Pockenviren: Menschliches Pockenvirus

Die Familie der Poxviridae (englisch pox – Pocken + Viren) umfasst zwei Unterfamilien: Chordopoxvirinae, zu denen Wirbeltierpockenviren gehören, und Entomopoxvirinae, zu denen Insektenpockenviren gehören. Die Unterfamilie der Wirbeltierpockenviren wiederum umfasst sechs unabhängige Gattungen und mehrere nicht klassifizierte Viren. Vertreter jeder Gattung besitzen gemeinsame Antigene und sind zur genetischen Rekombination fähig. Die Gattungen unterscheiden sich im prozentualen Gehalt und den Eigenschaften der DNA, der Lage und Form der fadenförmigen Strukturen auf der äußeren Membran des Virions, der Ätherresistenz, den hämagglutinierenden Eigenschaften und weiteren Merkmalen.

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Struktur Pockenviren: Menschliches Pockenvirus

Vertreter der Gattung Orthopoxvirus sind die Viren der Pocken, Affenpocken und Vaccinia. Das Pockenvirus verursacht eine besonders gefährliche Infektion beim Menschen, die Mitte der 1970er Jahre durch die Bemühungen der Weltgemeinschaft ausgerottet werden konnte. Das Affenpockenvirus ist nicht nur für Primaten pathogen: Es wurden Fälle beim Menschen beschrieben, deren Verlauf den Pocken ähnelt. Vor diesem Hintergrund ist es hilfreich, einen allgemeinen Überblick über die Mikrobiologie der Pocken zu haben.

Das am besten erforschte Mitglied der Gattung Orthopoxviren ist das Vacciniavirus, das entweder von Kuhpocken oder Pocken stammt. Es ist an den Menschen angepasst und wurde lange Zeit als erster Lebendimpfstoff eingesetzt.

Das Pockenvirus und andere Vertreter dieser Gattung sind die größten aller bekannten Tierviren. Es ist eines der am höchsten organisierten Tierviren und ähnelt in der Struktur einiger Strukturen Bakterien. Das Virion ist ziegelförmig mit leicht abgerundeten Ecken und misst 250–450 nm. Es besteht aus einem deutlich unterscheidbaren Kern (Nukleoid oder Kern), der ein genomisches doppelsträngiges lineares DNA-Molekül mit einem Molekulargewicht von 130–200 MDa enthält, das mit Proteinen assoziiert ist. Auf beiden Seiten des Nukleoids befinden sich ovale Strukturen, die als Proteinkörper bezeichnet werden. Der Kern und die seitlichen Körper sind von einer deutlich unterscheidbaren Oberflächenmembran mit einer charakteristischen Rillenstruktur umgeben. Die Wand des Kerns besteht aus einer 5 nm dicken inneren glatten Membran und einer äußeren Schicht regelmäßig angeordneter zylindrischer Untereinheiten. Das Virus hat eine ähnliche chemische Zusammensetzung wie Bakterien: Es enthält nicht nur Proteine und DNA, sondern auch neutrale Fette, Phospholipide und Kohlenhydrate.

Pockenviren sind die einzigen DNA-haltigen Viren, die sich im Zytoplasma der Wirtszelle replizieren. Der Virusreproduktionszyklus besteht aus folgenden Hauptphasen. Nach der Adsorption an der Oberfläche einer empfindlichen Zelle dringt das Virus durch rezeptorvermittelte Endozytose in das Zytoplasma ein. Anschließend erfolgt eine zweistufige „Entkleidung“ des Virions: Zunächst wird die äußere Membran durch zelluläre Proteasen zerstört, es kommt zur partiellen Transkription und Synthese früher mRNAs, die für die Synthese des für die weitere Entkleidung verantwortlichen Proteins kodieren. Parallel dazu erfolgt die Replikation der vDNA. Tochterkopien der DNA werden transkribiert, späte mRNAs synthetisiert. Anschließend erfolgt die Translation, und etwa 80 virusspezifische Proteine mit einem Molekulargewicht von 8 bis 240 kDa werden synthetisiert. Einige davon (etwa 30) sind Strukturproteine, der Rest sind Enzyme und lösliche Antigene. Ein Merkmal der Pockenvirusreproduktion ist die Modifikation zellulärer Strukturen, die in spezialisierte „Fabriken“ umgewandelt werden, in denen allmählich neue Viruspartikel reifen. Reife Virusnachkommen verlassen die Zelle entweder während der Lyse oder durch Knospung. Der Reproduktionszyklus von Pockenviren dauert etwa 6-7 Stunden.

Das Pockenvirus besitzt hämagglutinierende Eigenschaften; Hämagglutinin besteht aus drei Glykoproteinen. Die wichtigsten Antigene sind: das NP-Nukleoprotein, das der gesamten Familie gemeinsam ist; hitzelabile (L) und hitzestabile (C) sowie lösliche Antigene.

Pockenviren überstehen das Eintrocknen (insbesondere in pathologischem Material) bei Raumtemperatur viele Monate lang, sind etherresistent, werden in 50%igem Ethanol bei Raumtemperatur innerhalb einer Stunde inaktiviert und sind in 50%igem Glycerin bei 4 °C mehrere Jahre haltbar. Sie sind gegen die meisten Desinfektionsmittel resistent: 1% Phenol oder 2% Formaldehyd inaktivieren sie bei Raumtemperatur erst innerhalb von 24 Stunden, 5% Chloramin innerhalb von 2 Stunden.

Menschen und Affen sind anfällig für das Pockenvirus. Bei einer experimentellen Infektion entwickelt sich im Gehirn neugeborener Mäuse eine generalisierte Infektion, die tödlich endet; für erwachsene Mäuse ist das Virus nicht pathogen. Es vermehrt sich gut in Hühnerembryos, wenn es die Chorioallantoismembran, das Amnion, den Dottersack und die Allantoishöhle infiziert. Auf der Chorioallantoismembran 10–12 Tage alter Hühnerembryos bildet das Pockenvirus kleine weiße Plaques; das Vacciniavirus verursacht größere Läsionen mit einer durch Nekrose verursachten schwarzen Vertiefung im Zentrum. Ein wichtiges Differenzierungsmerkmal des Pockenvirus ist die maximale Temperatur der Virusreproduktion im Hühnerembryo von 38,5 °C.

Primäre und kontinuierliche Zellkulturen von Menschen, Affen und anderen Tieren reagieren empfindlich auf das Pockenvirus. Auf Tumorzellkulturen (HeLa, Vero) bildet das Pockenvirus kleine Plaques vom proliferativen Typ, während bei einer Infektion von Vero-Zellen mit dem Affenpockenvirus runde Plaques mit einem lytischen Zentrum nachgewiesen werden. In Nierenzellen von Schweinembryos kann das Pockenvirus einen deutlichen zytopathischen Effekt hervorrufen, der bei einer Infektion dieser Zellen mit dem Affenpockenvirus nicht auftritt. In HeLa-Zellen verursacht das Pockenvirus eine Degeneration runder Zellen, während die Affenpocken- und Kamelpockenviren eine Degeneration mit Bildung mehrkerniger Zellen verursachen.

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Pathogenese

Menschen , die sich von Pocken erholt haben, behalten ihre Immunität lebenslang. Auch nach der Impfung bildet sich eine langfristig stabile Immunität. 2 ist hauptsächlich humoral, virusneutralisierende Antikörper treten innerhalb weniger Tage nach Ausbruch der Krankheit auf, verhindern jedoch nicht die fortschreitende Ausbreitung von Hautmanifestationen: Der Patient kann im pustulösen Stadium sterben, da er einen hohen Antikörperspiegel im Blut hat. Antikörper sind auch für die durch die Impfung erzeugte künstliche Immunität verantwortlich, die am 8.-9. Tag nach der Impfung auftritt und nach 2-3 Wochen maximale Titer erreicht.

Die zelluläre Immunität spielt eine ebenso wichtige Rolle wie zirkulierende Antikörper. Es wurde festgestellt, dass Personen mit Hypogammaglobulinämie zwar keine Antikörper biosynthetisieren, aber dennoch immun gegen das Pockenvirus werden. Diese zelluläre Immunität basiert auf der Aktivität T-zytotoxischer Lymphozyten.

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Epidemiologie

Die Infektionsquelle ist eine kranke Person. Die überwiegende Mehrheit der Menschen, die nicht gegen Pocken geimpft sind oder die Krankheit nicht durchgemacht haben, ist anfällig für diese Infektion. Pocken werden am häufigsten durch Tröpfchen in der Luft übertragen, aber auch eine Infektion durch Kontakt ist möglich (durch Kleidung, Handtücher, Bettwäsche, Haushaltsgegenstände). Der Patient ist während der gesamten Entwicklungsphase des Ausschlags, bis die letzten Krusten abfallen, für andere ansteckend. Am gefährlichsten ist er jedoch in den ersten 8–10 Tagen, wenn Läsionen auf den Schleimhäuten auftreten.

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Symptome

Eintrittspforte für die Infektion ist die Schleimhaut der oberen Atemwege. Die primäre Virusreproduktion erfolgt im lymphatischen Gewebe des Rachenrings, anschließend gelangt das Virus kurzzeitig ins Blut und infiziert die Zellen des retikuloendothelialen Gewebes (RET). Dort vermehrt sich das Virus, und es kommt erneut zu einer Virämie, die jedoch intensiver und länger anhält. Die dermatotrope Wirkung des Virus ist auf seine Fähigkeit zurückzuführen, aus dem Blutkreislauf in die Epidermis einzudringen, was zu einer frühen Proliferation von Dornzellen und einer charakteristischen Degeneration der Zellen der Malpighischen Schicht führt.

Die Inkubationszeit beträgt 8-18 Tage. Pocken beginnen akut: Kopfschmerzen, Muskelschmerzen, Erschöpfung, Fieber. Nach 2-4 Tagen erscheint ein charakteristischer Ausschlag auf der Mundschleimhaut und der Haut – alle Elemente fast gleichzeitig, stärker im Gesicht und an den Gliedmaßen lokalisiert. Der Ausschlag durchläuft die Stadien von Makula, Papel, Bläschen und Pustel, dann bildet sich eine Kruste (Schorf), wonach eine Narbe zurückbleibt. Mit Auftreten des Ausschlags sinkt die Temperatur und steigt im Pustelstadium wieder an. Vom Auftreten des Ausschlags bis zum Abfallen der Krusten vergehen etwa 3 Wochen. Bei einem solchen klassischen schweren Verlauf (Variola major) kann die Sterblichkeitsrate während Epidemien 40 % erreichen; bei einer milderen Form der Krankheit – Alastrim (Variola minor) – liegt die Sterblichkeitsrate nicht über 1-2 %.

Diagnose

Pocken können mittels virusoskopischer, virologischer und serologischer Methoden diagnostiziert werden. Die effektivste und schnellste Methode ist die direkte Elektronenmikroskopie von Material, das den Ausschlagselementen vor dem Pustelstadium entnommen wurde, da die Virusmenge in diesem Stadium stark abnimmt. Lichtmikroskopische Aufnahmen von Präparaten aus dem Inhalt der Bläschen zeigen große Zellen mit Guarnieri-Körpern. Guarnieri-Körper sind ovale zytoplasmatische Einschlüsse in der Nähe des Zellkerns, meist homogen und azidophil, seltener granuliert und mit unregelmäßigen Umrissen. Guarnieri-Körper sind die „Fabriken“, in denen sich das Pockenvirus vermehrt. In Ausstrichen aus dem Inhalt der Pockenbläschen, die mit der M. Morozov-Methode gefärbt wurden, finden sich Pockenvirionen – Paschen-Körper.

Zur Isolierung und Identifizierung des Virus werden 12-14 Tage alte Hühnerembryonen auf der Chorion-Allantois-Membran infiziert, wo das Virus kleine weißliche Plaques bildet. Auch Zellkulturen werden infiziert, um den zytopathischen Effekt zu erkennen und eine Hämadsorptions- oder Immunfluoreszenzreaktion auszulösen. Als Infektionsmaterial dienen Blut, Nasen-Rachen-Ausfluss, Abschabungen von Hautausschlägen, Krusten sowie Autopsiematerial.

Das spezifische Antigen des Pockenvirus kann in Abstrichen von Hautausschlag und Nasenrachenausfluss mittels indirekter Immunfluoreszenz nachgewiesen werden. Im Material der Hautausschlagelemente kann das Antigen mittels Immundiffusion, RSC oder IFM bestimmt werden.

Bereits nach der ersten Krankheitswoche lassen sich virusneutralisierende, komplementbindende Antikörper und Hämagglutinine nachweisen. Das Vorhandensein komplementbindender Antikörper gilt als zuverlässigstes Anzeichen für Pocken, da sie bei geimpften Personen selten länger als 12 Monate persistieren.

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Behandlung

Zur spezifischen Behandlung und Vorbeugung wird Methysazon (Marboran) eingesetzt – ein Medikament, das die intrazelluläre Vermehrung des Pockenvirus unterdrückt. Es ist besonders wirksam in den frühen Stadien der Krankheit und während der Inkubationszeit.

Die Geschichte der menschlichen Zivilisation ist geprägt von zahlreichen Pockenepidemien und -pandemien. Allein in Europa starben bis Ende des 18. Jahrhunderts mindestens 150 Millionen Menschen an Pocken. Nachdem E. Jenner (1796) einen Impfstoff gegen Pocken erhalten hatte, begann ein aktiver Kampf gegen die Krankheit, der mit ihrer vollständigen Ausrottung endete. In der Sowjetunion wurden die Pocken 1936 ausgerottet, blieben aber aufgrund importierter Fälle bis 1960 registriert. 1958 verabschiedete die WHO auf Initiative der Delegation der UdSSR eine Resolution zur weltweiten Ausrottung der Pocken, und 1967 beschloss die WHO ein verstärktes Programm zur Ausrottung der Pocken. Die UdSSR, die USA und Schweden unterstützten dieses Programm umfassend finanziell. Die UdSSR stellte nicht nur Hilfe durch Spezialisten in vielen endemischen Ländern bereit, sondern spendete auch etwa 1,5 Milliarden Dosen Pockenimpfstoff. Als Impfstoff wurde ein lebendes Pockenvirus verwendet, das auf einem Kalbssack gezüchtet, gereinigt und getrocknet wurde. Auch mit Kultur- und embryonalen (Ovovakzin-) Lebendimpfstoffen wurden gute Ergebnisse erzielt. Zur Vorbeugung und Behandlung von Komplikationen, die manchmal während der Impfung auftreten, wurden Anti-Pocken-Spender-Immunglobulin (10%ige Lösung in physiologischer Lösung der Gammaglobulinfraktion aus dem Blut von speziell gegen Pocken nachgeimpften Spendern) und auf den Gehalt an Anti-Pocken-Antikörpern titriertes menschliches Blut-Immunglobulin verwendet.

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