Mathematische Modellierung und Analyse der Einflussfaktoren auf die intrazellulären Replikation des SARS-CoV-2 und verwandter Coronaviren

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Lars Kaderali; Professorin Dr. Stephanie Pfänder
• Fachliche Zuordnung: Virologie ; Bioinformatik und Theoretische Biologie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 462165342

Infektionen mit den endemischen Coronaviren sind meist mit leichten, erkältungsähnlichen Symptomen verbunden. In den letzten zwei Jahrzehnten sind jedoch drei hochpathogene Coronaviren aufgetaucht, die beim Menschen schwere Atemwegssyndrome verursachen: SARS-CoV, MERS-CoV und SARS-CoV-2 haben schwere Infektionen beim Menschen hervorgerufen, und gingen mit einer unterschiedlichen Sterblichkeit einher. SARS-CoV-2, das Virus das die Krankheit COVID-19 verursacht, hat bis heute (2. November 2020) 46.166.182 Menschen infiziert, mit 1.196.362 assoziierten Todesfällen (WHO). Es gibt noch kein wirksames antivirales Medikament und keinen Impfstoff gegen SARS-CoV-2, so dass das Virus weiterhin ein großes Gesundheitsproblem darstellt. Gleichzeitig könnten in der Zukunft weitere humanpathogene Coronaviren auftauchen, die neue Herausforderungen für Gesundheit und medizinische Forschung darstellen.Die mathematische Modellierung hat eine lange Geschichte als Instrument zur Untersuchung der Virusdynamik, und mathematische Modelle wurden zur Beschreibung der intrazellulären Replikationsdynamik sowie der Ausbreitung des Virus in Zellkulturen, Geweben, innerhalb von Organen, Organismen und in Populationen verwendet. Die mathematische Modellierung kann unser Verständnis der Interaktionen zwischen Virus und Wirt unterstützen, kann nützlich sein, um die Infektionsdynamik auf der Ebene von Zellen und Zellpopulationen sowie von Patienten zu charakterisieren, und kann die Entwicklung antiviraler Behandlungsstrategien unterstützen.Darauf zielt der vorliegende Projektantrag ab: Aufbauend auf unseren früheren Arbeiten zur Modellierung von Virus-Wirt-Interaktionen und unter Integration neu erhobener kinetischer Daten werden wir ein dynamisches mathematisches Modell der intrazellulären Prozesse entwickeln, die mit der Infektion, Replikation und Assemblierung von SARS-CoV-2 verbunden sind. Unter Berücksichtigung relevanter molekularer Details wird das entwickelte Modell ein quantitatives, dynamisches Bild des gesamten intrazellulären Virus-Lebenszyklus und der wichtigsten Interaktionen mit der Wirtszelle, insbesondere der angeborenen Immunantwort, liefern. Wir werden mit dem Modell virale Replikationsstrategien untersuchen, werden untersuchen welche Faktoren den Wettlaufs zwischen viraler Replikation und antiviraler Immunantwort determinieren, und die Wirkung verschiedener potenzieller antiviraler Interventionsstrategien mathematisch und mit Computersimulationen bewerten. SARS-CoV-2 dient dabei als Modellsystem, wir erwarten jedoch dass sich das entwickelte mathematische Modell leicht an andere aufkommende Coronaviren anpassen lässt.Um diese ehrgeizigen Ziele zu erreichen, haben sich ein Biomathematiker mit weit über einem Jahrzehnt Erfahrung in der Modellierung von Virusinfektionen und einer der führenden jungen virologischen Spezialisten für Coronaviren in Deutschland zusammengetan und werden eng interdisziplinär zusammenarbeiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen