Eine Form der hoch pathogenen Aviären Influenza (HPAI) hat weit verbreitete Störungen und Krankheiten bei Vögeln verursacht, seit sie vor etwa einem Jahr erstmals entdeckt wurden. Im vergangenen März wurde ein Weißkopfseeadler, der im Chester County in Pennsylvania tot aufgefunden wurde, der erster bestätigter Fall im Staat.
Seitdem hat die Penn’s School of Veterinary Medicine durch das Wildlife Futures Program und das Pennsylvania Animal Diagnostic Laboratory System (PADLS) ihre HPAI-bezogenen diagnostischen Arbeiten intensiviert und Behörden wie die Pennsylvania Game Commission und das US Department of Agriculture bei der Überwachung unterstützt die Krankheit sowohl bei Wild- als auch bei Hausvögeln.
Der durch den HPAI-Stamm H5N1 verursachte Ausbruch hat einen Meilenstein überschritten: mehr als 50,5 Millionen betroffene Vögel. Die Zahl übertrifft die eines HPAI-Ausbruchs von 2014-15, der damals als „der größte Tiergesundheitsnotfall in der Geschichte der USA, basierend auf der Anzahl der betroffenen Vögel“ galt, sagt Lisa Murphy, die das PADLS-Labor bei Penn Vet’s New leitet Campus des Bolton Centers.
Während Vogelgrippeviren normalerweise im Sommer nachlassen, wenn Wildvögel ihre Wanderungen beenden, kam dieser Ausbruch im Herbst zurück und ist jetzt in 46 Bundesstaaten, wobei Pennsylvania besonders schwere Verluste von mehr als 4 Millionen Vögeln zu verzeichnen hat. Warum bleibt eine offene Frage, aber neue Forschungslinien von Penn Vet-Forschern, darunter Eman Anis, ein Mikrobiologe, und Louise Moncla, die im September der Fakultät beigetreten sind, zielen darauf ab, auf genetischer Ebene die Gründe zu verstehen, die dieses spezielle Virus verursacht viel Schaden.
Verfolgung eines Virus durch Tests
Auch wenn kein aktiver Krankheitsausbruch vorliegt, führt PADLS im Rahmen der landesweiten Überwachungsbemühungen regelmäßig Vogelgrippetests durch. „Wir sind an jedem Wochentag erreichbar und haben am Wochenende Bereitschaftsdienst“, sagt Anis, Assistenzprofessor für Mikrobiologie.
Im vergangenen Winter, noch bevor dieser Virusstamm in Pennsylvania ankam, begann das Labor mit der Bevorratung von Vorräten, die ausreichten, um mindestens 500 Proben pro Tag zu analysieren. „Und während wir normalerweise nur Proben von Hausgeflügel testen, haben wir über unser Wildlife Futures-Programm Proben von Wildvögeln erhalten“, sagt Murphy, einschließlich des Weißkopfseeadlers, der den ersten bestätigten Fall von HPAI im Staat markierte. Proben, bei denen der Verdacht besteht, dass sie HPAI-positiv sind, werden zum Bestätigungstest an das National Veterinary Services Laboratory geschickt.
Die Tests bei PADLS finden in einem sicheren Labor der Biosicherheitsstufe 2 im New Bolton Center statt und umfassen einen PCR-Test, kurz für Polymerase-Kettenreaktion, der nach bestimmten Sequenzen im Genom sucht, die für bestimmte Viren charakteristisch sind. Wenn dieser Test das Vorhandensein des Influenza-A-Virus zeigt, der Gruppe, zu der HPAIs gehören, können weitere PCR-Tests den Subtyp bestimmen.
Viren, die ein Hämagglutinin (H)-Protein 5 oder 7 besitzen, werden zusätzlichen Tests unterzogen, um festzustellen, ob sie eine hohe oder niedrige Pathogenität aufweisen. Diese Unterscheidung hat damit zu tun, wie sich das Hämagglutinin-Protein des Virus an Wirtszellen anlagert. Mutationen, die dem Virus die Fähigkeit verleihen, an mehr Arten von Wirtszellen zu binden und sich leichter auf Zellen auszubreiten und sie zu infizieren, verursachen wahrscheinlich schwerere Krankheiten.
Während Influenzaviren mit geringer Pathogenität leichte Symptome verursachen können, die übersehen werden könnten, können Viren mit hoher Pathogenität mehrere Organsysteme beeinträchtigen. „Einige betroffene Vögel haben neurologische Anzeichen, sodass sie Schwierigkeiten beim Fliegen haben oder desorientiert erscheinen“, sagt Anis.
Wenn ein sogenannter „High-Path“-Virus in einer kommerziellen Herde gefunden wird, muss typischerweise die gesamte Farm ihre Vögel keulen. Dies geschah drei Betreibern im Lehigh Valley in Pennsylvania im Vorfeld von Thanksgiving, wobei die Farmen mehr als 60.000 Vögel „zum ungünstigsten Zeitpunkt“ opferten, sagt Murphy.
Wie sich Viren entwickeln, verbreiten und Chaos anrichten
Das PADLS-Labor von Penn Vet hat vor kurzem vom US-Landwirtschaftsministerium und den Aufsichtsbehörden für Biosicherheit in Penn die Erlaubnis beantragt und erhalten, einiges nicht infektiöses genetisches Material aus den Proben, die sie auf HPAI testen, aufzubewahren. Forscher, darunter Anis und Moncla, planen, bald mit der Analyse dieser RNA zu beginnen, um die Evolution des Virus und seine Fähigkeit, Spezies zu überqueren, zu verstehen.
Moncla wird sich teilweise auf von ihr kuratierte digitale Tools verlassen, um diese Muster und Übertragungswege für eine Vielzahl von Krankheitserregern, einschließlich des aviären H5N1-Virus, zu visualisieren. Eine Open-Source-Plattform, an der sie während ihres Postdoc-Stipendiums zu arbeiten begann, namens Nextstrain ermöglicht Benutzern, zu überwachen, was über die Beziehung zwischen erkannten Krankheitserregern bekannt ist. Die Daten dort informieren einen phylogenetischen Stammbaum von H5N1 – mit anderen Worten, den Stammbaum des Virus – der darauf hinweist, dass der derzeit in den USA zirkulierende Stamm aus China stammt, sich nach Südostasien und dann nach Europa ausbreitete, bevor er sich nach Nordamerika ausbreitete.
Was nicht so klar ist, ist, warum sich das Virus so anders verhält als frühere Vogelgrippestämme. Der Stamm, wie die meisten H5N1-HPAIs, zielt normalerweise nicht auf Menschen ab; Es wurden nur zwei Fälle beim Menschen bestätigt, die beide bei Personen auftraten, die eng mit Vögeln zusammenarbeiten. Doch während bestimmte Vogelgrippeviren hinsichtlich der Arten, die sie befallen, etwas eingeschränkt sind, scheint dieses H5N1-Virus weniger wählerisch zu sein.
Infektionen wurden bei einer Vielzahl von Vögeln sowie einigen Säugetieren, darunter Füchse, Bären und sogar Robben, festgestellt. Wissenschaftler haben auch eine ausgedehnte Übertragung von Krankheiten innerhalb von Wildvogelpopulationen beobachtet, die sich über die Zugsaison im Frühjahr hinaus fortsetzte und mit dem Herbstzug wieder zunimmt.
„Traditionell wurde angenommen, dass wilde Wasservögel wie Enten und Gänse das Hauptanliegen bei der Übertragung sind“, sagt Murphy. „Aber bei diesem hier haben wir viele Probleme mit Raubvögeln, Raubvögeln wie Weißkopfseeadlern und Geiern gesehen. Insbesondere bei Geiern nisten sie in großen Gruppen, sodass Sie sich vorstellen können, dass das Virus schnell durch eine Population fegt.“
Die offensichtliche Fähigkeit des Stamms, Wildvögel zu beeinflussen und sich zwischen wilden und einheimischen Populationen zu bewegen, könnte auf bestimmte genetische Variationen zurückzuführen sein, die es dem Hämagglutinin-Protein ermöglichen, ein breiteres Spektrum von Zellen der Wirtsspezies als normal zu binden, oder es könnte so sein andere Faktoren im Spiel. Welche genau dafür verantwortlich sind, hofft sie aufzudecken, indem sie das Virus in ihrem Labor sequenziert.
„Es gibt derzeit keine öffentlichen Daten zur Genomik der Vogelgrippe aus Pennsylvania, obwohl es hier einen großen Ausbruch gibt“, sagt Moncla. „Mein Ziel wäre es, umsetzbare Informationen zu finden: Wie bewegt sich dieses Virus zwischen Haus- und Wildvögeln im Bundesstaat? Gibt es bestimmte Arten, die als Quellen für neue genetische Vielfalt fungieren? Ich denke, wir haben die Möglichkeit, an vorderster Front zu stehen beobachten, wie dieses Virus in Nordamerika endemisch wird.“