimente damals nicht gestoppt, sondern weitergeführt worden wären, wüssten wir vielleicht heute schon mehr über die Eigenschaften, die eine Übertragbarkeit bedingen.“

Auch Prof. Stephan Pleschka, Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU), vertritt die Auffassung, dass die gewonnenen Ergebnisse dem aktuellen Wissensstand zu H5N1-Infektionen von Säugern wichtige neue Erkenntnisse hinzufügen. „Wie die Autoren in ihrem Abstract zusammenfassen, infizieren hoch pathogene H5N1-Vogelgrippeviren (HPAI H5N1) gelegentlich Säugetiere, werden aber in der Regel nicht zwischen Säugetieren übertragen. Bei dem Ausbruch von HPAI H5N1 in Rinderherden in den USA zeigt sich, dass das Virus innerhalb und zwischen den Herden verbreitet wird und es zu Infektionen bei Geflügel und Katzen sowie zu einer Übertragung auf den Menschen gekommen ist, was insgesamt auf ein erhöhtes Risiko hinweist. Wie andere HPAI-H5N1-Viren verbreitete sich das bovine H5N1-Virus systemisch, auch in den Brustdrüsen von Mäusen und Frettchen. Dies wurde auch schon bei einem älteren H5N1-Virusisolat beobachtet. Das Virus kann oral durch Milch oder über die Atemwege Mäuse infizieren und beim Säugen weitergegeben werden. Die Autoren haben auch gezeigt, dass das genutzte bovine H5N1-Virus Frettchen infiziert, aber im Gegensatz zu einem saisonalen humanen H1N1-Isolat nur sehr schlecht über den Luftweg weitergegeben wird.“

Genauso sieht er in den neuen Erkenntnissen zur Bindungsfähigkeit von H5N1 an Rezeptorbindungsstellen, die auch beim Menschen relevant sind, einen bedeutenden Wissenszuwachs: „Neu ist, dass das bovine HPAI-H5N1-Virus anscheinend die Möglichkeit hat, an Rezeptorbindungsstellen (2,6-Sialinsäuren) zu binden, die auch in den oberen Atemwegen des Menschen vorkommen und nicht nur an die Rezeptorbindungsstellen (2,3-Sialinsäuren), die aviäre Influenzaviren in Vögeln nutzen. Dies hat man so bei den bisherigen H5N1-Viren bis jetzt nicht beobachtet und weist auf veränderte Eigenschaften des getesteten bovinen H5N1-Virus hin. Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass das bovine HPAI-H5N1-Virus Merkmale aufweist, die eine Infektion und Übertragung bei Säugetieren erleichtern könnten.“ Weiterhin verweist der Leiter der Arbeitsgruppe Influenzavirusforschung am Institut für Medizinische Virologie der JLU auf die dringende Notwendigkeit, die gewonnenen Daten in weiteren Untersuchungen zu verifizieren. So räumt er ein, dass die beschriebenen Experimente und die damit gewonnenen Daten geeignet seien, die Aussagen der Autoren zu stützen. In Anbetracht der Relevanz dieser Ergebnisse und dem Infektionsgeschehen bei Rindern seien nun jedoch sicherlich weitere Studien dringend nötig, um die hier gezeigten Ergebnisse zu bestätigen. Hier würde man eventuell auch andere Säugerspezies beziehungsweise Modelle nutzen. Wichtig sei auch, zu untersuchen, ob das Virus auch tatsächlich im Gewebe und nicht nur in den hier genutzten Experimenten an 2,6-Sialinsäuren bindet und wie sich das bei verschiedenen Säugern – inklusive des Menschen – verhielte. Abschießend räumt Pleschka ein: „Die Studie zeigt deutlich, dass das H5N1-Virus sich, wie alle Influenzaviren, stetig weiterentwickelt. Mit der beschriebenen veränderten Rezeptorbindungseigenschaft, die man bei den bislang bekannten H5N1-Viren so nicht gesehen hat, scheint es einen weiteren Schritt hin zum Säuger gemacht zu haben.“

Prof. Martin Schwemmle, Forschungsgruppenleiter am Institut für Virologie, Universitätsklinikum Freiburg sieht in den Studienergebnissen keinen Grund zur Beunruhigung. „Die Studie zeigt sehr deutlich, dass dieses H5N1-Virus aus Kuhfarmen aber auch andere H5N1-Viren bisher nicht die Eigenschaften besitzen, um für die Bevölkerung sehr gefährlich zu werden. Das H5N1-Risiko für die Bevölkerung kann daher nach wie vor als gering eingestuft werden, eine Einschätzung, die unter anderem auch vom amerikanischen Center of Disease Control (CDC) und dem europäischen Center for Disease Prevention and Control (ECDC) geteilt wird.“

Und auch ihm reichen die gewonnen Erkenntnisse noch lange nicht aus: „Die Ergebnisse im Frettchen- und im Mausmodell sind überzeugend. Im Frettchenmodell konnte deutlich gezeigt werden, dass diese H5N1-Viren nicht oder kaum von Tier zu Tier übertragen werden. Im Mausmodell konnte eine Übertragung des Virus von infizierten Weibchen auf ihre Jungen nachgewiesen werden. Wie genau diese Übertragung erfolgt, konnte in der Studie jedoch nicht geklärt werden.“ Schwemmle rät zur Anwendung spezifischerer Untersuchungsmethoden: „Die möglicherweise breitere Rezeptorbindung des H5-Oberflächenproteins ist interessant und sollte weiter beobachtet werden. Diese Bindungsspezifität wurde aber nur mit einer Methode untersucht, und es wurden keine weiteren Vergleiche mit anderen H5N1-Stämmen, insbesondere solchen, die aktuell in Wildvögeln zirkulieren, durchgeführt. Spezifischere Methoden sind notwendig, um zu bestätigen, dass die H5N1-Viren aus Kühen eine veränderte Rezeptorspezifität aufweisen.“

Der Freiburger Virologe erklärt, dass Experimente zur Übertragung von Influenzaviren zwischen Frettchen häufig zur Risikobewertung durchgeführt würden und dass eine effiziente Übertragung dieses Milchkuh-H5N1-Virus zwischen Frettchen auf ein erhöhtes Risiko für mögliche Ausbrüche in der Bevölkerung hätte hindeuten können. Er weist jedoch explizit darauf hin, dass die Ergebnisse der Studie klar zeigten, dass dieses Virus nicht zwischen Frettchen übertragen wird – und somit Entwarnung geben.

Zu den Mäuseversuchen sagte er: „Die Versuche an Mäusen ergaben, dass unter den gewählten Versuchsbedingungen eine Übertragung von der Mutter auf ihre Jungen sehr wahrscheinlich ist, nicht aber eine Übertragung auf erwachsene Tiere. Einschränkend muss gesagt werden, dass Mäuse kaum geeignet sind, um die Übertragung von Influenzaviren zwischen erwachsenen Tieren zu untersuchen.“

Weiter führt Schwemmle aus, dass diese Studie nur begrenzt zum Verständnis der Übertragung von H5N1 bei Milchkühen beitrage, da darin davon ausgegangen werde, dass die Infektion der Kühe während des Melkens erfolgt. Kürzlich hätte allerdings in einer Studie des Friedrich-Löffler-Instituts gezeigt werden können, dass bei laktierenden Kühen eine Infektion des Euters nicht nur mit dem H5N1-Virus der Milchkuh, sondern auch mit einem aktuellen H5N1-Virus eines Wildvogels aus Deutschland zu einer starken Vermehrung dieser Viren führe, so der Experte. Dies bedeute, dass es prinzipiell auch in Deutschland zu einer Infektion von Milchkühen kommen könnte, auch wenn die Wahrscheinlichkeit als sehr gering eingeschätzt würde, fügt er hinzu.

Auch die Versuche an Frettchen ordnete er in den Kontext ein. „Die Infektion von Frettchen, besonders die Übertragungsversuche, sind wichtig, um das Risiko einer möglichen Übertragung von Mensch zu Mensch abschätzen zu können. Humane Influenzaviren, die an den Menschen angepasst sind, sind sehr leicht zwischen Frettchen übertragbar, aviäre Influenzaviren hingegen nicht. Frettchenversuche stellen aber nur einen Teil der Risikobewertung dar, die notwendig ist, um das pandemische Potenzial dieser Viren abzuschätzen.“ Er sagte, dass umfangreichere Versuche erforderlich seien, um beispielsweise abzuschätzen, wie das Immunsystem verschiedener Säugetiere auf ein Influenzavirus aus dem Tierreich reagiert. In Bezug auf die Immunantwort seien diese Ergebnisse daher nur begrenzt auf andere Säugetiere wie den Menschen übertragbar.

Abschließend regt Martin Schwemmle weitere Studien zu möglichen Übertragungswegen an: „Mäuse werden häufig zur Untersuchung von Influenzaviren verwendet, und diese Experimente haben grundlegende Erkenntnisse über die Anpassung von Vogelgrippeviren an Säugetiere geliefert. Allerdings gibt es auch Einschränkungen. So sind Mäuse nur bedingt geeignet, um die Übertragbarkeit verschiedener Influenzavirusstämme zu untersuchen, und nicht alle Influenzaviren vermehren sich in Mäusen. In dieser Studie konnte jedoch gezeigt werden, dass eine Übertragung von H5N1 von der Mutter auf den Nachwuchs prinzipiell möglich ist und somit könnte dieser Übertragungsweg auch bei anderen Säugetieren infrage kommen.“

Literaturstellen, die vom SMC zitiert wurden

[I] Centers for Disease Control and Prevention (03.07.2024): CDC Reports Fourth Human Case of H5 Bird Flu Tied to Dairy Cow Outbreak. Pressemitteilung der Behörde.