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Gesundheit+Medizin

Erster Zellatlas der Covid-19-Lunge

Lunge
Die Lunge ist besonders von Covid-19 betroffen. (Bild: wildpixel/ iStock)

Das Coronavirus Sars-CoV-2 verursacht schwere Lungenentzündungen, die bis zum Tod führen können. Was genau das Virus in der Lunge anrichtet, zeigt nun ein erster Atlas der von Covid-19 betroffenen Lungenzellen. Demnach sorgt das Virus in ungünstigen Fällen nicht nur für die direkte Zerstörung von Lungenzellen, sondern bedingt gleichzeitig eine überschießende Entzündungsreaktion, die die Regeneration der Zellen behindert. Außerdem bildet sich verstärkt Narbengewebe in der Lunge. Das könnte auch langfristige Komplikationen bei Überlebenden erklären. Die Erkenntnisse könnten der erste Schritt auf dem Weg zu neuen Therapien sein.

Die häufigste Ursache von Todesfällen in Folge einer Covid-19-Erkrankung sind schwerwiegende Lungenentzündungen, die zum Atemversagen führen können. Auch Patienten, die einen schweren Verlauf der Erkrankung überleben, haben häufig noch Monate später eine verringerte Lungenfunktion. Dass Sars-CoV-2 die Lunge schädigt, ist unbestritten. Unklar war allerdings bislang, wie und wo genau es Schäden verursacht und welche Mechanismen dabei eine Rolle spielen. Diese Informationen sind relevant, um Ansatzpunkte zu finden, in die zerstörerischen Prozesse einzugreifen und sie zu unterbrechen.

Autopsien der Lungen von verstorbenen Patienten

Um Antworten auf diese Fragen zu finden, hat ein Team um Johannes Melms vom Columbia University Irving Medical Center in New York nun die Lungen von 19 verstorbenen Covid-19-Patienten untersucht und mit Lungen anderer Spender verglichen. Dabei fokussierten sich die Forscher auf die Aktivität einzelner Zellen und Zelltypen und erhielten auf diese Weise einen detaillierten Atlas der Veränderungen, die Sars-CoV-19 in der Lunge auslöst. „Eine normale Lunge enthält viele der gleichen Zellen, die wir in Covid-19-Lungen finden, aber in unterschiedlichen Anteilen und unterschiedlichen Aktivierungszuständen“, erklärt Melms Kollege Benjamin Izar. „Um zu verstehen, wie sich Covid-19 sowohl von einer Kontrolllunge als auch von anderen Formen infektiöser Pneumonien unterscheidet, mussten wir uns Tausende von Zellen einzeln ansehen.“

Dabei stellten die Forscher fest, dass in Covid-19-Lungen besonders viele Makrophagen zu finden waren. Diese Immunzellen sind an der Entzündungsreaktion beteiligt und dienen eigentlich dazu, das Virus zu bekämpfen. „Bei Covid-19 sind die Makrophagen aber völlig aus dem Gleichgewicht geraten und lassen die Entzündung unkontrolliert ansteigen“, beschreibt Izar. „Das führt zu einem Teufelskreis, bei dem noch mehr Immunzellen hinzukommen und noch mehr Entzündungen verursachen, die letztlich das Lungengewebe schädigen.“

Entzündungen und Narbenbildung schädigen Lungengewebe

Zudem stellten die Forscher fest, dass sich die Zellen in von Covid-19 geschädigten Lungen offenbar schlechter regenerieren können als gewöhnlich. Zwar gibt es genug Zellen, die die Reparatur durchführen könnten. Statt sich aber vollständig zu den neuen benötigten Zellen auszudifferenzieren, bleiben diese Vorläuferzellen in einem Zwischenzustand. Mit verantwortlich dafür ist offenbar ein entzündungsfördernder zellulärer Botenstoff namens Interleukin-1beta, den die Makrophagen ausschütten. Bei einer Covid-19-Erkrankung ist die Ausschüttung von IL-1beta den Untersuchungen zufolge stärker ausgeprägt als bei anderen viralen oder bakteriellen Lungeninfektionen. „Diese Erkenntnis ist wichtig, weil es Medikamente gibt, die die Wirkung von IL-1beta dämpfen“, sagt Izar. Einige dieser Medikamente werden bereits in klinischen Studien mit COVID-Patienten getestet. „Zusätzlich zur Verringerung der Entzündung könnte das gezielte Unterdrücken von IL-1beta dazu beitragen, die Zellen wieder in die Lage zu versetzen, Lungengewebe zu regenerieren“, so Izar.

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Ein weiterer Befund der Untersuchungen: In Covid-19-Lungen häufte sich ein bestimmter Typ pathologischer Fibroblasten. Diese Bindegewebszellen fördern eine schnelle Narbenbildung. Ist die Lunge einmal vernarbt, liegt also eine sogenannte Lungenfibrose vor, ist weniger Platz für gesunde Lungenzellen, die für den Gasaustausch verantwortlich sind. Die Lunge wird dauerhaft geschädigt. Das erklärt aus Sicht der Forscher, warum viele Patienten nach einer durchgemachten Covid-19-Erkrankung langfristig unter Lungenproblemen leiden.

Ansatzpunkte für neue Therapien

Per Computeranalyse suchten die Forscher nach Angriffspunkten für Medikamente, um diesem Problem zu begegnen. Dabei identifizierten sie mehrere Moleküle und Signalwege in den Zellen, die möglicherweise dazu geeignet sein könnten, die schädlichen Auswirkungen der pathologischen Fibroblasten abzumildern. „Wir hoffen, dass andere Forschungsgruppen und Pharmaunternehmen diese Daten nutzen können, um Möglichkeiten zu finden, wie man nicht nur schwerkranke Covid-19-Patienten akut behandeln kann, sondern auch langfristige Komplikationen reduzieren kann“, sagt Izar.

Insgesamt zeigen die Analysen aus Sicht der Forscher, wie verheerend sich das Virus auf die Lunge auswirken kann. „Aber das Bild, das wir von der Covid-19-Lunge erhalten, ist der erste Schritt zur Identifizierung potenzieller Ziele und Therapien, die einige der Teufelskreise der Krankheit unterbrechen“, ist Izar überzeugt. Ergänzt wird die Studie durch eine weitere Veröffentlichung im Fachjournal Nature, für die Forscher um Toni Delorey vom Broad Institute in Cambridge neben der Lunge auch Herz, Niere und Leber von verstorbenen Covid-19-Patienten untersucht haben. Ihre Erkenntnisse bestätigen die Ergebnisse von Melms und Kollegen und erweitern sie zugleich mit Blick auf ein mögliches Multiorganversagen durch Covid-19.

Quelle: Johannes Melms (Columbia University Irving Medical Center, New York) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-021-03569-1
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