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02.06.2020

Nase als Eintrittspforte für SARS-CoV-2

Anlass

SARS-CoV-2 führt bei einem Großteil der symptomatischen Infizierten zuerst zu Krankheitsanzeichen der oberen und im späteren Verlauf auch der unteren Atemwege. Ob das Virus als Eintrittspforte jedoch das Gewebe im Rachenraum benutzt oder eher die Schleimhäute der Nase war bisher unklar. Nun zeigen US-amerikanische Wissenschaftler aus North Carolina mit innovativen Methoden, dass das Virus besonders gut Zellen der Nasenschleimhaut infizieren kann und sich von dort seinen Weg in die unteren Atemwege bahnt. Ihre Ergebnisse publizierten sie im Fachjournal „Cell“ (siehe Primärquelle).

Für die Untersuchung des Infektionsweges verwendeten die Forscher zwei Ansätze. Zum einen konstruierten sie anhand bereits vorhandener Erbgutdaten einen künstlichen SARS-CoV-2-Virus, der durch Fluoreszenzlicht angeregt grün leuchtet. Zum anderen verwendeten sie eine hochsensible Methode zur Quantifizierung der Menge des Eintrittsrezeptors ACE2. Mit beiden Methoden untersuchten sie verschiedene menschliche Zelltypen der Nasen-, Rachen- und Bronchialschleimhaut und konnten feststellen, dass die Menge an ACE2 entlang des Weges von den oberen zu den unteren Atemwegen abnahm, und dass auch das Virus die oberen Atemwege besser infizieren konnte. Interessanterweise waren in den oberen Atemwegen und der Bronchialschleimhaut vor allem Zilienzellen von der Infektion betroffen.

Die vergleichsweise hohe Infektionsrate der Nasenschleimhaut lässt die Forscher zu dem Schluss kommen, dass das Virus zuerst die Zellen der Nasenhöhle befällt und von dort über Körperflüssigkeiten in tiefe Bereiche der Lunge gelangt.

Die im Labor geschaffenen Viren bieten großes Potenzial für weitere pathologische, immunologische oder virologische Untersuchungen von SARS-CoV-2. Das nutzten die Forscher in einem zweiten Teil der Studie, in dem sie die Kreuzreaktivität von SARS- oder MERS-induzierten Antikörpern bei SARS-CoV-2 testeten. Dafür hängten sie dem Virus ein Luziferase-Reportermolekül an, mit dem sie die Virusmenge in Zellkultur quantifizieren und so die neutralisierende Wirkung der Antikörper testen konnten. Dabei fanden die Forscher, dass Antikörper, die im Blut von SARS-Patienten zu finden waren, in geringem Maße auch die Vermehrung von SARS-CoV-2 im Laborversuch hemmen konnten.

Übersicht

     

  • Prof. Dr. Bernd Salzberger, Bereichsleiter Infektiologie, Universitätsklinikum Regensburg, und Präsident der Deutschen Gesellschaft für Infektiologie
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  • Prof. Dr. Wolfgang Kummer, Direktor des Instituts für Anatomie und Zellbiologie, Justus-Liebig-Universität Gießen
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Statements

Prof. Dr. Bernd Salzberger

Bereichsleiter Infektiologie, Universitätsklinikum Regensburg, und Präsident der Deutschen Gesellschaft für Infektiologie

„Dies ist eine sehr interessante Studie – vor allem wegen der eleganten Methode der rekombinanten Viren mit Fluoreszenzeigenschaften, die die Infektion spezifischer Zellen sichtbar machen kann und damit die Forschung weiterbringt.“

„Es handelt sich um eine komplexe Studie, die mehrere Ansätze parallel benutzt: Erstens die Herstellung eines geklonten SARS-CoV-2-Virus mit sogenannten Reportergenen zur besseren Sichtbarmachung unter Fluoreszenzlicht, zweitens eine besonders empfindlich Methode zum Nachweis des ACE2-Rezeptors in Schleimhautzellen und drittens begleitende Untersuchungen an histologischen Proben (Gewebeuntersuchungen mit dem Mikroskop; Anm. d. Red.).“

„So konnten die Autoren zeigen, dass in der Nasenschleimhaut eine höhere Expression beziehungsweise Dichte von ACE2-Rezeptoren im Vergleich zur Bronchialschleimhaut vorhanden ist, und dass Nasenschleimhaut leichter infiziert werden kann. Diese Experimente sind vor allem durch die ‚leuchtenden‘, rekombinanten SARS-CoV-2 Virusstämme (im Reagenzglas künstlich hergestelltes Virus; Anm. d. Red.) elegant belegt.“

„Gemeinsam mit den Daten aus den histologischen Proben wird damit ein Bild der Infektion entworfen: Zu Beginn wird die Nasenschleimhaut infiziert, dann kommt es am ehesten durch Aspiration von Schleim (Übertragung des Virus durch Schleim von der Nasenhöhle in die Lunge; Anm. d. Red.) zur Infektion der Lunge. Dieser Infektionsweg ist nach den vorgenommenen Untersuchungen plausibler als eine direkte Infektion der Bronchialschleimhaut.“

„Die Methoden sind neu, elegant und das Arbeitsprogramm ist solide. Mit dem empfindlichen Nachweis von ACE2-Rezeptoren und Infektionsversuchen kann so gezeigt werden, dass die Infektion sehr viel besser an Zellen der Nasenschleimhaut funktioniert als an Zellen der Bronchialschleimhaut, also vermutlich an der Nasenschleimhaut beginnt. Daraus wird und kann aber nicht geschlossen werden, dass der andere Weg – direkte Infektion der Lunge – nicht auch vorkommt. Dieser Weg ist aber den Ergebnissen nach unplausibler.“

„Eine direkte Anwendung zur Prävention einer SARS-CoV-2-Infektion kann aus den Ergebnissen nicht abgeleitet werden. Der Weg des Virus geht in jedem Fall über die Atemwege. Eine spezifische Prävention von Aspiration oder Mikroaspirationen ist schlecht vorstellbar. Allerdings böte eine spätere Infektion der Lungenschleimhaut ein Zeitfenster für eine therapeutische Intervention vor der Entwicklung einer Pneumonie.“

„Der wichtigste Unterschied in der Infizierbarkeit der Zellen in diesem Modell war die bessere Empfindlichkeit der Zellen der Nasenschleimhaut und die Korrelation mit der ACE2-Expression. Die Autoren weisen aber auch daraufhin, dass die Infizierbarkeit von Zellen aus den tieferen Atemwegen variabler ist und dass die Höhe der Expression von ACE2 nicht vollständig die Unterschiede zwischen den Zelltypen erklärt. Zusätzlich konnten noch durch die Fluoreszenztechnik spezifisch infizierbare Zellen besser charakterisiert werden.“

„Die Autoren haben durch die Entwicklung des sensitiven Verfahrens zum Nachweis der Expression von ACE2-Rezeptoren und Konstruktion der rekombinanten Viren zusätzlich wichtige Werkzeuge für die weitere Erforschung der SARS-CoV-2-Infektion hergestellt. Dies wird in einem weiteren Ergebnis der Studie zur Kreuzreaktivität von Seren von Patienten mit SARS-CoV und SARS-CoV-2 gezeigt.“

„Die Daten zur Kreuzimmunität sind nicht ganz unerwartet, denn die beiden Viren sind miteinander verwandt. Zurzeit sehe ich hierin die geringste direkte neue Evidenz. Das interessanteste ist die neue Methode zur raschen Bestimmung neutralisierender Antikörper. Dies ist sonst ein sehr langes und mühsames Verfahren.“

Prof. Dr. Wolfgang Kummer

Direktor des Instituts für Anatomie und Zellbiologie, Justus-Liebig-Universität Gießen

„Das von den Autoren neu erstellte GFP-Reportervirus ist eine wertvolle Bereicherung des Arsenals der Werkzeuge zur weiteren Untersuchung des SARS-CoV-2-Virus.“

„Des Weiteren enthält diese Veröffentlichung eine Reihe interessanter Einzelbefunde, die die gemeinsamen Anstrengungen der Wissenschaftsgemeinschaft im Bemühen um die Aufklärung der Infektionswege befördern werden.“

„Eine tatsächliche Klärung übergeordneter Zusammenhänge ist hiermit aber noch nicht gelungen. Die Arbeit ist damit zwar wichtig für die spezialisierte Fachwelt, sollte aber nicht gleich als Beweis für eingängige Thesen wie ‚die Infektion beginnt mit der Infektion eines bestimmten Zelltyps (zilientragende Zelle) in der Nase und breitet sich von dort mit der Einatmungsluft schrittweise bis in die Lungenbläschen aus‘ gewertet werden.“

„Die zusammenfassende, vereinfachende grafische Darstellung der Ergebnisse und ihrer Bedeutung (‚graphical abstract‘) suggeriert dies zwar, setzt sich aber in dieser Vereinfachung über zu viele Unsicherheiten und auch Widersprüche der Daten hinweg.“

„Zu Unsicherheiten der Studie: Die Kernaussagen beruhen teils nur auf drei einzelnen Versuchen und in mehreren Fällen ist die Zahl der Experimente gar nicht nachzuvollziehen – für ein solches Fachjournal ist das außerordentlich erstaunlich.“

„Zu Widersprüchen der Studie: Mehrere Datensätze der Autoren zeigen gar nicht den in der Grafik schematisierten graduellen Abfall der ACE2-Expression von der Nase bis in die Lungenbläschen (zum Beispiel Abbildung 4C). Nahezu gleichzeitig wurde in der gleichen Fachzeitschrift eine weitere Arbeit zum Thema veröffentlicht [1], die in einer Kernfrage, welche Zellart am kräftigsten im Nasenepithel ACE2 exprimiere, zu einem anderen Ergebnis kommt. Nach Hou und Mitarbeitern ist es die zilientragende Zelle, nach Ziegler die schleimproduzierende (sekretorische) Zelle. Hier sind zur Beurteilung weitere Arbeiten nötig.“

„Der Hinweis auf diese Ungereimtheiten und Widersprüche soll nicht falsch als Zweifel an der Ernsthaftigkeit und Seriosität der Arbeitsgruppen verstanden werden. Hier paaren sich von der Öffentlichkeit meist nicht zur Kenntnis genommene alltägliche Schwierigkeiten der experimentellen biomedizinischen Wissenschaft. Jede einzelne Untersuchungsmethode hat auch bei korrekter Durchführung ihre eigenen, unvermeidbaren Limitationen und Fehlerquellen und zur Absicherung von Daten sind Bestätigungsexperimente auch über einen längeren Zeitraum hin erforderlich. Das steht einem praktisch noch nie in dieser Form dagewesenen öffentlichen und politischen Druck zur raschen Veröffentlichung und selbstverständlich Problemlösung gegenüber. Da diese kaum im Alleingang gelingen wird, ist in dieser ungewöhnlichen Situation auch eine Publikation teils widersprüchlicher Daten – sofern als solche gekennzeichnet und sauber erhoben – für das kollektive Bemühen um die weitere Problemlösung hilfreich und daher angebracht. Bei allem Verständnis für den Wunsch nach schnellen und einfachen Lösungen wäre es fatal und letztlich der Sache schädlich, bei jeder einzelner Veröffentlichung gleich daraus übergreifende Gesamtlösungen zu postulieren, anstatt sie als Zwischenschritt auf dem Weg dahin zur Kenntnis zu nehmen. Es braucht eben leider Zeit, und es ist schon positiv hervorzuheben, wie viel in der sehr kurzen Zeit seit der Entdeckung dieses Virus schon herausgefunden wurde.“

Angaben zu möglichen Interessenkonflikten

Prof. Dr. Wolfgang Kummer: „Keine möglichen Interessenkonflikte.“

Alle anderen: Keine Angaben erhalten.

Primärquelle

Hou YJ et al. (26.05.2020): SARS-CoV-2 Reverse Genetics Reveals a Variable Infection Gradient in the Respiratory Tract. Cell. DOI: 10.1016/j.cell.2020.05.042.

Literaturstellen, die von den Experten zitiert wurden

[1] Ziegler CGK et al. (2020): SARS-CoV-2 receptor ACE2 is an interferon-stimulated gene in human airway epithelial cells and is detected in specific cell subsets across tissues. Cell; 181 (5): 1016-1035.e19. DOI: 10.1016/j.cell.2020.04.035.