Pathogenetic studies of SARS-CoV-2 infections in Syrian golden hamsters (Mesocricetus auratus) with special emphasis on vascular lesions

Seit Ende 2019 beeinträchtigt die durch das Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) verursachte Pandemie alle Aspekte menschlicher Aktivität und hat weltweit schwerwiegende negative sozioökonomische Auswirkungen. Ein einzigartiges Merkmal der damit verbundenen Coronavirus Disease 2019 (COVID-19) sind pulmonale Gefäßveränderungen, die zu einem Zusammenbruch der Blut-Luft-Schranke führen. Darüber hinaus hat SARS-CoV-2 im Verlauf der Pandemie eine Vielzahl von genetischen Veränderungen angehäuft, die zur Entstehung mehrerer besorgniserregender Virusvarianten (variants of concern, VOC) und daraus resultierenden epidemiologischen Veränderungen und/oder einer Veränderung des klinischen Krankheitsverlaufs geführt haben. Erste Berichte über die aktuellste dieser Varianten, VOC Omicron, deuteten auf einen relativ milden Krankheitsverlauf im Gegensatz zu früheren VOCs hin. Diese Beobachtungen wurden jedoch nicht durch eingehende pathologische Untersuchungen in dem bewährten Modell des Syrischen Goldhamsters (Mesocricetus auratus, Syrian golden hamster, SGH) bestätigt. Das erste Ziel dieser Dissertation war es, die Vaskulopathie während einer SARS-CoV-2-Infektion bei dieser Tierart detailliert zu charakterisieren. Das zweite Ziel bestand darin, entscheidende, vergleichende Informationen über die Pathogenität von VOC Omicron zu generieren, wobei der Schwerpunkt auf den oberen und unteren Atemwegen von SGHs lag.

In einem ersten Tierversuch wurden vaskuläre Läsionen in einen Zeitraum von 14 Tagen nach der Infektion (days post infection, dpi) untersucht. Gruppen von 10 Tieren wurden intranasal mit einer Dosis von 10⁵ Plaque-bildenden Einheiten (palque forming units, pfu) SARS-CoV-2 infiziert. Lungengewebeproben wurden daraufhin sowohl mittels Licht- als auch  Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Zu den beobachteten vaskulären Veränderungen in der Lunge gehörten Endothelzellhypertrophie, Vaskulitis, Endothelialitis sowie eine damit verbundene erhöhte vaskuläre Permeabilität, welche als Kennzeichen von humanen COVID-19 Fällen gelten. Die entzündlichen Infiltrate bestanden hauptsächlich aus Makrophagen sowie kleineren Mengen T-Lymphozyten und neutrophilen/heterophilen Granulozyten, was auf eine wichtige Rolle dieses Zelltyps bei der Entwicklung und dem Fortschreiten von Gefäßläsionen während der SARS-CoV-2-Infektion hinweist. Darüber hinaus konnte die Freisetzung von neutrophilen extrazellulären Fallen (neutrophil extracellular traps, NETs) in unmittelbarer Nähe zu geschädigten Blutgefäßen und infiltrierenden Immunzellen nachgewiesen werden, was auf ihre Beteiligung an der Entwicklung der Vaskulopathie hindeutet. Außerdem deuteten unterschiedliche Konzentrationen des Komplementproteins C3c auf eine Aktivierung des Komplementsystems bei den infizierten Tieren im Vergleich zu nicht-infizierten Kontrollen hin. An allen untersuchten Zeitpunkten wurden bei mit SARS-CoV-2 infizierten Tieren perivaskuläre Ödeme beobachtet. Eine unregelmäßige Expression von cluster of differentiation 31 (CD31, einem etablierten Marker für Endothelzellen) wies außerdem auf eine Diskontinuität der Endothelbarriere hin und die Ödembildung konnte mit einem Verlust der Aquaporin 1 (AQP1) Wasserkanälen assoziiert werden. Transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen zeigten eine Auflockerung der interzellulären Verbindungen in den betroffenen Gefäßen, die gelegentlich zu einer vollständigen Ablösung der Endothelzellen führten. Die hier vorgestellten Untersuchungen konnten damit das Vorkommen mehrerer vaskulärer Merkmale von COVID-19 in SGH bestätigen und ergaben Hinweise auf ähnliche zugrunde liegende pathologische Mechanismen.

In einem zweiten Versuch wurde die Pathogenität von VOC Omicron im Vergleich zu den zuvor dominierenden VOCs 614G, Gamma und Delta am vierten Tag post infectionem untersucht. Gruppen von 5 bis 6 Tieren wurden intranasal mit einer Dosis von 10⁴ Gewebekultur Infektionsdosis₅₀ (tissue culture infection dose 50, TCID₅₀) infiziert, und histopathologische Läsionen, virale Antigenverteilung sowie infektiöse Virustiter bestimmt. Der variantenabhängige Schweregrad, der in dieser Studie beobachtet wurde, folgte den gleichen Mustern, die in der Mehrheit der menschlichen Bevölkerung beobachtet wurden. Die lichtmikroskopische Auswertung ergab eine signifikant mildere Rhinitis sowie signifikant weniger schwere pulmonale Läsionen nach einer Infektion mit VOC Omicron im Vergleich zu den früheren VOCs. Die niedrigeren histopathologischen Läsionswerte korrespondierten mit einer geringeren Anzahl immunmarkierter Zellen in allen nasalen und pulmonalen Kompartimenten sowie mit niedrigeren infektiösen SARS-CoV-2-Titern. Interessanterweise wurden in der Trachea keine signifikanten Unterschiede zwischen den vier untersuchten Varianten festgestellt, obwohl das SARS-CoV-2-Antigen nur bei den mit VOC Omicron infizierten Tieren nachgewiesen werden konnte. In Übereinstimmung mit den anderen verfügbaren vergleichenden Analysen bestätigen die Ergebnisse die Tatsache, dass VOC Omicron im Vergleich zur frühreren VOCs eine geringere Pathogenität für die oberen und unteren Atemwege aufweist. Diese geringere Pathogenität von VOC Omicron bei SGHs steht im Einklang mit sehr frühen Beobachtungen beim Menschen, für die zu diesem Zeitpunkt noch keine ausreichenden epidemiologischen Daten vorlagen, um das Risiko von VOC Omicron-Infektionen für eine größere Population sicher zu bewerten.

Zusammenfassend unterstreichen die in dieser Dissertation vorgestellten Daten den Nutzen des SGH-Modells zur Untersuchung der akuten Phase von COVID-19. Darüber hinaus zeigen sie das Vorhandensein mehrerer Schlüsselmerkmale der COVID-19-bedingten Vaskulopathie des Menschen im SGH und weisen auf ähnliche zugrundeliegende Pathomechanismen hin. Ferner zeigen sie die Effektivität des Modells bei der Bewertung der Pathogenität neuer Virusvarianten.