Institut für Mikrobiologie
der Bundeswehr

Was sind eigentlich Antikörper?

Antikörper, auch Immunglobuline genannt, sind vom Immunsystem gebildete Eiweißmoleküle zur Bekämpfung von Krankheitserregern. Es gibt verschiedene Arten von Antikörpern, die in unterschiedlichen Regionen des Körpers zu finden sind und dort spezielle Aufgaben erfüllen.

Sobald das Immunsystem die Oberflächenstrukturen (sogenannte Antigene) eines Krankheitserregers erkennt, werden die Antikörper produziert und freigesetzt. Sie binden dann mit einem speziell auf den zu bekämpfenden Krankheitserreger ausgerichteten Ende an dessen Oberfläche, markieren ihn damit für die Körperabwehr oder blockieren direkt wichtige Funktionen des Erregers.

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Welche Antikörpertypen sind bei COVID-19 von Bedeutung?

Zu Beginn der Immunantwort auf SARS-CoV-2 werden zunächst IgA-Antikörper gebildet. Diese kommen vorallem in den Sekreten der Schleimhäute, z.B. des Atmungstraktes, der Augen und des Magen-Darm-Traktes (Speichel, Magen- und Darmsaft) vor. So dienen sie an den Eintrittspforten des Körpers vor allem der örtlichen Abwehr von Krankheitserregern. IgA-Antikörper können auch im Blut nachgewiesen werden.

IgM-Antikörper werden bei vielen anderen Virusinfektionen auch sehr früh gebildet. Bei SARS-1- und offenbar auch bei SARS-2 Coronavirus-Infektionen setzt die IgM-Antikörperbildung erst nahezu zeitgleich mit der IgG-Antikörperbildung ein. Die diagnostische Bedeutung des IgM-Nachweises wird daher bei der COVID-19 Antikörperdiagnostik derzeit noch diskutiert.

IgG-Antikörper werden von den meisten Menschen mit einer SARS-CoV-2 Infektion im Blut nach etwa zwei Wochen gebildet. Sie sind Teil des sogenannten „immunologischen Gedächtnisses“. IgG-Antikörper bleiben nach vielen Virusinfektionen über sehr lange Zeit im Blut nachweisbar und sorgen dann für eine rasche Immunantwort, wenn derselbe Erreger nochmal in den Körper eindringen sollte.

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Was sind „kreuzreagierende“ Antikörper?

Unter Kreuzreaktivität versteht man in diesem Fall die Bindung eines Antikörpers an zwei unterschiedliche Antigene, die aber über eine identische oder sehr ähnliche Bindungsstelle verfügen. Eine Kreuzreaktivität findet man häufig bei der Immunantwort gegen eng verwandte Bakterien oder Viren.

Kreuzreagierende Antikörper heften sich dann nicht an das ursprüngliche Antigen (beispielsweise eines „Erkältungs-“ Coronavirus OC-43), sondern auch an Antigene anderen Ursprungs (zum Beispiel des SARS-Coronavirus-2). Dies kann dann zu einem falsch-positiven Testergebnis bei der Messung von Antikörpern gegen SARS-CoV-2 führen.

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Mit welchen Antikörpertests wird bei der COVID-19 Antikörperdiagnostik gearbeitet?

Am Institut für Mikrobiologie der Bundeswehr verfügen wir über eine Vielzahl von Labortechniken zur Untersuchung der Immunantwort auf Virusinfektionen. Zur zuverlässigen Diagnostik von Antikörpern gegen SARS-CoV-2 führen wir derzeit eine Stufendiagnostik durch: Zunächst erfolgt dabei ein Suchtest nach IgG-Antikörpern mit einem Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA).

ELISA-Suchtests nach IgA-Antikörpern nutzen wir derzeit nicht in der Diagnostik, da einige dieser Tests bei Untersuchungen von Blutspenden aus dem Herbst 2019 in mehr als 10% der Proben fälschlicherweise IgA-Antikörper gegen SARS-CoV-2 angezeigt haben.

Allerdings kann auch der IgG-ELISA Suchtest aufgrund von Kreuzreaktivität mit Antikörpern gegen andere Coronaviren (wie z. B. das „Erkältungs-“ Coronavirus OC-43) falsch-positiv reagieren. Wir bestätigen daher jedes reaktive ELISA-Suchtestergebnis mit einem sogenannten Virus-Neutralisationstest (NT). Dabei werden Verdünnungen des Patientenserums mit standardisierten Mengen von SARS-CoV-2 vermischt und die Infizierbarkeit von Zellkulturen getestet. Zwar dauert dieser Test durch die notwendige Viruskultur etwa 3 Tage, jedoch ist der NT der Goldstandard in der Antikörperdiagnostik. Nur mit diesem Test kann derzeit sichergestellt werden, dass die nachgewiesenen Antikörper eine spezifisch gegen SARS-CoV-2 gerichtete neutralisierende Wirkung haben.

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Was sind die Anforderungen an eine zuverlässige COVID-19-Antikörperdiagnostik?

Die benutzten Testverfahren müssen alle Patientinnen und Patienten erkennen, die eine Infektion mit SARS-CoV-2 durchgemacht und dabei Antikörper gegen das Virus gebildet haben.  Die Eigenschaft eines Tests alle diese Personen korrekt zu identifizieren wird Sensitivität genannt. Ein Test mit 100% Sensitivität identifiziert alle getesteten Kranken korrekt. Ein Test mit 80% Sensitivität erkennt 80% der getesteten Kranken (richtig-positiv), aber 20% Menschen mit der Krankheit bleiben unentdeckt (falsch-negativ).

Die benutzten Testverfahren sollen aber andererseits auch wirklich nur Antikörper anzeigen, die tatsächlich gegen SARS-CoV-2 gerichtet sind und nicht solche, die bereits nach früheren Infektionen gegen verwandte Coronaviren (wie die "Erkältungs-" Coronaviren) gebildet worden sind. Diese Eigenschaft eines Tests wird als Spezifität bezeichnet. Ein Test mit 100% Spezifität identifiziert alle gesunden Menschen korrekt. Ein Test mit 80% Spezifität identifiziert 80% der Gesunden als Testnegativ (richtig-negativ), aber 20% der Menschen ohne Krankheit werden fälschlicherweise als Testpositiv (falsch-positiv) identifiziert.

Wie oben beschrieben, kann in der aktuellen Situation die alleinige Anwendung nur eines COVID-19 Antikörpertests mit hoher Sensitivität, aber begrenzter Spezifität dazu führen, dass Personen, die nur kreuzreaktive Antikörper in sich tragen, fälschlicherweise davon ausgehen, COVID-19 bereits unbemerkt durchgemacht zu haben und glauben somit davor geschützt zu sein. Ein solches Vorgehen entspräche damit nicht dem Stand der aktuellen medizinischen Wissenschaft und den Standards der virologischen Diagnostik.

Am Institut für Mikrobiologie der Bundeswehr verwenden wir daher eine Kombination von zwei unterschiedlichen Testverfahren. Zunächst wird ein Suchtest mit sehr hoher Sensitivität aber etwas niedrigerer Spezifität (ELISA) eingesetzt. Damit erkennen wir mit großer Verlässlichkeit alle die Menschen, die keine SARS-CoV-2 Antikörper im Blut haben. Alle im Suchtest positiven Proben werden dann immer mit dem Bestätigungstest mit einer sehr hohen Spezifität (Virus-Neutralisationstest) überprüft. Auf diese Weise erreichen wir eine bestmögliche Aussage zum COVID-19 Immunstatus.

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Welche seriösen und belastbaren Aussagen lassen sich mit der COVID-19 Antikörperdiagnostik derzeit treffen?

Erste wissenschaftliche Untersuchungen zur SARS-CoV-2 Antikörperbildung und zu ihrem Verlauf wurden erst seit Anfang dieses Jahrs überhaupt begonnen. Das Institut für Mikrobiologie der Bundeswehr beteiligt sich bereits seit der Entdeckung der ersten COVID-19 Fälle in Deutschland im Januar 2020 an solchen Untersuchungen.

Auf der Grundlage der ersten Ergebnisse lassen sich folgende Aussagen treffen:

  • Die Kombination aus ELISA-Suchtest und Neutralisationstest ist zur Bestätigung einer ausgeheilten SARS-CoV-2 Infektion nach positivem RT-PCR Ergebnis geeignet.
  • Mit den beiden Testverfahren kann auch geklärt werden, ob ein Patient oder eine Patientin für eine „Antikörper-Spende“ geeignet wären. Einige Universitäten und Blutspende-Einrichtungen führen derzeit Studien durch, um die Wirksamkeit solche Antikörper-Spenden (Passivimpfung) bei schwer an COVID-19 erkrankten Menschen zu untersuchen.

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Welche Aussagen lässt der COVID-19 Antikörpernachweis derzeit noch nicht zu?

In der momentanen Phase der Coronavirus-Pandemie erhoffen sich viele Menschen durch einen Antikörper-Nachweis Aussagen über Schutzwirkungen, wie sie für einige andere Viruserkrankungen, wie z.B. Hepatitis B oder Tetanus auch gemacht werden können.

Fragen, die oft gestellt werden sind zum Beispiel:

  • Kann ein IgG-positiver Mensch mit Vorerkrankungen wieder seinem gewohnten Leben nachgehen, ohne dabei besondere Schutzmaßnahmen einhalten zu müssen?
  • Geht von einer IgG-positiven Pflegekraft tatsächlich keine Infektionsgefahr für Risikopatienten aus?
  • Können Soldatinnen und Soldaten mit positivem Antikörpernachweis ohne weiteren Schutz oder Quarantäne unmittelbar in einen Auslandseinsatz verlegen?

Alle diese Fragen können zum jetzigen Zeitpunkt auf der Basis der vorliegenden wissenschaftlichen Erkenntnisse noch nicht abschließend beantwortet werden. Die Antworten auf diese Fragen sind unter anderem Gegenstand von Studien, die auch der Sanitätsdienst der Bundeswehr mit durchführt. Es wird voraussichtlich einige Monate dauern, bis die Datenbasis tragfähig genug für belastbare und seriöse Antworten wird.

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Warum sind Coronavirus-Schnelltests („Schwangerschaftstests“) derzeit keine gute Alternative?

Es gibt zwei Arten von Schnelltests: Antigen- und Antikörper-Tests. Antigentest würden das SARS-Coronavirus-2 direkt nachweisen. Derzeit sind solche Schnelltests aber nicht verfügbar. Bei allen bislang angebotenen Schnelltests handelt es sich um Antikörpertests. Damit soll eine durchgemachte Corona-Infektion und damit eine mögliche Immunität nachgewiesen werden. Bislang sind allerdings derartige Schnelltests für die medizinische Diagnostik ungeeignet, da sie über keine ausreichenden Empfindlichkeiten (Sensitivität und Spezifität) verfügen:

  • Ein positiver Schnelltest belegt nicht zweifelsfrei eine durchgemachte Infektion mit SARS-CoV-2, oder gar einen Immunschutz gegen COVID-19. Die getestete Person könnte sich demnach mit dem Virus infizieren und es auch an andere Menschen weitergeben.
  • Ein negativer Schnelltest schließt eine akute oder eine zurückliegende Infektion mit SARS-CoV-2 nicht sicher aus. Antikörper werden bei COVID-19 erst mehr als einer Woche nach Beginn der Infektion gebildet werden. Die getestete Person kann somit trotz negativem Ergebnis hochansteckend für andere Menschen sein.

Bereits jeder Verdacht auf COVID-19 durch Ärztinnen oder Ärzte ist meldepflichtig. Alle vermeintlich positiven Antikörper-Schnelltest-Ergebnisse müssen darüber hinaus in einem medizinischen Fachlabor nachuntersucht werden. Schnelltest-Ergebnisse werden von Gesundheitsämtern nicht akzeptiert.

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Wie funktioniert der Antikörper-Suchtest genau?

Als Suchtest zum Nachweis von SARS-CoV-2 Antikörpern verwenden wir am Institut für Mikrobiologie der Bundeswehr den so genannten Enzyme-linked Immunosorbent Assay, kurz ELISA. Dieser lässt die schnelle Testung großer Probenzahlen zu.

So funktioniert der ELISA-Suchtest:

  1. Eine Kunststoffplatte mit 96 Vertiefungen wird mit künstlich hergestellten Eiweißmolekülen des SARS-Coronavirus-2 beschichtet.
  2. In jede der Vertiefung wird als nächstes eine kleine Menge des zu testenden Blutserums des Patienten pipettiert. Falls sich in dem Serum Antikörper gegen die SARS-CoV-2 Eiweißmoleküle an der Wand befinden, binden die Antikörper daran. Nach einigen Minuten wird alles aus der Vertiefung entfernt, was nicht gebunden hat.
  3. Nun wird ein speziell vorbereiteter, weiterer Nachweis-Antikörper hinzu pipettiert. Dieser bindet mit einem Ende gezielt an den Antikörpertyp IgG. Damit werden nun die SARS-CoV-2 Patienten-Antikörper, die sich in Schritt 2 an die Virus-Eiweißmoleküle gekoppelt haben, nun ihrerseits gebunden. Der Nachweis-Antikörpers trägt am hinteren Ende ein Enzym, das im nächsten Schritt reagiert und für das Messsignal sorgt. Wenn SARS-CoV-2 Antikörper in der Patientenprobe enthalten waren sind diese jetzt zwischen den SARS-CoV- Eiweißmolekülen und dem Nachweisantikörper eingepackt.
  4. Zu diesen „Päckchen“ wird jetzt ein farbloses Reagenz pipettiert, das mit dem Enzym aus Schritt 3 reagiert. Das Ergebnis ist eine Färbung, deren Intensität gemessen wird. Je stärker die Färbung, desto mehr Antikörper sind in der Patientenprobe.

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Wie funktioniert der Antikörper-Bestätigungstest?

Zur Bestätigung positiver Antikörpernachweise aus dem ELISA-Suchtest verwenden wir am Institut für Mikrobiologie der Bundeswehr einen so genannten Virus-Neutralisationstest, kurz VNT. Mit diesem Test kann sehr genau unterschieden werden, ob Antikörper in einer Patientenprobe wirklich gegen das SARS-Coronavirus-2 gebildet wurden und ob diese in der Lage sind tatsächlich eine Infektion von Körperzellen durch SARS-CoV-2 zu verhindern.

Um eine möglichst große Zahl von Patientenproben in kurzer Zeit untersuchen zu können, verwenden wir eine besondere Variante des VNT, den Mikroneutralisationstest.

So funktioniert der SARS-CoV-2 Mikroneutralisationstest:

  1. In eine Vertiefung einer Kunststoffplatte mit 96 Vertiefungen wird zunächst eine kleine Menge des im Suchtest positiven Blutserums des Patienten pipettiert.
  2. Die Hälfte dieses Serums wird dann in die nächste Vertiefung übertragen in der sich bereits die gleiche Menge eines Verdünnungslösung befindet. Dadurch ist das Blutserum in der zweiten Vertiefung nun nur noch halb so konzentriert wie in der ersten.
  3. Dieser Vorgang wird noch dreimal wiederholt, sodass nun verschiedene Verdünnungsstufen der Patientenprobe in den Vertiefungen der Kunststoffplatte vorliegen.
  4. Zu diesen Verdünnungen wird nun im Sicherheitslabor eine exakt bestimmte Menge SARS-Coronavirus-2 hinzugegeben. Wenn spezifisch gegen SARS-CoV-2 gerichtete Antikörper in der Patientenprobe vorliegen, binden diese jetzt gezielt an die Viren. Um die Verhältnisse im Körper möglichst genau darzustellen, lassen wir die Antikörper und die Viren einige Minuten bei 37°C stehen.
  5. Im nächsten Schritt werden Säugetierzellen aus einer „unsterblichen“ Zellkultur in jede Vertiefung gegeben. Diese Zellen können durch SARS-CoV-2 infiziert werden, aber nur dann, wenn das Virus nicht zuvor durch die Antikörper aus der Patientenprobe inaktiviert worden ist.
  6. Die Kunststoffplatte wird nun drei Tage bei 37°C im Brutschrank aufbewahrt. Die Säugetierzellen beginnen entweder am Boden der Vertiefung zu einem dichten Zellrasen zu wachsen oder sie werden durch die Virusinfektion völlig zerstört.
  7. Nach drei Tagen geben wir einen blauen Farbstoff in die Vertiefungen. Alle lebenden Zellen werden durch den Farbstoff angefärbt. Gleichzeitig ist in der Farblösung auch ein Desinfektionsmittel enthalten, dass alle Viren sicher abtötet.
  8. Nach dem Abspülen des überschüssigen Farbstoffes kann nun mit bloßem Auge erkannt werden in welchen Vertiefungen das Virus die Zellen abgetötet hat und in welchen Vertiefungen die Antikörper aus dem Patienten das Virus vorher bereit inaktiviert hatten.
  9. Durch die verschiedenen Verdünnungsstufen der Patientenprobe können wir ungefähr die Menge der Antikörper in der Blutprobe und damit auch die Stärke der Immunantwort abschätzen.

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