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Die Arbeit mit gefährlichen Viren klingt nach Schwierigkeiten – aber das lernen Wissenschaftler aus der Untersuchung von Krankheitserregern in sicheren Labors
Die Arbeit mit gefährlichen Viren klingt nach Schwierigkeiten – aber das lernen Wissenschaftler aus der Untersuchung von Krankheitserregern in sicheren Labors
Anonim
Mikroben sind überall – und sie sind nicht alle freundlich. spawnt/E+ über Getty Images

Jerry Malayer, Oklahoma State University

Es gibt etwa 1.400 bekannte menschliche Krankheitserreger – Viren, Bakterien, Pilze, Protozoen und Helminthen, die eine Verletzung oder den Tod einer Person verursachen können. Aber wie wahrscheinlich ist es in einer Welt mit einer Billion einzelner Arten von Mikroorganismen, in der Wissenschaftler nur ein Tausendstel Prozent gezählt haben, wie wahrscheinlich es ist, dass Forscher alles entdeckt und charakterisiert haben, was den Menschen bedrohen könnte?

Gar nicht sehr wahrscheinlich. Und wenn Sie diese mikroskopisch kleinen Feinde besser kennen, können Sie viel gewinnen.

Auch wenn es im Alltag sinnvoll ist, diese gefährlichen Mikroorganismen zu meiden, sind Wissenschaftler wie ich motiviert, sie aus der Nähe zu studieren, um ihre Funktionsweise zu erlernen. Natürlich wollen wir das so sicher wie möglich machen.

Ich habe in Biocontainment-Labors gearbeitet und wissenschaftliche Artikel über Bakterien und Viren veröffentlicht, darunter Influenza und das Coronavirus SARS-CoV-2. Hier an der Oklahoma State University untersuchen derzeit 10 Forschungsgruppen Krankheitserreger in biosicheren Labors. Sie identifizieren genetische Variationen von Viren und Bakterien und untersuchen, wie sie in den Zellen ihrer Wirte funktionieren. Einige entwirren, wie das Immunsystem des Wirts auf diese Eindringlinge reagiert und von sogenannten Komorbiditäten wie Fettleibigkeit, Diabetes oder fortgeschrittenem Alter betroffen ist. Andere untersuchen, wie man Krankheitserreger erkennen und eliminieren kann.

Diese Art der Forschung, um zu verstehen, wie Krankheitserreger Schaden anrichten, ist für die Human- und Veterinärmedizin sowie für die Gesundheit von Säugetieren, Vögeln, Fischen, Pflanzen, Insekten und anderen Arten auf der ganzen Welt von entscheidender Bedeutung.

Vorgewarnt ist gewappnet

Denken Sie an alle Wissenschaftler, die im letzten Jahrhundert gelernt haben, wie man Krankheiten vorbeugen kann, indem man versteht, welcher Mikroorganismus dafür verantwortlich ist, wo er sich in der Umwelt befindet und wie er die natürlichen Abwehrkräfte des Menschen überwindet.

Zu verstehen, was diese Organismen tun, wie sie es tun und wie sie sich ausbreiten, hilft den Forschern, Maßnahmen zu entwickeln, um ihre Ausbreitung zu erkennen, einzudämmen und zu kontrollieren. Ziel ist es, die von ihnen verursachte Krankheit heilen oder verhindern zu können. Je gefährlicher der Erreger ist, desto dringender müssen Wissenschaftler ihn verstehen.

Hier kommt die Laborforschung ins Spiel.

Wissenschaftler haben grundlegende Fragen zum Verhalten eines Erregers. Welche Maschinerie verwendet es, um in eine Wirtszelle einzudringen und sich zu vermehren? Welche Gene aktiviert es, um welche Proteine ​​herzustellen? Diese Art von Informationen kann verwendet werden, um Strategien zur Eliminierung des Erregers festzulegen oder zu Krankheitsbehandlungen oder Impfstoffen zu führen.

Da die Bibliothek des Wissens über Krankheitserreger wächst, besteht eine größere Chance, dass Forscher einen Teil dieses Wissens anwenden können, wenn sie mit einem neu auftretenden Krankheitserreger konfrontiert werden.

Menschen könnten auf neue Krankheitserreger stoßen, wenn sie in verschiedene Teile der Welt ziehen oder Ökosysteme verändern. Manchmal passt sich ein Krankheitserreger an einen neuen Vektor an – das heißt, er kann von einem anderen Organismus übertragen werden – wodurch er sich in neue Gebiete ausbreiten und neue Populationen infizieren kann. Etwa 70 % der weltweit neu auftretenden Infektionskrankheiten werden durch Tiere auf den Menschen übertragen; diese werden Zoonosen genannt. Es ist wichtig zu verstehen, wie diese Pfade funktionieren, um auch nur eine bescheidene Fähigkeit zu haben, vorherzusagen, was passieren könnte.

Zwar gibt es Muster in der Natur, die Hinweise liefern können, aber die enorme Vielfalt der mikrobiellen Welt und die Geschwindigkeit, mit der diese Organismen neue Strategien für ihre eigene Verteidigung und ihr Überleben entwickeln, machen es unerlässlich, jeden einzelnen so zu untersuchen und zu verstehen, wie er entdeckt wurde.

Kann diese Forschung sicher durchgeführt werden?

Null Risiko gibt es bei keinem Unterfangen, aber über viele Jahre haben Forscher sichere Labormethoden entwickelt, um mit gefährlichen Krankheitserregern zu arbeiten.

Jede Studie muss im Vorfeld dokumentieren, was wie, wo und von wem zu tun ist. Diese Beschreibungen werden von unabhängigen Ausschüssen überprüft, um sicherzustellen, dass die Pläne den sichersten Weg zur Durchführung der Arbeit darstellen. Es gibt unabhängige Nachuntersuchungen durch geschulte Fachleute innerhalb der Institution und in einigen Fällen durch die US-amerikanischen Zentren für die Kontrolle und Prävention von Krankheiten, das US-Landwirtschaftsministerium oder beide, um sicherzustellen, dass die Forscher die genehmigten Verfahren und Vorschriften einhalten.

Wer mit gefährlichen Krankheitserregern arbeitet, hält sich an zwei Prinzipien. Es gibt Biosicherheit, die sich auf die Eindämmung bezieht. Es umfasst alle technischen Kontrollen, die die Sicherheit der Wissenschaftler und ihrer Umgebung gewährleisten: geschlossene, belüftete Arbeitsbereiche, sogenannte Biosicherheitsschränke, gerichtete Luftströme und Vorräume zur Kontrolle der Luftbewegung im Labor. Spezielle hocheffiziente Partikelluftfilter (HEPA) reinigen die ein- und ausströmende Luft im Labor.

Wir halten uns an gute Laborarbeitspraktiken und jeder trägt persönliche Schutzausrüstung wie Kittel, Masken und Handschuhe. Manchmal verwenden wir spezielle Atemschutzmasken, um die Luft, die wir im Labor atmen, zu filtern. Darüber hinaus inaktivieren wir oft den von uns untersuchten Krankheitserreger – im Wesentlichen zerlegen wir ihn, damit er nicht mehr funktionsfähig ist – und bearbeiten die Teile einzeln oder nacheinander.

Hinzu kommt die Biosicherheit, also die Maßnahmen, die den Verlust, Diebstahl, die Freisetzung oder den Missbrauch eines Krankheitserregers verhindern sollen. Dazu gehören Zugangskontrollen, Bestandskontrollen und zertifizierte Methoden zur Dekontamination und Entsorgung von Abfällen. Ein Teil dieser Sicherheitsmaßnahmen besteht darin, die Details nahe zu halten.

Die Forschungsgemeinschaft erkennt vier Stufen der Biosicherheitspraktiken an. Biosicherheitsstufe 1 (BSL-1) und BSL-2 werden in allgemeinen Laborräumen angewendet, in denen ein geringes bis kein Risiko besteht. Sie würden nicht mit Mikroorganismen arbeiten, die eine ernsthafte Bedrohung für Mensch oder Tier darstellen.

BSL-3 bezieht sich auf Labore, in denen ein hohes individuelles Risiko, aber ein geringes Gemeinschaftsrisiko besteht, d. Dies ist die Art von Arbeit, die meine Kollegen und ich sowie viele medizinische und tierärztliche Fakultäten durchführen werden.

BSL-4 bezieht sich auf die Arbeit mit Krankheitserregern, die ein hohes Risiko für signifikante Krankheiten bei Menschen, Tieren oder beiden darstellen, die zwischen Individuen übertragen werden und für die möglicherweise keine wirksame Behandlung verfügbar ist. BSL-4-Labors sind relativ selten, nach einer Schätzung existieren weltweit nur etwa 50.

Auf jeder Ebene erfordert das erhöhte Risiko immer strengere Vorkehrungen, um die Sicherheit der Arbeiter zu gewährleisten und versehentlichen oder böswilligen Missbrauch zu verhindern.

Was ist gefährdet, wenn die Wissenschaft diese Mikroben ignoriert?

In den letzten Jahren kam es weltweit zu Ausbrüchen schwerer Krankheiten, die durch verschiedene Arten von Krankheitserregern verursacht wurden. Auch bei den Krankheitserregern, die Wissenschaftlern bekannt sind, bleibt vieles unbekannt. Es ist vernünftig zu erwarten, dass es noch mehr Bedrohungen gibt, die noch entdeckt werden müssen.

Für Wissenschaftler ist es von entscheidender Bedeutung, neue Krankheitserreger im Labor zu untersuchen, sobald sie entdeckt werden, und zu verstehen, wie sie sich von Wirt zu Wirt bewegen und von Erkrankungen betroffen sind. welche Variationen entwickeln sich im Laufe der Zeit; und welche wirksamen Kontrollmaßnahmen entwickelt werden können. Neben bekannteren Viren wie Tollwut, West-Nil-Virus und Ebola zirkulieren heute weltweit mehrere lebenswichtige Krankheitserreger, die eine ernsthafte Bedrohung darstellen. Hantaviren, Dengue-Fieber, das Zika-Virus und das Nipah-Virus werden alle in verschiedenen Labors untersucht, in denen Forscher daran arbeiten, mehr über ihre Übertragung zu verstehen, Schnelldiagnosen zu entwickeln und Impfstoffe und Therapeutika herzustellen.

Mikroorganismen sind die am häufigsten vorkommende Lebensform auf dem Planeten und äußerst wichtig für die menschliche Gesundheit und die Gesundheit von Pflanzen und Tieren. Im Allgemeinen haben sich die Menschen an ihre Anwesenheit angepasst und umgekehrt. Für diese Mikroben mit der Fähigkeit, echten Schaden anzurichten, ist es sinnvoll, jetzt so viele wie Wissenschaftler zu untersuchen, bevor die nächste Pandemie ausbricht.

Jerry Malayer, Associate Dean for Research and Graduate Education und Professor für Physiologische Wissenschaften am College of Veterinary Medicine, Oklahoma State University

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