Covid-19: Gefähr­liche Doppel­rolle des Immunsystems

Die meisten Infek­tionen mit SARS-CoV‑2 verlaufen harmlos: Viele Infizierte klagen lediglich über leichte bis schwere Erkäl­tungs­sym­ptome oder merken gar nicht, dass sie infiziert sind. Andere Menschen erkranken dagegen so schwer an COVID-19, dass sie auf der Inten­siv­station versorgt werden müssen. Schon bevor die ersten COVID-19 Patienten in der Charité versorgt wurden, hat Professor Roland Eils, Gründungs­di­rektor des Digital Health Center, zusammen mit Profes­sorin Irina Lehmann, Leiterin der Arbeits­gruppe Molekulare Epide­mio­logie am BIH, eine Studie initiiert, um die moleku­laren und zellu­lären Ursachen von COVID-19 zu erfor­schen. »Wir haben vermutet, dass bei den unter­schied­lichen Krank­heits­ver­läufen das körper­eigene Immun­system eine Rolle spielt. Und das wollten wir gern genauer verstehen«, erläutert Irina Lehmann.

Eils und sein Team rund um Dr. Christian Conrad setzten dabei auf sogenannte Einzel­zell­ana­lysen, um jede einzelne Zelle, die aus den Atemwegen von COVID-19 Patien­tInnen gewonnen wurde, unter­suchen zu können. Denn jede Zelle reagiert anders auf die Infektion und liefert indivi­duelle Infor­ma­tionen zum Krank­heits­ge­schehen, abzulesen an der indivi­du­ellen Antwort Tausender Gene in jeder Zelle.

COVID-19 Patien­tInnen aus Berlin und Leipzig

Die Patien­tInnen für diese Studie wurden an der Charité – Univer­si­täts­me­dizin Berlin im Rahmen der PA-COVID-19 Studie rekru­tiert. Prof. Leif-Erik Sander, der an der Medizi­ni­schen Klinik mit Schwer­punkt Infek­tio­logie und Pneumo­logie der Charité die COVID-19-Patien­tInnen behan­delte und die PA-COVID-19-Studie an der Charité leitet, war auch an der Einzel­zell­studie in Berlin maßgeblich beteiligt. Auch das Univer­si­täts­kli­nikum Leipzig betei­ligte sich an der Studie. Insgesamt wurden Proben von 19 COVID-19 Patien­tInnen und von fünf gesunden Kontroll­pro­banden unter­sucht. Acht der COVID-19 Patien­tInnen zeigten einen eher moderaten, elf einen kriti­schen Krank­heits­verlauf. »Die Proben stammten aus dem Nasen-Rachenraum, von zwei Patienten zusätzlich aus den Bronchien. Von fünf Patienten konnten wir mehrmals Proben gewinnen, so dass wir die Möglichkeit hatten, den Verlauf der Erkrankung im selben Patienten zu verfolgen«, berichtet Leif-Erik Sander.

160.000 Zellen analysiert

»Aus dem Proben­ma­terial haben wir im S3-Labor des Instituts für Virologie der Charité unter höchsten Sicher­heits­be­din­gungen Zellen isoliert und insgesamt 160.528 Zellen sequen­ziert«, schildern Robert Lorenz Chua und Dr. Soeren Lukassen vom Digital Health Center die Mammut­aufgabe, die es zu bewäl­tigen galt. »In den Proben fanden wir neben Immun­zellen vor allem Zellen aus der obersten Schicht der Atemwege, also verschiedene Epithel­zellen. Aus diesen haben wir die RNA isoliert, die das Virus­erbgut enthält, aber auch die Abschriften der aktiven Gene der mensch­lichen Zellen. Basierend auf diesen Daten und klini­schen Infor­ma­tionen konnten wir den Ablauf der Infektion auf Einzel­zel­l­ebene präzise nachvollziehen.«

Hilferuf ans Immunsystem

Das SARS-CoV‑2 gelangt in die Zellen, indem es sich an deren ACE2-Rezeptor heftet. »Wir haben gesehen, dass der ACE2-Rezeptor in den Epithel­zellen der COVID-19-Patienten doppelt bis dreimal so stark expri­miert ist wie in den Epithel­zellen der nicht-infizierten Kontroll-Probanden«, erklärt Christian Conrad. Die infizierten Zellen senden daraufhin einen »Hilferuf« an das Immun­system und locken Immun­zellen an, die helfen, die Infektion zu bekämpfen, indem sie die infizierten Epithel­zellen gezielt abtöten und das Virus neutra­li­sieren. »Inter­es­san­ter­weise trägt ausge­rechnet der Immun­bo­ten­stoff Inter­feron, der eigentlich eine zentrale Abwehr­stra­tegie des Immun­systems gegen Virus­in­fek­tionen ist, im Fall von COVID-19 dazu bei, dass die Epithel­zellen mehr ACE2 bilden und damit verwund­barer für eine Virus­in­fektion werden«, berichtet Irina Lehmann. »Im Fall von COVID-19 hilft das Immun­system so dem Virus, weitere Zellen zu infizieren und verstärkt somit die Erkrankung.« Außerdem beobach­teten die Wissen­schaft­le­rInnen, dass insbe­sondere bei schwer erkrankten Patien­tInnen die Immun­zellen mit einer überschie­ßenden Entzündung reagieren.

Unheil­volle Allianz aus Virus und Immunsystem

»Die Einzelzell-Analysen haben sehr deutlich gezeigt, dass das Virus eine unheil­volle Allianz mit dem Immun­system des Patienten eingeht«, erklärt Roland Eils. »Speziell bei schwer erkrankten Patienten haben wir beobachtet, dass das überre­agie­rende Immun­system die Zerstörung des Lungen­ge­webes voran­treibt. Das könnte erklären, warum diese Patienten stärker von der Infektion betroffen sind als Patien­tInnen, bei denen das Immun­system angemessen reagiert.« Und Leif-Erik Sander ergänzt: »Diese Ergeb­nisse legen nahe, unsere Behand­lungen bei COVID-19 Patien­tInnen nicht nur gegen das Virus selbst zu richten, sondern auch Therapien in Betracht zu ziehen, die das Immun­system in seine Schranken weisen, wie dies z.B. jetzt mit Dexame­thason geschieht. Mögli­cher­weise sogar bereits zu Beginn der Erkrankung, um ein Überschießen des Immun­systems zu verhindern.«

Origi­nal­pu­bli­kation: Robert Lorenz Chua, Soeren Lukassen, Saskia Trump, Bianca P. Hennig, et.al.: COVID-19 severity corre­lates with airway epithelium–immune cell inter­ac­tions identified by single-cell analysis; Nature Biotech­nology https://doi.org/ 10.1038/s41587-020‑0602‑4

Textquelle: Dr. Stefanie Seltmann, Berlin Institute of Health (BIH)

Bildquelle: Humanes Inter­feron Alpha, Bild: Nevit Dilmen, Lizenz: CC BY-SA 3.0