Künstliche Lunge zeigt, warum COVID-19 Blutgerinnsel verursacht

Forschende der EPFL wollen mithilfe von Technologie verstehen, warum das Coronavirus bei einigen Patientinnen und Patienten Blutgerinnsel verursacht. Sie haben ein vereinfachtes Modell einer Lunge entwickelt, mit dem sie zum ersten Mal beobachten können, wie das Virus die Zellen angreift, die die Blutgefässe auskleiden.
© 2020 EPFL

COVID-19 verursacht manchmal Blutgerinnsel, obwohl die genaue Inzidenz ein Rätsel bleibt. Eine kürzlich durchgeführte Studie weist darauf hin, dass etwa 10 % der hospitalisierten Patienten diese Komplikation entwickeln. Die Ärztinnen sind sich immer noch nicht sicher, warum das Virus diese Reaktion hervorruft – in den schwersten Fällen können die Blutgerinnsel zu einem Schlaganfall führen. Um mehr Einblick in dieses Phänomen zu erhalten, haben Forschende der EPFL einen Mikrofluidik-Chip entwickelt, der die menschliche Lunge nachbildet und einen Teil ihrer Struktur repliziert, um COVID-19-Infektionen zu untersuchen. Der Chip enthält Lungenepithelzellen, Blutgefässzellen und Zellen des Immunsystems und lässt die Forschenden direkt beobachten, wie SARS-CoV-2 menschliche Zellen angreift und die Bildung von Blutgerinnseln auslöst.

Es wird vermutet, dass zwei Mechanismen am Werk sind. Der eine ist eine übermässige Produktion von Zytokinen, d.h. von Proteinen, die bei der Signalübertragung von Immunzellen eine Rolle spielen. Das Coronavirus kann die «Zytokinstürme» verursachen, die in den Nachrichten viel diskutiert wurden. Diese unverhältnismässig Reaktion des Immunsystems kann Blutgefässe schädigen, zur Bildung von Blutgerinnseln führen und ist potenziell tödlich. Der andere mögliche Mechanismus ist die Schädigung der Innenauskleidung von Blutgefässen – oder des Endothels – in der Lunge. In der Lunge gibt es sehr viel solches Gewebe, und wenn es beschädigt ist, kann das Blut leicht gerinnen und Blutgerinnsel bilden.

Welcher Mechanismus ist also der wahrscheinliche Verursacher? Um das herauszufinden, müssen Ärztinen und Ärzte in der Lage sein, den stündlichen Verlauf der Infektion in der Lunge zu beobachten. Das ist bei lebenden Patientinnen fast unmöglich und in Laborkulturen auch nicht sehr praktikabel, da Kulturen meist nur eine Zellart enthalten und das gesamte Lungensystem nicht realistisch genug abbilden.

Die Forschenden im Labor von Prof. John McKinney haben einen Zuschuss von der EPFL COVID-19 Task Force erhalten. Unter der Leitung von Dr. Vivek Thacker, einem Postdoc im Labor, haben sie nun ein Lung-on-a-Chip-Gerät angepasst, um die einzelnen Schritte eines SARS-CoV-2-Angriffs auf die Lunge zu modellieren. Das Gerät enthält mikrofluidische Kanäle, die die Zellen auf dem Chip mit Nährstoffen versorgen, die so angeordnet sind, dass sie einen Lungenabschnitt nachbilden. Genauer gesagt enthält der Chip eine Schicht Epithelzellen bzw. die Zellen, die die Lunge auskleiden, zusammen mit einer Schicht Endothelzellen bzw. den Zellen, die die Blutgefässe auskleiden. Die beiden Schichten sind durch eine Membran getrennt.

Nachdem die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler SARS-CoV-2 in ihr Gerät eingeschleust hatten, griff das Virus, wie bei einer natürlichen Infektion, zunächst die äussere Schicht der Epithelzellen an. In Zusammenarbeit mit Dr. Jessica Sordet Dessimoz und ihrem Team in der Histology Core Facility stellten sie fest, dass das Virus innerhalb eines Tages die innere Schicht der Endothelzellen erreicht hatte und in den folgenden Tagen beträchtliche Schäden verursachte.

«Der Schaden reichte aus, um das Endothel zu zerstören und das Blut in den Gefässen der Luft auszusetzen, wodurch sich Gerinnsel bildeten», sagt Vivek Thacker. «Mit unserem Lung-on-a-Chip-System stellten wir fest, dass das Virus möglicherweise Blutgerinnsel verursacht, indem es das Endothel direkt angreift. Das bedeutet jedoch nicht, dass Zytokine nicht auch eine Rolle spielen und die Sache noch verschlimmern», so Thacker. Erste Ergebnisse wurden in einer Arbeit zusammengefasst die derzeit geprüft wird.

Das EPFL-Gerät hat ein Phänomen aufgezeigt, das mit herkömmlichen Methoden nicht beobachtet werden kann, da SARS-CoV-2 in Endothelzell-Monokulturen nicht gut proliferiert. «Es wurden auch einige Viruspartikel im Endothel von infizierten Patienten gefunden, aber die Mengen sind sehr gering», sagt Thacker.

Als nächstes wird das Team den Lung-on-a-Chip mit echten Blutproben verwenden, so dass es die Gerinnselbildung direkt beobachten kann. Und das ist nicht so einfach, wie es sich anhört – das Blut gerinnt ausserhalb des Körpers sehr schnell, also «müssen wir schnell und genau sein», erklärt Thacker. Die Forschenden planen, den Proben einen Gerinnungshemmer zuzusetzen und diesen dann kurz vor der Injektion der Proben in das Gerät zu neutralisieren. Das Team wird in den nächsten Wochen an diesem komplizierten Verfahren arbeiten.