Das Ebola-Virus ist ein umhülltes Negativstrang-RNA-Virus aus der Familie der Filoviridae, einer Gruppe von Viren, die ein schweres hämorrhagisches Fiebersyndrom bei Menschen und nichtmenschlichen Primaten auslösen können. Das Virus wurde erstmals 1976 bei einem Ausbruch im Ebola-Flusstal in Zaire (heute Demokratische Republik Kongo), Afrika, entdeckt. Ein zweiter Ausbruch, der durch ein anderes, aber verwandtes Virus verursacht wurde, ereignete sich später im selben Jahr im Sudan1,2. Seit seiner Entdeckung in Zentralafrika kam es in den letzten 30 Jahren immer wieder zu Ausbrüchen, darunter auch ein aktueller bestätigter Ausbruch (11. September 2007) in der Demokratischen Republik Kongo (http://www.who.int/csr/don/2007_09_11/en/index.html). Obwohl das Reservoir des Virus in der Natur und das Spektrum der Zwischenwirte nicht vollständig geklärt sind, haben neuere Studien ergeben, dass Flughunde die Replikation des Ebola-Virus unterstützen können, was darauf hindeutet, dass diese Tiere am Lebenszyklus des Virus beteiligt sein könnten3. Der natürliche Wirt des Ebola-Virus in Abwesenheit aktiver Ausbrüche sowie die wichtige Frage, wie das Virus zwischen verschiedenen Spezies übertragen wird, sind jedoch weiterhin Gegenstand von Untersuchungen.
Humaninfektionen treten in der Regel nach direktem Kontakt mit dem Virus in toten oder infizierten Menschen oder Wildtieren auf, mit anschließender Übertragung von Mensch zu Mensch. Filoviren gelangen über Schleimhautoberflächen oder Hautabschürfungen oder durch den Gebrauch von kontaminierten Nadeln in den Körper4 (Abb. 1a). Die durch das Ebola-Virus ausgelöste Krankheit tritt plötzlich auf, mit einer Inkubationszeit von 4 bis 10 Tagen. Die Patienten zeigen zunächst unspezifische grippeähnliche Symptome wie Fieber, Schüttelfrost, Unwohlsein, Muskelschmerzen und Kopfschmerzen. Es können Bauchschmerzen, Übelkeit und Erbrechen folgen, und es können auch Husten, Halsschmerzen oder Durchfall vorhanden sein. Ein Ausschlag tritt häufig um den fünften Tag herum auf und ist ein charakteristisches Merkmal der Filovirus-Infektion. Systemische, gastrointestinale, respiratorische, vaskuläre und neurologische Manifestationen sind die Folge einer ausgedehnten Virusreplikation, und in vielen Organen, darunter Leber, Milz, Nieren und Keimdrüsen, treten Nekrosen auf5. Das Endstadium der Krankheit ist gekennzeichnet durch Gerinnungsstörungen wie disseminierte intravaskuläre Gerinnung, Flüssigkeitsverteilungsstörungen, Hypotonie und Blutungen aufgrund von Leberentzündungen und -schädigungen, Gewebedefekten und einem Zusammenbruch der endothelialen Barrierefunktion, der zu einer erhöhten Gefäßdurchlässigkeit führt. In tödlichen Fällen tritt der Tod in der Regel zwischen 7 und 16 Tagen nach der Infektion ein und ist das Ergebnis eines multiplen Organversagens und des Auftretens eines Syndroms, das einem schweren septischen Schock ähnelt6. Gegenwärtig gibt es keine antiviralen Medikamente zur Behandlung der Infektion, und die Sterblichkeitsrate bei den virulenteren Zaire- und Sudan-Spezies des Virus liegt zwischen 40 und 90 %7.
(a) Das Ebola-Virus (gelb) infiziert Personen durch Kontakt mit Körperflüssigkeiten oder Sekreten eines infizierten Patienten und wird über den Blutkreislauf verbreitet. Die Infektion kann durch Hautabschürfungen bei der Patientenpflege, bei Bestattungsritualen und möglicherweise durch Kontakt mit infiziertem Buschfleisch oder über Schleimhautoberflächen erfolgen. Unbeabsichtigte Nadelstiche sind der wichtigste Weg der beruflichen Exposition. (b) Frühe Ziele der Replikation sind retikuloendotheliale Zellen, mit hoher Replikation in verschiedenen Zelltypen in Lunge, Leber und Milz. (c) Dendritische Zellen, Makrophagen und das Endothel scheinen in vitro und möglicherweise auch in vivo anfällig für zytopathische Wirkungen der Genprodukte des Ebola-Virus zu sein, und zwar durch Unterbrechung der zellulären Signalwege, die durch die Virusbindung, die phagozytäre Aufnahme oder beides beeinflusst werden. Indirekte Schäden können auch durch zirkulierende Faktoren wie Tumor-Nekrose-Faktor und Stickoxid verursacht werden.
Immunantwort des Wirts auf tödliche Ebola-Infektion
Die unkontrollierte virale Replikation des Ebola-Virus ist von zentraler Bedeutung für seine Pathogenese, sowohl wegen seiner zytopathischen Wirkungen als auch weil sie eine ausgeprägte Dysregulation der Immunantwort des Wirts induziert. Die durch das Virus hervorgerufene Beeinträchtigung des Immunsystems erfolgt über eine Vielzahl von Mechanismen. Studien an nichtmenschlichen Primaten und Meerschweinchen lassen vermuten, dass Monozyten, Makrophagen und dendritische Zellen frühe und bevorzugte Orte der Virusreplikation sind8,9, obwohl es möglich bleibt, dass das Virus auf diesen Zellen durch Bindung an Lektinrezeptoren und nicht durch aktive Replikation in vivo vorhanden ist. Es wurde vermutet, dass diese Zellen als Vehikel für den Transport des Virus durch die Lymphgefäße dienen10. Es kommt zu einer weiteren Virusvermehrung, gefolgt von einer systemischen Ausbreitung in andere Organe und Gewebe (Abb. 1b). Obwohl das Virus im retikuloendothelialen System beobachtet wird, kommt es im Verlauf der Infektion kaum zu Entzündungen innerhalb der Lymphgefäße oder in infiziertem Gewebe.
Die Infektion von Monozyten und Makrophagen führt zur Freisetzung von proinflammatorischen Zytokinen und Chemokinen, einschließlich Tumornekrosefaktor, Interleukin-1β, Makrophagen-Entzündungsprotein-1α und reaktiven Sauerstoff- und Stickstoffspezies11,12. Die Expression dieser Mediatoren lockt wahrscheinlich mehr Monozyten und Makrophagen zu den Infektionsstellen und kann auch Neutrophile anlocken. Obwohl neuere Daten darauf hindeuten, dass sie nicht produktiv infiziert werden, zeigen menschliche Neutrophile, die in vitro mit Filoviren behandelt wurden, eine rasche Aktivierung des Triggering Receptor Expressed on Myeloid Cells-1 (TREM-1)13; dies führt zur Freisetzung weiterer entzündlicher Zytokine und Chemokine, die zur Gefäßerweiterung und erhöhten Gefäßpermeabilität beitragen. Darüber hinaus exprimieren infizierte Monozyten und Makrophagen an der Zelloberfläche Gewebefaktor, der möglicherweise an der Entwicklung von Gerinnungsstörungen beteiligt ist14. Nach einer produktiven Infektion kommt es bei den Makrophagen in großer Zahl zu Zelllyse und Apoptose15; aktivierte Monozyten und Makrophagen scheinen also die Virusausbreitung nicht zu verhindern. Vielmehr können sie zur Verbreitung beitragen, indem sie die Virusreplikation unterstützen oder das Virus, das an Lektin-bindende Proteine auf der Zelloberfläche gebunden ist, in das lymphatische System transportieren. Und wie Neutrophile können auch Monozyten und Makrophagen lösliche Faktoren absondern, die die pathogenen Manifestationen der Krankheit verschlimmern13.
Wie Monozyten und Makrophagen sind auch unreife dendritische Zellen (DCs) „Ziele“ des Ebola-Virus, entweder durch Anlagerung von Viruspartikeln durch Interaktion mit dem DC-exprimierten C-Typ-Lektin DC-SIGN oder durch Infektion durch Interaktion mit anderen DC-exprimierten Zelloberflächenrezeptoren (Abb. 1c). Dendritische Zellen gehören zu den effektivsten Antigen-präsentierenden Zellen des Immunsystems und sezernieren wichtige Interleukine und Zytokine, die eine entscheidende Verbindung zwischen der angeborenen und der adaptiven Immunantwort auf viele Krankheitserreger darstellen; mit dem Ebola-Virus infizierte DCs sind in diesen wichtigen Funktionen stark beeinträchtigt. Menschliche myeloische DCs, die in vitro mit lebenden Viren infiziert wurden, sezernieren beispielsweise nicht das normale Profil von proinflammatorischen Zytokinen und kostimulatorischen Molekülen. Diese Zellen werden nicht reif oder aktiviert und sind nicht in der Lage, Moleküle des Haupthistokompatibilitätskomplexes (MHC) hochzuregulieren und damit T-Zellen zu stimulieren16,17. Im Gegensatz dazu aktiviert die Behandlung mit nicht infektiösen Ebola-virusähnlichen Partikeln (VLPs) die DCs und stimuliert eine robuste Entzündungsreaktion18, eine Wirkung, die von der mucinähnlichen Domäne des Hüllglykoproteins abhängt19. Die Hemmung der DC-Funktion mit lebenden oder inaktivierten Viren, nicht aber mit VLPs, deutet darauf hin, dass die Unterdrückung der DC-Funktion und -Reifung wahrscheinlich auf das Vorhandensein von viralen Proteinen oder genomischem Material zurückzuführen ist, das in den VLPs nicht vorhanden ist. Weitere Studien sind erforderlich, um die schädlichen Auswirkungen einer Ebola-Virusinfektion auf andere Subpopulationen von DCs zu klären, insbesondere auf plasmazytoide DCs, die für die antivirale Interferonreaktion wichtig sind. Zu den Folgen nicht funktionsfähiger DCs gehört eine verminderte Fähigkeit, humorale oder zellvermittelte Immunantworten zu stimulieren, was zu einer mangelnden Kontrolle der viralen Replikation beitragen kann.
Ein Hauptfaktor für die hemmende Wirkung auf die angeborene Immunfunktion ist die Resistenz des Ebola-Virus gegenüber den antiviralen Wirkungen von Interferon, die wahrscheinlich auf die Unterbrechung kritischer Interferon-Antwortwege durch das Virus selbst zurückzuführen ist20,21,22; die Interferonproduktion wird in Makrophagen, mononukleären Zellen des peripheren Blutes und DCs durch eine Ebola-Virusinfektion in vitro und in vivo blockiert16,23. Darüber hinaus ist die Expression von interferonstimulierten Genen, die für die Typ-I-Interferon-Antwort wichtig sind, in Ebolavirus-infizierten Zellen vermindert20,22,24. Auch bei Mäusen hat sich gezeigt, dass die Interferonreaktion für den Krankheitsverlauf von großer Bedeutung ist. Immunkompetente Mäuse sind gegen eine Ebola-Virusinfektion resistent, aber Mäuse, denen der Interferon-α/β-Rezeptor oder das Protein Signal Transducer and Activator-1 (STAT1) fehlt oder die mit Antikörpern gegen Interferon behandelt werden, werden anfällig für die Krankheit25, was die entscheidende Rolle von Interferon beim Schutz nicht infizierter Zellen unterstreicht. Es wurden mehrere Mechanismen der durch das Ebola-Virus vermittelten Resistenz gegen die Interferonreaktion identifiziert. Wie einige andere Viren kodiert auch Ebola für spezifische virale Proteine, die der Interferonreaktion entgegenwirken. Zwei vom Virus kodierte Proteine, VP24 und VP35, beeinträchtigen nachweislich die Induktion der Interferonreaktion26,27,28. Die nukleäre Akkumulation von STAT1 wird durch VP24 unterbrochen, was zu einer Blockade der Typ-I-Interferon-Signalisierung führt und die infizierten Zellen unempfindlich gegenüber dieser antiviralen Reaktion macht27. Ebola-VP35 blockiert die Aktivität des Interferon-Regulationsfaktors 3 (IRF-3) und vermindert so die Interferonreaktion26,28. Kürzlich wurde gezeigt, dass VP35 der Aktivität der doppelsträngigen RNA-abhängigen Proteinkinase (PKR)29 entgegenwirkt. Zusammengenommen deuten diese Studien darauf hin, dass die virusinduzierte Hemmung des Interferonwegs nicht nur die Interferon-stimulierte Gentranskription verringert, um eine antivirale Reaktion zu verhindern, sondern auch zu einer geringeren Anzahl reifer und aktivierter myeloischer DCs beiträgt, was wiederum die Aktivierung der adaptiven Immunantwort behindert.
Überraschenderweise zeigen Patienten, die einer Ebola-Virusinfektion erliegen, kaum Anzeichen einer aktivierten adaptiven Immunantwort. Die adaptive Immunität ist nicht nur wegen des Mangels an funktionsfähigen DCs und anderen wichtigen antigenpräsentierenden Zellen stark beeinträchtigt, sondern auch, weil Lymphozyten bei infizierten Menschen und nichtmenschlichen Primaten massiv apoptotisch zerstört werden15,30,31. Obwohl die Lymphozyten keine Zielzellen des Virus sind, wird eine beträchtliche Anzahl von ihnen – mit Ausnahme der B-Zellen – während der Krankheit apoptotisch zerstört32; infolgedessen ist die Anzahl der CD4+ und CD8+ T-Zellen bei tödlichen Infektionen von Menschen und nichtmenschlichen Primaten vor dem Tod erheblich reduziert30,31,33. Die Lymphozytenapoptose ist auch eine häufige Erscheinung bei anderen viralen hämorrhagischen Fiebern und wird häufig während eines septischen Schocks beobachtet34.
Studien mit Lymphozyten in vitro zeigen, dass mehrere Moleküle, die an der Auslösung der Apoptose beteiligt sind, auf diesen Zellpopulationen vorhanden sind, darunter TRAIL und Fas-FasL15. Die Mechanismen, die für diese „Bystander“-Apoptose verantwortlich sind, werden jedoch noch untersucht. Möglicherweise sind Entzündungsmediatoren und andere Faktoren, wie der proapoptotische lösliche Faktor Stickstoffmonoxid (NO), der von infizierten Makrophagen abgesondert wird, in der Lage, die beobachtete Lymphozytenapoptose auszulösen. Alternativ können auch eine gestörte DC-Funktion und ein immunsuppressiver Gesamtzustand zu diesem Phänomen beitragen31. Eine weitere Möglichkeit ist, dass der Zelltod aktiv durch direkte Interaktionen zwischen Lymphozyten und Ebola-Virus oder löslichen Genprodukten ausgelöst wird. Die Bedeutung früher Reaktionen, an denen Zellen des angeborenen Immunsystems und/oder eine schnelle adaptive Antikörperreaktion beteiligt sind, wird durch eine neuere Studie unterstrichen, die einen Schutz von nichtmenschlichen Primaten durch die Verabreichung eines Impfstoffs nach der Exposition zeigt35.
Obwohl Filoviren zu den virulentesten und tödlichsten bekannten Krankheitserregern gehören, erholen sich einige mit dem Ebola-Virus infizierte Patienten von der Infektion. Die Identifizierung der Unterschiede in der Immunreaktion zwischen tödlichen und nicht tödlichen Fällen ist wichtig für die künftige Entwicklung wirksamer Therapien und Impfstoffe. Es wurden spezifische Unterschiede im klinischen Erscheinungsbild und in der Immunreaktion zwischen Patienten, die an der Infektion versterben, und solchen, die sich von der Ebola-Infektion erholen, festgestellt (Tabelle 1). Dieser Vergleich macht deutlich, dass die Entwicklung einer antigenspezifischen zellvermittelten Immunantwort mit der Beseitigung des Virus korreliert. Studien, die antigenspezifische zelluläre Immunantworten bei geimpften nicht-menschlichen Primaten zeigen, die eine infektiöse Ebola-Virusinfektion überlebt haben36,37,38 , unterstützen diese Erkenntnis. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Induktion einer humoralen und CD8+ T-Zellen-Antwort für den Schutz von Mäusen erforderlich ist, die einer tödlichen Ebola-Virusinfektion ausgesetzt waren39. Die schützende Rolle von Immunglobulinen bleibt jedoch ungewiss, da ein aktueller Bericht darauf hinweist, dass der passive Transfer des neutralisierenden humanen monoklonalen Antikörpers KZ52 die Infektion in einem Makakenmodell nicht kontrollieren kann40. Auf der Grundlage dieser Überlegungen wird immer deutlicher, dass eine frühe und robuste, aber vorübergehende angeborene Immunantwort und die anschließende Aktivierung der adaptiven Immunantwort notwendig sind, um vor einer tödlichen Infektion zu schützen. Wird eine solche Immunantwort des Wirts nicht erzeugt, entzieht sich das Virus der Immunkontrolle, und die Infektion schreitet bis zum Endstadium der Krankheit fort.
Pathogenese der Infektion
Die pathologischen Veränderungen, die bei Patienten beobachtet werden, die an einer Ebola-Virusinfektion sterben, umfassen Gerinnungsanomalien, vaskuläre Permeabilität, Blutungen und Organnekrosen und -versagen. Die derzeitige Hypothese besagt, dass der grundlegende Mechanismus der Ebola-Virus-Pathogenese in Gefäßverletzungen und -schäden besteht, die auf Gerinnungsstörungen und eine erhöhte Gefäßpermeabilität zurückzuführen sind, die durch die Freisetzung von Entzündungszytokinen und Chemokinen durch infizierte und aktivierte Monozyten und Makrophagen sowie durch direkte Endothelzellschäden infolge der Virusreplikation in der Spätphase der Infektion verursacht werden41,42. Es ist offensichtlich, dass neben dem „Zytokinsturm“ auch das Virus selbst eine Immunsuppression auslösen und Wirtszellen direkt schädigen kann4,43,44. Somit sind die schädlichen Auswirkungen der Infektion zum Teil auf Faktoren zurückzuführen, die von dysfunktionalen Immunzellen sezerniert werden, und zum Teil auf die durch das Virus verursachte Schädigung von Wirtsgeweben und -organen.
Das Ebola-Virus zeigt in vitro Tropismus für Zellen des angeborenen Immunsystems sowie für Endothelzellen, dendritische Zellen und verschiedene Arten von Epithelzellen. Die Replikation erfolgt mit einer ungewöhnlich hohen Rate in infizierten Zellen. Die Fähigkeit des Virus, sich in verschiedenen Zelltypen zu vermehren, ist in vivo weniger gut charakterisiert. Darüber hinaus ist die Virämie bei infizierten Patienten im Allgemeinen schwer zu quantifizieren6; bei mindestens einem Ausbruch der Ebola-Spezies aus Zaire wurde jedoch eine Viruslast von mehr als 106 Plaque-bildenden Einheiten pro Milliliter Serum (PFU/ml) festgestellt45. Die Virämie bei infizierten nichtmenschlichen Primaten kann bis zu 107 PFU/ml erreichen46. Menschen mit tödlichen Infektionen weisen bis zu 1010 Kopien viraler RNA pro Milliliter auf, wohingegen im Serum derjenigen, die eine Ebola-Infektion überleben, deutlich weniger (107 Kopien/ml) gefunden werden (siehe Tabelle 1)47. Hohe Virusreplikationsraten führen zu Lyse und Nekrose in Zellen vieler Organe, darunter Leber, Milz, Nieren und Keimdrüsen. Ein Großteil der beobachteten Nekrose ist viral bedingt, da das infizierte Gewebe nur wenig infiltriert ist und sich in den nekrotischen Trümmern außerordentlich viele Viruspartikel befinden. Darüber hinaus zeigt die mikroskopische Untersuchung von infiziertem menschlichem Gewebe eine Korrelation zwischen Gewebeschäden und dem Vorhandensein von viralen Antigenen, Nukleinsäure und Stellen der viralen Replikation4,43,44. Diese Beobachtung deutet darauf hin, dass eine direkte virale Schädigung von Geweben und Organen zu Organversagen und Schock führen kann.
Die Infektion bestimmter Zelltypen spielt eine wichtige Rolle in der Pathogenese des Ebola-Virus. Es wird angenommen, dass die Infektion von Zellen des angeborenen Immunsystems bei der systemischen Verbreitung des Virus während der Infektion des Menschen eine entscheidende Rolle spielt8,10. Infizierte Monozyten und Makrophagen wandern vom Infektionsort zu den Lymphknoten, wo weitere Monozyten und Makrophagen rekrutiert werden, die dann Ziel der Infektion werden. Die Infektion dieser Zellen führt zu einer weiteren Vermehrung und Verbreitung des Virus über das lymphatische System12. Darüber hinaus führen die Infektion und die Nekrose von Hepatozyten zu einer Beeinträchtigung der Leberfunktion. Die Leberenzyme sind bei den meisten Filovirus-Infektionen erhöht48,49,50, und die verminderte Leberfunktion könnte die Ursache für die verminderte Synthese von Gerinnungsfaktoren und die Entwicklung von Gerinnungsstörungen sein, die bei einer tödlichen Infektion auftreten. Schließlich ist die Entwicklung eines Schocks in späteren Stadien der Krankheit multifaktoriell bedingt und kann neben den Blutungen teilweise auf die Infektion und die daraus resultierende Nekrose von Zellen der Nebennierenrinde50 zurückzuführen sein, da diese Zellen für die Regulierung des Blutdrucks wichtig sind.
Gefäßbeeinträchtigung und Ebola-Glykoproteine
Endotheliale Beeinträchtigungen sind ein auffälliges Merkmal des hämorrhagischen Ebola-Fiebers. Ein Verlust der vaskulären Integrität wird bei Menschen und nichtmenschlichen Primaten häufig in späten Stadien der Krankheit beobachtet und ist mit Blutungen und einem Ungleichgewicht der Flüssigkeit zwischen den Geweberäumen verbunden. Die vollständigen Mechanismen, die zur Durchlässigkeit des Endothels führen, sind noch nicht geklärt. Mehrere Studien haben gezeigt, dass die durch das Virus ausgelöste Freisetzung von Entzündungsmediatoren die Gefäßpermeabilität in vitro erhöht11,51. Endothelzellen sind jedoch in späteren Krankheitsstadien Ziel der Infektion, und eine direkte virusinduzierte Zytotoxizität von Endothelzellen kann als mitwirkender Mechanismus für verstärkte hämorrhagische Erscheinungen nicht ausgeschlossen werden. Tatsächlich wurde das virale Hüllglykoprotein GP als einer der Hauptfaktoren für die Schädigung von Gefäßzellen identifiziert.
GP ist eines der am meisten untersuchten Ebola-Virusproteine, da es für den Eintritt des Virus in die Blutbahn wichtig ist und als Ziel für die Entwicklung von Impfstoffen dienen könnte. Wie bereits erwähnt, wird es auch wegen seiner möglichen Rolle in der Pathogenese intensiv erforscht. Das Glykoprotein ist für die Ausrichtung des Virus auf Zellen verantwortlich, die für die Pathogenese relevant sind. GP spielt wahrscheinlich eine Rolle bei der Immunsuppression durch seine Auswirkungen auf die Herunterregulierung von Zelloberflächenproteinen, die für die Lymphozytenadhäsion und Antigenpräsentation wichtig sind52,53. Obwohl einige vorgeschlagen haben, dass lösliches GP mit neutralisierenden Antikörpern konkurrieren könnte, die sich andernfalls gegen Viren oder infizierte Zellen richten würden54,55, wurde eine schützende Rolle für solche Antikörper nicht nachgewiesen, und die Biochemie und Antikörperreaktivität von löslichem GP unterscheiden sich von denen des membrangebundenen Trimer-Spikes56,57. Lösliches GP hemmt die Aktivierung von Neutrophilen57 und stellt damit einen weiteren Mechanismus dar, durch den die virale Immunität die angeborene Entzündungsreaktion beeinflussen kann. Der Eintritt des Ebola-Virus hängt auch von endosomalen Kathepsinen ab, Enzymen, die für die Antigenpräsentation entscheidend sind58,59, und die Freisetzung von Kathepsinen kann zur virusinduzierten Zellschädigung beitragen60.
Verschiedene Gruppen haben gezeigt, dass GP eine direkte zytotoxische Wirkung hat. Yang und Kollegen fanden heraus, dass von den sieben viralen Genprodukten GP sowohl in vitro als auch ex vivo für die Abrundung und Ablösung von Zellen in Endothelzellen verantwortlich ist und dass dies zu einem erheblichen Anstieg der Gefäßpermeabilität führen kann61. Die Expression von GP aus allen vier Spezies des Ebola-Virus induziert in Zelllinien und primären Zellen in vitro ein unterschiedliches Maß an Zytotoxizität, die durch Zellrundung und Ablösung, gefolgt vom Zelltod, gekennzeichnet ist61. Diese Wirkungen werden durch eine stark glykosylierte, mucinähnliche Domäne des Glykoproteins vermittelt. Obwohl die Rolle der GP-Zytotoxizität während einer lebenden Virusinfektion umstritten ist62 , korrelieren Unterschiede in der GP-induzierten Zytotoxizität mit den Sterblichkeitsraten der verschiedenen Virusspezies52,61, was darauf hindeutet, dass dieses Genprodukt für die Pathogenese der Krankheit wichtig ist. Die Expression von membrangebundenem GP scheint während der viralen Replikation durch einen Mechanismus, der eine Transkriptionskorrektur durch die virale Polymerase beinhaltet, genau kontrolliert zu werden63. Dies deutet darauf hin, dass das Glykoprotein eine wichtige virale Determinante der Pathogenität während der Infektion sein könnte.
Das Zusammenwirken von virusinduzierten und wirtsspezifischen Faktoren führt also zu einem destruktiven Weg, bei dem eine tödliche Reaktion auf eine Ebolavirusinfektion immer mit einer Unterdrückung sowohl der B- als auch der T-Zellen-vermittelten Immunität korreliert. Patienten, die sich nicht erholen, haben praktisch keine viralen antigenspezifischen Antikörper. Geringe Mengen an spezifischem Immunglobulin Ms sind nur bei 30 % der tödlich infizierten Patienten vorhanden, und es werden keine spezifischen Immunglobuline Gs nachgewiesen30,64,65. Zytotoxische T-Zellen oder CD4+ Helfer-T-Zellen scheinen nur in begrenztem Umfang zu reagieren, was höchstwahrscheinlich darauf zurückzuführen ist, dass sie in tödlichen Fällen dezimiert sind. Die Lymphozytendepletion verschlimmert wahrscheinlich die unkontrollierte Virusreplikation in Makrophagen und anderen Entzündungszellen. Daher ist eine tödliche Ebola-Virusinfektion durch eine umfassende Immunsuppression gekennzeichnet, die durch die Entwicklung einer unspezifischen und schädlichen angeborenen Immunantwort und eine geringe oder gar keine Stimulation einer antigenspezifischen adaptiven Reaktion gekennzeichnet ist. Diese fehlende Reaktion führt zu einer überwältigenden Viruslast und einer daraus resultierenden immun- und virusvermittelten Pathologie.
Bedeutung für andere hochtödliche Krankheitserreger und zukünftige Forschung
Die Untersuchung der Immunantwort auf hochvirulente Krankheitserreger wie das Ebola-Virus kann wertvolle Einblicke in kritische Merkmale des Wirtsimmunsystems liefern. Ein Trend, der sich abzuzeichnen scheint, ist, dass tödliche, akute Erreger dazu neigen, schnell zu töten, bevor sich eine adaptive Immunreaktion entwickelt, während chronische Erreger trotz einer adaptiven Immunreaktion überleben und sich vermehren können. In dieser Hinsicht gibt es interessante Parallelen zwischen der Infektion mit dem Ebola-Virus und dem hoch pathogenen Influenza-Virus von 1918 (siehe den begleitenden Bericht von Ahmed und Kollegen66). So stellten Kobasa und Mitarbeiter fest, dass ein rekonstituierter Influenzastamm von 1918 ein hohes Maß an Virusreplikation aufweist, was mit makroskopischen Läsionen im Lungengewebe infizierter Cynomolgus-Makaken korreliert67. Die Infektion in diesem Tiermodell führte zu akuter Atemnot und einem überwiegend tödlichen Ausgang. Interessanterweise waren die infizierten Tiere in der Lage, eine Immunreaktion auszulösen, die in vielerlei Hinsicht den Reaktionen ähnelte, die bei Ebola-Infektionen bei nichtmenschlichen Primaten beobachtet wurden. Die Immunreaktion auf die Influenza von 1918 war durch eine abnorme Interferonreaktion und die Expression ungewöhnlich hoher Konzentrationen von Zytokinen und Chemokinen gekennzeichnet. Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass die hohe Letalität des Influenzastamms von 1918 zum Teil auf eine atypische und schädliche angeborene Immunreaktion zurückzuführen ist, die für einen Schutz nicht ausreicht.
Ein Vergleich der Immunreaktionen auf Ebola- und Influenzaviren von 1918 deutet darauf hin, dass die hohe Letalität dieser Viren auf eine Kombination aus den schädlichen Auswirkungen hoher Virustiter und direkter viraler Schädigung sowie einer unspezifischen und abnormal anhaltenden angeborenen Immunreaktion zurückzuführen sein könnte. Ein ähnliches Bild von überwältigender Virämie, mangelnder Kontrolle durch die angeborene Immunreaktion und dem Versagen, eine adaptive Immunität zu entwickeln, wurde auch bei anderen hochtödlichen Viren beobachtet, darunter das Coronavirus des schweren akuten Atemwegssyndroms (SARS), das Marburg-Virus, das Lassa-Fieber-Virus und andere. In jedem Fall scheint es, dass das Virus durch seine überwältigende Replikation eine tödliche Infektion verursacht, obwohl die spezifischen Rezeptoren, Zell- und Organtropismen, Mechanismen zur Umgehung von Entzündung und Immunität und das natürliche Reservoir unterschiedlich sein können.
Viele Fragen zu den Mechanismen und dem vollen Ausmaß der virusinduzierten Immundysregulation sind noch ungelöst. Zum Beispiel ist der Mechanismus der Lymphozyten-Apoptose unbekannt. Das Ebola-Virus greift diese Zellen nicht direkt an, doch ist ihre Zahl rasch erschöpft, sobald der Virustiter im Wirt messbar ist. Treten diese Zellen aufgrund lokaler Zytokin-Ungleichgewichte in eine anergische terminale Differenzierung ein, oder kommt es zu einer abnormalen Zerstörung der Zielzellen durch andere Immunzellen? Unbekannt ist auch, ob das Ebola-Virus einen Tropismus für ein bestimmtes DC aufweist, der eine Umgehung der antiviralen Reaktion begünstigen könnte. Der Mechanismus, durch den die Antigenpräsentation der DC beeinträchtigt wird, ist unbekannt. Die Rolle der Kathepsine in der Immunpathogenese ist ebenfalls nicht vollständig geklärt; da Kathepsine auch zur Antigenverarbeitung beitragen, ist es möglich, dass sie auch die adaptive Immunantwort beeinflussen. Ähnliche Fragen stellen sich auch in Bezug auf die Einzelheiten der viralen Replikation in vivo. Obwohl das Ebola-Virus durch Immunfärbung einer Vielzahl von Zelltypen, darunter Makrophagen, DCs und Endothelzellen, nachgewiesen werden kann, bindet das Virus an ubiquitäre Lektinrezeptoren auf vielen dieser Zellen; daher ist unklar, ob das Vorhandensein des Virus in einer bestimmten Zelle eine aktive Replikation oder lediglich eine Bindung an die Zelloberfläche darstellt. Schließlich ist die Rolle des Zytokinsturms im Vergleich zur direkten viralen Zytotoxizität für Endothelzellen nach wie vor Gegenstand vieler Spekulationen, aber leider gibt es nur sehr wenige Daten.
Letztendlich können viele dieser Fragen, einschließlich der Rolle spezifischer Teile des Immunsystems beim Schutz, mit Hilfe von Studien geklärt werden, bei denen in vivo Antikörper gegen Zytokine, Zytokinrezeptoren und Lymphozytenuntergruppen in Infektionsmodellen für nichtmenschliche Primaten abgereichert werden. Solange diese wichtigen Fragen nicht geklärt sind, erklären die derzeitigen Hypothesen die durch das Ebola-Virus ausgelöste Pathophysiologie in groben Zügen: eine Kombination von Faktoren, einschließlich unkontrollierter und unspezifischer Entzündungsreaktionen, viral induzierter Immunsuppression und direkter viraler Zerstörung verschiedener Zelltypen, tragen gemeinsam zum Zusammenbruch des Gefäßsystems, zum Multiorganversagen und zum schockähnlichen Syndrom der tödlichen Ebola-Virusinfektion bei.