Mechanismus aufgeklärt: Wie das Coronavirus Blutgefäße im Hirn schädigt

SARS-CoV-2 befällt nicht nur Lunge und Atemwege, sondern nimmt Einfluss auf viele Organe des menschlichen Körpers. In einer kürzlich im Fachmagazin Nature Neuroscience publizierten Studie erklärt ein Forschungskonsortium unter Beteiligung der Deutschen Zentren für Lungenforschung (DZL), Infektionsforschung (DZIF) und Herz-Kreislauf-Forschung (DZHK), wie das Coronavirus die kleinen Blutgefäße im Hirn schädigt. Prof. Peter König aus dem ARCN steuerte Expertise im Bereich Elektronenmikroskopie bei.

Die Infektion mit dem Coronavirus SARS-CoV-2 erfolgt über die Atemwege. In diesen spielt sich auch ein Großteil des Krankheitsgeschehens ab. Bereits frühzeitig stellte sich allerdings heraus, dass viele andere Organe und die Blutgefäße betroffen sind. So kann es sowohl in der akuten als auch in der späten Phase der Erkrankung zu neurologischen Symptomen kommen. Diese umfassen eine häufig auftretende gestörte Geschmackswahrnehmung oder epileptische Anfälle, Schlaganfälle, Bewusstseinsverlust und Zustände der Verwirrung. Wie das Coronavirus diese kognitiven und psychiatrischen Symptome auslöst, ist weitgehend ungeklärt. Widersprüchlich sind Ergebnisse, ob das Coronavirus Hirnzellen direkt befällt. Bekannt ist dagegen, dass es Blutgefäße angreift – auch im Gehirn. Hiervon ausgehend stellte sich ein internationales Konsortium unter Leitung des Lübecker Pharmakologen Prof. Markus Schwaninger (DZHK) die Frage, welcher Mechanismus die Grundlage für die Hirnschädigung ist. Dazu nahm die Gruppe die Mikroblutgefäße und die sie auskleidenden Endothelzellen in den Blick.

Wie das Coronavirus Blutgefäße des Hirns schädigt

Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass das Coronavirus tatsächlich über den von einigen Endothelzellen gebildeten ACE2-Rezeptor in die Zelle eintreten und eine charakteristische, im Mikroskop erkennbare Pathologie auslösen kann. In den Endothelzellen zerstört das Virusenzym M^pro das körpereigene Protein NEMO und löst so ein Zelltod-Programm aus. Ein zentraler Befund der Studie ist, dass auf diesem Weg Endothelzellen und Blut-Hirn-Schranke zerstört werden. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entdeckten somit erstmals einen Mechanismus, wie SARS-CoV-2 die Mikrogefäße im Hirn direkt schädigt.

Mögliche Therapiewege aufgeklärt

Interessanterweise fanden die Forscherinnen und Forscher eine Möglichkeit, den Zelltod-Mechanismus zu blockieren. Hieran beteiligt sind nämlich weitere Proteine, unter anderem RIPK1. Blockiert man RIPK1 im Tierversuch, sterben die Endothelzellen nicht ab. Das gesamte Zelltod-Programm wird so deaktiviert – unabhängig davon, ob NEMO durch das Virusenzym M^progespalten wurde oder nicht. RIPK1-blockierende Substanzen befinden sich bereits am Anfang der klinischen Testung. „Die Ergebnisse unserer Studie deuten darauf hin, dass solche Medikamente insbesondere die neurologischen Long-Covid-Symptome lindern könnten“, sagt Markus Schwaninger.

Erfolgreiche Kooperation mehrerer Deutscher Zentren der Gesundheitsforschung (DZG)

Für die Studie arbeiteten Forscher und Forscherinnen der Deutschen Zentren für Lungenforschung (DZL), Infektionsforschung (DZIF) und Herz-Kreislaufforschung (DZHK) interdisziplinär zusammen. Sie nutzten verschiedene Tiermodelle und Proben von COVID-19-Patienten. Eine beeindruckende Anzahl verschiedener Methodiken kam zum Einsatz. Besonders zu nennen sind dabei mikroskopische Verfahren zur Sichtbarmachung der kleinen Blutgefäße des Hirns. „Ohne unser extrem hochauflösendes STED-Mikroskop* hätte die Bildgebung an Hirngefäßen so nicht durchgeführt werden können“, erläutert Prof. Peter König (Universität Lübeck) vom DZL-Standort ARCN. Er hat das Gerät gemeinsam mit Prof. Gereon Hüttmann (ebenfalls ARCN) und Studienleiter Schwaninger (DZHK) über die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) beschafft. Die nun in Nature Neuroscience publizierten Ergebnisse zeigen die Bedeutung der Grundlagenforschung als Impulsgeber für die Entwicklung von Medikamenten, die sogenannte Translation.

*STED-Mikrokop = STimulated Emission Depletion-Mikroskop

Originalpublikation: Wenzel, J., Lampe, J., Müller-Fielitz, H. et al. The SARS-CoV-2 main protease M^procauses microvascular brain pathology by cleaving NEMO in brain endothelial cells. Nat Neurosci 24, 1522–1533 (2021).

DOI: 10.1111/1346-8138.16210

Quelle: Pressemitteilung des Airway Research Center North (ARCN)