Coronaviruses - Molekulare & Medizinische Virologie

RNA Virus Infection Research

Unsere Arbeitsgruppe RNA Virus Infection Research (RVIR) beschäftigt sich mit RNA Viren, insbesondere im Fokus stehen dabei die Coronaviren. Bisher gibt es sieben humanpathogene Coronaviren, unter denen sich vier endemisch zirkulierende Viren befinden: HCoV-229E, -OC43, -NL63 und -HKU1. Endemische Coronaviren führen bei gesunden Menschen zu harmlosen Erkältungssymptomen. Im Gegensatz dazu gibt es auch drei Coronaviren, die hochpathogene Eigenschaften aufweisen und zu epidemischen oder sogar pandemischen Ausbrüchen geführt haben: SARS-CoV, MERS-CoV und SARS-CoV-2. Diese respiratorischen Viren führen von milden Erkältungssymptomen, über schwere klinischen Verläufe bis hin zum Tod. Am Beispiel der andauernden SARS-CoV-2 Pandemie wurden verschiedenste klinische Krankheitsbilder beschrieben, die, neben der Lunge, einen Großteil der Organe wie Herz, Gehirn und Leber, involvieren. Es ist von großer Wichtigkeit diese Viren zu verstehen und im Detail zu erforschen.

1. Immunkontrolle der Coronavirus Infektion
Die Immunreaktionen des Wirts auf Coronaviren sind sehr komplex und werden zum Teil durch antivirale Interferone (IFN), ein Teil der Immunkontrolle, reguliert. Wir konnten zeigen, dass der Lymphozyten-Antigen 6-Komplex, Locus E (LY6E) die Infektion mehrerer Coronaviren wirksam hemmt und ein wichtiger antiviraler Immuneffektor ist, der die Coronavirus Infektion und Pathogenese kontrolliert (Pfaender et al., 2020) .Typ I Interferone werden klinisch bereits als antivirale Behandlungsmethode eingesetzt, auch bei schweren Verläufen von COVID-19. In einer neuen Studie haben wir IFN-Subtypen auf ihr therapeutisches Potential untersucht und zugrundeliegende Immunsignaturen identifiziert (Schuhenn and Meister et al., 2022).

2. Untersuchung von Coronavirus
Als intrazelluläre Erreger, sind Coronaviren stark von Wirtsfaktoren abhängig. Mithilfe eines globalen genetischen Screens, haben wir Wirtsfaktoren identifiziert die für die Coronavirus Replikation absolut notwendig sind (Kratzel et al., 2021). Dieses Wissen hilft uns nun, neue antivirale Ziele zu identifizieren. In aktuellen Projekten, versuchen wir den Coronavirus Replikationszyklus experimentell detailliert zu untersuchen um daraus mathematische Modelle zu generieren die genutzt werden können um Restriktionsfaktoren und damit neue therapeutische Ziele vorherzusagen (DFG Projekt: CoV Mod, Fördern ID:462165342). Neben Wirts-Proteinen, haben wir einen Fokus auf den sogenannten nicht-kodierenden RNAs und untersuchen wie diese die Replikation und Restriktion von Coronaviren beeinflussen können.

3. Authentische Lungenzellkulturmodelle
Zur Untersuchung der viralen Infektion in vitro sind authentische Zellkulturmodelle unerlässlich. Den „Goldstandard“ für die Untersuchung von respiratorischen Erregern, wie SARS-CoV-2, stellen aktuell 2-dimensionelle Modelle da, die auf primären Atemwegsepithelzellen basieren, und molekulare und funktionelle Aspekte des menschlichen respiratorischen Epithels widerspiegeln. Die sogenannten „Airway Epithelial Cultures“ (AEC) werden in einer Luft-Flüssigkeit Interphase (ALI; air liquid interphase) angezüchtet und zeichnen sich durch eine hohe Ähnlichkeit zum Lungenepithel in vivo aus, inklusive der Anwesenheit verschiedener Zelltypen wie Flimmerzellen, Sekretionszellen und Basalzellen in „pseudostratifizierten“ Zellschichten. Neben Atemwegsepithelzellen, stellen organ-ähnliche 3-dimensionale Gewebekulturen, sogenannte Organoide, ein alternatives Zellkultursystem dar. Organoide sind ein verlässliches Modellsystem, das viele Limitierungen von konventionellen Zellkultursystemen und Tierversuchen überwindet. Sie sind dazu geeignet virale Erkrankungen zu untersuchen, Pathogenese zu verstehen und potentielle Medikamente zu testen. Unterschiedliche Lungenorganoidtypen können aus verschiedenen Zelltypen wie pluripotenten oder embryonalen Stammzellen und Primärzellen wie humane bronchiale Epithelzellen differenziert werden und bieten damit eine Vielzahl an Möglichkeiten zur individuellen Adressierung unterschiedlicher Forschungsfragen. Wir nutzen in unserer Arbeitsgruppe eine Vielzahl zelluläre Systeme (Heinen et al., 2021), neben 1-Dimmensionalen Tumor Zellkuturen auch 2D Atemwegsepithelzellen und 3D Lungen Organoide um die Coronavirus Infektion zu untersuchen und Wirtsfaktoren zu identifizieren, die eine Virus Infektion beeinflussen können.

4. Coronavirus Übertragung
Insbesondere am Anfang der COVID-19 Pandemie sind viele Fragen bezüglich der Stabilität und Übertragung von Coronaviren aufgetreten. In einer Vielzahl von Studien haben wir daher die Inaktivierung und Stabilität von Coronaviren experimentell untersucht (Meister et al., 2021 , Conzelmann et al., 2020 Kratzel et al., 2020 Kratzel et al., 2020 Meister et al., 2022). Auf besonderes öffentliches Interesse sind dabei unsere Arbeiten zu der antiviralen Wirkung von Mundspüllösungen gestoßen (Meister et al., 2020, Meister et al., 2022). Wichtig bei diesen Arbeiten ist dabei ganz klar der translationale Aspekt, so konnten wir u.a. in einer klinischen Studie demonstrieren, dass Oberflächen, bei der tatsächlichen Übertragung von SARS-CoV-2 vermutlich nur eine untergeordnete Rolle spielen (Meister et al., 2022).