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 COVID-19-Pandemie 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. Die Gemeinschaft hat einen Teil ihrer Forschung auf das neue Virus fokussiert – überwiegend im Bereich Gesundheit, aber auch darüber hinaus Die Forscherinnen und Forscher arbeiten etwa 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. So werden beispielsweise Breitbandwirkstoffe gegen SARS-CoV-2 durch Screening gesucht. Dazu etabliert das HZI entsprechende präklinische Infektionsmodelle. Forscherinnen und Forscher des HZI untersuchen zudem mittels zeitaufgelöster Einzelzell-RNA-Sequenzanalyse von Patientenproben Virus-Wirt-Interaktionen zu unterschiedlichen Zeitpunkten der Infektion.

Das Deutsche Krebsforschungszentrum (DKFZ) hat 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 erforscht.

Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) untersuchen Rezeptoren auf der Zelloberfläche, die die Fusion des Coronavirus SARS-CoV-2 mit Zellmembranen ermöglichen, und sie erforschen auch die Reaktion des Immunsystems auf eine Infektion. Dies dient dazu, Angriffswege des Virus aufzuklären und Grundlagen für Therapien und Wirkstoffe zu schaffen. Forschende des DZNE haben darüber hinaus hochwirksame Antikörper gegen das Coronavirus SARS-CoV-2 identifiziert und verfolgen nun die Entwicklung einer passiven Impfung.

Viren gelangen über spezifische Rezeptor-Proteine, an die sie andocken (Schlüssel-Schloss-Prinzip), in die Zelle. Forscher vom Forschungszentrum Jülichentwickeln 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. Dasselbe Molekül wird auch als Sonde im Rahmen eines Virus-Schnelltests zum Einsatz kommen, der derzeit entwickelt wird.  Außerdem versuchen die Strukturbiologen die 3-D-Struktur weiterer viraler Proteine zu entschlüsseln und testen, wie diese Proteine gehemmt werden können, sodass sich das Virus nicht weiter vermehren kann.

In einem dritten Projekt wird untersucht, wie ein wichtiges virales Enzym (Hauptprotease) gehemmt werden kann, welches für die Vermehrung des Virus von grundlegender Bedeutung ist. Hierzu wurde bereits ein umfangreiches computer-basiertes Screening am Jülicher Supercomputer-Center durchgeführt. Vielversprechende Wirkstoffkandidaten werden derzeit auf ihre Wirksamkeit biochemisch untersucht. Zusammen mit anderen strukturbiologischen und medizinisch-chemischen Arbeitsgruppen an weiteren Instituten der Helmholtz-Gemeinschaft beteiligt sich das Forschungszentrum Jülich am Aufbau einer Helmholtz-übergreifende Plattform zur strukturbasierten Wirkstoffforschung, um besser auf zukünftige Pandemien vorbereitet zu sein. 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. 

Das Projekt Exscalate4CoV (E4C) nutzt hochleistungsfähige Supercomputing-Ressourcen in Europa, um intelligentes In-silico-Drug-Design und Strategien zur Umwidmung von Medikamenten gegen die Coronavirus-Pandemie zu ermöglichen und gleichzeitig die Genauigkeit und Vorhersagbarkeit von computergestütztem Drug Design zu erhöhen. Bisher wurden etwa 10.000 einzigartige Moleküle gegen die hauptsächlichen Zielproteine von SARS-CoV-2 untersucht. Zudem wurden weitere Bibliotheken gescreent. Dieser rechnerische Aufwand wurde mit biochemischen Methoden und phänotypischen Screenings kombiniert, um die Moleküle auszuwählen, die in der Lage sein könnten, die Virusvermehrung in In-vitro-Modellen zu blockieren. Ein vielversprechender Medikamentenkandidat, Raloxifen, erwies sich in den experimentellen Tests als „aktiv“. Raloxifen wird Mitte Oktober den ersten Schritt der klinischen Erprobung durchlaufen.

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.

Mithilfe von DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III hat ein Forschungsteam mehrere Kandidaten für mögliche Wirkstoffe gefunden, die an ein wichtiges Protein des Coronavirus SARS-CoV-2 binden und so eine Grundlage für ein Medikament gegen die Infektion sein könnten. Nach der Messung von über 10.000 Proben mit rund 5.700 Wirkstoffsubstanzen konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bis jetzt insgesamt 43 Stoffe identifizieren, die an das Virusprotein binden. Zurzeit wird überprüft, ob diese Stoffe die Proteinaktivität hemmen und die Vermehrung des Virus bremsen. Gleichzeitig untersucht das Forschungsteam an DESYs Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III das Andocken der Wirkstoffe an weitere für die Virusvermehrung wichtige Proteine des Coronavirus.

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. Mithilfe 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.

Ebenfalls mit KI-Modellen wollen Forscherinnen und Forscher Faktoren identifizieren, die den Verlauf und Schweregrad einer Erkrankung an COVID-19 vorhersagen. Ziel ist es, individuelle Krankheitsverläufe besser zu verstehen und zu charakterisieren, um eine zielgenaue Therapie und Nachsorge der Patientinnen und Patienten zu entwickeln.

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 beschädigen. Forscher vom HZI und dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung nutzen daher Schwerionen statt Gammastrahlen, um die Viren abzutöten. Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden bleibt dabei die Virushülle weitgehend intakt. Die durch diese Methode abgetöteten Viren werden nun für die Entwicklung von neuen Impfstoffen getestet.

Um die Viruserkennung zu verbessern und Infektionen mit dem Virus SARS-CoV-2 schneller erfassen zu können, arbeitet das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung mit internationalen Partnernan der Entwicklung von hochempfindlichenSensoren auf Nanoporenbasis. Diese haben das Potenzial, Viren gezielt und schnell nachzuweisen. In einem weiteren Projekt ist geplant, diese Nanoporen zu nutzen, um sichere Mundschutzfilter zu entwickeln und so Atemschutzmasken zu verbessern. Denn mit einem Durchmesser von 10 bis 20 Nanometern sind Nanoporen deutlich kleiner als das Coronavirus SARS-CoV-2 und können daher vor einer Virusinfektion schützen.

In einer präklinischen Studie will das GSI außerdem prüfen, ob eine durch SARS-Cov-2 ausgelöste Lungenentzündung mit einer niedrig dosierten Bestrahlung behandelt werden kann. Partner sind die Universitätskliniken in Frankfurt und Erlangen. Dazu verwenden die Forscher eine typische Niedrigdosis-Röntgenbestrahlung, wie sie bereits zur Behandlung von Lungenentzündungen verabreicht wurde, sowie eine Ganzkörper-Exposition durch eine leicht erhöhte Radonaktivität in der Umgebung. Ziel ist, durch SARS-CoV-2 ausgelöste Lungenentzündungen in Zukunft effektiver behandeln zu können.

Wissenschaftler desHelmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) wollen einen bestehenden Ansatz, mit dem sich Tumorzellen aufspüren und bekämpfen lassen, auf die Bildgebung und Therapie von Virusinfektionen wie dem neuartigen Coronavirus übertragen. Dafür greifen sie auf modulare, rekombinante Antikörperderivate zurück, die sie in den letzten drei Jahrzehnten entwickelt haben. Ziel der Dresdner Forscherinnen und Forscher ist es, diese Antikörperbausteine so umzubauen, dass sie auch für die Erkennung und Zerstörung von Coronaviren verwendet werden können. Darauf aufbauend wollen sie diese Module ebenfalls einsetzen, um universelle Nanosensoren zu entwickeln, die eine schnelle digitale Diagnose ermöglichen könnten, und um über bildgebende Verfahren akute Krankheitsverläufe sowie langfristige Folgen einer COVID-19-Erkrankung zu entschlüsseln.

Infektionsausbreitung in der Bevölkerung

Das Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschungerforscht die Dynamik der Infektionsausbreitung in der Bevölkerung. Eine am HZI entwickelte App zur Seuchenbekämpfung und Risikoabschätzung (SORMAS), die bereits bei Infektionsausbrüchen in Afrika erfolgreich zum Einsatz kam, kann nun auch für die aktuelle SARS-CoV-2-Pandemie eingesetzt werden. Das neue Coronavirus-Modul in SORMAS erlaubt es, auch in entlegenen Regionen COVID-19-Erkrankte frühzeitig zu erfassen, klinische Details und Laborbestätigungen zu dokumentieren, Kontaktpersonen zu erfassen und frühzeitig Behandlungsmöglichkeiten anbieten zu können. SORMAS generiert zugleich Daten in Echtzeit für eine fortlaufende Risikobewertung auf nationaler und internationaler Ebene. Zum einen wird SORMAS über Ferninstallation in mehreren Ländern weltweit ausgerollt, zum anderen wurde das System für die Anwendung im öffentlichen Gesundheitsdienst in Deutschland angepasst. Gemeinsam mit dem RKI wird SORMAS-ÖGD-COVID19 allen interessierten Gesundheitsämtern zur Verfügung gestellt.

Eine weitere App-basierte Softwareentwicklung PIA(Prospektives Monitoring akuter Infektionen-Applikation) aus dem HZI wird gerade eingeführt, um handybasiert regelmäßig Selbstberichte über den Gesundheitszustand von wichtigen Kontaktpersonen zu erfassen. Vor allem immungeschwächte Patienten, zum Beispiel solche mit Vorerkrankungen, sollen untersucht werden. Im Vergleich mit Referenzwerten aus der Allgemeinbevölkerung wird erfasst, ob hier eine besondere Gefährdung bezüglich der Infektionshäufigkeit oder des Krankheitsverlaufs vorhanden ist.

Um Antikörper bei bereits genesenen COVID-19-Erkrankten nachweisen zu können, entwickelt das HZI Tests für epidemiologische Studien zur besseren Verfolgung der Viruserkrankung und damit der möglichen erworbenen Immunität gegen SARS-CoV-2. Diese Tests helfen, das tatsächliche Ausmaß der Infektion zu erfassen. In einer vom HZI koordinierten Bevölkerungsstudie wird zudem das Blut von mehr als 100.000 Spendern regelmäßig auf Antikörper gegen den COVID-19-Erreger analysiert. Durch diese Seroprävalenzstudien entsteht ein genaueres Bild der bereits erworbenen Immunität und der weiteren Pandemieentwicklung. Gemeinsam mit dem RKI untersucht das HZI die tatsächliche Verbreitung des Virus in Deutschland in mehreren großangelegten Studien in besonders betroffenen Orten. Pilotregion für die bundesweite Antikörperstudie des HZI ist Reutlingen, wo die Studie im Juli startete. Weitere Landkreise sollen folgen. Zur Erfassung des Immunstatus innerhalb der Bevölkerung wird neben vier weiteren Antiköpertests auch ein neues Nachweisverfahren eingesetzt.

Sowohl das Deutsche Krebsforschungszentrum (DKFZ) als auch das Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) zusammen mit dem Naturwissenschaftlichen und Medizinischen Institut an der Universität Tübingen (NMI) entwickeln multiplex-serologische Tests, die ein neues diagnostisches Instrument zur Messung schützender Antiköperreaktionen darstellen. Diese Tests sollen hochauflösende Daten generieren, um auf Bevölkerungsebene die spezifische serologische Prävalenz von SARS‐CoV‐2 im Vergleich zu anderen Atemwegsviren und chronischen Infektionen, die Dauer einer Immunantwort oder die Infektionsanfälligkeit unter den Studienteilnehmern zu beurteilen.

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.

In eine etablierte Screening-Studie zur Untersuchung von Kindern in Bayern auf ein Frühstadium von Typ-1-Diabetes werden nun auch Antikörpertests gegen das neue Coronavirus SARS-CoV-2 einbezogen. Mit ihrer Hilfe hoffen die HMGU-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, realistische Werte über die Infektionshäufigkeit mit dem Erreger, Verbreitungsmuster sowie eventuelle Unterschiede in Region, Alter und Geschlecht zu erhalten.

Seit Beginn der Corona-Pandemie steht die Reproduktionszahl im Zentrum des Interesses. In den USA ging bereits im April eine Website online, auf der für eine breite Öffentlichkeit tagesaktuelle R-Wert-Schätzungen für alle Bundestaaten zu finden sind. Biotechnologen vom Forschungszentrum Jülich steuerten ihre Expertise zur amerikanischen Webseite bei, hinter der die Instagram-Gründer Kevin Systrom und Mike Krieger stecken. Die Jülicher Wissenschaftler wurden von Systrom um Unterstützung gefragt, denn sie entwickeln und nutzen das Python-Software-Paket "PyMC3" für die statistische Modellierung und Entwicklung von Bioproduktionsprozessen – ebenso wie die amerikanische Website. Die Jülicher Forscher stellen auf der Seite https://rtlive.de/ nun auch tägliche Vorhersagen des R-Werts für die deutschen Bundesländer bereit, die auf Daten des Robert-Koch-Instituts (RKI) basieren.

Landkreisbezogene Corona-Vorhersagen liefert die Website https://covid19-bayesian.fz-juelich.de. Hier stellen Neuroinformatiker der Universität Osnabrück und Datenspezialisten des Forschungszentrums Jülich täglich neue Modellergebnisse bereit. Die Ergebnisse enthalten tagesaktuelle Schätzungen der gemeldeten Neu-Infektionen und eine 5-Tages-Vorhersage für jeden deutschen Landkreis. Die Prognosen beruhen ebenfalls auf den Daten des RKI, die mit einem neuen, wahrscheinlichkeitsgewichteten Modell der Osnabrücker Neuroinformatiker auf Höchstleistungsrechnern des Jülich Supercomputing Centre (JSC) statistisch analysiert werden. Das Modell errechnet überdies den Einfluss angrenzender Regionen.

Darüber hinaus modellieren Wissenschaftler des HZI und des Forschungszentrums Jülich gemeinsam mit der Universität Heidelberg und dem Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) die Auswirkung verschiedener Maßnahmen auf die Entwicklung der Corona-Epidemie in Deutschland. Um die Ausbreitung des Erregers präziser zu beschreiben, haben die Forscher ein klassisches Modell aus der mathematischen Epidemiologie um SARS-CoV-2-spezifische Faktoren erweitert. Indem sie Angaben zur Anzahl stationär aufgenommener und intensivmedizinisch betreuter Patienten in das Modell integriert haben, können sie die Belastung für das deutsche Gesundheitssystem in verschiedenen Ausbreitungsszenarien vorhersagen. Diese Daten sind auch in eine Stellungnahme der Helmholtz-Initiative „Systemische Epidemiologische Analyse der COVID-19-Epidemie“ für die Bundesregierung eingeflossen. Die Ergebnisse des am Jülich Supercomputing Centre (JSC) und FIAS entwickelten Modells gehen auch in den vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) initiierten Forecast Hub ein. Zudem stellt das JSC gemeinsam mit seinen Partnern im Gauss Centre for Supercomputing (GCS) Rechenzeit zur Verfügung.

Zusammen mit mehreren anderen internationalen Forschungseinrichtungen und Unternehmen hat sich das Forschungszentrum Jülich einer Initiative des kanadischen Quantencomputer-Herstellers D-Wave Systems Inc. angeschlossen. Ziel ist es, Forscherinnen und Forscher bei der Entwicklung von Lösungen zur Bekämpfung der Corona-Pandemie zu unterstützen. D-Wave verschafft Nutzern, die zu COVID-19 forschen, freien Zugang zu Quantencomputer-Systemen.

Das von Kathrin Ohla (Forschungszentrum Jülich) mitgegründete Global Consortium for Chemosensory Research (GCCR) untersucht den Zusammenhang von Riech- und Schmeckstörungen mit COVID-19. Die Onlineumfrage steht in 32 Sprachen zur Verfügung. Außerdem haben die Forscher den sogenannten Riech&Schmeck-Check entwickelt, mit dem Interessierte ihre Sinne zu Hause testen, trainieren und über die Zeit beobachten können. An dem Konsortium sind aktuell 592 Mitglieder aus 59 Ländern beteiligt.

Neben der Entwicklung eines Impfstoffes und der intensiven Kontaktverfolgung trägt vor allem die bestmögliche Verwendung vorhandener Testkapazitäten dazu bei, die Ausbreitung der COVID-19-Pandemie einzudämmen und zu kontrollieren. Am Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) – dem Gemeinschaftsprojekt des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR), des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ), des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG), der TU Dresden und der Universität Breslau – entwickeln Forscherinnen und Forscher deshalb eine Software, um den Einsatz von Testkits räumlich, zeitlich und strategisch zu optimieren. Aufbauend auf „Was-wäre-wenn-Szenarien“ binden sie unterschiedliche Teststrategien, wie die Verbindung von Tests mit einer engen Kontaktverfolgung, den Einsatz von Testpooling oder die Nutzung neuer, schneller Testverfahren, in die Software – die als Open-Source-Anwendung zur Verfügung gestellt werden soll – ein. Durch diese offene Architektur könnte sie auch schnell auf zukünftige Pandemien anpassbar sein.

Ein Team aus Wissenschaftlern und Betreibern von Kläranlagen will aus Abwasserproben auf den SARS-CoV-2-Infektionsgrad der Bevölkerung schließen. In dem Projekt arbeiten mehr als 20 Abwasserfachleute, Mikrobiologen, Virologen und Modellierer des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ), der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall (DWA) und der TU Dresden mit Kläranlagenbetreibern zusammen. Ziel einer im Oktober und November 2020 stattfindenden Kampagne ist die systematische Erfassung der Virus-Konzentrationen  in Abwasserproben von 100 Kläranlagen in Deutschland. Mithilfe begleitender Modellberechnungen soll die COVID-19-Dynamik der angeschlossenen Regionen dargestellt werden. Die Genauigkeit und gegebenenfalls Vorhersagekraft des Abwassermonitorings wird durch den Vergleich mit Ergebnissen der Patiententestung ermittelt.

Das CISPA - Helmholtz-Zentrum für Informationssicherheitwar an der Entwicklung der Corona-Warn-App beteiligt, die seit Mitte Juni 2020 kostenlos erhältlich ist. Die App hilft festzustellen, ob man in Kontakt mit einer infizierten Person geraten ist und daraus ein Ansteckungsrisiko entstehen kann. So können Infektionsketten schneller unterbrochen werden. Das CISPA wurde von der Bundesregierung gebeten, SAP und Telekom bei der Umsetzung des Projekts in Hinblick auf Datenschutz und IT-Sicherheit wissenschaftlich zu unterstützen.

Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT)und des FZI Forschungszentrums Informatik, eines Innovationspartners des KIT, haben untersucht, wie sogenannte Corona-Tracing-Apps datenschutzfreundlich gestaltet werden können. Ihr Vorschlag kombiniert die Vorteile von zentralem und dezentralem Ansatz und bietet so einen höheren Datenschutz. 

Forscher des KIT untersuchen, wie gasgetragene Partikeln und Tropfen entstehen, sich verbreiten und abgeschieden werden. Dabei untersuchen sie auch die Wirkung von Filtern. Zum Beispiel haben sie den Einsatz von mobilen und stationären Raumluftreiniger in Klassenräumen ausgewertet. Das Ergebnis: Raumluftreiniger können die Partikelkonzentration in geschlossenen Räumen stark verringern. Mit Simulationen analysieren die KIT-Wissenschaftler zudem Aerosole, deren Verteilung und Abscheidung in Räumen, Filtern und auch in den menschlichen Atemwegen. Aerosole spielen bei der Übertragung von SARS-CoV-2 eine wichtige Rolle. Um die Einhaltung der Maskenpflicht in öffentlichen Räumen wie Restaurants oder Straßenbahnhaltestellen durch die Behörden sicherzustellen, entwickeln Forscher des KIT darüber hinaus ein neuartiges Konzept für ein datenschutzfreundliches Maskenerkennungs-Videosystem auf der Basis von künstlicher Intelligenz.

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) untersucht, wie sich Aerosole in Flugzeugkabinen und Zugabteilen verbreiten. Die Erkenntnisse können helfen, die Ausbreitung von Viren während einer Pandemie besser zu verstehen und damit Lösungsansätze zu entwickeln. Ebenso wird an rekonfigurierbaren und modularen Kabinenausstattungen in Flugzeugen gearbeitet, die Änderungen bei der Sitzanordnung erlauben, um die Passagierdichte zu verringern. Außerdem befassen sich Wissenschaftler im DLR mit der Integration intelligenter Materialien für eine schnelle und vereinfachte Reinigung sowie Desinfektion im Sitzbereich. Die Gesundheit der Passagiere soll mittels Infrarotkameras und Sensoren überwacht werden.

In einer Forschungsflugmission untersuchte das DLR gemeinsam mit Partnern wie dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Corona-bedingte Veränderungen in der Erdatmosphäre. Messungen der verringerten Emissionen aus Industrie, Verkehr und Luftfahrt tragen dazu bei, den anthropogenen Einfluss auf die Zusammensetzung der Erdatmosphäre besser zu verstehen. Mithilfe zweier Forschungsflugzeuge wollen die Wissenschaftler herausfinden, wie sich der verringerte Schadstoffausstoß auf die Atmosphärenchemie und -physik auswirkt. Gemeinsam mit dem HZI entwickelt das DLR außerdem momentan ein Softwarepaket, mit dem sich der Einfluss von Schutzmaßnahmen wie Kontaktverboten oder Ausgangssperren auf die Entwicklung der Corona-Infektionszahlen über mehrere Monate simulieren lässt. Im Bereich der Verkehrsforschung werden aktuelle und zukünftige Auswirkungen des Coronavirus auf die Logistikbranche untersucht.

Atmosphärenforscherinnen und -forscher des Forschungszentrums Jülich starteten umfangreiche Messkampagnen, um die Änderung der Luftqualität während des Shutdowns im Frühjahr und auch in der Zeit danach zu dokumentieren. Erste Ergebnisse zeigen, dass der Shutdown keinen großen Einfluss auf den CO2-Gehalt in der oberen Troposphäre und Stratosphäre in rund 15 Kilometern Höhe hatte. Weitere Messungen laufen derzeit. Die Ergebnisse fließen in mehrere Klimamodelle ein, um bestehende Wissenslücken zu schließen und zum Beispiel die Auswirkungen einer durchgreifenden Verkehrswende auf die Luftqualität in verschiedenen Regionen vorherzusagen.

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.

Darüber hinaus haben Forscher am KIT eine Methode zur Schätzung der Reproduktionszahl R entwickelt, die Zeitverzögerungen vermeidet und wochentagsbedingte Schwankungen kompensiert. Dazu setzen die Wissenschaftler ein akausales Filter mit einer Filterlänge von sieben Tagen ein, das nicht nur vergangene und gegenwärtige, sondern auch zukünftige Werte verwendet.

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

Ein Postdoc des DESY gehörte zu einem der Gewinnerteams der “MIT CoVID-19 Challenge 2020”. Sein internationales Team entwarf für den Wettbewerb eine Software, die auf KI-Algorithmen basiert und anhand von COVID-19-Kontakten und Erholungsraten von Infizierten eine Abschätzung der Wahrscheinlichkeit von Immunität gibt. Die Algorithmen, die eigentlich aus der theoretischen Teilchenphysik stammen, können genutzt werden, um Testkapazitäten besser auf Hochrisikogruppen auszurichten.

Strukturbiologie / Synchrotronstrahlung / Kryoelektronenmikroskopie

Mithilfe des hochintensiven Röntgenlichts der Synchrotronquelle BESSY II am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) konnte ein Team  der Universität Lübeck 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, die die Vermehrung der Viren verhindern. Aus den Ergebnissen lässt sich auch ermitteln, welche Fragmente überhaupt im aktiven Zentrum der viralen Protease andocken. Dafür hat ein Team an BESSY II zusammen mit Partnern der Universität Marburg die Methode des Fragment-Screening entwickelt: Enzym-Kristalle werden dafür mit unterschiedlichen Molekülen getränkt und analysiert, bis die besten Komponenten für einen passenden Wirkstoff identifiziert sind. Einige Kandidaten sind bereits gefunden und müssen nun weiter untersucht werden. Sie kommen als Bestandteile für einen Wirkstoff infrage. 

Beim Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY läuft eine Versuchsreihe, die drei Schlüsselproteine des Erregers unter die Lupe nimmt. Hat die Untersuchung Erfolg, könnte sie die Suche nach einem Medikament erheblich verkürzen. DESY arbeitet dabei eng mit mehreren Infektions-Forschungsorganisationen in Norddeutschland zusammen. Mit „Supermikroskopen“ der Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III und sogenannten Kryo-Elektronenmikroskopen am Zentrum für Strukturelle Systembiologie (CSSB) bei DESY können die Forscher biologische Proben auf verschiedene Arten untersuchen – von der Strukturanalyse von Einzelmolekülen bis hin zur Echtzeitdarstellung von Abläufen in lebenden Zellen.

Ebenfalls an PETRA III gelang es einem Forscherteam bei der Untersuchung von geschädigtem Lungengewebe, die durch das Virus hervorgerufenen Veränderungen der Lungenbläschen und der Blutgefäße hochaufgelöst und in 3D darzustellen. Die Wissenschaftler konnten sichtbar machen, dass sich Ablagerungen aus Proteinen und abgestorbenen Zellenresten an der Innenseite de Lungenbläschen niederschlagen. Sie reduzieren den Gasaustausch und führen zu Atemnot.

Ein Forscherteam aus Deutschland und Schweden sucht an PETRA III nach innovativen Methoden, um Patientinnen und Patienten sehr genau dosierte Medikamente gegen Krankheiten wie COVID-19 zu verabreichen. Viele der aktuellen Kandidaten für mögliche Medikamente haben starke Nebenwirkungen. Mithilfe der Untersuchung sollen neue Verabreichungsmethoden gefunden werden, damit die Wirkstoffe exakt in der idealen Konzentration von den Betroffenen eingenommen werden können.

Die Forschungslichtquelle PETRA III, die inzwischen wieder im Regelbetrieb läuft, wurde zwischenzeitlich extra für die Coronavirus-relevanten Messungen hochgefahren. Zudem wurde ein Fast-Track-Zugangsmodus für Corona-relevante Forschung an DESYs Lichtquellen eingerichtet. Mehrere SARS-CoV-2-relevante Forschungsprojekte sind in Vorbereitung. Beispiele sind die Strukturaufklärung von Virusproteinen oder ein Röntgen-Fluoreszenz-Tracking der Ausbreitung der Viren in Geweben.

Wissenstransfer für Risikogruppen und Angehörige

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

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. (Interview mit Projektkoordinator Pascal Falter-Braun).

Das Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung koordiniert CORESMA („COVID-19 Outbreak Response combining E-health, Serolomics, Modelling, Artificial Intelligence and Implementation Research“). Mit diesem Projekt sollen bestehende Lücken zwischen klinischen, epidemiologischen und immunologischen Informationen geschlossen werden, um besser auf die Pandemie reagieren zu können. Dafür arbeiten nicht nur europäische Forscher aus den Niederlanden, der Schweiz und Deutschland, sondern auch Partner aus China, Elfenbeinküste und Nepal zusammen. Über die bereits 2014 gemeinsam mit nationalen und internationalen Partnern vom HZI entwickelte App SORMAS, mit der Daten zu Krankheitsausbrüchen lokal erfasst und an Gesundheitsbehörden übermittelt werden können, wollen sie klinische Echtzeitdaten erhalten. Hier stehen besonders gefährdete Staaten im Fokus, neben der Elfenbeinküste u.a. auch Ghana und Nigeria. Gleichzeitig soll in Deutschland und Nepal untersucht werden, ob Infektionen mit anderen menschlichen Coronaviren zu einer Kreuzimmunität gegen das neuartige SARS-CoV-2 führen. Die erhobenen Daten sollen dabei helfen, die Übertragung des Virus besser einschätzen zu können und die Effektivität von Maßnahmen gegen die Verbreitung zu bewerten.

Das Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung ist außerdem in das Projekt SCORE involviert; das Forschungszentrum Jülich arbeitet im Projekt Exscalate4CoV mit. „SCORE“ soll antivirale Medikamente entwickeln, die kurz- bis mittelfristig zur Behandlung von Patienten und zur Eindämmung der Ausbreitung von Coronaviren eingesetzt werden können. Die Plattform „Exscalate“ zielt bereits jetzt darauf ab, Supercomputing-Ressourcen zu nutzen und sie mit lebenswissenschaftlichen Forschungslaboren zu verbinden, um internationalen Pandemien schneller und effizienter zu begegnen. Das Vorhaben wird nun auch auf COVID-19 ausgeweitet; dabei geht es auch um die Identifikation von Wirkstoffen gegen das Virus.

Alle EU-Projekte im Überblick

Allianzübergreifende Aktivitäten der Helmholtz-Gemeinschaft

Die Allianz der Wissenschaftsorganisationen ist ein Zusammenschluss der großen außeruniversitären Wissenschaftsorganisationen in Deutschland. Der größte Anteil an allianzübergreifenden Aktivitäten der Helmholtz-Gemeinschaft findet in enger Kooperation mit den Deutschen Zentren für Gesundheitsforschung (DZG) statt. Das Deutsche Zentrum für Infektionsforschung (DZIF) übernimmt hierbei eine koordinierende Rolle.

Die im DZIF etablierte Plattform „Lean European Open Survey on SARS-CoV-2 Infected Patients“ (LEOSS) wird von allen DZG als zentrale IT-Plattform für anonymisierte Patientendaten genutzt.

Darüber hinaus werden zentrale DZG-übergreifende klinische Studien unter Berücksichtigung besonderer Risikogruppen (Patienten mit Lungen- oder Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Diabetes und Krebs) initiiert. Das DZIF koordiniert des Weiteren die deutsche Beteiligung an internationalen Studien wie dem WHO Solidarity Trial.

Neben diesen übergreifenden Maßnahmen stellen die DZG Infrastrukturen für klinische Studien, Substanzbibliotheken für die Testung von SARS-CoV-2 sowie Expertise in der medizinischen Chemie und der Guten Herstellungspraxis von Arzneimitteln (Good Manufacturing Practice GMP) zur Verfügung.

Kontakt

Glossar

Hier finden Sie Erklärungen wichtiger Begriffe rund um das Coronavirus SARS-CoV-2.

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Animationsvideo

SARS-CoV-2: Woran wird geforscht?

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