Eine Forschungsgruppe um Samantha Praktiknjo vom Berlin Institute of Health in der Charité (BIH), Markus Landthaler vom Max Delbrück Center für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft in Berlin-Buch und Jakob Trimpert von der Freien Universität Berlin hat anhand von Einzelzellanalysen bei Tieren und Menschen untersucht, wie eine SARS-CoV-2-Infektion zur Organschädigung bei Covid-19 führen kann. Demnach hängt der Verlauf einer Infektion nicht nur von der Aggressivität des Virus, sondern auch von der Immunantwort des Infizierten ab. Laut ihrer Publikation in der Fachzeitschrift 'Cell Reports' spielen neutrophile Granulozyten und Endothelzellen eine zentrale Rolle [1]. Die Wissenschaftler identifizierten zwei unterschiedliche Muster, die typisch für moderate und schwere Covid-19-Krankheitsverläufe sind.
Einzelzellsequenzierung von Lungenproben
Um die frühen Phasen der Covid-19-Erkrankung besser zu verstehen, analysierten die Wissenschaftler Lungenbiopsien von Hamstern – sowohl gesunden als auch infizierten – zu verschiedenen Zeitpunkten nach der SARS-CoV-2-Infektion. Als Tiermodelle dienten dabei Goldhamster, die meist moderate Krankheitsverläufe zeigen, sowie Roborowski-Zwerghamster, die typischerweise schwere Verläufe entwickeln.
Einzelzellsequenzierungen halfen dabei herauszufinden, welche Abschnitte der genetischen Information in den Zellen zum Zeitpunkt der Probenentnahme aktiviert waren. „Dank Einzelzell-RNA-Analysen können wir Daten zur Genexpression in vielen einzelnen Zellen sammeln und molekularbiologische Prozesse im Verlauf der Infektion beobachten“, erklärt Dr. Samantha Praktiknjo, Forscherin am BIH und Letztautorin der Studie.
Zusätzlich wurden Humandaten aus bronchoalveolärer Flüssigkeit, Nasenabstrichen und post-mortem Untersuchungen von Lungengewebe herangezogen und mit den Ergebnissen aus den Tiermodellen abgeglichen.
Schwerer Covid-19-Verlauf steht zu Beginn fest
Die Studien ergaben, dass sowohl bei moderaten als auch bei schweren Covid-19-Verläufen kurz nach der Infektion neutrophile Granulozyten aktiviert werden. Bei milden Verläufen wird diese Aktivierung jedoch schnell durch andere Immunzellen wie natürliche Killerzellen abgelöst (Typ-1-Immunantwort). Bei schweren Verläufen bleiben die Neutrophilen hingegen dauerhaft aktiv (Typ-3-Immunantwort), was zu einer Flut proinflammatorischer Signale und schweren Entzündungsreaktionen in der Lunge führt.
Zudem sind schwere Covid-19-Verläufe mit Endothelschädigungen in mehreren Organen assoziiert. Bei beiden Hamsterarten entdeckten die Forschenden eine starke Aktivierung des Gefäßendothels der Lunge, die Neutrophile dazu veranlasste, entzündungsfördernde Signale auszusenden. Beim Roborovski-Hamster führte dies zu schweren Endothelschäden, während sich die Endothelzellen beim Goldhamster ohne nennenswerte Schäden erholten. „Mit unserer Methodik konnten wir zum ersten Mal die entscheidende Rolle der Endothelzellen bei der Entwicklung eines schweren Krankheitsverlaufs dokumentieren“, kommentiert Dr. Stefan Peidli, einer der Erstautoren der Studie.
Wege zu neuen Therapien gegen Covid-19
Samantha Praktiknjo erklärt: „Unsere Untersuchungen bestätigen und erweitern das Wissen zur Rolle überschießender Immun- und Entzündungsreaktionen bei Covid-19. Wir werden weiter in dieser Richtung forschen und hoffen, Ansatzpunkte für neue Therapieansätze zu finden, mit denen sich das Infektionsgeschehen von Anfang an in die richtigen Bahnen lenken lässt.“
