Coronavirus SARS-CoV-2

Wir wollen durch Spitzenforschung dazu beitragen, die Krise zu bewältigen. Ein signifikanter Teil unserer Forschung fokussiert sich nun auf das Coronavirus.

Otmar D. Wiestler

Die Zahl der SARS-CoV-2-Infektionen steigt in Deutschland und weltweit von Tag zu Tag dramatisch. Dies stellt unsere Gesellschaft und jeden Einzelnen von uns vor immense Herausforderungen. Helmholtz leistet als Deutschlands größte Forschungsorganisation wichtige Beiträge, um durch Spitzenforschung die Corona-Krise zu bewältigen. 

Helmholtz-Expertinnen und -Experten arbeiten mit Hochdruck daran, weitere Forschungsergebnisse über SARS-CoV-2 zu liefern. In mehr als 20 Forschungsprojekten – überwiegend im Bereich Gesundheit aber auch darüber hinaus – widmet sich Helmholtz einer der größten Herausforderungen unserer Zeit. Die Gemeinschaft hat einen Teil ihrer Forschung auf das neue Virus fokussiert. Die Forscherinnen und Forscher arbeiten daran, den Aufbau des Virus und seine Infektionswege zu entschlüsseln sowie wirksamere Medikamente und einen Impfstoff zu entwickeln.

Impfstoffentwicklung/ Wirkstoffforschung / Wirkstoffscreening

Im biomedizinischen Bereich verfügt Helmholtz über moderne und leistungsfähige Forschungsinfrastrukturen. Beispiele hierfür sind das Wirkstoffscreening sowie Big-Data- und KI-Anwendungen, die das molekulare Geschehen auf zellulärer Ebene analysieren. Viele dieser Strukturen werden für die SARS-CoV-2-Forschung und zur Identifizierung möglicher Wirkstoffe eingesetzt.

Forscher am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) fokussieren sich auf die Entwicklung von Wirk- und Impfstoffen gegen das Virus und wollen die Mechanismen von Krankheitsentstehung und -verlauf entschlüsseln.

Das Deutsche Krebsforschungszentrum (DKFZhat eine Taskforce eingerichtet, an der elf Abteilungen bzw. Arbeitsgruppen beteiligt sind. Ziele sind die Entwicklung eines Impfstoffes sowie diagnostischer Methoden. Dazu werden auch die Mechanismen der Krankheitsentstehung von COVID-19 sollen erforscht werden.

Um neue Wirkstoffe gegen das Virus zu identifizieren, untersuchen Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE)  den Virusrezeptor ACE2 und die Protease TMPRSS2, die die Fusion des Virus mit Zellmembranen ermöglicht. Darüber hinaus hat das DZNE begonnen, bestehende, kommerziell erhältliche Arzneimittel auf ihren potenziellen Einsatz in Therapien gegen SARS-CoV-2 zu untersuchen. Dies geschieht im Rahmen von Labortests, die eine hochpräzise Analyse einzelner Zellen ermöglichen.

Viren gelangen über spezifische Rezeptor-Proteine, an die sie andocken (Schlüssel-Schloss-Prinzip), in die Zelle. Forscher vom Forschungszentrum Jülich entwickeln ein Molekül, das spezifisch an den gleichen Rezeptor bindet und so den Viren Konkurrenz macht. Dadurch kann das Eindringen der Viren in die Zellen unterbunden werden. Außerdem versuchen sie die 3-D-Struktur eines weiteren viralen Proteins (ORF8) zu entschlüsseln und testen, wie dieses Protein gehemmt werden kann. In einem dritten Projekt wird untersucht, wie ein virales Enzym (3C-like Protease) gehemmt werden kann. Auch von diesem Protein wissen die Forscher bereits, dass das Virus es zur Vermehrung benötigt. 

Zudem stellt das Jülich Supercomputing Center gemeinsam mit den anderen Gauss-Partnern der Forschungsgemeinschaft Computerressourcen zur Verfügung, um beispielsweise die Wirkung potenzieller Medikamente computergestützt zu simulieren. 

Am Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (MDC) analysieren Forscherinnen und Forscher unter anderem mit den Methoden der Einzelzellbiologie, wie Lungenzellen auf die Infektion mit dem neuartigen Coronavirus im Vergleich mit dem alten SARS-CoV-1 reagieren – auf der Ebene der mRNA der Körperzellen und Viren-RNA genauso wie auf der Ebene der Proteine. Andere MDC-Gruppen untersuchen, welche Antikörper der Körper während der Erkrankung mit COVID-19 bildet, und sie erforschen, wie man den sogenannten ACE2-Rezeptor blockieren kann, über den das Virus in die Zellen gelangt.

Am Helmholtz Zentrum München (HMGU) arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in präklinischen Untersuchungen an der Identifizierung von Biomolekülen und Antikörpern mit antiviralen und neutralisierenden Eigenschaften, um so schnell wie möglich in die klinische Entwicklung zu gelangen. Mit Hilfe von KI-gestützten Werkzeugen wollen sie virale Zielstrukturen für therapeutische Ansätze vorhersagen. Darüber hinaus laufen groß angelegte Analysen von Single Cell-Atlanten der Atemwege, um zelltypspezifische Angriffspunkte zu identifizieren.

Um Impfstoffe mit inaktivierten Viren zu entwickeln, benötigen Forscher Methoden, die zwar das Virus abtöten, seine Struktur – insbesondere die für die Immunantwort entscheidende Virushülle - aber möglichst wenig bechädigen. Forscher vom HZI und der GSI Helmholtzzemtrum für Schwerionenforschung nutzen daher Schwerionen statt Gammastrahlen, um die Viren abzutöten. Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden bleibt dabei die Virus-Hülle weitgehend intakt. Die durch diese Methode abgetöteten Viren werden nun für die Entwicklung von neuen Impfstoffen getestet.

Strukturbiologie / Synchrotronstrahlung / Kryoelektronenmikroskopie

Mithilfe des hochintensiven Röntgenlichts der Synchrotronquelle BESSY II am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) konnten Forscher die dreidimensionale Architektur eines Enzyms entschlüsseln. Dabei handelt es sich um die virale Hauptprotease von SARS-CoV-2, die an der Vermehrung der Viren beteiligt ist. Daraus könnten sich konkrete Angriffspunkte ergeben, um Wirkstoffe zu entwickeln.

Beim Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY beginnt eine Versuchsreihe, die drei Schlüsselproteine des Erregers unter die Lupe nimmt. Hat die Untersuchung Erfolg, könnte sie die Suche nach einem Medikament erheblich verkürzen.

Das Zentrum für Strukturelle Systembiologie (CSSB) bei DESY arbeitet eng mit allen Infektions-Forschungsorganisationen in Norddeutschland zusammen. Mit „Supermikroskopen“ wie DESYs Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III und sogenannten Kryo-Elektronenmikroskopen können die Forscher biologische Proben auf verschiedene Arten untersuchen – von der Strukturanalyse von Einzelmolekülen bis hin zur Echtzeitdarstellung von Abläufen in lebenden Zellen. PETRA III ist im Standby-Modus und kann jederzeit für Coronavirus-relevante Messung hochgefahren werden. Dafür wurde ein Fast-Track-Zugangsmodus eingerichtet. Es sind mehrere SARS-CoV-2-relevante Forschungsprojekte in Vorbereitung. Beispiele sind die Strukturaufklärung von Virusproteinen oder ein Röntgen-Fluoreszenz-Tracking der Ausbreitung der Viren in Geweben.

Infektionsausbreitung in der Bevölkerung

Das Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung erforscht auch die Dynamik der Infektionsausbreitung in der Bevölkerung. Eine am HZI entwickelte App zur Seuchenbekämpfung und Risikoabschätzung (SORMAS) steht nun auch für die aktuelle SARS-CoV-2-Pandemie bereit. Dieses neue Coronavirus-Modul erlaubt es, auch in entlegenen Regionen Einzelfälle von an COVID-19 Erkrankten frühzeitig zu erfassen, klinische Details und Laborbestätigungen zu dokumentieren, alle Kontaktpersonen zu begleiten und ihnen frühzeitig eine Therapie anbieten zu können – für den Fall, dass sie ebenfalls erkranken. SORMAS generiert zugleich Daten in Echtzeit für eine fortlaufende Risikobewertung auf nationaler und internationale Ebene. Nachdem sich SORMAS in Regionen mit schwacher Infrastruktur etabliert hat, kann der deutsche Öffentliche Gesundheitsdienst die Anwendung nun auch nutzen. Gemeinsam mit dem Robert-Koch-Institut wird SORMAS-ÖGD-Covid19 allen interessierten Gesundheitsämtern zur Verfügung gestellt.

Forscherinnen und Forscher am Helmholtz Zentrum München (HMGU) entwickeln präzise Monitoringtools, um Entscheidungen bezüglich gesellschaftlicher Beschränkungen und zukünftiger Impfstrategien zu unterstützen. Darüber hinaus identifizieren sie Risikofaktoren für eine SARS-CoV-2-Infektion sowie für Komplikationen bei Patienten mit Diabetes und chronischen Lungenerkrankungen. Dazu verwenden sie die KORA- und NAKO-Kohorten sowie verfügbare Biobanken von Patientenkohorten mit Diabetes und chronischen Lungenkrankheiten.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich entwickeln gemeinsam mit der Universität Heidelberg und dem Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) mathematische Modelle zur Dynamik des Corona-Ausbruchs in Deutschland, mit denen sie den Effekt von Maßnahmen zur Eindämmung simulieren können. Ihr Ziel sind Prognosen, wann der Ausbruch seinen Höhepunkt erreichen wird und wie viele Menschen erkranken könnten.

Aktuelle Daten über die Entwicklung der Corona-Pandemie sammelt das Center for Disaster Management and Risk Reduction Technology (CEDIM) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) gemeinsam mit der Risklayer GmbH, einer Analysedatenbank zur Risikobewertung. Die Karten bieten einen Überblick über die Ausbreitung des Virus in Deutschland und weltweit, zudem werden Risikogebiete bis hinunter zur Kreisebene identifiziert.

Um den Verlauf der COVID-19-Epidemie in Deutschland übersichtlich und nach einzelnen Bundesländern aufgeschlüsselt darstellen zu können, haben Forschende des MDC ein neues Onlinetool entwickelt. Karte und Zeitstrahl zur Ausbreitung des Coronavirus sind frei verfügbar. Ab sofort zeigt das Tool auch die Fallzahlen aller Länder weltweit an.

Information für Risikogruppen und Angehörige

Der Krebsinformationsdienst des Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ) und der Lungeninformationsdienst des Helmholtz Zentrums München (HMGU) haben ihre Kapazitäten erhöht, um Fragen von Menschen mit einem möglicherweise geschwächten Immunsystem, wie Krebspatienten oder Personen mit Vorerkrankungen der Lunge sowie deren Angehörigen zu beantworten. Darüber hinaus gibt es Informationsseiten zum neuen Coronavirus und der durch das Virus ausgelösten Lungenerkrankung COVID-19. Der Allergieinformationsdienst bietet weiterführende Informationen zum Corona-Virus für Menschen mit Allergien und Asthma.

Menschen mit Diabetes finden beim nationalen Diabetesinformationsportal diabinfo (Helmholtz Zentrum München und Partner) wissenschaftlich geprüfte Informationen zu ihren Fragen im Zusammenhang mit dem Corona-Virus.

 

EU-Projekte

Die Europäische Kommission hat kurzfristig die Förderung von 17 neuen Projekten bekanntgegeben, die insgesamt 47,5 Millionen Euro erhalten sollen, um zur Bekämpfung der Coronavirus-Pandemie beizutragen. Alle sind international ausgerichtet und befassen sich mit Monitoring, Testverfahren, Behandlungsmethoden und Impfstoffentwicklung. Helmholtz-Wissenschaftler koordinieren zwei dieser Projekte:

Das Helmholtz Zentrum München, Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt, koordiniert RiPCoN („Rapid interaction profiling of 2019 nCoV for network based deep drug repurpose learning“). Gemeinsam mit Partnern aus Frankreich und Spanien soll erforscht werden, ob sich schon zugelassene Medikamente für die Behandlung von COVID-19 eignen. Dafür wollen die Forscher zunächst herausfinden, welche Proteine, Signalwege und molekularen Strukturen das Virus im menschlichen Körper ausnutzt und verändert. Auf Basis dieser Informationen modellieren sie – unterstützt von künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen –, welche Medikamente eine Erfolgsaussicht haben und für anschließende Labortests und Studien erfolgsversprechend sind. In einer zweiten Projektphase wollen sie in Experimenten herausfinden, welche Auswirkungen natürlich vorkommende genetische Unterschiede der interagierenden menschlichen und viralen Proteine auf den individuellen Krankheitsverlauf haben. Kombiniert mit weiteren Daten zu Epidemien und menschlichen Genen sollen diese Erkenntnisse für zukünftiges COVID-19-Risikomanagement und die Ressourcenplanung von Kliniken genutzt werden.

Das Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung koordiniert CORESMA („COVID-19 Outbreak Response combining E-health, Serolomics, Modelling, Artificial Intelligence and Implementation Research“). Weitere Informationen zu diesem Projekt folgen in Kürze.

Alle EU-Projekte im Überblick

 

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"Helmholtz leistet wichtige Beiträge, um die Corona-Krise zu bewältigen“

In mehr als 20 Forschungsprojekten widmet sich Helmholtz einer der größten Herausforderungen unserer Zeit.

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