SARS-CoV-2 Diagnostik

Der Begriff Mutation beschreibt die Veränderung des Erbguts im Lauf der Zeit. Das Erbgut von Viren – wie auch von anderen Organismen – besteht aus vier verschiedenen Bausteinen. Bei einer Mutation kann es sich beispielsweise um einen Austausch oder den Verlust eines Bausteins an einer bestimmten Stelle des Erbgut-Moleküls handeln. Mutationen entstehen auf natürliche Weise mit der Anzahl der Vermehrungszyklen im Verlaufe der Ausbreitung von Viren. Die Geschwindigkeit, mit der Mutationen entstehen, ist dabei von Virus zu Virus unterschiedlich. Im Vergleich zu Influenza-Viren mutieren die Genome von Coronaviren während der Vermehrung zwar etwas langsamer. Ob sich eine Mutation in einem Virus einstellt und hält, hängt aber nur begrenzt von der eigentlichen Mutationsrate bei der Genomreplikation, also dem Kopieren der Erbinformation, ab. Entscheidend ist die Größe der Viruspopulation und damit – auf die derzeitige Situation übertragen – die Effizienz der Pandemiekontrolle.

Ein Virus, das ein oder mehrere Mutationen im Vergleich zum ursprünglichen Virus angesammelt hat, nennt man „Mutante“. Der Begriff „Variante“ wird weitgehend synonym verwendet. Eine „Klade“ ist eine Gruppe von Viren, die miteinander verwandt sind. Die derzeit mit Buchstaben- und Ziffernkombinationen bezeichneten Kladen sind monophyletisch, d.h. sie enthalten alle Exemplare einer bestimmten Variante, und nur diese.

SARS-CoV-2-Varianten, die derzeit unter besonderer Beobachtung stehen, tragen die Kladenbezeichnungen B.1.1.7 (verbreitet in England), B.1.351 (verbreitet in Südafrika) und B.1.1.248 (aufgetreten in Brasilien, beobachtet in Japan). Jede von ihnen ist charakterisiert durch ein bestimmtes Mutationsmuster. Aktuelle Informationen zu den Virusvarianten stellt das Robert Koch-Institut zur Verfügung.

Eine Mutation kann negative oder positive Auswirkungen auf die Eigenschaften eines Virus haben, also einen Vorteil oder einen Nachteil beispielsweise für die Vermehrungs- oder Überlebensfähigkeit bedeuten. Sehr viele Mutationen haben jedoch überhaupt keine Folgen für die Virusmerkmale, man spricht hier von „neutralen Mutationen“. Innerhalb einer Viruslinie können sich mehrere Mutationen ansammeln. Die SARS-CoV-2-Klade B.1.1.7, die in England zuerst aufgetreten ist, zeigt beispielsweise Mutationen an meistens 17 von rund 30.000 Erbgut-Bausteinen. Verschiedene Mutationen können auch gegenläufige Auswirkungen auf die Virus-Merkmale haben, andere können synergistisch wirken. Deshalb müssen einzelne Mutationen grundsätzlich im Zusammenspiel mit anderen vorhandenen Mutationen beurteilt werden.

Für SARS-CoV-2 haben Forschende weltweit bereits viele Tausend Mutationen beobachtet. Indem Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Verbreitung und Ansammlung dieser Mutationen über die Zeit verfolgen, können sie gewissermaßen die Evolution des Virus beobachten und einen Stammbaum aufstellen. Das ist wertvoll für die übergeordnete Analyse der Virus-Entwicklung. Das Vorliegen von Mutationen allein lässt jedoch keinen Rückschluss auf die Eigenschaften des Virus zu.

Eine auffällige Verstärkung des Infektionsgeschehens in Zusammenhang mit dem Auftreten einer bestimmten Mutante kann ein Hinweis darauf sein, dass eine bestimmte Mutation beispielsweise die Vermehrungsfähigkeit des Virus erhöht. Um jedoch eine Wirkung der Mutation zweifelsfrei von anderen möglichen Effekten zu unterscheiden, sind umfangreiche und zeitintensive Laborexperimente nötig.

Nach aktuellen Erkenntnissen sind die Maßnahmen zur Eindämmung des Virus für alle Virusvarianten vergleichbar effektiv. Die Empfehlungen zum Umgang mit den aktuell viel diskutierten Virusvarianten gelten deshalb unverändert (siehe Fragen zum Schutz vor Ansteckung auf der Seite der Charité). Aktuelle Informationen zu neuen Virusvarianten stellt das Robert Koch-Institut zur Verfügung.

Um die gesamte Abfolge des Virus-Erbguts zu bestimmen, ist eine sogenannte Genom-Sequenzierung nötig. Hierzu wird die Sequenz des Virus-Erbguts bestimmt, also das Erbmaterial Baustein für Baustein abgelesen. So können alle Mutationen im Virus-Erbgut nachvollzogen und die analysierte Virusvariante exakt in den Stammbaum von SARS-CoV-2 eingeordnet werden. Eine Genom-Sequenzierung macht eine definitive Zuordnung zu den derzeit unter besonderer Beobachtung stehenden SARS-CoV-2-Varianten möglich. Zusätzlich fallen manchmal Virusvarianten auf, die den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern weltweit noch nicht bekannt sind. Die Sequenzdaten erlauben so Rückschlüsse auf die Evolution des Virus, nicht aber auf seine Eigenschaften (siehe „Welche Auswirkungen haben Mutationen?“).

Für eine Genom-Sequenzierung sind andere Geräte nötig als für eine PCR. Eine Sequenzierung ist, inklusive der nötigen Auswertung, außerdem deutlich zeitaufwendiger als eine PCR und kann Tage in Anspruch nehmen. Eine schnellere Aussage darüber, ob eine analysierte Virusprobe einer der aktuell wichtigen Virusvarianten entstammt, ist jedoch möglich: Dazu können verschiedene mutationsspezifische PCR-Tests („Typisierungs-PCR“, „Mutations-PCR“, „SNP-PCR“ und andere Begriffe werden synonym verwendet) aufeinanderfolgend kombiniert werden.

Mit einer „Mutations-PCR“ lässt sich innerhalb von Stunden eine einzelne Virus-Mutation in einer Probe nachweisen. Beispielsweise können Forschende so zunächst nach der Mutation N501Y im Spike-Gen suchen, die sowohl in der englischen, der südafrikanischen als auch der brasilianischen Variante vorkommt. Um weiter zuordnen zu können, um welche dieser drei Varianten es sich handelt, schließen sich weitere „Mutations-PCRs“ an. Beispielsweise die Kombination der Mutationen N501Y und del H69/V70 spricht derzeit mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit dafür, dass die Probe der Klade B.1.1.7 angehört. Zur Qualitätskontrolle, im Rahmen der molekularen Surveillance und für Forschungszwecke ist es dennoch sinnvoll, zusätzlich für ausgewählte Proben eine Genom-Sequenzierung anzuschließen.

Mutationsanalysen finden an verschiedenen Stellen der Charité mit unterschiedlichen Zielsetzungen statt.

als gemeinsames Tochterunternehmen von Charité und Vivantes, testet Labor Berlin routinemäßig große Mengen an Proben auf SARS-CoV-2, die in der Patientenversorgung der beiden Häuser anfallen und auch von zusätzlichen Einrichtungen eingesandt werden. Proben von Charité und Vivantes, die per PCR erstmals positiv auf SARS-CoV-2 getestet wurden, werden mithilfe zusätzlicher „Mutations-PCRs“ auf das Vorliegen der aktuell im Fokus stehenden Virusvarianten untersucht (siehe „Wie können Mutationen und Virusvarianten nachgewiesen werden?“). Die Zusatztestung wird erst nach der schnellen Befundübermittlung des eigentlichen PCR-Testergebnisses durchgeführt. Ziel dieses Vorgehens ist es, einen fortlaufenden Überblick über das Vorkommen der Virusvarianten in einer definierten Testkohorte zu erhalten. Daraus kann abgeleitet werden, ob sich die mutierten Viren im Vergleich zu anderen Viren effizienter verbreiten. Außerdem erlaubt die Kenntnis über das Vorliegen einer möglicherweise verbreitungsfähigeren Virusvariante besondere Maßnahmen der Infektionskontrolle im Krankenhaus und im Öffentlichen Gesundheitsdienst.

Zur Qualitätskontrolle und für die molekulare Surveillance erfolgt zusätzlich eine Genom-Sequenzierung eines festgelegten Anteils positiv getesteter Proben. Die ermittelten Sequenzen werden in der Datenbank des Instituts für Virologie für die weitere Forschung zugänglich gemacht. Gleichzeitig werden die Sequenzen an das Robert Koch-Institut übermittelt und der internationalen Datenbank GISAID zur Verfügung gestellt.

Das Institut für Virologie der Charité wurde vom Robert Koch-Institut als Konsiliarlabor für Coronaviren benannt (siehe Webseite des RKI). In dieser Funktion berät es andere Diagnostiklabore in Deutschland und hilft bei der diagnostischen Aufklärung von Einzelfällen und Ausbrüchen auf spezielle Anforderung hin. Im Zuge dessen testet das Konsiliarlabor auch Proben aus ganz Deutschland, die mit der Bitte um Prüfung auf Varianten eingesendet werden. Auch hier kommt zunächst eine Kombination von „Mutations-PCRs“ zum Einsatz. Zusätzlich erfolgt eine SARS-CoV-2-Genomsequenzierung ausgewählter Proben. Es besteht für Labore in Deutschland keine Verpflichtung, dem Konsiliarlabor Aufträge zu erteilen oder Ergebnisse zu melden. Deshalb kann das Konsiliarlabor keine Auskunft zur Infektionslage in Deutschland geben.

Speziell für die Sequenzierung stellt das Konsiliarlabor anderen Laboren Protokolle und technische Hinweise zur Verfügung. Daneben gehören zum Untersuchungsspektrum des Konsiliarlabors auch vielfältige andere Untersuchungen aus dem Bereich der Molekulardiagnostik (PCR, Mutationsnachweise, Bioinformatik), der Serologie (Antigen- und Antikörpertests, Neutralisationstests) sowie weiterführende Untersuchungen aus dem Bereich der Virologie. Dazu gehört auch die besonders wichtige und aufwändige Phänotyp-Charakterisierung, also die Isolation replizierender Viren im Labor mit experimenteller Bestimmung von relevanten Eigenschaften (Replikationsniveau, Neutralisierbarkeit, Zelleintritt, Immun-Interferenz).