Long-term consequences of respiratory SARSCoV- 2 infection in the Syrian golden hamster model with a particular focus on the pulmonary neuroendocrine system

Long-COVID ist ein Multiorgan-Syndrom, das trotz seiner weitreichenden Auswirkungen auf die öffentliche Gesundheit nach wie vor kaum verstanden wird. Viele Patienten leiden unter anhaltenden Symptomen wie Müdigkeit, Dyspnoe und verminderter körperlicher Belastbarkeit, was ihre Lebensqualität stark beeinträchtigen kann. Da es nur wenige Lungengewebeproben von Patienten mit long-COVID gibt, wurde der Syrische Goldhamster als Modell gewählt, um die langfristigen Auswirkungen von SARS-CoV-2 auf das Atmungssystem zu untersuchen.

In einer Kurzzeitstudie ließen sich im Hamster die wichtigsten Merkmale der menschlichen COVID-19-Lungenpathologie, einschließlich broncho-interstitieller Pneumonie und ausgeprägter Herde alveolärer Epithelzellproliferate reproduzieren. Diese waren durch Zytokeratin 8 (CK8)-positive alveolar differentiation intermediate (ADI)-Zellen und migrierende Vorläuferzellen wie CK14-positive Basalzellen sowie club cell protein 10 (CC10)-positive Keulenzellen gekennzeichnet. Diese Ergebnisse spiegeln die Regenerationsmuster wider, die zuvor in Mausmodellen beobachtet wurden, und unterstreichen die Eignung des Hamsters als Modell zur Untersuchung der alveolären Regeneration nach einer SARS-CoV-2-Infektion. Die beobachteten Anzeichen einer epithelialen Seneszenz, die Persistenz von ADI-Zellen und die Entwicklung einer subpleuralen Fibrose heben insbesondere die Relevanz des Modells für die Untersuchung langfristiger pulmonaler Folgeerscheinungen hervor.

Unter Verwendung verschiedener SARS-CoV-2-Stämme zeigte sich, dass die Delta-Variante im Hamster die schwerste akute Erkrankung verursacht, während Omicron eine geringere Pathogenität mit nur minimaler Lungenbeteiligung aufweist. Daher wurde die Delta-Variante für eine Folgestudie ausgewählt, um die Entwicklung einer respiratorischen SARS-CoV-2 Infektion im Langzeitversuch beim Hamster zu untersuchen. Anhand von älteren männlichen Hamstern, die aufgrund eines höheren Risikos für schwere Erkrankungen ausgewählt wurden, konnte in der Langzeitstudie nachgewiesen werden, dass eine Delta-Infektion zu einer anhaltenden pulmonalen Dysfunktion führt. Trotz klinischer Erholung zeigten die Hamster bis zu 56 Tage nach Infektion (dpi) eine beeinträchtigte Lungenfunktion nach leichter körperlicher Anstrengung, welche an die anstrengungsbedingten Symptome bei Patienten mit long-COVID erinnert. Die Analyse der Atmung ergab eine Behinderung des Luftstroms und Veränderungen, die auf eine Schädigung der Atemwege hindeuten. Histologisch wurden eine anhaltende interstitielle und subpleurale Fibrose, eine Bronchiolisierung der Alveolen und ein fortschreitender Epithelumbau auch 112 Tage nach Infektion beobachtet. Diese epithelialen Proliferate wurden hauptsächlich von Vorläuferzellen der Atemwege besiedelt. Die Lungen zeigten außerdem eine Hochregulierung pro-fibrotischer Gene, was auf eine maladaptive Reparatur als potenzielle Hauptursache für die Entstehung chronischer Symptome hinweist.

Ein neuer Aspekt dieses Projekts war die Untersuchung des pulmonalen neuroendokrinen Systems im Rahmen einer virusinduzierten Lungenerkrankung. Neuroendokrine Zellen der Lunge (pulmonary neuroendocrine cells; PNECs) fungieren als Sauerstoffsensoren und übermitteln parakrine und zentrale Signale entweder als Einzelzellen oder in Clustern, den sogenannten neuroepithelialen Körperchen (neuroepithelial bodies; NEB). PNECs waren nicht mit SARS-CoV-2 infiziert, waren jedoch eng mit Bereichen der alveolären Bronchiolisierung verbunden. Obwohl die Gesamtzahl der PNECs unverändert blieb, deutet die räumliche Nähe von PNECs und Epithelzellproliferaten auf einen Beitrag des neuroendocrinen Systems bei der Entwicklung dieser Veränderungen hin, zumal eine Beteiligung von PNECs an der Regeneration und Proliferation von Epithelzellen in den Atemwegen bekannt ist. Darüber hinaus deuten vorläufige Gesamt-RNAseq-Daten der Lunge auf eine Dysregulation der PNECs auch auf molekularer Ebene hin.  Zukünftige Studien, welche die Abstammung der epithelialen Proliferate mittels lineage tracing untersuchen wären von großem Nutzen, um die Verbindung zwischen PNECs und dem Auftreten dieser persistierenden Epithelzellproliferaten zu analysieren.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieses Projekt den syrischen Hamster als ein geeignetes Modell für die Untersuchung von pulmonalen Veränderungen im Rahmen von long-COVID etabliert und die Bedeutung sowohl der epithelialen als auch der neuroendokrinen Komponenten für das Fortschreiten der Krankheit hervorhebt. Persistierende Epithelproliferate, die Ausbildung einer Fibrose und die Beteiligung von Atemwegsvorläuferzellen und PNECs deuten auf ein komplexes Zusammenspiel von regenerativen/reparativen und maladaptiven Reaktionen hin, die zu den langfristigen respiratorischen Symptomen nach einer SARS-CoV-2-Infektion beitragen können.