Aufgabe 1 – Immunbiologie, Ebola

Ende des Jahres 2013 brach in Westafrika das Ebolafieber aus. Fast 24000 Menschen erkrankten, die Überlebensrate lag bei etwa 50 Prozent. Vermutlich infizieren sich Menschen durch den Verzehr von infiziertem Säugetierfleisch oder den Kontakt mit Erkrankten. Das Virus gelangt über Schleimhäute oder winzige Wunden in den Körper. Abbildung 1 zeigt die Struktur des Ebola-Virus. Das Virus-Genom enthält die Information für sieben virale Proteine, darunter das Glykoprotein (GP) in der Außenhülle des Virus, mit welchem das Virus an ein Membranprotein der Wirtszelle bindet.

Abb. 1: Ebola-Virus (schematisch)

Über den Vorgang der rezeptorvermittelten Endocytose infiziert das Virus zunächst Makrophagen, in welchen es vermehrt und durch welche es im Körper verbreitet wird. In der Folge infizieren die Viren u. a. Zellen der Blutgefäße, der Leber und des Nervensystems. Der Tod tritt durch multiples Organversagen ein.

Stelle den Vorgang der rezeptorvermittelten Endocytose auf der Grundlage des Flüssig-Mosaik-Modells in zwei beschrifteten Zeichnungen dar. Dabei sollen das Andocken des Virus sowie das Ergebnis der Endocytose erkennbar werden.

3 VP

Das Ebola-Virus ist deshalb so gefährlich, weil es in der Lage ist, die Immunantwort des Patienten in ihrer Effektivität zu beeinträchtigen. Abbildung 2 zeigt die Freisetzung von Ebola-Viren aus einem Makrophagen.

Abb. 2: Freisetzung von Ebola-Viren aus einem Makrophagen; rechts: Detail

Erläutere mithilfe von Abbildung 2 zwei Mechanismen, wie der Befall mit Ebola-Viren die Wirksamkeit der Immunantwort beeinträchtigt.

3 VP

Am weitesten fortgeschritten ist die Prüfung eines Impfstoffs gegen Ebola mit dem Namen rVSV-ZEBOV. Dieser Impfstoff besteht aus einem abgeschwächten, für Menschen unbedenklichen Virus, das Wissenschaftler mit dem Gen für das Glykoprotein aus der Virushülle des Zaire-Ebola-Virus (aus dem Jahr 1976) ausgestattet haben. Bei der Vermehrung des abgeschwächten Virus werden im Körper geimpfter Personen auch Glykoproteine des Zaire-Ebola-Virus (1976) produziert. Gegen diese erfolgt eine Immunantwort.

3.1

Stelle die immunologischen Abläufe nach erstmaliger Verabreichung des Impfstoffes bis zur Bildung von Antikörpern gegen das Glykoprotein in Form eines Verlaufsschemas dar.

4 VP

3.2

Gib eine mögliche Erklärung, warum durch die einmalige Impfung mit rVSV-ZEBOV ein lang anhaltender Impfschutz erreichbar ist, während bei einer Impfung mit Glykoproteinen hierfür mehrmals geimpft werden muss.

2 VP

Das Zaire-Ebola-Virus, aus dem das Glykoprotein-Gen für den Impfstoff stammte, hatte 1976 die erste Ebola-Epidemie ausgelöst. Forscher konnten nachweisen, dass die Virus-RNA, die für dieses Glykoprotein codiert, seither mutiert ist. Abbildung 3 zeigt Ausschnitte aus der Virus-RNA des Zaire-Ebola-Virus von 1976 sowie einer 2014 entdeckten Variante. Die Virus-RNA wird bei der Expression in einem ersten Schritt durch das Enzym L-Polymerase in komplementäre mRNA umgeschrieben, die dann translatiert wird.

Abb. 3: Ausschnitte aus der Virus-RNA verschiedener Ebola-Viren

4.1

Ermittle mithilfe der Codesonne (siehe Anlage) die durch die dargestellten Ausschnitte der Virus-RNA codierten Aminosäuresequenzen. Erkläre, weshalb der Impfstoff rVSV-ZEBOV gegen das Zaire-Ebola-Virus (2014) keine Wirksamkeit zeigt.

4 VP

4.2

Erstelle ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf der Antikörperkonzentration im Blut einer mit rVSV-ZEBOV geimpften Person zeigt, die sich mit dem Zaire-Ebola-Virus (1976) infiziert hat. Begründe den Kurvenverlauf. Erläutere die zu erwartenden Unterschiede im Verlauf der Antikörperkonzentration im Blut einer mit rVSV-ZEBOV geimpften Person, die sich mit dem Zaire-Ebola-Virus (2014) infiziert hat.

4 VP

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Darstellung der Endocytose:

Diagramm des Ebola-Virus, das mit Zellmembran und Proteinen interagiert.

Zeichnung 1: Andocken des Virus

Diagramm einer Zelle mit Endozytosevesikeln, Zellplasma und Zellmembran.

Zeichnung 2: Ergebnis der Endocytose

Erläuterung der Beeinträchtigung der Immunantwort:

Durch die Ebola-Viren werden die Makrophagen (teilweise) zerstört, wodurch ein Mangel dieses Zelltyps herbeigeführt wird. Es folgt eine unzureichende Aktivierung der spezifischen Immunantwort, da dieser Zelltyp für den ersten Schritt (Erkennungsphase durch Antigenpräsentation) verantwortlich ist.
Neben Viren setzen Makrophagen auch Glykoproteine frei und es erfolgt die Bindung an (einen Teil der) Antikörper. Folglich fehlen Antikörper für die Bekämpfung der Viren und die Immunantwort wird geschwächt.

3.1

Darstellung immunologischen Abläufe in einem Verlaufsschema:

Diagramm zur Infektion mit abgeschwächten Viren und Immunantwort durch B- und T-Lymphozyten.

Antikörper-Antigen-Komplexe und die Abschaltphase werden nicht verlangt, da die Immunantwort nur gegen freie Glykoproteine erfolgt.

3.2

Erklärung der unterschiedlichen Impfwirkung:

Impfung mit abgeschwächten Viren: Die Viren, die mit rVSV-ZEBOV injiziert sind, vermehren sich. Es werden dadurch viele freie Glykoproteine produziert, die lang anhalten. Es liegt also durchgehend eine hohe Konzentration der Antigene vor, die das Immunsystem relativ stark aktivieren. Darauf folgt die Bildung zahlreicher Gedächtniszellen, die einen langanhaltenden Impfschutz bewirken.
Impfung mit Glykoprotein: Wenn eine Impfung mit Glykoproteinen nur einmal erfolgt, dann eliminieren die gebildeten Antikörper relativ schnell und vollständig die Glykoproteine. Die geringe und kurze Präsenz der Antigene aktiviert das Immunsystem nur wenig und es entstehen nicht viele Gedächtniszellen. Folglich besteht ohne weitere Nachimpfungen kein anhaltender Impfschutz.

Oder: Freie Glykoproteine weisen eventuell eine veränderte Raumstruktur auf und könnten deshalb immunologisch weniger wirksame Antigene sein als die in die Virushülle (auch der Impfviren) integrierten Glykoproteine.

4.1

Ermittlung der Aminosäuresequenzen:

Darstellung von RNA-Sequenzen des Zaire-Ebola-Virus aus den Jahren 1976 und 2014 mit Aminosäuresequenzen.

Erklärung des wirkungslosen Impfstoffes:
Aufgrund von Mutation der RNA des Virus von 2014 lassen sich zwei veränderte Stellen der Aminosäuresequenzen feststellen. Daraus könnte eine räumliche Veränderung der Molekülform der Glykoproteine resultieren. Nach der rVSV-ZEBOV-Impfung wurden Antikörper spezifisch gegen die Molekülform des Virus von 1976 gebildet (Schlüssel-Schloss-Prinzip) und folglich können keine Antikörper mehr binden.

4.2

Erstellung des Diagramms:

Graph zur AK-Konzentration über die Zeit in Relation zu einer Infektion, mit markierten Punkten A, B und C.

Diagramm: Antikörperkonzentration in Abhängigkeit von der Zeit

Begründung des Kurvenverlaufs:

Der Kurvenverlauf zeigt eine Sekundärreaktion (Zweitkontakt mit dem gleichen Antigen).
Phase A: Durch die Impfung mit rVSV-ZEBOV werden spezifische Gedächtniszellen aktiviert. Daraus folgt, dass im Blut der geimpften Person eine bestimmte Konzentration von Antikörpern (AK) gegen Ebola-Glykoproteine (Typ 1976) vorhanden ist.
Phase B: Die Infektion mit Zaire-Ebola-Viren (1976) bewirkt den schlagartigen Anstieg der AK-Konzentration bis zu einem Maximum. Weiterhin wird die AK-Produktion sehr schnell, durch den Zweitkontakt mit dem gleichen Antigen, aktiviert (durch Mobiliserung/Differenzierung der Gedächtniszellen zu Plasmazellen).
Phase C: Die Konzentration der Antikörper sinkt langsam. Das geschieht durch z.B. Bindung in AK-Antigen-Komplexen, AK-Abbau und Drosselung der Aktivität der Plasmazellen.

Erläuterung der Unterschiede bei Ebola-Virus (Typ 2014):
Hierbei handelt es sich trotz Ebola-Virus-Impfung um ein neues, dem Immunsystem unbekanntes, Antigen und deshalb um eine Primärantwort.

Unterschiede zum beschriebenen Kurvenverlauf (mind. zwei erforderlich):

Zu A: Bis zum Zeitpunkt der Infektion ist die AK-Konzentration gegen Ebola-Viren des Typs 2014 gleich null, da noch keine Immunantwort gegen diese Antigene vollzogen wurde.
Zu B: Die AK-Konzentration steigt mit einer Verzögerung und einer flacheren Steigung an, da die Erkennungs- und Differenzierungsphase zuerst stattfinden muss (Aktivierung der B- und T-Zellen).
Zu C: Die maximale Konzentration ist geringer, was an dem zeitlichen "Vorsprung" der Virusvermehrung liegt, durch den ein Großteil der AK sofort in Antigen-AK-Komplexen gebunden wird.