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Virusinfektionen im Labor

2020

Viele der experimentellen Studien, die zur Zeit mit dem neuen #Coronavirus gemacht werden (auch unser aktuelles Projekt), beruhen auf Virusinfektionen im Labor. Hier ein Überblick, wie das funktioniert.

Zuerst: was genau wird infiziert, und wie sieht das aus?

Oft wird im Labor mit sogenannten „Zelllinien“ gearbeitet, das sind menschliche Zellen, die aber (im Gegensatz zu Zellen aus unserem Körper) permanent weiterwachsen; meist sind es Krebszellen. Sie lassen sich einfach einfrieren, manipulieren (bspw. indem bestimmte Gene abgeschaltet werden) und wachsen schnell, d.h. man kann täglich Experimente machen und braucht keine wochenlangen Vorbereitungen. Sie wachsen in kleinen Plastikschälchen, siehe bspw. https://www.ohsu.edu/vollum-institute/tissue-culture-core – in jedem „Napf“ von 35mm Durchmesser wachsen einige Hunderttausend Zellen, bedeckt von einem Fingerhut voll Nährmedium. Die Farbe zeigt den pH-Wert an, wenn es gelblich wird, ist es zu sauer und muss gewechselt werden.
Der Vorteil von Zelllinien ist ihre leichte Handhabung. Vor allem kann man sehr leicht die Zellen verändern (bspw. Gene ausschalten oder chemische Substanzen testen) und schauen, welchen Effekt das auf die Infektion hat. Je nachdem funktionieren solche Zelllinien sehr ähnlich wie Zellen im menschlichen Körper, trotzdem lassen sich Resultate grundsätzlich nicht direkt übertragen.

Eine neuere Entwicklung sind „Organoide“, im Labor gewachsene Zellklumpen, die weitgehend Organen ähneln. Sie wachsen aus Stammzellen, die entweder aus Hautzellen „reprogrammiert“ werden, oder bspw. aus der Lunge entnommen werden. Sie sind realen Organen schon deutlich ähnlicher als Zelllinien. Die verschiedenen Zelltypen und die dreidimensionale Struktur menschlicher Organe werden teilweise sehr gut nachempfunden, auch wenn bspw. das Immunsystem fehlt. Organoide brauchen Wochen bis sogar Monate, bis sie ausgereift sind. (siehe auch https://de.wikipedia.org/wiki/Organoid)

Zellen können auch direkt aus Menschen genommen werden. Sehr einfach geht das mit weißen Blutkörperchen (Zellen des Immunsytems) die aus einigen Millilitern Blut gewonnen werden. Aber auch kleine Lungenstücke, die auch von Transplantationen kommen, werden verwendet. Damit ist man schon sehr nahe dran, was in Menschen tatsächlich geschieht, allerdings ist diese Arbeit technisch anspruchsvoll. Insbesondere können die Veränderungen, wie oben beschrieben für Zelllinien, hier nur schwierig gemacht werden. Die Herausforderung besteht also darin, die verschiedenen Modelle und die Resultate sinnvoll zu kombinieren, um herauszufinden, was tatsächlich im Körper infizierter Menschen geschieht.

Neben Zellen braucht es natürlich noch Virus. Die SARS-CoV-2-Viren, die zur Zeit im Labor verwendet werden, kommen alle ursprünglich aus Patientinnen und Patienten. Dafür werden, grob gesagt, Abstriche im Labor auf Zellen gegeben und somit infiziert. Dafür werden übrigens Zellen von grünen Meerkatzen verwendet, die sogenannten Vero-Zellen (https://de.wikipedia.org/wiki/Vero-Zellen). Wenige Tage nach Infektion wird das Nährmedium, das nun die Viren enthält, abgenommen. Damit lassen sich im Labor Millionen von Viruspartikeln erzeugen, die portionenweise in Tiefkühlern aufbewahrt und nach Bedarf verwendet werden.

Da das neue Coronavirus SARS-CoV-2 so gefährlich ist, geschieht das alles in einem Labor der Schutzstufe 3 (von maximal 4; in Stufe-4-Laboren wird bspw. mit dem Ebolavirus gearbeitet). Zahlreiche Sicherheitsvorkehrungen verhindern, dass das Virus nach draußen gerät oder jemand sich ansteckt – gut zu sehen in diesem Video hier: https://www.daserste.de/information/politik-weltgeschehen/morgenmagazin/reportagen/moma-reporter-Coronavirus-infektionsforschung-labor-Charite-100.html
Solche Labore sind sehr aufwändig, deswegen wird oft mit nahe verwandten, nicht so gefährlichen Viren gearbeitet (siehe bspw. CoronaInfo vom 3. April), oder es werden Viren sogenannt „pseudotypisiert“, indem bspw. einem harmlosen Virus das S-Protein des Coronavirus aufgesetzt wird, mit dem es in die Zellen reinkommt.

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