SARS-CoV-2 entführt Nanoröhren zwischen Neuronen, um sie zu infizieren

COVID-19 führt häufig zu neurologischen Symptomen wie Geschmacks- oder Geruchsverlust oder kognitiven Beeinträchtigungen (einschließlich Gedächtnisverlust und Konzentrationsschwierigkeiten), sowohl während der akuten Krankheitsphase als auch langfristig mit dem „Long COVID“-Syndrom. Doch auf welchem ​​Weg die Infektion ins Gehirn gelangt, war bisher unbekannt. Wissenschaftler des Institut Pasteur und der Labore des CNRS haben mit modernsten elektronenmikroskopischen Ansätzen gezeigt, dass SARS-CoV-2 Nanoröhrchen, winzige Brücken, die infizierte Zellen mit Neuronen verbinden, entführt. Das Virus ist daher in der Lage, in Neuronen einzudringen, obwohl ihnen der ACE2-Rezeptor fehlt, an den das Virus normalerweise bindet, wenn es Zellen infiziert.

Wie gelangt SARS-CoV-2 in die Gehirnzellen? Eine kürzlich veröffentlichte Studie in Wissenschaftliche Fortschritte zeigt, dass das Virus Nanoröhren verwendet, die sich zwischen infizierten Zellen und Neuronen bilden, um Zugang zu Neuronen zu erhalten. Diese vorübergehenden dynamischen Strukturen sind ein Ergebnis der Membranfusion in entfernten Zellen. Sie ermöglichen den Austausch von Zellmaterial ohne die Notwendigkeit von Membranrezeptoren, den normalen Mitteln zum Betreten und Verlassen des Zytoplasmas. Die Abteilung für Membranverkehr und Pathogenese unter der Leitung von Chiara Zurzolo am Institut Pasteur hat bereits herausgefunden, dass Nanoröhren bei degenerativen Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson eine Rolle spielen, indem sie den Transport von Proteinen erleichtern, die für diese Krankheiten verantwortlich sind.

Infizieren von Neuronen in Abwesenheit eines Rezeptors

Obwohl der menschliche Zellrezeptor ACE2 als Tor für SARS-CoV-2 dient, um in Lungenzellen – das Hauptziel des Virus – und Zellen im Riechepithel einzudringen, wird er nicht von Neuronen exprimiert. In den Gehirnen einiger Patienten wurde jedoch virales genetisches Material gefunden, was die neurologischen Symptome erklärt, die eine akute oder lange COVID charakterisieren. Die Riechschleimhaut wurde zuvor als Weg zum zentralen Nervensystem vorgeschlagen, aber das erklärt nicht, wie das Virus in die Nervenzellen selbst eindringen kann.

Laut dieser neuen Studie soll SARS-CoV-2 auch in der Lage sein, die Bildung von Nanoröhren zwischen infizierten Zellen und Neuronen sowie zwischen Neuronen zu induzieren, was erklären würde, wie das Gehirn vom Epithel infiziert wird. Das Forschungsteam entdeckte mehrere virale Partikel, die sich sowohl im Inneren als auch auf der Oberfläche von Nanoröhren befinden. Da sich das Virus schneller und direkt aus Nanoröhrchen ausbreitet, als wenn es eine Zelle verlässt, um über einen Rezeptor zur nächsten zu gelangen, trägt dieser Übertragungsweg daher zur Infektionsfähigkeit von SARS-CoV-2 und seiner Ausbreitung auf neuronale Zellen bei.

Aber das Virus bewegt sich auch auf der äußeren Oberfläche von Nanoröhrchen, wo es schneller zu Zellen geleitet werden kann, die kompatible Rezeptoren exprimieren. „Nanoröhren können als Tunnel mit einer Straße oben gesehen werden“, schlägt Chiara Zurzolo, Leiterin der Abteilung für Membranverkehr und Pathogenese am Institut Pasteur vor, „die die Infektion von nicht-permissiven Zellen wie Neuronen ermöglichen, aber auch die Ausbreitung von Infektionen zwischen permissiven Zellen erleichtern Zellen.“

Modernste bildgebende Verfahren mit dem Titan Krios Mikroskop

Diese Veröffentlichung kombiniert Forschungen zu In-vitro-Kulturen, die zeigen, dass gesunde Nervenzellen infiziert werden, wenn sie mit infizierten Zellen in Kontakt kommen, mit dem Einsatz modernster Mikroskopiewerkzeuge. Das Titan Krios-Mikroskop in der NanoImaging Core Facility des Institut Pasteur bietet eine beispiellose Auflösung von biologischen Proben und Nanomolekülen, die näher an realen biologischen Bedingungen liegt. „Mit diesem Instrument wurden neuartige Bildgebungsansätze entwickelt, um die Struktur von SARS-CoV-2 und die Architektur von Nanoröhren zu bewerten“, erklärt Anna Pepe von der Abteilung Membranverkehr und Pathogenese des Institut Pasteur, Erstautorin der Studie.

In Zusammenarbeit mit der Core Facility Ultrastructural BioImaging des Institut Pasteur detektierten die Forscherteams mit präzisen Untersuchungsmethoden Strukturen in den Nanoröhrchen, die später als „Virusfabriken“ identifiziert wurden. Die Nanoröhren zwischen Neuronen stellen eine günstige Umgebung für die Entwicklung von SARS-CoV-2 dar, da es für das Immunsystem unsichtbar ist. Chiara Zurzolo glaubt, dass „es einen Mechanismus zur Immunumgehung und viralen Persistenz darstellen könnte, der für das Virus günstig sein könnte“.

Diese Studie ist ein Beispiel dafür, wie interdisziplinäre Grundlagenforschung unter Einbeziehung von Zellbiologen, Virologen und modernsten bildgebenden Verfahren zu neuen Erkenntnissen führen kann. Es ebnet den Weg für weitere Forschungen zur Rolle der Zell-zu-Zell-Kommunikation bei der Ausbreitung von SARS-CoV-2. Es fördert auch die Erforschung alternativer therapeutischer Ansätze, um die Ausbreitung von SARS-CoV-2 zu verhindern, neben aktuellen Projekten, die sich hauptsächlich darauf konzentrieren, den Eintritt über den ACE2-Rezeptor zu blockieren.