Wat maakt dit coronavirus zoveel gevaarlijker dan zijn voorgangers?

Wat maakt het nieuwe coronavirus zo veel venijniger dan al zijn voorgangers? In 2003 en 2012 kreeg de wereld te maken met epidemieën van familieleden van dit virus – eerst sars, daarna mers – waarbij respectievelijk 747 en 858 geregistreerde doden vielen. Dit keer is het veel erger. In korte tijd heeft het nieuwe virus zich vanuit China over de hele wereld verspreid, het heeft economieën zo goed als stilgelegd, en inmiddels zijn er meer dan twee miljoen bevestigde patiënten en zeker 150.000 doden.

Hoe kan het dat juist dit virus een pandemie veroorzaakt? En waarom verloopt de infectie bij de meeste mensen mild of zelfs ongemerkt, terwijl anderen erdoor op de IC belanden of eraan sterven? Wie dat wil begrijpen, vindt aanwijzingen in moleculaire details. De in allerijl opgezette onderzoeken van moleculair biologen, virologen en eiwitchemici schetsen inmiddels een beeld van een virus dat de kwetsbaarheden van het menselijk lichaam en de menselijke manier van samenleven vrij goed uitbuit.

Laten we meekijken met een virus dat een menselijke cel binnendringt. Drie moleculen maken deze inval mogelijk. Eentje van het virus zelf, het spike-eiwit. En twee van de mens, de ACE2-receptor en het eiwitknippend enzym TMPRSS2.

Je moet weten waar het aanmeert

Om te weten hoe een virus een menselijke lichaamscel binnenkomt, moet je weten waar het „aanmeert”, zegt viroloog Berend-Jan Bosch. Hij werkt aan de Universiteit Utrecht, in een groep die al meer dan dertig jaar onderzoek doet naar coronavirussen. „Maar sinds 7 januari is al onze aandacht twenty-four seven erop gericht om deze uitbraak te helpen bestrijden”, vertelt hij aan de telefoon. Op die dag maakten Chinese wetenschappers bekend een nieuw ziekmakend coronavirus uit mensen te hebben geïsoleerd. Ruim een maand later kreeg het virus zijn officiële naam: SARS-CoV-2.

Dat aanmeren wil zeggen dat het virus bindt aan een eiwit dat uit het oppervlak van de cel steekt, een zogeheten receptor. Bij het sarsvirus is dat de ACE2-receptor, die een rol speelt bij het reguleren van de bloeddruk. Het mersvirus bindt aan een andere receptor, DPP4. Bosch hielp mee deze te identificeren. Een van de eerste vragen over het nieuwe coronavirus was dus: welke receptor gebruikt het? Chinese wetenschappers publiceerden op 3 februari het antwoord in Nature: óók de ACE2-receptor. Een maand later werd dat oordeel bevestigd toen twee Amerikaanse en een Duitse groep onafhankelijk van elkaar met hetzelfde antwoord kwamen. De Duitse publicatie identificeerde nog een ander molecuul dat een rol speelt bij het complexe proces van aanmeren en het daaropvolgende binnendringen van de cel: het eiwitknippend enzym TMPRSS2. Dat grijpt weer aan op het derde eiwit dat we op deze reis tegenkomen, het spike-eiwit van het virus.

Een stengel en een kopje

Het oppervlak van coronavirussen is bedekt met spikes, ongeveer honderd stuks. Onder de elektronenmicroscoop lijken ze een kroon te vormen. Daaraan dankt deze virusfamilie zijn naam, ‘corona’ betekent ‘kroon’ in het Latijn. Het spike-eiwit bestaat uit twee delen, een stengel en een kopje, dat de bovenkant van de stengel afschermt. Een deel van het kopje koppelt aan de ACE2-receptor. En op een gegeven moment moet die kop afgehakt worden: om de bovenkant van de stengel vrij te maken. Dat gebeurt door de eiwitknipper TMPRSS2, een menselijk enzym, dat dus al van nature aanwezig is.

Spike-eiwitten zitten altijd met z’n drieën bij elkaar, met de stammen om elkaar gewikkeld, en apart uitstekende kopjes. Dat was al bekend. „En waarschijnlijk binden meerdere spikes tegelijk aan meerdere receptoren”, zegt Bosch. Maar op 13 maart meldden Amerikaanse wetenschappers in Science dat slechts één van de drie kopjes zo is gedraaid dat het ook aan de ACE2-receptor kan binden. Bij de andere twee is die bindingsplaats juist weggedraaid van de receptor. Waarom is niet duidelijk, zegt Bosch. „Ons idee is dat het virus zich hiermee enigszins beschermt tegen antistoffen die door binding aan de kopjes kunnen voorkomen dat het virus aan de receptor bindt. Door zo nu en dan één kopje uit te steken kan het toch binden, maar wordt de remming door antistoffen beperkt.”

Nadat het kopje aan de receptor is gebonden, komt dat protease TMPRSS2 en klieft de kop van het spike-eiwit. Dat zet een volgend proces in gang: de drie om elkaar gewikkelde stengels veranderen hun driedimensionale structuur. „Dit kan maar één keer gebeuren, het is een onomkeerbaar proces”, zegt Bosch.

Gespiest in celmembraan

Die verandering zet een fusie in gang. Een van de drie stengels van de virusspike wordt langer en spiest zich in de celmembraan. Daarna klapt de stengel weer in, en brengt zo de membranen van virus en cel bij elkaar. Dat membraancontact kan aan het oppervlak van de cel gebeuren, of wanneer het virus in een membraanblaasje al in de menselijke cel is opgenomen via endocytose. Met dat proces neemt de cel bijvoorbeeld ook voedingsstoffen op: er ontstaat een putje in de celmembraan dat afsnoert tot een blaasje dat wordt opgenomen in de cel. Door het membraancontact komt het virus-rna uit dat blaasje vrij. Het virus is dan binnen en kan de cellulaire machinerie misbruiken om honderden nieuwe, complete virussen te maken. Missie geslaagd!

Nadat de menselijke cel ertoe is aangezet om vele kopieën van het virus te maken, breken deze virusdeeltjes uit de cel. Dat moment is hier vastgelegd bij een cel van een Covid-19-patiënt.

In dit proces zijn er verschillen tussen SARS-CoV-2 en andere coronavirussen. Ja, zegt Bosch, „subtiele verschillen”. Bijvoorbeeld met het sarsvirus. Daar kan het trio van spike-eiwitten maar op één plek worden gekliefd, bij SARS-CoV-2 kan dat op twee plekken. En 30 maart publiceerden een Chinese en een Amerikaanse groep, onafhankelijk van elkaar en allebei in Nature, dat de binding met de ACE2-receptor bij SARS-CoV-2 ook sterker is. „Het zijn interessante verschillen, maar of ze iets betekenen weten we niet”, zegt Berend-Jan Bosch. „Een sterkere binding aan de receptor is niet per se beter voor het virus.”

Zoeken in de celatlas

Ligt een deel van het antwoord dan misschien bij de cellen die de virussen infecteren? Daarvoor moet je weten op welke cellen die ACE2-receptor aanwezig is. Dat heeft moleculair bioloog Martijn Nawijn van het Universitair Medisch Centrum Groningen net uitgezocht. Het is ondoenlijk om op iedere cel het aantal receptoren te gaan tellen, zegt hij. Maar je kunt van elk type cel wel één cel nemen en daarvan in kaart brengen wat er aan eiwitten geproduceerd wordt. Dat deed Nawijn vorig jaar voor alle typen longcellen, samen met collega’s van het Human Cell Atlas-project, dat wordt aangestuurd vanuit het Sanger Institute in Groot-Brittannië. Die dataset kwam nu, met de coronacrisis, van pas. „Wellcome Trust-directeur Jeremy Farrar, van huis uit infectieziektedeskundige, drong er bij ons op aan patronen van expressie van de ACE2-receptor in longcellen te bestuderen”, zegt Nawijn.

In de publicatie, die al als preprint is verschenen, inventariseren de onderzoekers cellen die zowel ACE2-receptoren bezitten als TMPRSS2, het enzym dat nodig is voor de klieving van het spike-eiwit. De resultaten bevestigen eerder onderzoek: deze combinatie zit op zogeheten type 2 alveolaire longcellen. Nawijn: „Dat zijn nou net de cellen die een belangrijke functie hebben in het openhouden van de longblaasjes.”

Nawijn en zijn collega’s keken ook naar welke cellen van de bovenste luchtwegen en van het darmstelsel gevoelig zouden kunnen zijn voor virusinfectie. „We vonden een heel hoge expressie van beide eiwitten in cellen van het neusslijmvlies, de keel, het bindvlies van het oog en darmwandcellen in de dunne en dikke darm.”

Opportunistisch virus

Dat klopt met waarnemingen van virologen die zien dat het nieuwe coronavirus bij geïnfecteerde personen in hoge concentraties in de neusholte vrijkomt, maar ook vanuit de keel en via de ontlasting kan worden uitgescheiden. Dat heeft grote gevolgen voor de verspreiding van het virus. Waar het MERS-virus zich vooral diep in de longen leek te vermeerderen, is zijn opvolger SARS-CoV-2 opportunistischer omdat die al in de bovenste luchtwegen toeslaat.

De virusvermeerdering en -verspreiding kan op deze manier namelijk al plaatsvinden voordat mensen iets van de besmetting merken: de veelbesproken presymptomatische verspreiding. Dat wordt bevestigd in vrijdag versneld in Science verschenen proefdieronderzoek dat Bart Haagmans van Erasmus MC in samenwerking met andere onderzoeksgroepen bij makaken uitvoerde. Hier was de virusinfectie vanaf het begin te volgen, wat bij mensen vaak niet kan. Bij de apen bleek de virusuitscheiding vanuit de neus al na vier tot acht dagen op zijn hoogtepunt te zijn. Op dat moment vertoonden de apen nog geen verschijnselen en was slechts bij twee van de vier apen een infectie van de longen te zien. Bij sectie op de dieren bleek het virus niet te detecteren in bloed, urine, hart of bloedvaten, maar zat het wel in de bovenste luchtwegen, de longen, de dunne darm en de lymfeknopen rond de longen. Makaken worden minder ziek dan mensen van het nieuwe coronavirus, maar toch kreeg een aap een snotneus na twee weken.

Saillant is dat juist slijmbekercellen, slijmproducerende cellen in de neus, veel receptoren hebben waarvan het virus gebruik kan maken. Als het zich daar vermenigvuldigt kan het gratis meeliften op de slijmproductie van de gastheercel. Een achteloos weggeveegde druppel aan de neus leidt dan via de handen al gauw tot contactbesmetting.

Misschien verklaart dit routeverhaal wel waarom het virus zo makkelijk mensen infecteert, maar dat tegelijkertijd maar een klein deel van de geïnfecteerde mensen in de problemen komt, oppert Nawijn. „Het virus verspreidt zich vanuit de neus heel makkelijk naar anderen, maar de weg die het moet afleggen naar de longen vergt tijd. Misschien hebben veel mensen tegen de tijd dat het virus zo diep in het lichaam doordringt al immunologische afweer opgebouwd tegen het virus, waardoor het geen kans meer maakt diep in de longen.”

Diepe longontsteking

Waarom ontvangen de neuscellen een gevaarlijk virus met open armen? Daar is een evolutionair biologische verklaring voor, schrijven Nawijn en collega’s. De ACE2-receptoren dienen mogelijk als vooruitgeschoven post om het afweersysteem te waarschuwen dat er virussen aankomen die de luchtwegen bedreigen. Daar zit wat in, het is bekend dat slijmbekercellen via signaalstoffen circulerende cellen van het afweersysteem kunnen alarmeren. De cellulaire afweer zou de virusinfectie dan al bestrijden voordat het afweersysteem op grote schaal afweerstoffen (antilichamen) tegen het virus gemaakt heeft.

Als het virus erin slaagt toch diep in de longen door te dringen, dan is er kans op een ernstiger beloop. Coronavirussen kunnen daar een acuut respiratoir syndroom veroorzaken, een diepe longontsteking waarbij de patiënt ernstig in ademnood kan raken. De overvloedige aanwezigheid van virusdeeltjes in de longen kan dan ook zo’n hevige immuunreactie losmaken dat het lichaam het niet meer aankan. Er kan een zogeheten cytokinestorm ontstaan, waarbij de afweercellen heel veel alarmstoffen uitscheiden (cytokines en chemokines). Door de hevige immuunreactie kunnen uiteindelijk elders in het lichaam vitale organen uitvallen, en kan de patiënt overlijden.

Een lokaal tekort

Onderzoekers onder leiding van Frank van de Veerdonk van het Radboudumc in Nijmegen hebben daar vorige week nog een alternatief scenario aan toegevoegd, met alweer de ACE2-receptor in de hoofdrol. Zij opperen dat er bij Covid-19 zoveel virusdeeltjes aan de receptor van longcellen binden, dat er lokaal een tekort ontstaat. Dan raakt de boel ontregeld doordat ACE2 ook een andere functie heeft: het remmen van bradykinine. Als die signaalstof daardoor vrij baan krijgt, gaan bloedvaatjes lekken en komt er vocht in de longen. Dat versterkt de ontsteking. Dit mechanisme zou kunnen verklaren waarom Covid-19-patiënten die zich in het ziekenhuis melden met benauwdheidsklachten plotseling kunnen verslechteren, waardoor zij acuut extra zuurstof nodig hebben. Een experimentele therapie die bradykinine onderdrukt, leek in een kleine proef met vijf Covid-19-patiënten te werken. Van de Veerdonk en zijn team proberen nu met meer patiënten aan te tonen dat hun theorie juist is.

Of de Nijmeegse hypothese hout snijdt, kan Bart Haagmans van Erasmus MC niet met zekerheid zeggen, maar merkt hij op: „Door gebruik te maken van interventies die al toegelaten zijn, kun je mogelijk toch observationeel bewijs verzamelen dat het een therapeutisch effect heeft. Daarna kun je dat verder onderbouwen met proeven, bijvoorbeeld in een diermodel.”

Bij Covid-19 blijken ouderen gevoeliger voor infectie en is eveneens het beloop van de infectie ernstiger. Ook zijn er meer mannen dan vrouwen onder de ernstig zieken. In een poging hiervoor een verklaring te vinden, wezen sommige wetenschappers weer naar verschillen in de ACE2-receptor, met de leeftijd zou het aantal receptoren afnemen. Haagmans blijft sceptisch: „Ook al zou je deze associatie zien, dan nog blijft de vraag of dit de cruciale factor is. Ik kan uit eigen ervaring spreken met ons onderzoek naar mers, een coronavirus dat de DPP4-receptor gebruikt voor infectie. We konden aantonen dat deze receptor significant meer voorkomt bij rokers en mensen met de ernstige longziekte COPD. Maar we konden niet bepalen of dit nou de beslissende factor was voor hun verhoogde vatbaarheid. Immers: door roken of ziekte is het immuunsysteem mogelijk ook ontregeld.”

Ook Haagmans kan niet zeggen waarom de infectie van SARS-CoV-2 zo anders verloopt dan die van het SARS-CoV-1 uit 2003. „You tell me!”, antwoordt hij. „Dat is nu de hamvraag waar we allemaal een antwoord op zoeken. Het hangt kennelijk niet alleen van de receptor af hoe de infectie verloopt. Waarschijnlijk speelt ook een specifieke afweer tegen verschillende virussen een rol en hebben andere genen in het virus invloed op de vermeerdering in bepaalde celtypen. We hebben bijvoorbeeld ook onderzoek gedaan aan het coronavirus NL63 dat meestal slechts verkoudheidsklachten veroorzaakt. Dat infecteert menselijke cellen ook via ACE2, en heeft meer nog dan SARS-CoV-2 een voorkeur voor de bovenste luchtwegen.”

Bijkomend voordeel van al het moleculair onderzoek, met name aan het spike-eiwit en aan de ACE2-receptor, is dat het talloze aanknopingspunten biedt om medicijnen en vaccins te ontwikkelen. Die moeten het pad van het virus blokkeren, zo snel mogelijk.