Understanding the Neuropathogenesis of Tick-borne Encephalitis Virus : – in vitro Model Studies on Neuroinvasion & Neuroinflammation

Die durch Zecken übertragene Frühsommer-Meningoenzephalitis (FSME), eine neurologische Erkrankung die durch eine Infektion mit dem dazugehörigen neurotropen Virus (FSMEV) hervorgerufen wird, verursacht in ganz Europa und bis nach Fernostasien eine erhebliche Krankheitslast. FSMEV gehört zur Gattung Orthoflavivirus, zu der auch andere medizinisch und veterinärmedizinisch relevante Viren, wie das West-Nil-Virus (WNV) gehören. Diese können eine Vielzahl von neurologischen Erkrankungen verursachen. Da derzeit keine FSMEV-spezifischen antiviralen Behandlungen zugelassen sind, bleibt die Impfung die einzige spezifische Interventionsstrategie. Die zugelassenen FSME-Impfstoffe sind effektiv aber verbesserungsfähig, und zudem werden auch adäquate therapeutische Strategien benötigt. Dies erfordert jedoch ein besseres Verständnis der Neuropathogenese von FSME. Daher soll diese Arbeit einen Beitrag zur Identifizierung und Charakterisierung der Mechanismen leisten, die dieser Neuropathogenese zugrunde liegen. Dazu gehören die virale Neuroinvasion in das Zentrale Nerven System und die neuronale Entzündungsreaktion als Antwort auf eine Infektion mit FSMEV. Zu diesem Zweck wurden in den vorliegenden Studien, die in dieser Arbeit beschriebenen in vitro-Modelle zur Untersuchung der Neuroinvasion und der Neuroinflammation von FSMEV verwendet.

Um die direkten Auswirkungen einer FSMEV-Infektion auf Endothelzellen und ihre Barrierefunktion zu untersuchen, wurde ein in vitro-Modell verwendet, das aus der menschlichen zerebralen mikrovaskulären Endothelzelllinie hCMEC/D3 besteht. Zum Vergleich der neuroinvasiven Fähigkeiten wurde das Langat-Virus (LGTV), ein eng verwandtes, aber natürlich abgeschwächtes Virus, das zur FSMEV-Serogruppe gehört, verwendet. Überraschenderweise konnte gezeigt werden, dass LGTV die in vitro-Endothelbarriere leichter überwinden kann als FSMEV. Die Ergebnisse zeigen, dass die Fähigkeit dieser Viren, Endothelzellen zu durchqueren, von einer Kombination von Proteinen abhängt, dem Laminin-bindenden Protein (LBP), einem mutmaßlichen Rezeptor für FSMEV, und dem auf der Zelloberfläche exprimierten Vimentin. Die Transzytose des Virus über die Endothelbarriere beeinträchtigt jedoch nicht deren Barriereeigenschaften und ist unabhängig von der Virusreplikation innerhalb der Endothelzellen.

Die Blut-Hirn-Schranke ist eine komplexe Struktur, die neben Endothelzellen aus Zelltypen wie Astrozyten und Perizyten besteht, die eng mit der kompakten Endothelzellschicht interagieren und eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung ihrer Barriereeigenschaften spielen. Daher ist es wichtig, den Einfluss der mit der Blut-Hirn-Schranke assoziierten Zellen auf ihre Barrierefunktion während einer Infektion zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde ein in vitro-Modell der endothelialen Barriere von Mäusen mit und ohne Astrozyten hergestellt und ihre Barrierefunktion untersucht. Während sich alle Viren in primären mikrovaskulären Endothelzellen des Mäusehirns in vitro in ähnlichem Ausmaß vermehren, wurde festgestellt, dass die stärker pathogenen FSMEV und WNV die Endothel-Astrozyten-Barriere mit höherer Effizienz überwinden als ihre wenig bis gar nicht pathogenen Verwandten. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass die Viren in vitro die Endothel-Astrozyten-Barriere überwinden, ohne die Integrität der Barriere wesentlich zu beeinträchtigen.

Nach dem Eindringen in das ZNS trifft FSMEV auf ansässige Gliazellen, und die daraus resultierende neuroinflammatorische Reaktion ist ein entscheidender Faktor für die Pathogenese von FSME. Im Zusammenhang mit der Infektion kann die Neuroinflammation entweder die Virusbeseitigung begünstigen oder zur Schädigung des Nervengewebes führen. Hier wurde die Entzündungsreaktion einzelner Gliazellen und Endothelzellen auf eine FSMEV- und LGTV-Infektion untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass zwar jeder getesteter Zelltyp anfälliger für eine Infektion durch FSMEV als durch LGTV ist, beide Viren jedoch vor allem in Mikroglia und Astrozyten erhebliche Entzündungsreaktionen auslösen.

In vitro-Modelle, wie die in dieser Studie verwendeten, stellen wertvolle Instrumente zur Bewertung kritischer Schritte in der viralen Pathogenese dar. Darüber hinaus ermutigen solche zuverlässigen Modelle, den Einsatz von Versuchstieren einzuschränken und unterstützen somit die 3R-Prinzipien des Ersetzens (engl. replace), Reduzierens (engl. reduce) und Verfeinerns (engl. refine) von Tierversuchen. In vitro-Versuche können zwar dazu beitragen, Schlüsselmechanismen und Mediatoren der viralen Pathogenese zu entschlüsseln, doch ist die Validierung in vivo in relevanten Versuchsmodellen für den Erfolg der Entwicklung therapeutischer Strategien unerlässlich. Insgesamt zielt die Forschung auf dem Gebiet der Neuropathogenese von Orthoflavivirus-Infektionen darauf ab, deren Belastung für die Gesundheit von Menschen und Tieren zu begrenzen. Aufgrund der zunehmenden Verbreitung von Arboviren, ihren Vektoren und verwandten zoonotischen Krankheiten wird diese Belastung in den kommenden Jahren wahrscheinlich zunehmen. Daher war es ein Ziel der in dieser Thesis vorgestellten Arbeit, einen Beitrag zum Verständnis der Neuropathogenese von FSME und anderen neurotropen Orthoflavivirus-Infektionen zu leisten.