Gastrointestinale Infektionen - ein Update: Noroviren - Joachim Kühn, Institut für Medizinische Mikrobiologie - Klinische Virologie Münster

Gastrointestinale Infektionen
       - ein Update:
         Noroviren

               Joachim Kühn,
 Institut für Medizinische Mikrobiologie -
             Klinische Virologie
                   Münster

Noroviren (NoV) als Krankheitserreger
•   1929 Beschreibung der sog. Winter Vomiting Disease
•   1968 Ausbruch von akuter Gastroenteritis an einer Grundschule in
    Norwalk, Ohio: Norwalk-Virus (NV)
    – >100 Primärfälle (Schüler, Lehrer), Kontaktfälle (Familie)
    – Ultrafiltrat aus dem Stuhl eines Sekundärfalles verursacht typische
      Erkrankung bei ca. 50% von Freiwilligen
    – keine Vermehrung in Zell- oder Organkulturen und Versuchstieren
•   1972 elektronenmikroskopischer Nachweis
•   1981 Klassifizierung als Calicivirus
•   1993 erste Genomsequenz
•   2000 Genus Norovirus (NoV)
•   2002 neue NoV-Variante: massiver Anstieg von Ausbrüchen viraler
    Gastroenteritis weltweit

Familie Caliciviridae
•   Genus Lagovirus
•   Genus Norovirus
•   Genus Sapovirus
•   Genus Vesivirus

Noroviren (NoV)
•   nicht umhüllte RNA-Viren                 lt. calyx/gr. καλυξ = Kelch

•   Virionen mit ikosaedrischer Symmetrie (T=3)
•   35-39 nm groß
•   +ss-RNA-Genom, 2 transkriptionelle Einheiten
•   1 Nichtstruktur-Polyprotein (ORF1)
•   2 Strukturproteine (ORF2, ORF3)

Klinische Symptomatik

• heftiges, explosives Erbrechen
• starke Durchfälle
   – cave: massive Flüssigkeits- und Elektrolytverluste
• Abdominalkrämpfe
• Übelkeit
• Kopfschmerzen, Myalgien, Mattigkeit
• kein oder nur mäßiges Fieber
• symptomatische Phase 12 bis 72 Stunden
• leichtere oligosymptomatische Verläufe möglich

Pathogenese

•   Replikation im oberen Verdauungstrakt (Jejunum)
•   Verbreiterung und Verkürzung von Villi im proximalen Dünndarm, Mukosa intakt
•   Epithelzellen zeigen verkürzte Mikrovilli
•   Monozyteninfiltration und Zellvakuolisierung
•   transiente Maladsorption (Fett, D-Xylose und Lactose)
•   keine erhöhten Adenylatcyclase- oder Interferonspiegel
•   deutlich verminderte Magenentleerung bei Erkrankten
•   gestörte Magenmotorik vermutlich verantwortlich für Übelkeit und Erbrechen

Infektionsweg und Inkubationszeiten
• Ausscheidung über Stuhl und Erbrochenes
• fäkal-orale Übertragung
• hohe Infektiosität (>1011 Genome/mL im Darm)
• sehr niedrige minimale Infektionsdosis
  (ca. 10 Viruspartikel !)
• Infektion durch
    – kontaminierte Speisen und Getränke (häufig bei Indexfällen)
    – direkte Mensch-zu-Mensch Übertragung (Sekundärfälle)
        • Tröpfcheninfektion bei explosivem Erbrechen
        • Hände
    – Kontakt mit kontaminierten Oberflächen und Gegenständen
• Inkubationszeit

Dauer der Ansteckungsfähigkeit
• Infektiosität bereits kurz vor der symptomatischen
  Phase (Speichel?)
• hohe Infektiosität während der gesamten
  symptomatischen Phase und bis mindestens 48
  Stunden nach Ende der Erkrankung
   – Erbrochenes
   – Stuhl
   – kontaminierte Körperoberflächen (Hände!) und
     Kleidung
• Virusausscheidung bis zu 2 Wochen und länger nach
  Ende der Erkrankung möglich
• mehrmonatige Ausscheidung bei Immunsupprimierten
  beschrieben (Gallimore et al., 2003)

Vorkommen von Noroviren
•   verantwortlich für einen Großteil der nicht bakteriell bedingten akuten
    Gastroenteritiden (AGE)
•   jährlich mehr als 20 Mio. Fälle von NoV-Infektionen in den USA
•   in Industrieländern häufigste Einzelursache (70-80%) von AGE-
    Ausbrüchen in
     – Krankenhäusern
     – Gemeinschaftseinrichtungen (Alten-, Pflege- u. Kinderheimen)
     – Schulen und Institutionen
     – Feriencamps und Hotelanlagen
     – Kreuzfahrtschiffen
     – Familien

Norovirusinfektionen in der BRD
• Ausgeprägte Saisonalität
• Winter 2007/8 bislang heftigste Norovirus-Saison
• 2007 über 200.000 gemeldete Fälle
• derzeit häufigste meldepflichtige Erkrankung

Norovirus-Ausbrüche auf Schiffen
• z.B. im Jahr 2002 14 Ausbrüche auf 10 Kreuzfahrt-
  Schiffen, 2000-2004 34 Ausbrüche am CDC
  untersucht
• selbst Desinfektion des ganzen Schiffes
  unterbricht Infektionskette nicht vollständig
• Reinfektion über Oberflächen (Teppiche etc.)
• Kreuzfahrt = Freiwilligenexperiment mit Noroviren
• auch militärisch relevant: „Auszeit“ der USS
  Saratoga wg. Noroviren im Irakkrieg für einige
  Tage

Norovirusausbrüche durch kontaminierte Lebensmittel

Epidemie durch kontaminierte Austern
• Ausbruch im September 93
• zahlreiche Personen in den ganzen USA betroffen
• gemeinsamer Risikofaktor: Austernkonsum
• alle Austern aus dem gleichen Anbaugebiet (9 km2)
• Fischer mit Gastroenteritis, stand im seichten
  Wasser, „erleichterte“ sich mehrmals ins Wasser
• Norovirus-Stamm bei Fischer und Betroffenen
  identisch
• Fischer infizierte in 3 Tagen ca. 6 Millionen Austern,
  die in 14 Bundesstaaten verkauft wurden
  (MMWR 42 (49) - 1993)

Diagnostik von Norovirus-Infektionen
•   typische Klinik einer AGE
    – Erbrechen und/oder Durchfall
    – kurze Inkubationszeiten (10 bis 50 Stunden)
    – kurze Krankheitsdauer (1 bis 2 Tage)
•   labordiagnostischer Nachweis
    – Trefferquote

Therapie
• kausale antivirale Therapie nicht möglich
• symptomatische Therapie, Ersatz der Elektrolyt- und
  Flüssigkeitsverluste
   – orale Rehydration (Elektrolyte, Zucker)
   – ggf. parenterale Rehydration
   – Loperamid o. Diphenoxylat nicht empfohlen
• cave: lebensbedrohliche Verläufe möglich bei
   – sehr alten und sehr jungen Patienten
   – mangelernährten Kindern
   – Patienten mit schweren Grunderkrankungen

Prävention
Prävention
•   kein Impfstoff verfügbar
•   partielle mukosale Immunität
•   Infektion verleiht kurzfristigen (?) Schutz gegen Reinfektion mit
    gleichem Erreger

Vermeidung von Index-Fällen durch Lebensmittel
•   Händehygiene in Gemeinschaftseinrichtungen und Küchen
•   gutes Durchgaren von Fisch und Meeresfrüchten
•   cave: extrem niedrige Infektionsdosen
•   sehr hohe Umweltresistenz und hohe Temperaturstabilität des
    Erregers bis zu 60°C

Maßnahmen bei Erkrankungen in
      Gemeinschaftseinrichtungen
• sofortige Einleitung von Hygienemaßnahmen zur
  Vermeidung von
   – aerogener Übertragung (explosives Erbrechen)
   – direkter Mensch-zu-Mensch-Übertragung (Hände)
   – fäkal-oraler Schmierinfektionen (Flächenkontaminationen)
• Eindämmung einer weiteren Ausbreitung der
  Infektion in Gemeinschaftseinrichtungen
   – Einschränkung von Patienten-, Bewohner- und
     Personalbewegungen mit möglichem Erregerkontakt
   – Freistellung von erkranktem Personal bis frühestens 2 Tage
     nach Ende der klinischen Symptomatik
• ätiologischen Klärung
   – gezielte Diagnostik zum Nachweis von Noroviren
   – Einsenden von Stuhlproben typisch Erkrankter (z.B. 5 Fälle)
• Ausschaltung potentieller Infektionsquellen in Form
  von kontaminierter Nahrung und Getränke

Maßnahmen für Patienten und
            Kontaktpersonen
• Kinder unter 6 Jahren mit AGE oder Verdacht auf
  AGE dürfen Gemeinschaftseinrichtungen nicht
  besuchen (§34 Abs.1 IfSG)
• Erkrankte dürfen nicht in Lebensmittelberufen (§42
  IfSG) tätig sein und keine betreuenden Tätigkeiten in
  Gesundheits- und Gemeinschaftseinrichtungen
  ausüben
• Wiederaufnahme der Tätigkeit frühestens 2 Tage
  nach Abklingen der Symptome
• Virusausscheidung auch nach Sistieren der
  Symptome möglich, daher intensive persönliche
  Hygienmaßnahmen noch für mindestens 2 Wochen
  durchführen
• namentliche Meldepflicht nach §6 IfSG Abs.2 und §7
  IfSG Abs.1

Persistenz von NoV in der Bevölkerung: enorme
   genetische Diversität
• Gruppe stark heterogener Viren (genetic clade)
• Genogruppe
       –    5 Genogruppen (GI - GV)
       –    bis zu 60% Divergenz in Kapsidproteinsequenz
•   Genotyp mit diversen Clustern
       –    20-30% Divergenz in Kapsidproteinsequenz
       –    NoV GII.4 derzeit häufigster Genotyp bei Ausbrüchen
•   Genogruppe I: humane NoV, derzeit 8 Genotypen
•   Genogruppe II: humane & porcine NoV, derzeit 19
    Genotypen
•   Genogruppe III: bovine NoV, derzeit 2 Genotypen
•   Genogruppe IV: humane NoV
•   Genogruppe V: murine NoV
    (Klassifikations-/Nomenklaturvorschlag nach Zheng D et al._2006)

Evolution von NoV GII.4

„Epochales“ Muster
• Phasen der relativen Stabilität
• Phasen rascher Veränderung
• plötzliches Auftreten neuer epidemischer Cluster
• zeitlich lineare Abfolge epidemischer Cluster

Histoblutgruppenantigene (HBGA): NoV-Rezeptoren

FUT2-Gen (alpha-1,2-Fucosyltransferase): Suszeptibilitäts-Allel für
Norovirusinfektionen
FUT2-negative Individuen (ca. 15- 20% in Skandinavien) sind
    komplett resistent gegen Norwalk-Virus Infektion(G I.1)
    mit größerer Wahrscheinlich asymptomatisch nach GII.4 Exposition
FUT2 überträgt einen Fucoserest auf den H-Typ 1-Precursor: H-Typ 1
Antigen wird gebildet
H-Typ 1-Antigen dient als Precursor für die Übertragung von A und B
Blutgruppenantigenen
FUT2-positive Individuen besitzen Sekretor-Phänotyp (SeSe oder Sese)
und exprimieren HBGA auf mukosalen Oberflächen und in Sekreten
Nonsense-Mutationen in FUT2-Gen verursachen Nonsekretor-Phänotyp
HBGA sehr heterogen, Rolle weiterer Glykosyltransferasen?

Vorkommen humaner NoV bei Nutz- und Zootieren:
animales Reservoir - zoonotische Übertragung?

                                    NoV GIV bei Zootier (2007)

  NoV GII.4 bei Nutztieren (2007)

Homologe RNA-Rekombination im ORF1-ORF2-Übergang

   Nachweis von NoV-Rekombinanten mit zunehmender Häufigkeit
   vermutlich Template Switch-Mechanismus der Polymerase
   meist Erhalt der Polymerase-Sequenz und Austausch der Kapsid-
   Sequenzen
   häufiger Polymerase-Genotyp (z.B. GII.4) mit 4 bis 5
   unterschiedlichen Kapsid-Genotypen assoziiert

   effektiver Ausweg aus Populationsengpässen
   Fehlen eines allgemein anerkannten Klassifikationssystems:
   Mehrfachbeschreibungen
   Rekombination zwischen humanpathogenen und tierpathogenen
   NoV?

Noroviren: Erfolg durch enorme genetische
Plastizität
Wird NoV GII.4 weiter dominieren?
Suszeptibler Pool in der Bevölkerung determiniert
durch HBGA-Muster und vorbestehende Immunität
Antigendrift, Selektionsdruck durch Stamm-spezifische
Immunität
zunehmend geringere Suszeptibilität der Zielpopulation
strukturelle Flexibilität der HBGA-Rezeptordomäne
HBGA-Rezeptor-Switch: Erschließung neuer
suszeptibler Bevölkerungsanteile oder Niedergang

Wie könnte die NoV-Epidemie nach GII.4 aussehen?
persistierende „alte“ NoV in der Warteschleife, „neue“
Erreger mit geänderten Eigenschaften durch Rekombination:
Antigen-Shift

Epidemiologisch relevanter Speziessprung, Rekombination
innerhalb verschiedener Säuger-NoV:
massiv veränderte Pathogenität und Virulenz?