Investigation on persistent brain dysfunction in Long-COVID in different animal models

Schreiber, Cara, Sophie

Dissertation 2024 CC BY-NC-ND 4.0

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Investigation on persistent brain dysfunction in Long-COVID in different animal models

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Das Severe Acute Syndrome Coronavirus-2 (SARS-CoV-2) trat erstmals Ende 2019 als ein neues, Atemwegserkrankungen verursachendes, Virus auf. Die Coronavirus disease 2019 (COVID-19) -Pandemie führte schnell zu massiven Herausforderungen für das Gesundheitswesen und Einschränkungen im täglichen Leben. Obwohl es sich in erster Linie um eine Atemwegserkrankung handelt, gab es früh Anlass zur Besorgnis aufgrund des Auftretens neurokognitiver Symptome und langfristiger gesundheitlicher Einschränkungen. Ein Großteil der, von der so genannten Post COVID-19 Condition (PCC) betroffenen, Patienten leidet unter neurokognitiven Einschränkungen, chronischer Erschöpfung und Depressionen. Die Krankheit ist gekennzeichnet durch das Fortbestehen der Symptome über mehrere Monate nach der akuten COVID-19. Viele Patienten befinden sich noch immer in der postakuten Phase. Dies unterstreicht den dringenden Bedarf an wirksamen Therapeutika. Die zugrundeliegenden Mechanismen und pathologischen Prozesse sind jedoch nach wie vor schwer fassbar, was die Erforschung geeigneter Behandlungsmöglichkeiten erschwert. Des Weiteren werden anhaltende neurokognitive Beschwerden mit neurodegenerativen Erkrankungen wie der Parkinson-Krankheit und der Alzheimer-Demenz in Verbindung gebracht. Es ist jedoch nicht abschließend geklärt, ob SARS-CoV-2 als Auslöser für diese Krankheiten fungiert oder das Fortschreiten dieser beschleunigt.

Da stark ausgeprägte Neuroinvasion selten und auf schwere Fälle beschränkt ist, ist eine Beeinträchtigung des zentralen Nervensystems vermutlich jedoch nicht auf eine weitgehende Virusreplikation im Gehirn zurückzuführen. Wahrscheinlich gelangen vom Virus abgelöste Viruspartikel über den hämatogenen Weg, über die Hirnnerven oder transmucosal durch die Lamina cribrosa in das Gehirn und lösen dort neuroinflammatorische Prozesse aus. Ein möglicher Auslöser ist die S1-Untereinheit des SARS-CoV-2-Spike-Proteins (S1-Protein). Diese überwindet die Blut-Hirn-Schranke, interagiert mit Alpha-Synuclein (aSyn) und trägt zu Entzündungsreaktionen bei. In dieser Arbeit wird das Fortschreiten der COVID-19-assoziierten Gehirnpathologie in einem Hamstermodell mit der Gehirnpathologie nach Applikation von S1-Protein in einem Mausmodell verglichen.

Männliche und weibliche syrische Goldhamster wurden intranasal mit dem ursprünglichen Wuhan-Stamm-SARS-CoV-2 infiziert, woraufhin sie eine milde bis moderate respiratorische Erkrankung entwickelten. Die erste, in dieser Arbeit enthaltene, Studie zielte darauf ab, Anzeichen für Neuropathologien während der akuten Infektion und nach der viralen Clearance zu ermitteln. Während der akuten Infektion (3 dpi) konnte das Vorhandensein von Virusproteinen in der Nasenhöhle gezeigt werden, was zu einer Mikrogliose im Bulbus olfactorius führte, die auch nach Abklingen der Infektion (14 dpi) anhielt. Bemerkenswert ist, dass nach 14 Tagen zusätzlich eine Anhäufung von hyperphosphoryliertem Tau und aSyn in kortikalen Neuronen der Hamster nachweisbar war. Es traten jedoch keine neuroinflammatorischen Prozesse in dieser Region auf.

Die zweite Studie konzentrierte sich auf das Fortschreiten der Neuroinflammation und der neuronalen Dysfunktion. So wurden die Dichte der Iba1-positiven Zellen, die aSyn-Immunreaktivität und die hemmenden Interneuronen in verschiedenen Hirnregionen, einschließlich des limbischen Systems und der Basalganglien, zu einem späten akuten Zeitpunkt (6 dpi) und in der Regenerationsphase (21 dpi) untersucht. Während die aSyn-Spiegel 6 dpi abnahmen, kam es bis zu Tag 21 nach der Infektion in den meisten Hirnregionen zu einer starken Akkumulation, wobei der Effekt bei weiblichen Tieren stärker ausgeprägt war. Die Mikroglia-Dichte reagierte bidirektional, bei weiblichen Tieren mit einer initial abnehmenden Mikroglia-Dichte am Tag 6 pi, gefolgt von einer erhöhten Dichte während der Erholungsphase. Bei männlichen Tieren stieg die Mikroglia-Dichte hingegen während der akuten Infektion an und verringerte sich anschließend in der Erholungsphase wieder auf ein normales Niveau. An Tag 21 pi kam es zu Veränderungen in der Dichte von Parvalbumin- und Calretinin-positiven Interneuronen, die an der Modulation kognitiver und motorischer Prozesse beteiligt sind.

Die dritte Studie untersuchte die Auswirkungen von S1-Protein auf ähnliche Gehirnregionen bei C57/BL6-Mäusen 14 Tage nach intranasaler, intravenöser und intrazerebraler Applikation. Die Verabreichung von S1-Protein führte, in Abhängigkeit von der Applikationsroute, zu gegensätzlichen Effekten. Während die intrazerebrale Injektion mit begrenzter Neuroinflammation in mehreren Hirnregionen zu verringerten aSyn-Spiegeln führte, erzeugte die intravenöse Injektion eine erhöhte Mikroglia-Dichte und aSyn-Spiegel. Hierbei traten die am stärksten ausgeprägten Effekte in Regionen auf, die mit der Parkinson-Krankheit assoziiert werden. Nach intranasaler Applikation reagierten die aSyn-Spiegel geschlechtsabhängig.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit enthaltenen Daten Hinweise auf eine anhaltende Störung der Homöostase des Gehirns, einschließlich neuronaler, neuroinflammatorischer und Protein-Dysregulationen, liefern. Diese bestehen über die virale Infektion hinaus. Die Daten spiegeln die schwerere akute Erkrankung männlicher Patienten und die ausgeprägteren Langzeitfolgen weiblicher Patienten wider. Die Applikation von S1-Protein ist in der Lage, Teile dieser Neuropathologie nachzuahmen.

Severe acute syndrome Coronavirus-2 (SARS-CoV-2) emerged as a new respiratory virus in late 2019. The Coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic quickly led to major health challenges and restrictions in everyday life. Early on, the disease – despite being primarily a respiratory disease – raised concern due to the emergence of associated neurocognitive symptoms and long-term health issues. A majority of patients affected by the so called Post COVID-19 condition (PCC), experiences debilitating neurocognitive decline, fatigue and depression. PCC is characterized by the persistence of symptoms for several months after acute COVID-19. Several patients still are in the post-acute phase, emphasizing the urgent need for rational therapeutic options. However, underlying mechanisms and brain pathology remain elusive, thus hampering the research on appropriate treatment options. Moreover, persistent neurocognitive ailments are associated with neurodegenerative diseases, such as Parkinson’s disease and Alzheimer’s disease. Yet, it has not been conclusively clarified, whether SARS-CoV-2 acts as a trigger for those diseases, contributing to disease progression.

Central nervous system impairment might not result from virus replication in the brain, as overt neuroinvasion is rare and limited to severe cases. Likely, virus particles detached from the virus reach the brain via hematogenous spread, via nerve route or transmucosal through the cribriform plate, thus triggering neuroinflammation. A potential underlying agent, the SARS-CoV-2 Spike-protein S1-subunit (S1-protein), crosses the blood brain barrier, interacts with alpha-synuclein (aSyn) and contributes to inflammation. This thesis compares the progression of COVID-19 brain pathology in a hamster model to brain pathology after S1-protein application in a mouse model.

Male and female Syrian golden hamsters were intranasally infected with the original Wuhan strain SARS-CoV-2, resulting in mild to moderate disease. The first study included in this thesis aimed to gather evidence for brain pathology during acute infection and post viral clearance. During acute infection (3 days post infection (dpi)), presence of viral protein in the nasal cavity was confirmed, leading to microgliosis in the olfactory bulb that persisted after viral clearance (14 dpi). Notably, at 14 dpi, hamsters additionally demonstrated accumulation of hyperphosphorylated tau and aSyn in cortical neurons, however in the absence of neuroinflammatory processes in this region.

The second study focused on the progression of neuroinflammation and neuronal dysfunction. Thus, the density of Iba1+ cells, aSyn immunoreactivity and inhibitory interneurons were evaluated in several brain regions, including limbic system and basal ganglia, at late acute (6 dpi) and late recovery phase (21 dpi) time-points. While levels of aSyn decreased at day 6 pi, up to day 21 pi most brain regions exhibited strong accumulation of aSyn, with a more pronounced effect in female animals. Microglia densities reacted in a bidirectional manner, with a decrease of microglia numbers at 6 dpi in females, followed by an increased density during recovery. Notably, in male hamsters, microglia densities increased during acute infection, with a decrease back to normal levels during recovery. At 21 dpi, hamsters exhibited alterations in densities of parvalbumin- and calretinin-positive interneurons, which are essential modulators of cognition and motor control.

The third study aimed to examine the impact of S1-protein on similar brain regions in C57/BL6 mice 14 days after intranasal, intravenous and intracerebral application. Application of S1-protein led to opposing effects depending on the application route: while intracerebral injection led to decreased aSyn levels in several brain regions, however in the absence of widespread neuroinflammation, intravenous injection resulted in increased aSyn levels and microglia densities, with the most pronounced effects in regions associated with Parkinson’s disease pathology. After intranasal application, aSyn levels reacted in a sex-dependent manner.

In conclusion, data presented in this thesis demonstrates evidence for prolonged disruption of brain homeostasis, including neuronal, neuroinflammatory, and protein dysregulation, persisting beyond viral clearance. Notably, sex-dependent effects reflect more severe acute disease in male and more pronounced long-term consequences in female patients. Application of S1-protein is capable of resembling parts of the neuropathology.