3D-Imaging Based Analyses of Pathogens Distribution in Infected Organs and Tissues
bearbeitet am Institut für molekulare Virologie und Zellbiologie
Virale Infektionen breiten sich im Gewebe nicht zufällig aus. Wo ein Virus eindringt, welche Zellen es infiziert und wie die Immunantwort räumlich organisiert ist, kann entscheidend dafür sein, ob eine Infektion kontrolliert wird oder zu einer schweren Erkrankung führt. Moderne Verfahren wie Tissue Optical Clearing (TOC) und 3D-Bildgebung ermöglichen es, diese Prozesse direkt im Gewebekontext sichtbar zu machen und Infektionen räumlich und zeitlich aufgelöst zu untersuchen.
Obwohl das Tollwutvirus seit Jahrhunderten bekannt ist, sind wichtige Aspekte der Virusausbreitung und Pathogenese im Gehirn weiterhin nicht vollständig verstanden. Insbesondere ist unklar, warum hochvirulente Feldviren andere Infektionsmuster und Krankheitsverläufe verursachen als attenuierte Labor- oder Impfvirus-Stämme. Mithilfe von Lichtblatt- und konfokaler Mikroskopie analysierte ich die zelluläre Verteilung der Infektion, mit besonderem Fokus auf Astrozyten, die Rolle der Typ-I-Interferon-Antwort und die intrazelluläre Verteilung viraler Glykoproteine. Ziel war es zu klären, ob Astrozyten bereits früh während der Gehirninvasion infiziert werden, ob ihre Infektion durch Feldviren von der Fähigkeit des Virus abhängt, einer starken Typ-I-Interferon-Antwort zu entgehen, und ob eine eingeschränkte Glykoprotein-Expression von Feldviren zur Virusausbreitung, Immunflucht und Pathogenität beitragen könnte. Die Ergebnisse zeigten, dass Astrozyten bereits früh während der Gehirninvasion infiziert werden können. Zudem lieferten sie Hinweise darauf, dass die Typ-I-Interferon-Antwort zur Begrenzung der Virusausbreitung und des Astrozytentropismus im Gehirn beiträgt. Die Analyse des viralen Glykoproteins zeigte Veränderungen in dessen intraneuronaler Verteilung, jedoch keine nachweisbar erhöhte Oberflächenexpression in Neuronen.
Abb. 1: Zeitverlauf der SARS-CoV-2-Infektion in geklärten Hamsterlungen. Übersichtsaufnahmen mittels Lichtblatt-Fluoreszenzmikroskopie zeigen die Autofluoreszenz des Lungengewebes in Grün zur Darstellung der Gewebestruktur sowie die Verteilung der SARS-CoV-2-Infektion im Lungengewebe durch Färbung des N-Proteins in Magenta, und Makrophageninfiltration in Cyan (CD68).
Der Beginn der SARS-CoV-2-Pandemie brachte viele Fragen dazu mit sich, wie sich das Virus in der Lunge ausbreitet, welche lokalen Immunreaktionen ausgelöst werden und wie Viruselimination, Endothelschädigung und frühe Reparaturprozesse zusammenhängen. Im zweiten Teil meiner Arbeit untersuchte ich diese Dynamik in der Lunge experimentell infizierter Hamster. Die 3D-Bildgebung ermöglichte eine räumlich aufgelöste Betrachtung von Virusinfektion, Immunreaktionen und Gewebeveränderungen während des Infektionsverlaufs. Im Fokus standen dabei die Makrophageninfiltration sowie der Zusammenhang zwischen Viruselimination, Endothelschädigung und frühen Reparaturprozessen. Die Ergebnisse dieses Teils wurden in der internationalen Fachzeitschrift Microbiology Spectrum veröffentlicht.
Ich bedanke mich ganz herzlich beim Förderverein des Friedrich-Loeffler-Instituts für die Auszeichnung meiner Arbeit. Von Herzen danke ich meinem Betreuer Prof. Dr. Stefan Finke, dem mein besonderer Dank für seine wertvolle Unterstützung, seine Geduld und seine Begleitung während meiner gesamten Promotion gilt. Ebenso danke ich Dr. Dmitry Ushakov, Dr. Conrad Freuling, Dr. Thomas Müller, der gesamten Tollwut-Arbeitsgruppe sowie allen Kolleginnen und Kollegen am FLI herzlich für die Unterstützung, die gute Zusammenarbeit und die schöne gemeinsame Zeit.