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Coronavirus

Nanotunnel als Einfallstor

Coronaviren
Coronaviren (blau) können Nanotunnel zwischen Hirnzellen nutzen, um Neuronen zu befallen. © Anna Pepe/ Institut Pasteur

Das Coronavirus Sars-CoV-2 kann auch ins Gehirn eindringen und dort Neuronen befallen. Bisher war aber unklar, wie das Virus in diese Hirnzellen hineinkommt, denn ihnen fehlen meist die passenden Andockstellen. Jetzt enthüllt eine Studie, dass das Coronavirus dafür neuronale Nanotunnel nutzt. Diese Verbindungsleitungen zwischen Zellen dienen normalerweise dem interzellulären Transport von Substanzen, doch auch das Coronavirus kann diese Tunnel nutzen, um direkt in die Neuronen einzudringen. Die Versuche enthüllten auch, dass das Virus die Ausbildung solcher Nanotunnel fördert – und so seine Ausbreitung im Gehirn beschleunigt.

Ob Riechstörungen, Vergesslichkeit, „Brain-Fog“ oder ähnliche Symptome: Viele Patienten mit Covid-19 und Long-Covid leiden während und nach der Infektion mit dem Coronavirus unter neurologischen Ausfällen. Schon zu Beginn der Pandemie bestand daher der Verdacht, dass Sars-CoV-2 auch Nerven und Gehirn angreifen kann. Dafür sprach auch, dass man Viruspartikel in den Gehirnen einiger an Covid-19 gestorbener Patienten nachweisen konnte. Zudem zeigten Studien mit Hirnorganoiden, dass sich das Coronavirus auch in Hirnzellen vermehren kann. Unklar blieb aber, wie der Erreger in diese Zellen hineinkommt. Denn anders als viele Körperzellen tragen die meisten Neuronen keinen ACE2-Rezeptor auf ihrer Zelloberfläche – die Andockstelle, die das Coronavirus zum Eindringen in die Zelle benötigt.

Von einem Zelltyp zum anderen

Anna Pepe vom Institut Pasteur in Paris und ihre Kollegen haben diese Fragen nun noch einmal näher untersucht. Für ihre Studie gaben sie zunächst Sars-CoV-2 zur Nährlösung einer Neuronen-Zellkultur. Wie erwartet schafften es die Viren nicht, in die Gehirnzellen einzudringen – es fehlte ihnen die Eintrittspforte in Form des ACE2-Rezeptors. „Das bestätigt, dass neuronale Zellen nicht durch einen Rezeptor-basierten Mechanismus infiziert werden können“, erklärt das Team. Anders war dies jedoch, wenn die Neuronen gemeinsam mit virusempfänglichen Epithelzellen kultiviert wurden: 24 Stunden nach der Zugabe von Sars-CoV-2 waren bereits ein Drittel der Gehirnzellen mit dem Coronavirus infiziert, nach 48 Stunden waren es bis zu 62 Prozent. „Neuronale Zellen können demnach mit dem Coronavirus infiziert werden, wenn sie gemeinsam mit anfälligen Zelltypen vorkommen“, schreiben Pepe und ihre Kollegen.

Aber wie findet die Übertragung statt? Nähere Analysen enthüllten, dass sich zwischen den verschiedenen Zellen interzelluläre Nanotunnel ausgebildet hatten. „Nanotunnel sind dünne, membranöse und actinhaltige Leitungen, die den direkten Transport von zellulärer Fracht wie Organellen, Amyloid-Proteinen und auch Virenpartikeln zwischen entfernten Zellen ermöglichen“, erklären die Wissenschaftler. Weil diese Tunnel in das Innere der verbundenen Zellen führen, müssen diese „Frachtstücke“ nicht erst Membrankanäle oder Rezeptoren auf der Zelloberfläche passieren. Genau dies macht sich auch das Coronavirus zunutze.

Über Nanotunnel in die Zelle

In den Versuchen konnten Pepe und ihr Team sowohl komplette Virenpartikel in solchen Nanotunneln nachweisen als auch die von Proteinen gebildeten Replikations-Komplexe von Sars-CoV-2. Das Coronavirus kann demnach diese zellulären Tunnel nutzen, um von einer anfälligen, infizierten Zelle in normalerweise nicht zugängliche Zelltypen zu gelangen. Bestätigt wurde dieser direkte, Rezeptor-unabhängige Transport auch durch einen ergänzenden Test, bei dem die Forschenden alle ACE2-Andockstellen durch einen Antikörper blockierten. In der von Nanotunneln durchzogenen Ko-Kultur waren nach 48 Stunden genauso viele Neuronen mit dem Coronavirus infiziert wie in nicht behandelten Kontrollkulturen.

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„Das bestätigt, dass Sars-CoV-2 durch den direkten Zelle-zu-Zelle-Kontakt in nicht-permissive Zellen eindringen kann“, konstatieren Pepe und ihr Team. Diese Ergebnisse könnten demnach erklären, wie das Coronavirus auch unsere Gehirnzellen befallen kann. Offenbar nutzt es dafür die Nanotunnel, die von den anderen im Gehirn liegenden Zelltypen bis in die Neuronen reichen. Wie die Versuche zudem ergaben, fördert das Virus die Ausbildung solcher Verbindungstunnel und macht sie stabiler und länger. In infizierten Mischkulturen erhöhte sich der Prozentsatz der mittels Nanotunnel verkoppelten Zellen um das Doppelte, wie die Forschenden feststellten. „Zusammenfassend zeigen wir damit, dass Sars-CoV-2 die Nanotunnel kapern kann, um sich über die verbundenen Zellen auszubreiten“, schreiben Pepe und ihre Kollegen.

Quelle: Anna Pepe (Institut Pasteur, Paris) et al., Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.abo017

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