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Was ist mit dem Immunsystem einer Fledermaus, das sie vor Ebola schützt?

Was ist mit dem Immunsystem einer Fledermaus, das sie vor Ebola schützt?


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Aktuelle Beweise deuten darauf hin, dass Flughunde ein Reservoirwirt für Ebola sind. Hat irgendeine Forschung herausgefunden, was sich an ihrer Zellbiologie oder ihrem Immunsystem unterscheidet, das die Virulenz für sie reduziert? Haben Sie in einem anderen System ein Beispiel dafür, wie die Virulenz im Reservoirwirt reduziert wird, wenn die Forschung zu diesem speziellen System fehlschlägt?

Ich unterrichte einen Kurs in Zellbiologie, daher werden tatsächliche Beispiele für modifizierte Proteine ​​oder Enzyme oder entzündliche Moleküle im Reservoir bevorzugt.


Der Hauptgrund dafür ist, dass Flughunde höchstwahrscheinlich (ich glaube nicht, dass es bisher einen direkten Beweis für Ebola gegeben hat) der Reservoirwirt für diese Krankheit sind. Der Reservoirwirt ist an die Krankheit angepasst und kann diese auf unbestimmte Zeit (bei wiederkehrenden Infektionen) beherbergen, ohne Anzeichen einer Infektion zu zeigen oder davon betroffen zu sein. Obwohl es nicht krank wird, kann der Reservoirwirt die Krankheit auf andere Tiere übertragen.

Über das Immunsystem von Fledermäusen ist sehr wenig bekannt, aber sie scheinen unterschiedlich zu sein, sodass sie nicht von Krankheiten betroffen sind, die beim Menschen verheerende Auswirkungen haben. Die folgenden Papiere gehen auf einige Details ein und sind interessant zu lesen:

Diese Arbeiten geben einen interessanten Einblick in das Immunsystem der Fledermäuse. Der erste Artikel ist eine kurze Erläuterung der wichtigsten Erkenntnisse des zweiten. Es untersucht die Unterschiede zwischen den Arten und analysiert, wie sich das Immunsystem der Fledermäuse entwickelt haben könnte. Wirklich interessant.

  • Von Fledermäusen, Flucht und Immunität gegen Viren
  • Vergleichende Analysen von Fledermausgenomen geben Aufschluss über die
    Entwicklung von Flug und Immunität.
  • Antivirale Immunantworten von Fledermäusen: Ein Rückblick

„Superimmunität“ von Fledermäusen könnte Menschen schützen

Schwarzköpfiger Flughund unter einer grauköpfigen Kolonie. Bildnachweis: Michelle Baker CSIRO

Zum ersten Mal haben Forscher bei Fledermäusen eine einzigartige Fähigkeit entdeckt, die es ihnen ermöglicht, tödliche Krankheiten zu tragen, aber nicht davon betroffen zu sein.

Im Gegensatz zu Menschen halten Fledermäuse ihr Immunsystem rund um die Uhr eingeschaltet, und Wissenschaftler glauben, dass dies der Schlüssel zum Schutz der Menschen vor tödlichen Krankheiten wie Ebola sein könnte.

Fledermäuse sind ein natürlicher Wirt für mehr als 100 Viren, von denen einige für Menschen tödlich sind, darunter das Middle Eastern Respiratory Syndrome (MERS), das Ebola- und das Hendra-Virus. Interessanterweise werden Fledermäuse jedoch nicht krank oder zeigen Anzeichen einer Krankheit durch diese Viren.

Heute in der Zeitschrift veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) untersucht diese neue Forschung die Gene und das Immunsystem des australischen Black Flying Fox mit überraschenden Ergebnissen.

„Immer wenn unser Körper auf einen fremden Organismus wie Bakterien oder Viren trifft, wird eine komplizierte Reihe von Immunreaktionen in Gang gesetzt, von denen einer der Abwehrmechanismus ist, der als angeborene Immunität bekannt ist“, führt die führende Fledermaus-Immunologin am australischen Tiergesundheitslabor des CSIRO Dr sagte Bäcker.

„Wir haben uns auf die angeborene Immunität von Fledermäusen konzentriert, insbesondere auf die Rolle von Interferonen – die für die angeborene Immunantwort bei Säugetieren unerlässlich sind – um zu verstehen, was das Besondere an der Reaktion von Fledermäusen auf eindringende Viren ist.

"Interessanterweise haben wir gezeigt, dass Fledermäuse nur drei Interferone haben, was nur ein Bruchteil - etwa ein Viertel - der Anzahl von Interferonen ist, die wir bei Menschen finden.

"Dies ist überraschend, da Fledermäuse diese einzigartige Fähigkeit haben, Virusinfektionen zu kontrollieren, die für Menschen tödlich sind, und dies dennoch mit einer geringeren Anzahl von Interferonen tun können."

Das Team verglich auch zwei Typ-1-Interferone - Alpha und Beta.

Die Forschung zeigte, dass Fledermäuse eine erhöhte angeborene Immunantwort ausüben, selbst wenn sie nicht mit einem nachweisbaren Virus infiziert waren.

„Im Gegensatz zu Menschen und Mäusen, die ihr Immunsystem nur als Reaktion auf eine Infektion aktivieren, ist das Interferon-Alpha der Fledermäuse ständig ‚angeschaltet‘ und dient als 24h-Frontschutz gegen Krankheiten“, sagte Dr. Baker.

"Bei anderen Säugetierarten ist es gefährlich, die Immunantwort ständig eingeschaltet zu haben - sie ist zum Beispiel giftig für Gewebe und Zellen -, während das Immunsystem der Fledermäuse harmonisch funktioniert."

Wir wissen zwar um die wichtige Rolle, die Fledermäuse im Ökosystem als Bestäuber und Insektenbekämpfer spielen, sie beweisen aber auch zunehmend ihren Wert, um Menschen vor Infektionskrankheiten zu schützen.

„Wenn wir die Immunantwort anderer Arten so umleiten können, dass sie sich ähnlich wie die von Fledermäusen verhalten, dann könnte die mit Krankheiten wie Ebola verbundene hohe Sterblichkeitsrate der Vergangenheit angehören“, sagte Dr. Baker.

Diese Arbeit baut auf früheren Forschungen von CSIRO und seinen Partnern auf, um die Fledermausimmunität besser zu verstehen, um Australien und seine Bevölkerung vor exotischen und neu auftretenden Infektionskrankheiten zu schützen.

Unter der Leitung von CSIRO umfasste diese internationale Forschungsanstrengung Expertise von CSIRO, der Duke-NUS Medical School und dem Burnet Institute.


Fledermäuse kommen häufig mit Infektionskrankheiten in Kontakt, leiden aber selten darunter

Die Dogge stammt ursprünglich aus Mittel- und Südamerika. Die Tiere besitzen ein wirksames Immunsystem, das sie vor Infektionen schützt. Bildnachweis: MPI f. Vogelkunde

Das Immunsystem der Fledermaus funktioniert grundlegend anders als das anderer Säugetiere. Zu diesem Ergebnis kamen Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Ornithologie in einer Studie an Doggenfledermäusen. Die Forschung könnte auch im Kampf gegen Viruserkrankungen von Bedeutung sein, die von Tieren wie Fledermäusen auf den Menschen übertragen werden können.

Während Fledermäuse als Überträger und Reservoirwirte für eine ganze Reihe von Infektionskrankheiten gelten, wurde ihr Immunsystem bislang kaum erforscht. Forscher des Max-Planck-Instituts für Ornithologie in Radolfzell, der Universität Konstanz und des Smithsonian Tropical Research Institute in Panama versuchen nun, diese Lücke zu schließen. Ihre Ergebnisse zeigen, dass sich das Immunsystem von Fledermäusen grundlegend von dem anderer Säugetiere unterscheidet. Die Immunabwehr der Tiere könnte sogar Hinweise darauf geben, wie bestimmte Infektionskrankheiten abgewendet werden können.

Viele der 1.300 bekannten Fledermausarten haben Antikörper zum Schutz vor verschiedenen Krankheiten im Blut, selten aber die Erreger selbst. Die Tiere scheinen die Krankheitserreger abzuwehren, ohne selbst zu erkranken. Aber was macht ihr Immunsystem so besonders?

Die Wissenschaftler untersuchten in Panama die Immunreaktionen von Pallas-Doggenfledermäusen (Molossus molossus). Die Tiere folgen einem bestimmten Tagesablauf: Tagsüber reduzieren sie ihren Energieverbrauch in ihren Quartieren, um Energie zu sparen. Während dieser Zeit ruhen die Fledermäuse regungslos und ihre Körpertemperatur sinkt. Erst bei Sonnenuntergang, wenn die Mastiff-Fledermäuse auf die Jagd gehen, erwachen sie zum Leben. Jetzt steigt ihre Körpertemperatur auf über 40 Grad Celsius, da ihre Muskeln während des Fluges hart arbeiten müssen.

Die hohe Temperatur könnte aber auch einen Nebeneffekt haben: Sie könnte die Immunantwort gegen Krankheitserreger als eine Art Tagesfieber aktivieren. Umgekehrt könnte die tägliche Verlangsamung ihres Stoffwechsels auch die Vermehrung vorhandener Krankheitserreger im Körper hemmen.

Um diese Hypothese zu überprüfen, verabreichten die Forscher den Fledermäusen ein Lipopolysaccharid (LPS) – eine an sich harmlose Verbindung aus Lipid- und Zuckerkomponenten. Da LPS auch auf der Außenhaut vieler Krankheitserreger vorkommt, geht das Immunsystem der Fledermaus von einem bakteriellen Angriff aus und schaltet in den Abwehrmodus.

Wie die Wissenschaftler zeigten, blieben die täglichen Temperaturschwankungen jedoch auch nach der Gabe von LPS unverändert. Das Material löst daher bei Fledermäusen kein Fieber aus, wie es bei anderen Säugetieren der Fall ist. Auch die Zahl der weißen Blutkörperchen im Blut – ein Indikator für die Stärke der Immunabwehr – nahm nicht zu. Allerdings verloren die Fledermäuse innerhalb von 24 Stunden deutlich an Masse – ein Zeichen für die Forscher, dass die Tiere Energiereserven für die Immunabwehr mobilisieren.

„Dieser Massenverlust tritt auch bei anderen Fledermausarten auf“, erklärt Teague O'Mara, Erstautorin der Studie. "Das ist ein Hinweis darauf, dass ihr Immunsystem eingeschaltet ist." Bisher konnte jedoch niemand genau sagen, welche zellulären Prozesse abliefen. „Das Immunsystem von Fledermäusen verhält sich anders als bei anderen Säugetieren“, sagt Dina Dechmann vom Max-Planck-Institut für Ornithologie. "Wir müssen verstehen, was es so besonders macht. Es könnte uns helfen, viel über Krankheiten zu lernen, die für den Menschen gefährlich sind."

So ist es denkbar, dass Fledermäuse zu Unrecht für Ebola verantwortlich gemacht werden. In einer Umfrage analysieren Wissenschaftler des Robert-Koch-Instituts und des Max-Planck-Instituts systematisch den aktuellen Wissensstand zur Herkunft des Ebola-Virus. Flughunde können den Forschern zufolge weder das Haupt- noch das einzige Reservoir sein. Das Ebola-Virus selbst wurde bei Fledermäusen noch nicht nachgewiesen.

Die bisherige Beweiskette basiert auf Antikörpern gegen Ebola, die im Blut von Flughunden entdeckt wurden. Die Tiere können daher häufig mit dem Virus in Kontakt kommen, sind aber in der Lage, es abzuwehren. Eine ähnliche Situation könnte bei anderen Infektionskrankheiten auftreten, die von Tieren auf den Menschen übertragen werden können, wie beispielsweise Tollwut. Auch in diesem Fall könnte ein wirksames Immunsystem die Fledermäuse vor einer Erkrankung schützen. „Wenn wir verstehen könnten, wie die Tiere mit den Krankheiten umgehen, könnten wir dieses Wissen nutzen, um neue Impfstoffe und Medikamente zu entwickeln“, sagt O'Mara.


Warum Fledermäuse so gute Wirte für Ebola und andere tödliche Krankheiten sind

Um diesen Artikel noch einmal zu lesen, besuchen Sie Mein Profil und dann Gespeicherte Storys anzeigen.

Strohfarbener Flughund (Eidolon helvum). Steve Gettle / Getty

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Einige der gruseligsten und tödlichsten Viren des Planeten finden einen natürlichen Zufluchtsort in Fledermäusen, darunter Ebola, Tollwut, Marburg und das SARS-Coronavirus. Viele hochkarätige Epidemien wurden auf Fledermäuse zurückgeführt, und Wissenschaftler entdecken ständig neue von Fledermäusen übertragene Viren.

Die Tiere scheinen besonders geschickt darin zu sein, Krankheiten zu beherbergen und zu verbreiten. Wissenschaftler, die versuchen zu verstehen, warum, haben einige vielversprechende Hinweise in Fledermausgenomen gefunden, aber andere argumentieren, dass die Bekanntheit der Fledermäuse als Virusträger nicht gerechtfertigt ist.

„Sind Fledermäuse etwas Besonderes? Ich sage immer noch, dass es zu früh ist, um darauf zu antworten“, sagt Linfa Wang, die Forschungsgruppen am Australian Animal Health Laboratory des CSIRO und an der Duke-NUS Graduate Medical School in Singapur leitet. Er verbrachte die letzten zwei Jahrzehnte damit, von Fledermäusen übertragene Viren zu untersuchen und nach Eigenschaften zu suchen, die die Tiere zu so großartigen Viruswirten machen könnten.

„Die Frage ist so wichtig, dass wir sie einfach nicht mehr ignorieren können“, sagt er.

Fledermäuse und andere Arten, die chronisch Viren beherbergen, wie Ratten oder Mäuse, werden als Krankheitsreservoire bezeichnet. Meistens bleiben diese Reservoirs intakt, und infizierte Tiere zeigen selten Krankheitssymptome. Aber manchmal lecken sie und lassen ein Virus neue, viel anfälligere Arten infizieren. Dies ist mit ziemlicher Sicherheit der Fall beim anhaltenden Ebola-Ausbruch in Westafrika, der im Dezember mit einem Rinnsal begann und seitdem mindestens 8.900 Menschen infiziert und mehr als 4.400 Menschen getötet hat. Wissenschaftler vermuten, dass Fledermäuse für diese Epidemie verantwortlich sind, die Guinea, Sierra Leone und Liberia heimgesucht hat.

Anekdotisch scheinen Fledermäuse sicherlich eine überproportional hohe Anzahl beängstigender Viren zu tragen. Ob das aber tatsächlich stimmt, bleibt offen.

Wissenschaftler zerfallen bei dieser Frage im Wesentlichen in zwei Lager. Eine Denkschule besagt, dass Fledermaus-Epidemien einfach ein Zahlenspiel sind, die Idee ist, dass es so viele Arten und so viele Individuen gibt, dass das Auftreten von durch Fledermäuse übertragenen Krankheiten nicht überraschend ist. Der andere schlägt vor, dass Fledermäuse in der Tat etwas Besonderes sind, dass es etwas an ihrer Physiologie oder ihrem Lebensstil gibt, das sie zu außergewöhnlich guten Virusspeichern macht.

Was das ist, muss noch geklärt werden, aber Wang und seine Kollegen haben viel Zeit damit verbracht, es zu klären. Sie begannen damit, sich die Genome von Fledermäusen anzuschauen, in der Hoffnung, einen Hinweis im Immunsystem der Fledermäuse zu finden, wie eine Reihe von Genen, die nur Fledermäuse haben.

Letzte Woche euthanasierten die Behörden in Spanien einen Hund, dessen Besitzer sich mit Ebola infiziert hatte, nachdem er einen Missionar in Westafrika behandelt hatte. Viele argumentierten, die Reaktion sei extrem und ungerechtfertigt, da es an Beweisen mangelte, dass Hunde Ebola übertragen können.

Während des Ausbruchs in Gabun 2001-2002 fanden Forscher heraus, dass etwa 25 Prozent der Hunde aus Dörfern mit menschlichen Ebola-Fällen positiv auf Ebola-Antikörper getestet wurden. Aber auch Hunde aus Dörfern ohne menschliche Fälle wurden positiv getestet. So auch zwei Hunde in Frankreich, die vermutlich nie auf etwas gestoßen sind, das das Virus in sich trägt. Keines der Tiere wurde symptomatisch oder starb, so dass die Frage offen bleibt, ob Hunde ansteckend sein können.

Es ist schwierig, die Wege vom Stausee zum Menschen zu verfolgen. Noch heute kennen Wissenschaftler nicht alle Wege, die Ebola von Fledermäusen auf den Menschen nehmen kann. Ein bekannter Übertragungsweg ist der Verzehr eines infizierten Tieres. Fledermäuse, Primaten und andere Wildtiere werden in Teilen Westafrikas oft verzehrt. Jetzt werden die Menschen vor dem Risiko des Verzehrs von Buschfleisch gewarnt.

Andere Wege sind weniger klar. Speichel, Urin oder Kot von infizierten Flughunden könnten Früchte kontaminieren, die dann von einem Menschen oder Zwischenwirt gefressen werden könnten. Dies kann bei Nipah- und Hendra-Viren der Fall sein. In Bangladesch scheint das Nipah-Virus über den Saft der Dattelpalme direkt von Fledermäusen auf den Menschen zu übertragen. In Südostasien infiziert Nipah zunächst Schweine, die dann den Menschen infizieren. In Australien scheint Hendra Pferde als Zwischenart zu verwenden. Und Ebola hat Primaten infiziert, die die Leute dann essen.

Stattdessen entdeckte das Team einen subtileren Unterschied: Obwohl das Genom von Fledermäusen viele der gleichen Inhaltsstoffe wie andere Säugetiere enthält, verwenden Fledermäuse sie anders. Insbesondere die Fledermaus-Gene, die für Proteine ​​kodieren, die beschädigte DNA erkennen und reparieren, sind viel häufiger als erwartet. Einfacher gesagt wird angenommen, dass diese Gene etwas bewirken, das den Fledermäusen hilft, zu überleben und sich zu vermehren, sodass diese Gene an nachfolgende Generationen weitergegeben werden.

Diese Ergebnisse, berichtet in der Zeitschrift Wissenschaft im Dezember 2012 korrespondieren mit der vorherigen Beobachtung, dass Gene zur Reparatur von DNA-Schäden häufig Angriffsziele für eindringende Viren sind, die den evolutionären Druck ausüben könnten. Die Ergebnisse stimmen auch mit der anekdotischen Beobachtung überein, dass Fledermäuse selten (wenn überhaupt) Tumore entwickeln – vielleicht, weil die Reparaturgene jedes bösartige Wachstum übertreffen können.

Seitdem sind Wang und seine Kollegen noch einen Schritt weiter gegangen. Neuere, noch unveröffentlichte Erkenntnisse deuten darauf hin, dass im Gegensatz zu Menschen oder Mäusen, bei denen Abwehrmechanismen wie Antitumor- und antivirale Gene nur als Reaktion auf eine Bedrohung aktiviert werden, bei Fledermäusen diese Gene dauerhaft eingeschaltet zu sein scheinen. Diese Aktivität hält das Niveau aller beherbergten Viren unter dem Punkt, an dem sie Schaden anrichten könnten. Mit anderen Worten, die Evolution hat sich verschworen, um die Überwachungsmechanismen von Fledermäusen auf 11 zu erhöhen.

Als Grund dafür schlägt Wang einen Zusammenhang mit dem Flug vor, der den Stoffwechsel einer Fledermaus auf ein Vielfaches höher als im Ruhezustand erhöht. Eine solche anhaltende Energieproduktion erzeugt Stress, der Zellen und DNA schädigen kann, wenn er nicht schnell erkannt und repariert wird.

Vielleicht wurden diese Schadensreparaturproteine ​​anfangs hochgedreht, um den Schaden zu bekämpfen, der von Fledermäusen verursacht wird, die das tun, was Fledermäuse tun, die jede Nacht herumfliegen. Wenn das stimmt, könnte die Fähigkeit, tödliche Viren zu übertragen, an zweiter Stelle stehen, als eine Art koevolutionärer Unfall, sagt Wang.

Eine andere Hypothese, die im Mai in *Emerging Infectious Diseases* veröffentlicht wurde, besagt, dass Fledermausflüge genug Hitze erzeugen könnten, um ein Fieber zu imitieren. Als Teil der normalen Immunantwort vieler Tiere hilft Fieber bei der Bekämpfung von Infektionen, indem es die Körpertemperatur auf ein Niveau erhöht, das eindringende Krankheitserreger abtötet oder deaktiviert. Durch die Erhöhung ihrer Temperaturen, so die Hypothese, könnte das Fliegen jede Nacht unbeabsichtigt die Viruslast der Fledermäuse reduzieren.

Obwohl keine Experimente durchgeführt wurden, um die Idee zu testen, halten einige Wissenschaftler es für plausibel, dass ein Grund dafür, dass von Fledermäusen übertragene Viren beim Übergreifen auf Menschen oder andere Tiere so tödlich sind, darin besteht, dass sie sich entwickelt haben, um dem besonders aktiven Immunsystem der Fledermaus zu widerstehen.

„So ein Immunsystem haben wir nicht“, sagt Angela Luis, Krankheitsökologin an der University of Montana und Autorin der Fieber-Flug-Studie. Sobald diese Viren von der hyper-wachsamen, ständig eingeschalteten Abwehr der Fledermaus befreit sind, könnten sie kein Problem damit haben, schwächere Immunsysteme zu überwältigen.

Wang ist noch nicht bereit zu dem Schluss, dass Fledermäuse besonders gute virale Wirte sind, glaubt jedoch, dass die Wissenschaft dieser Möglichkeit immer näher kommt.

Die andere Möglichkeit ist, dass das, was passiert, einfach eine Kombination aus Zahlen und Gelegenheiten ist, dass Fledermaus-Spillover nichts anderes als Statistiken am Werk sind.

Mit mehr als 1.200 bekannten Arten machen Fledermäuse mehr als 20 Prozent der Säugetierarten auf der Erde aus. Und unter den Säugetieren sind sie nur von Nagetieren in der Überzahl (entgegen der landläufigen Meinung sind Fledermäuse keine Nagetiere). Aber in vielen Gebieten sind Fledermäuse zahlreicher als Nagetiere, wobei manchmal Millionen von Individuen in einer einzigen Kolonie leben.

Die Wahrnehmung, dass Fledermäuse etwas Besonderes sind, kann durch hochkarätige Ausbrüche und einen unverhältnismäßigen Arbeitsaufwand, der sich auf Fledermäuse als Virusgefäße konzentriert, gefärbt werden. „Die sich selbst erfüllende Prophezeiung, vor der ich warnen möchte, lautet: Je mehr wir graben, desto mehr Viren werden wir finden“, sagte Kevin Olival, ein Krankheitsökologe bei der EcoHealth Alliance.

Ein indischer Flughund (Pteropus giganteus) isst Obst an einem Strand in Sri Lanka.

In einer Studie aus dem Jahr 2013 untersuchten Olival und Kollegen das Virom einer riesigen Fledermaus namens Indischer Flughund (Pteropus giganteus). Bei dieser einen Art entdeckten sie 55 Viren, von denen 50 bisher unbekannt waren. Das ist ungefähr die Gesamtzahl der Fledermausviren, die in einer bahnbrechenden Studie aus dem Jahr 2006 identifiziert wurden, in der alle relevanten Forschungen zu dieser Zeit überprüft wurden. In den acht Jahren dazwischen hat sich diese Zahl jedoch verdoppelt, verdreifacht oder mehr, je nach den Kriterien, die zur Definition des „bekannten Virus“ verwendet werden.

Aber Olival argumentiert, dass der Trend nicht nur bei Fledermäusen vorkommt. „Wenn man sich das breite Spektrum dessen ansieht, was wir über die Vielfalt von Säugetierviren wissen, haben alle ziemlich unterschiedliche Gruppen von Viren“, sagte er. "Die Gruppen, die dies nicht tun, sind diejenigen, die wir nicht genug betrachtet haben."

Die Frage ist also, warum wir immer wieder von Fledermaus-Epidemien hören.

„Ich denke, das Wichtigste ist die Ökologie und darüber nachzudenken, wo diese Tiere leben und wie Menschen mit ihnen in Kontakt kommen“, sagt Olival. Er schlägt vor, dass die Art und Weise, wie Menschen mit Fledermäusen interagieren, wirklich wichtig ist – oder besser gesagt, wie Menschen mit Fledermauslebensräumen interagieren und in sie eindringen.


Könnte ein spezielles Immunsystem helfen, Fledermäuse vor Ebola zu schützen?

Das Immunsystem der Fledermaus funktioniert grundlegend anders als das anderer Säugetiere. Zu diesem Ergebnis kamen Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Ornithologie in einer Studie an Doggenfledermäusen. Die Forschung könnte auch im Kampf gegen Viruserkrankungen von Bedeutung sein, die von Tieren wie Fledermäusen auf den Menschen übertragen werden können.

Die Mastiff-Fledermaus stammt aus Mittel- und Südamerika. Die Tiere besitzen ein wirksames Immunsystem, das sie vor Infektionen schützt.

Während Fledermäuse als Überträger und Reservoirwirte für eine ganze Reihe von Infektionskrankheiten gelten, wurde ihr Immunsystem bislang kaum erforscht. Forscher des Max-Planck-Instituts für Ornithologie in Radolfzell, der Universität Konstanz und des Smithsonian Tropical Research Institute in Panama versuchen nun, diese Lücke zu schließen. Ihre Ergebnisse zeigen, dass sich das Immunsystem von Fledermäusen grundlegend von dem anderer Säugetiere unterscheidet. Die Immunabwehr der Tiere könnte sogar Hinweise darauf geben, wie bestimmte Infektionskrankheiten abgewendet werden können.

Viele der 1.300 bekannten Fledermausarten haben Antikörper zum Schutz gegen verschiedene Krankheiten im Blut, selten aber die Erreger selbst. Die Tiere scheinen die Krankheitserreger abzuwehren, ohne selbst zu erkranken. Aber was macht ihr Immunsystem so besonders?

Die Wissenschaftler untersuchten die Immunreaktionen von Pallas&aposs Mastiff-Fledermäusen (Molossus molossus) in Panama. Die Tiere folgen einem bestimmten Tagesablauf: Tagsüber reduzieren sie ihren Energieverbrauch in ihren Quartieren, um Energie zu sparen. Während dieser Zeit ruhen die Fledermäuse regungslos und ihre Körpertemperatur sinkt. Erst bei Sonnenuntergang, wenn die Mastifffledermäuse zur Jagd aufbrechen, erwachen sie zum Leben. Jetzt steigt ihre Körpertemperatur auf über 40 Grad Celsius, da ihre Muskeln während des Fluges hart arbeiten müssen.

Die hohe Temperatur könnte aber auch einen Nebeneffekt haben: Sie könnte als eine Art Tagesfieber die Immunantwort gegen Krankheitserreger aktivieren. Umgekehrt könnte die tägliche Verlangsamung ihres Stoffwechsels auch die Vermehrung vorhandener Krankheitserreger im Körper hemmen.

Um diese Hypothese zu überprüfen, verabreichten die Forscher den Fledermäusen ein Lipopolysaccharid (LPS) – eine an sich harmlose Verbindung aus Lipid- und Zuckerkomponenten. Da LPS auch auf der äußeren Membran vieler Krankheitserreger zu finden ist, geht das Fledermaus-Immunsystem von einem bakteriellen Angriff aus und schaltet in den Abwehrmodus.

Wie die Wissenschaftler zeigten, blieben die täglichen Temperaturschwankungen jedoch auch nach der Gabe von LPS unverändert. Das Material löst daher bei Fledermäusen kein Fieber aus, wie es bei anderen Säugetieren der Fall ist. Auch die Zahl der weißen Blutkörperchen im Blut – ein Indikator für die Stärke der Immunabwehr – nahm nicht zu. Allerdings verloren die Fledermäuse innerhalb von 24 Stunden deutlich an Masse – ein Zeichen für die Forscher, dass die Tiere Energiereserven für die Immunabwehr mobilisieren.

„Dieser Massenverlust tritt auch bei anderen Fledermausarten auf“, erklärt Teague O’Mara, Erstautorin der Studie. „Das ist ein Hinweis darauf, dass ihr Immunsystem eingeschaltet ist.“ Bisher konnte jedoch niemand genau sagen, welche zellulären Prozesse abliefen. „Das Immunsystem von Fledermäusen verhält sich anders als bei anderen Säugetieren“, sagt Dina Dechmann vom Max-Planck-Institut für Ornithologie. „Wir müssen verstehen, was es so besonders macht. Es könnte uns helfen, viel über Krankheiten zu lernen, die für den Menschen gefährlich sind.“

So ist es denkbar, dass Fledermäuse zu Unrecht für Ebola verantwortlich gemacht werden. In einer Umfrage analysieren Wissenschaftler des Robert-Koch-Instituts und des Max-Planck-Instituts systematisch den aktuellen Wissensstand zur Herkunft des Ebola-Virus. Flughunde können den Forschern zufolge weder das Haupt- noch das einzige Reservoir sein. Das Ebola-Virus selbst wurde bei Fledermäusen noch nicht nachgewiesen.

Die bisherige Beweiskette basiert auf Antikörpern gegen Ebola, die im Blut von Flughunden entdeckt wurden. Die Tiere können daher häufig mit dem Virus in Kontakt kommen, sind aber in der Lage, es abzuwehren. Eine ähnliche Situation könnte bei anderen Infektionskrankheiten auftreten, die von Tieren auf den Menschen übertragen werden können, wie beispielsweise Tollwut. Auch in diesem Fall könnte ein wirksames Immunsystem die Fledermäuse vor einer Erkrankung schützen. „Wenn wir verstehen könnten, wie die Tiere mit den Krankheiten umgehen, könnten wir dieses Wissen nutzen, um neue Impfstoffe und Medikamente zu entwickeln“, sagt O&aposMara.


Begrenzung des Schadens

Wenn es von Fledermäusen eine Lektion über die Tolerierung von Virusinfektionen zu lernen gibt, dann sollten wir nicht fliegen lernen. Aber wir können vielleicht lernen, wie man entzündungsbedingte Schäden begrenzen kann.

„Toleranz kann man wirklich als einen anderen Umgang mit dem Erreger sehen“, sagt Mandl. „Es ist immer noch eine Immunstrategie. Aber die Strategie besteht nicht darin, zu versuchen, den Erreger zu beseitigen oder vielleicht nicht einmal die Replikation stark zu reduzieren, sondern nur die Kollateralschäden zu begrenzen.“

Das Hendra-Virus, das von australischen Fledermäusen, den sogenannten Flughunden, übertragen wird, kann durch Kontakt mit kontaminiertem Fledermauskot, Urin oder Speichel auf Pferde übertragen werden. Pferde können dann Menschen infizieren. Hier sammelt die Doktorandin Tamika Lunn solche Proben unter einem Flying-Fox-Rast im subtropischen Australien nach einem Hendra-Spillover-Ereignis auf Pferde.

Möglicherweise lassen sich auch Erkenntnisse von anderen Tieren gewinnen, die krankheitserregende Krankheitserreger tolerieren. Mandl hat herausgefunden, dass rußige Mangabey-Affen, die einen nahen Verwandten von HIV namens Simian Immunodeficiency Virus in sich tragen, aber nicht von ihm krank werden, auch eine zurückgeschaltete Interferon-Reaktion haben.

Und Tony Schountz, ein viraler Immunologe an der Colorado State University, sagt, dass dasselbe bei Mäusen, Ratten und Spitzmäusen vorkommt, die gerne Hantaviren beherbergen. „Sie haben diese entzündungshemmende Immunantwort auf ein für sie eher harmloses Virus“, sagt er. "Bei Menschen tritt diese massive Entzündungsreaktion auf, von der angenommen wird, dass sie der Hauptgrund für die Krankheit und den Tod des Menschen ist."

Das Verständnis dieser „erfolgreichen“ Immunantworten, fügt Schountz hinzu, könnte eines Tages zu Strategien führen, um die Schwere der Krankheit bei Menschen zu mildern. Nehmen wir zum Beispiel an, Sie wissen, welche Teile oder Moleküle des Immunsystems geschwächt werden müssen, um eine Entzündung zu vermeiden, wenn ein Virus infiziert wird. Dann „könnten Sie eine Therapie oder ein Medikament entwickeln, das diesen Weg unterbrechen kann, um das Auftreten der Entzündungsreaktion zu verhindern“, schlägt er vor.

Die Erforschung von Fledermäusen hat jedoch unmittelbarere – und dringendere – Ziele. „Es ist wirklich wichtig, Fledermäuse in der Natur zu studieren, um zu verstehen, wo sich die Viren befinden, damit wir versuchen können zu verstehen, warum sie aus diesen Populationen stammen und Menschen töten“, sagt der Epidemiologe David Hayman von der Massey University in Neuseeland, der eine Übersicht verfasst hat zu Fledermäusen und Viren im Jährliche Überprüfung der Virologie.

Angesichts der Ausbrüche, die in den letzten Jahren mit Fledermäusen in Verbindung gebracht wurden – mehrere Coronaviren, Hendra, Nipah, Ebola, Marburg und viele mehr – ist es für ihn und andere Forscher im Bereich Infektionskrankheiten von größter Bedeutung, die Wahrscheinlichkeit zukünftiger Spillover-Ereignisse zu verstehen. Die Frage erfordert eine Behandlung aus mehreren Blickwinkeln.

Obwohl bekannt ist, dass viele Fledermäuse viele Viren beherbergen, sind Studien, die die Dynamik von Infektionen im Laufe der Zeit und von mehr als einem Virus gleichzeitig untersuchen, selten. In einer solchen Studie suchten die Forscher über mehrere Monate nach neun Arten von Paramyxoviren bei australischen Fledermäusen, indem sie Plastikfolien unter die Quartiere legten und Urinproben nahmen. Gezeigt werden Daten von zwei Standorten in Queensland mit gemischten Quartieren von schwarzen Flughunden und grauköpfigen Flughunden. Während die durchschnittliche Anzahl der Virusnachweise pro Urinprobe gering ist – entweder waren die Viren nicht vorhanden oder zu niedrig, um nachgewiesen zu werden – gab es kurze, extreme Perioden, in denen mehrere Viren gefunden wurden. Ein solcher Anstieg trat beispielsweise im australischen Winter 2011 (dem Sommer der nördlichen Hemisphäre) auf, während dieser Zeit wurden RNA von bis zu sechs einzigartigen Viren pro Probe nachgewiesen (im Mittel 1,8). Dies fiel mit einer großen Ansammlung von Spillover-Ereignissen des Hendra-Paramyxovirus auf Pferde und mit einer Zeit der Nahrungsknappheit zusammen, die die Fledermäuse belastete.

Die Art des Virus ist eindeutig von Bedeutung. Viele der hochkonsequenzen, die in den letzten Jahren den Sprung von der Fledermaus zum Menschen geschafft haben, verwenden RNA als genetisches Material. Die Maschinerie, mit der viele dieser Viren ihre Genome kopieren, ist besonders schlampig, was bedeutet, dass sich schnell Fehler – neue Mutationen – ergeben können, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, auf Mutationen zu stoßen, die es dem Virus ermöglichen, den Wirt zu wechseln. (Coronaviren sind nicht so schlampig wie manche, sammeln aber dennoch Veränderungen an, indem sie häufig Genomstücke hin und her tauschen.)

Wichtig sind auch die Arten der Mensch-Fledermaus-Interaktion: Welche sind die riskantesten? „Wenn man an Coronaviren denkt, findet man sie in Fledermäusen auf der ganzen Welt“, sagt Hayman. „Eine andere Betrachtungsweise lautet also: Warum verursachen all diese Infektionen keine Ausbrüche?“

Jüngste Forschungen legen nahe, dass Stress wichtig ist – er kann ein wichtiger Prädiktor dafür sein, dass Fledermäuse viele Viren ausscheiden. Plowright hat Jahre damit verbracht, Fledermäuse in riesigen Netzen zu fangen und Blut, Urin und Kot zu entnehmen, und stellt fest, dass Virusinfektionen bei Fledermäusen zeitlich und räumlich nicht konsistent sind. Tatsächlich können Viren die meiste Zeit überhaupt nicht erkannt werden.

„Wir suchen immer und immer wieder und finden nichts“, sagt sie. "Und dann werden wir im nächsten Monat wiederkommen und erneut Proben nehmen, und wir könnten feststellen, dass ein großer Teil der Fledermäuse tatsächlich mit dem Virus infiziert ist."

Diese offensichtlichen Infektionen können einige Monate andauern und dann verschwinden. Bei den Flughunden Australiens treten während der Geburtssaison Spitzenzeiten der Infektion auf, die mit Hendra-Virus-Spillover-Ereignissen zusammenfallen. Andere Arten von Stress, wie Nahrungsmangel oder Lebensraumverlust, können ebenfalls Phasen der Virusausscheidung auslösen. Hayman und Kollegen haben herausgefunden, dass Landnutzungsänderungen in Westafrika – die zu einer Fragmentierung der Wälder, in denen Fledermäuse leben – führen, mit Ausbrüchen von Ebola zusammenfallen.

Stress beiseite, vermehrter Kontakt selbst ist problematisch. „Allein die Tatsache, dass mehr Menschen und mehr Lebensraum zerstört werden, bedeutet mehr potenzielle Kontakte, was die Wahrscheinlichkeit einer Infektion einfach erhöhen kann“, sagt Hayman.

Der Versuch, solche Begegnungen durch die Eliminierung von Fledermäusen zu eliminieren, ist nicht die Antwort, betonen Experten. „Das wäre eine Katastrophe“, sagt Plowright. „Sie erbringen riesige Ökosystemleistungen.“ Fledermäuse sind wichtige Bestäuber von Hunderten von Pflanzen, darunter viele für die Landwirtschaft wichtige. Sie helfen bei der Samenverbreitung, und viele sind gefräßige Insektenfresser – Mücken und Pflanzenschädlinge gehören zu ihnen. Und die Beseitigung von Fledermäusen kann nach hinten losgehen, mit tödlichen Folgen: Das Töten ägyptischer Flughunde in einer Mine in Uganda führte zu einem Zustrom neuer Fledermäuse und einem Ausbruch des Marburg-Virus, denken Wissenschaftler.

Fledermäuse zu studieren – von denen die meisten nachtaktiv sind und große Entfernungen zurücklegen können – ist schon schwierig genug. Aber es mangelt auch an grundlegenden experimentellen Werkzeugen für die Arbeit an Fledermaus-Virus-Beziehungen, da Laborgeräte und -protokolle typischerweise mit Blick auf Nagetiere und menschliches Gewebe entwickelt wurden. Während in den letzten Jahren Fortschritte zu verzeichnen waren, bleibt die Wunschliste des Toolkits lang. Die Etablierung stabiler, sich reproduzierender Fledermauszelllinien ist nur für eine Handvoll Fledermausarten und oft nur für wenige Zelltypen wie Niere oder Lunge gelungen. Den Forschern fehlen auch viele Laborreagenzien, die auf Fledermäuse zugeschnitten sind, beispielsweise solche, mit denen die Antikörper der Tiere untersucht werden können. Die Vermehrung von Viren in genetisch veränderten Fledermauszellen könnte helfen, den Infektionsverlauf bei lebenden Fledermäusen zu verfolgen. Es könnte auch bei der Entwicklung von Impfstoffen und diagnostischen Tests helfen.

Wissenschaftler wissen, dass sie gerade erst damit begonnen haben, die Beziehung zwischen Fledermäusen und der Vielzahl von Viren, die sie beherbergen, zu analysieren, sowie das Warum und Warum dieser gelegentlichen, katastrophalen Virusüberkreuzungen in unsere eigene Spezies. Other features of bats, such as the close-quarter colony living of many species and the extremely low body temperatures of hibernation, also may play key roles in bat-virus dynamics.

There is much work to do, much of it difficult. Even straightforward experiments can be tricky because lab protocols and reagents have been tailored for human tissues and mice, not chiropterans. With the Covid-19 pandemic roiling on, scientists have expressed dismay and astonishment at the recent termination of funding for bat and coronavirus research by the National Institutes of Health. But they are pushing ahead with their work.

Banerjee, for his part, finds himself yet again suited up hazmat-style and scrupulously swapping out shoes at day’s end. He spends his hours nurturing petri dishes of bat kidney cells and growing up flask gardens of virus, then combining the two for infection experiments, a version of nature’s bat-virus détente writ small.

For the time being, he’s focused on SARS-CoV-2, but still as a bat guy, now as a postdoc at McMaster University in Ontario. “I thought grad school was busy,” he says. “But this is insanely busy.”

Rachel Ehrenberg is the associate editor of Knowable Magazine.


Lurking in the Shadows

Bob Grant
Dec 1, 2014

© INGO SCHULZ/IMAGEBROKER/CORBIS

I n a dusty, subterranean room beneath a crumbling sand building a few miles north of Naqi, Saudi Arabia, EcoHealth Alliance veterinary epidemiologist Jon Epstein finally found what he was looking for: bats. It was early October 2012 he&rsquod travelled to the country with a team of scientists at the request of the Saudi Ministry of Health. A researcher in Jedda had isolated RNA from a strange virus found in the mucus coughed up by a 60-year-old Saudi businessman who&rsquod recently suffered acute pneumonia and renal failure. The man, whose main place of business was located in Naqi, died 11 days after being admitted into the hospital in mid-June.

Epstein and Columbia University epidemiologist Ian Lipkin had been scouring the man&rsquos homes and businesses around the desert town of Bishah in search of the source of the deadly virus. They were intent on sampling bats because a.

So when Epstein and Lipkin were summoned to Saudi Arabia to hunt down the new coronavirus, which would become known as the Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV), the obvious place to look for the emerging threat was in bats. “Our main goal was to meet with [the] ministry of health, go out to the homes of the patient, and see if he had contact with animals,” says Epstein. “Those are moments when there’s an urgency to understand where diseases are coming from.”

In the forgotten basement of the sand building, the researchers found a colony of 400 to 500 lesser mouse-tailed bats (Rhinopoma hardwickii). “That was our first breakthrough moment,” Epstein recalls. The researchers captured about 60 bats, took blood and urine samples, fecal pellets, and throat swabs, then released the animals unharmed.

I’m confident that MERS does originate in bats. It really appears that this family of viruses has bats as their natural reservoir. —Jon Epstein, EcoHealth Alliance

Buoyed by their discovery of roosting bats in the area, the researchers turned their sights on Bishah, where they found more bat colonies in the town’s abandoned buildings. They returned in April 2013 to collect more evidence, and after catching and working up more than a thousand bats from seven different species, they found a viral RNA fragment in a fecal sample from an Egyptian tomb bat (Taphozous perforatus) that matched the MERS-CoV sequence isolated from the man who had died of the disease months earlier. 2 Although the bat sample yielded only a short stretch of RNA, and scientists are still seeking confirmation with a longer sequence, Epstein says that the initial discovery was important in establishing bats’ role in the MERS epidemic. “I consider this a really strong clue,” he says. “I’m confident that [MERS] does originate in bats. It really appears that this family of viruses has bats as their natural reservoir.” It is not yet clear if bats are directly transmitting MERS to humans or if they play some more nuanced role in the cycle of infection—for example, through interactions with camels, which are also suspected to carry the MERS virus—but Epstein and others are gathering evidence to resolve the picture.

Healthy cauldrons of disease

Mexican free-tailed bats (Tadarida brasiliensis) © POELKING, F./CORBIS MERS, with a fatality rate of around 65 percent, is only one of the deadly diseases that bats have been blamed for transmitting to humans. Researchers have confirmed that the Marburg virus, which causes the particularly gruesome Marburg hemorrhagic fever that killed about 125 people in the Democratic Republic of Congo between 1998 and 2000, resides in the widely distributed African fruit bat (Rousettus aegyptiacus), which likely spread the disease to miners working in the country. 3,4 Ebola, which has infected more than 10,000 and killed nearly 5,000 people during the current outbreak in West Africa, may also have its roots in bats. Amazingly, in most cases, the bats themselves don’t seem to get sick from Ebola, which kills from 25 percent to 90 percent of its human victims, depending on viral strain and treatment availability.

Lesser mouse-tailed bat (Rhinopoma hardwickii) © B.G. THOMSON/SCIENCE SOURCE So, while epidemiologists and health-care workers scramble to help communities being ravaged by emerging disease in the Middle East and Africa, researchers around the world are studying bats’ unique ability to harbor viruses—especially zoonotic viruses that readily cross species boundaries to infect other animals, including humans. Some attribute the high viral diversity associated with bats to the animals’ unique behavior and ecology. And at least one scientist holds that the secret to bats’ virus-hosting capacity lies deep within their cellular machinery.

Recently, Epstein and collaborators, working in Bangladesh, uncovered dozens of viruses that were previously unknown to science circulating in Indian flying foxes (Pteropus giganteus), a bat species known to carry the deadly zoonotic Nipah virus, a member of the paramyxovirus family. 5 And Colleen Webb, an evolutionary ecologist at Colorado State University, determined with collaborators that bats harbor more zoonotic viruses per species than rodents, which carry nasty bugs such as hantavirus and lymphocytic choriomeningitis virus. ' “That’s really the first paper that provides some quantitative evidence that bats are special,” Webb says.

Even to the casual observer, bats are distinctive animals. They are the only mammals that are capable of sustained flight some species possess bizarre facial features to aid in the echolocation they use for hunting and navigation and they often live in massive colonies comprising hundreds of thousands of individuals.

A closer look at bat biology and ecology reveals other traits that set the animals apart. To fuel their daily flight and long migrations, bats have extremely high metabolic rates, which make their bodies frequently mimic a fever-like state. And bats have remarkably long life spans for their body size, giving them plenty of time to be exposed to environmental pathogens. They also roost in large groups that often contain multiple species in tight quarters, setting the stage for pathogen transmission to occur readily and often. “We know that there are these ecological traits that they have that make them theoretically very good at being pathogen reservoirs and spreading diseases,” says Clif McKee, a Colorado State University grad student who studies bacterial pathogens harbored by bats.

Bats’ long evolutionary history may also be at play. Having evolved sometime between 100 million and 66 million years ago, when fearsome dinosaurs ruled the land and pterosaurs patrolled the skies, bats have been battling viral infection and transmission for millennia. “What we’re finding is that bats have had a relatively long-term association with these viruses,” says Epstein. “They come to an understanding over time.” In other words, viruses may have become less threatening but ever-present and easily transmissible commensals of bats.

There’s still a staggering amount of things that we don’t know about bats. —Paul Cryan, US Geological Survey

Answering questions about bat-virus interactions is challenging because bats are extremely difficult research subjects. (See “Experiments on the Wing,” here.) The flying mammals are notoriously hard to keep in captivity, and scientists know surprisingly little about their biology. “Bats are mysterious, and it’s an extremely diverse group of wild animals,” says Paul Cryan, a US Geological Survey bat ecologist who has collaborated with Webb on several bat studies. “There’s still a staggering amount of things that we don’t know about bats.” Given that these animals carry pathogens that have collectively killed thousands of people, that’s a scary thought.

“It wasn’t until very recently that a lot of the interest in viral disease in bats sprung up,” adds Cryan. “The floodgates are now open.”

Learning to fly

Indian flying foxes (Pteropus giganteus) © FLETCHER & BAYLIS/SCIENCE SOURCE The most obvious distinction between bats and other mammals—flight—may hold clues to why bats are so adept at ferrying dangerous pathogens. Evolving the ability to propel their bodies through the air, it seems, has had a strong impact on bat physiology and immunity.

“Flight is very much like fever,” says Tom O’Shea, a US Geological Survey bat biologist in Fort Collins, Colorado. The body temperature of a bat is consistently above normal, which “creates a very different environment in the whole body of a bat compared to any other animal.” From the perspective of viruses, this persistent fever state keeps replication at a lower level than occurs in susceptible animals the virus never overruns the bat’s immune system.

Researchers have also turned up evidence that bats may have less-reactive innate immunity than other mammals. Lin-fa Wang of the Duke–National University of Singapore Graduate Medical School and his collaborators recently sequenced the genomes of two distantly related bats—a fruit bat called the black flying fox (Pteropus alecto) and the insectivorous mouse-eared bat (Myotis davidii)—and found positively selected genes in DNA damage-repair pathways in both species. 7 Wang says that this adaptation was likely spurred, in part, by the energetic and metabolic demands of flight, which can cause DNA damage through the release of reactive oxygen, nitrogen, and carbonyl species. Bats also live 3 to 10 times longer than other mammals of a similar size, giving their genes more time to accumulate mutations. “We believe that [bats] are better at DNA repair because that’s required for their ability to live longer and to fly without too much DNA damage,” Wang says. “Flight drove that evolution.”

Chinese horseshoe bat (Rhinolophus sinicus) © MERLIN D. TUTTLE/SCIENCE SOURCE In the past decade, scientists have uncovered how such changes in their DNA repair pathways can, in turn, affect bats’ innate immune response, possibly allowing the animals to survive with viruses and other resident pathogens. 8 In the two bat species’ genomes, Wang and his team also found positively selected genes in the nuclear factor κB (NF-κB) pathway, which plays roles in transcriptional control, cellular stress responses, and immunity. And the evolutionary timing of these changes, traced using molecular-clock calculations, is telling, says O’Shea. “The genetic adaptations in the innate immune system of bats seem to have changed at about the same time that bats evolved flight.”

Murky territory

Colorized transmission electron micrograph of the Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV) © SCIENCE SOURCE There are some researchers who are not yet convinced that bats are special with regard to their relationships with zoonotic viruses and other pathogens. “I think the jury is still out on that,” says Peter Daszak, a disease ecologist and president of EcoHealth Alliance, a nonprofit research consortium and conservation group that aims to protect wildlife while safeguarding humans from the emergence of zoonotic disease.

Daszak maintains that while science may show that bats have unique traits that increase their capacity to harbor pathogens, the real reason why bat viruses seem to be spilling over into human populations with increasing regularity is the relationship and proximity between bats and people. “It’s only now, when we’re really starting to encroach in tropical areas, that we’re really coming into contact with bats,” he says. “One possible scenario might be that bats are no more special at harboring viruses than are rodents, but we’ve already come into contact with all the rodent viruses.”

“When we hassle bats or encroach on their habitats, disease is more likely to spill over to us,” Cryan agrees. He adds that there is a danger in broadly painting bats as pathogen ferries on the wing. Despite all the bad press, bats do, after all, provide a multitude of ecosystem services, from pollination and seed dispersal to insect control and plant fertilizer (bats produce scads of nutrient-rich guano), and they constitute an important source of dietary protein in many cultures around the world. 9 Many bat researchers are mindful of the possibility that increased interest in the relationship between viruses and bats could translate into vigilantism against what might be perceived as dangerous animals.

“These are wild animals, and just because they might somehow deal with disease in a special way doesn’t mean they’re bad or evil,” says Cryan. “Bats seem to be able to live with viruses that we consider to be extremely lethal to humans. The advances to human medicine [from studying bats] could be huge, yet those will never happen if the knee-jerk reaction of ‘Kill them all’ manages to prevail.”

Correction (December 2): Jon Epstein's affiliation was incorrect in the original version of this story. It has been corrected to reflect the fact that he is a veterinary epidemiologist at EcoHealth Alliance. Der Wissenschaftler bedauert den Fehler.

Clarification (December 4): The original version of this story may have given the impression that MERS is transmitted to humans by bats. In fact, the route that the virus has taken to infect humans is not yet clear to researchers, who have gathered substantial evidence that camels in the Middle East also harbor the pathogen that causes MERS. The story has been changed slightly in an attempt to convey this. Der Wissenschaftler regrets any confusion on this point.

Verweise

  1. X.Y. Ge et al., “Isolation and characterization of a bat SARS-like coronavirus that uses the ACE2 receptor,” Natur, 503:535-38, 2013.
  2. Z.A. Memish et al., “Middle East respiratory syndrome coronavirus in bats, Saudi Arabia,” Emerg Infect Dis, 19:1819-23, 2013.
  3. D. G. Bausch et al., “Marburg hemorrhagic fever associated with multiple genetic lineages of virus,” N Engl J Med, 355:909-19, 2006.
  4. J. S. Towner et al., “Isolation of genetically diverse Marburg viruses from Egyptian fruit bats,” PLOS Pathog, 5:e1000536, 2009.
  5. S. J. Anthony et al., “A strategy to estimate unknown viral diversity in mammals,” M Bio, 4:e00598-13, 2013.
  6. A.D. Luis et al., “A comparison of bats and rodents as reservoirs of zoonotic viruses: are bats special?” Proc Biol Sci, 280:20122753, 2013.
  7. G. Zhang et al., “Comparative analysis of bat genomes provides insight into the evolution of flight and immunity,” Wissenschaft, 339:456-60, 2013.
  8. G. Chatzinikolaou et al., “DNA damage and innate immunity: links and trade-offs,” Trends in der Immunologie, 35:429-35, 2014.
  9. NS. Kunz et al., “Ecosystem services provided by bats,” Ann NY Acad Sci, 1223:1-38, 2011.

© 13/DIGITAL ZOO/OCEAN/CORBIS WHY BATS?

• Flight: Likely in response to the metabolic demands of flight, bats have evolved heightened DNA damage-repair pathways and a high body temperature that mimics a fever state, imparting higher resistance to pathogens.

• Long-lived: With life spans that are 3 to 10 times longer than other mammals of similar size, bats may encounter more pathogens throughout their lives.

• Hibernation: The aggregation of many different bat species in hibernacula during colder months can facilitate the spread of pathogens.

• Colonial: Even during their waking months, some bat species live in remarkably large groups, again facilitating pathogen transmission.

• Evolutionary history: Bats evolved between 100 million and 66 million years ago. They may have established a truce with many bacteria and viruses over the millennia.

EXPERIMENTS ON THE WING

Fruit bats roosting in Kumasi, Ghana COURTESY OF DAVE HAYMAN A scientist striving to know more about a virus or bacterium isolated from bats would likely rely on the traditional methodology of injecting the pathogen into rodent models in the lab to study its pathophysiology and the host’s immune response. But bats appear to have anything but traditional immune systems, putting investigators studying emerging tropical diseases at a disadvantage. “Lab virologists typically don’t have access to the natural host,” says University of Cambridge infectious disease epidemiologist James Wood.

To gain real insights into both the pathogens that infect bats and how the flying mammals cope with such infections, researchers must study—you guessed it—bats. But studying wild bats presents its own challenges: bats tend to live in such massive colonies, and their ranges tend to be so large, that recapturing a particular bat—to check on the persistence of a virus, for example—is virtually impossible.

That’s why, in 2009, Wood and his then–PhD student Dave Hayman decided to start raising a captive colony of bats in Ghana. Along with collaborators, the researchers captured a dozen straw-colored fruit bats (Eidolon helvum), a species widely distributed throughout sub-Saharan Africa. (See photograph at left.) After succeeding in keeping the animals alive for about six months in a roughly 6,000-cubic-meter, double-roofed aviary on the outskirts of Ghana’s capital city, Accra, the team added about three dozen more bats to the colony, now a 100-bat-strong, self-sustaining population. “The beauty of establishing a captive colony is that . . . you know that an individual is exposed to the infections in that colony,” says Hayman, now a disease ecologist at Massey University in New Zealand.

The colony, one of only a few around the world, gives Hayman and his colleagues a unique window onto the bat immune system and the coevolution of bats and their pathogens. “[We’re] trying to understand what we see in the wild, which is a constant, high prevalence of infection,” says Hayman. So far, the researchers who study the captive bats in Ghana have focused on pathogens that were present in the animals when they were captured in the wild and pathogens to which the animals carried antibodies at the time of their capture. These include the Lagos bat virus, henipavirus, and bacteria from the genus Bartonella, to name a few. The team has learned, for example, that henipavirus, a genus that contains the deadly Hendra and Nipah viruses, is capable of persisting in the bat population, with antibody titers ebbing and flowing in female bats through cycles of pregnancy and lactation (J Anim Ecol, 83: 415–28, 2014). Yet the bats don’t seem to die from the viruses, which have spilled over to infect humans and horses in Australia.

We’re trying to understand what we see in the wild, which is a constant, high prevalence of infection. —Dave Hay­man,
Massey University

The team has also discovered that young animals born into the captive bat colony harbor henipaviruses. Researchers used to think that henipavirus infections were immunizing, in the way that flu or measles viruses can be in humans, with virus-specific antibodies able to defend against subsequent attack. In such situations, the persistence of the virus within a population can only be achieved through the introduction of new individuals that have not yet been infected. But the pres­ence of the virus in young bats suggests that the adults are continuously harboring low levels of the pathogen in their cells. While the animals are not sick, they can still pass the virus around. “This work has caused us to rethink the mechanisms of persis­tence of that whole family of viruses within populations of bats,” says Wood.

Eventually the researchers would like to house subgroups of bats in separate enclosures, where the team could expose a subgroup to a new pathogen and follow the dynamics of the disease, Wood says. “We have some facilities in which we could do infection experiments or small-scale transmission experiments in bats.”

“The ultimate aim is to do population-level transmission studies,” Hayman adds. Such research can yield the type of understanding that will help scientists go beyond simply cataloging the different emerging zoonotic diseases that are crossing species boundaries to infect humans, and begin to acquire a functional knowledge of the biology and ecology of bats and the myriad pathogens they host.


Muted immunity

Zhou’s team mimicked infections in the white blood cells of mice and of Chinese rufous horseshoe bats (Rhinolophus sinicus): the species that harboured the SARS virus, which killed almost 600 and infected approaching 7700 during the 2003 outbreak. The mouse cells produced at least 10 times more interferon.

They compared the gene for STING in 30 bat species and 10 flightless mammal species, including humans. In all the bats, STING had lost the amino acid serine at one site, but in all the other mammals STING had kept it. The presence or absence of serine at that site dictated how the cells responded to fake viral infections. By losing the serine, bats tolerate viruses that other mammals would fight off.

“Wild bats may carry viruses for a long time at a low level, less like control and more like coexistence,” says Zhou. “A milder response to viral infection is not always a bad thing.”

“Because some of these viruses may potentially lead to new global pandemics, it’s essential we begin to learn how the bats remain well and unaffected,” says John Mackenzie at Curtin University in Perth, Western Australia.


An international team of researchers used cutting edge technologies to sequence the bats' genome and identify the genes present.

By comparing the blueprint of the bat against 42 other mammals they were able to find out where bats are located within the tree of life.

Bats appear most closely related to a group that consists of carnivores (dogs, cats and seals, among other species), pangolins, whales and ungulates (hooved mammals).

A trawl of genetic differences identified regions of the genome that have evolved differently in bats, which may account for their unique abilities.

The genetic detective work revealed genes that may contribute to echolocation, which bats use to hunt and navigate in complete darkness.


Why do so many deadly viral outbreaks originate in bats?

Ebola, Marburg, SARS, MERS, and now the new coronavirus Covid-19, all share one thing in common – they are thought to have originated in bats. A new study, led by scientists at UC Berkeley, is suggesting the mammals’ uniquely fierce immune system encourages viruses to reproduce and when the viruses cross over into other animals or humans they can be incredibly fatal.

From the frightening hemorrhagic fevers that appeared in the second half of the 20 th century, to the more recent appearances of novel coronaviruses, bats seem to be the natural reservoir for many concerning viral outbreaks. From a perspective of species volume, it is not necessarily a surprise bats are the source of more dangerous viruses than any other mammal.

There are more than 1,400 individual species of bat, spanning almost every corner of the world and comprising around 20 percent of all mammal species. Bats have very few natural predators and live extraordinarily long in relation to their size. Some bats have been found to live up to 40 years.

However, bats are outnumbered by rodents in terms of volume of species and sheer numbers. And while rats certainly spread a number of diseases, they are not generally known for incubating entirely new viruses (rats may have traditionally been blamed for the black plague in medieval Europe but research has shown the real cause of that infamous epidemic was parasites such as fleas and ticks, not rats that carried them).

So what is it about bats that allows them to harbor such virulent viruses without actually getting sick?

"The bottom line is that bats are potentially special when it comes to hosting viruses," says UC Berkeley disease ecologist, and co-author on the new study, Mike Boots. "It is not random that a lot of these viruses are coming from bats. Bats are not even that closely related to us, so we would not expect them to host many human viruses. But this work demonstrates how bat immune systems could drive the virulence that overcomes this."

In order to effectively evolve and spread, a virus can’t kill its host too quickly. The faster a virus replicates and infects a host, the quicker its host will die, so the most effective viruses are the ones than can maintain that precarious balance.

To understand how viruses can evolve in the presence of different mammal immune systems, the new study exposed two different bat cell lines to a hemorrhagic fever virus. A cell line from an African green monkey was also exposed as a control.

The differences between the bat and monkey immune responses were significant. The monkey cell line was rapidly overwhelmed by the replicating virus but the two bat models displayed swift protective immune responses.

The Australian black flying fox cell line demonstrated the most effective immune response to the virus, rapidly producing molecules called interferon-alpha. These immune signaling molecules are released by cells when they are under attack from a foreign substance. They signal to other cells to heighten anti-viral defenses, and actively disrupt viral replication.

What the researchers observed was a distinct slowing of viral replication in the bat cell lines. However, these particular bat interferon responses also allowed the viral infections to persist in the mammals for extended periods of time.

"Think of viruses on a cell monolayer like a fire burning through a forest. Some of the communities – cells – have emergency blankets, and the fire washes through without harming them, but at the end of the day you still have smoldering coals in the system – there are still some viral cells," explains Cara Brook, first author on the new study.

This means a virus can increase its replication rate inside a bat without killing its host, essentially enhancing its virulence to a level that would be profoundly destructive in other organisms.

“This suggests that having a really robust interferon system would help these viruses persist within the host," says Brook. "When you have a higher immune response, you get these cells that are protected from infection, so the virus can actually ramp up its replication rate without causing damage to its host. But when it spills over into something like a human, we don't have those same sorts of antiviral mechanism, and we could experience a lot of pathology."

But why do bats have such fundamentally powerful immune systems?

Intense physical activity in any mammal results in the release of reactive molecules called free radicals. Organisms need to effectively mop up these damaging molecules and the immune system plays a primary role in that process.

Bats, being the world’s only flying mammal, have evolved a remarkably efficient immune system to manage the acute inflammatory damage caused by the high metabolic rate needed to fly. Generally speaking, in mammals fast metabolism and heart rate equals shorter lifespans while slower metabolism and heart rate results in longer lives. Rodents of equivalent size to bats mostly live to ages of two years. Bats on the other hand, can live 30 or 40 years, despite having metabolic rates double that of rats.

It is hypothesized this heightened ability of bats to rapidly suppress inflammation enables the mammal to vigorously fly. And one of the key processes underpinning this rapid anti-inflammatory response is the speedy release of interferon-alpha. Brook notes this enhanced immune response seen in bats would be damaging if replicated within a human body.

"Some bats are able to mount this robust antiviral response, but also balance it with an anti-inflammation response," says Brook. "Our immune system would generate widespread inflammation if attempting this same antiviral strategy. But bats appear uniquely suited to avoiding the threat of immunopathology."

Although this doesn’t explain how the viruses seem to frequently jump from animals to humans, the research does offer compelling insights into how, and why, bats seem to be incubating these incredibly virulent viruses.


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