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29.06.2020

Erforschung der Immunreaktionen auf Coronaviren in 3D-Zellkulturen

Anhand von 3D-Modellen für die oberen und unteren Atemwege und bestimmten Lungenzellen (Pneumocyten) lassen sich Interaktionen von SARS-CoV-2-Viren mit dem ImmunsystemImmunsystem
Das körpereigene Abwehrsystem besteht aus drei Funktionskreisen:
(1) Knochenmark als Bildungsort für Immunzellen.
(2) Verschiedene zentrale Immunorgane wie Thymus (Prägung von T-Lymphozyten) und darmnahe Lymphorgane (für die Prägung von B-Lymphozyten).
(3) Sekundäre Lymphorgane wie Milz, Lymphknoten und Mandeln (Tonsillen).
Man unterscheidet die so genannte humorale Abwehr (über die Körperflüssigkeiten mit darin enthaltenen Antikörpern und Faktoren aus dem so genannten Komplementsystem) und die zellvermittelte Abwehr (mit B- und T-Zellen, Makrophagen, Antigen-präsentierenden Zellen, Granulozyten u.a.).
bzw. humanen Gewebeschichten simulieren.

Foto: Flimmerepithel (Wimperzellen) des oberen Respirationstraktes, Medizinische Universität Innsbruck

Die Wechselwirkungen zwischen Viren und den relevanten Playern des Immunsystems sind komplex und gerade im Fall des SARS-CoV-2-Virus noch vielfach unbekannt. „Erst ein besseres Verständnis dieser vielschichtigen Interaktionen kann neue Angriffsflächen und Strategien im Kampf gegen SARS-CoV-2 sichtbar machen“, betont Wilfried Posch, der am Institut für Hygiene und Medizinische Mikrobiologie der Medizinischen Universität Innsbruck gemeinsam mit seiner Kollegin Doris Wilflingseder seit vielen Jahren das Wechselspiel zwischen Krankheitserregern und Immunzellen in der Akutphase der Infektion im Visier hat.

Mit 3D-Modellen für die oberen und unteren Atemwege und Typ 2-Alveolarepithelzellen (Pneumocyten) lassen sich Interaktionen des SARS-CoV-2-Virus mit dem Immunsystem bzw. humanen Gewebeschichten simulieren. Je nach Bedarf könne verschiedene Zellen in dieses vielschichtige In-vitro-System eingebaut werden, um damit spezifische Settings nachzustellen. „So können wir quasi im Live-Modus Aktionen beobachten, etwa wie Epithelzellen beispielsweise auf Infektionen reagieren und welche ZytokineZytokine
Das sind körpereigene Substanzen (Peptide), die vom Immunsystem (von aktivierten T-Zellen u.a.) freigesetzt werden, um die Bildung von Abwehrzellen und Entzündungszellen anzukurbeln. Zytokine tragen auch zur Reparatur von Gewebeschäden bei und wirken als Wachstumsfaktoren auf viele Zellen ein.
 
vor und nach Zugabe verschiedener Immunkomponenten ausgeschüttet werden, oder auch wie schnell Partikel in den Systemen weitertransportiert werden“, beschreibt Wilfried Posch mögliche Fragestellungen.

Da SARS-CoV-2 vor allem die Lunge schädigt, bietet das Innsbrucker 3D-Modell einen besonderen Mehrwert. „Unser humanes System, das einen sehr realistischen Nachbau des mehrschichtigen respiratorischen Epithels zulässt, war ursprünglich auf Pilzsporen ausgelegt. Aber natürlich kann im ausdifferenzierten Epithel anstelle der Pilzsporen nun SARS-CoV-2 als Erreger eingesetzt und in der Folge auch die Wirkung therapeutischer Interventionen geprüft werden“, so Doris Wilflingseder über die flexiblen Forschungsbedingungen, die zudem der Intensivierung der tierversuchsfreien Forschung am Standort entsprechen, die mit der Etablierung des Innsbrucker „MUI animalFree research cluster“ unter Federführung der Immunologin initiiert wurde.

Gegenüber Organoiden – organähnliche Strukturen, die man aus menschlichen Stammzellen kultivieren kann – punktet das 3D-Modell zudem mit einem problemlosen und weniger starren Aufbau. „Das Luft-Flüssig-Verhältnis unseres Modells entspricht jenem des Atmungstraktes, Immunzellen können entweder apikal (z. B. Makrophagen) oder basolateral (z. B. Dendritische Zellen) auf das differenzierte Flimmerepithel eingebracht werden“, erklärt Doris Wilflingseder.

Dieses anpassungsfähige und vielversprechende Design soll nun auch in ein konkretes Forschungsprojekt einfließen, in dem Wilfried Posch (Projektleiter) mit InfektiologInnen der Univ.-Klinik für Innere Medizin II zusammenarbeiten wird.

Quelle: Medizinische Universität Innsbruck