Die Rolle des Atemzentrums bei COVID-19 – molekulare Mimikry von Virus und Schrittmacherneuronen

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Bei SARS-CoV-2 kann die Infektion des Gehirns von der Nasenschleimhaut aus durch die Lamina cribrosa über den Bulbus olfactorius erfolgen. SARS-CoV-2 kann dann via transsynaptischen Transfer über olfaktorische Neuronen weiter bis in den Thalamus und den Hirnstamm vordringen. Die Infektion des Atemzentrums scheint bei manchen Patienten zum respiratorischen Versagen beizutragen. Zwei aktuelle Publikationen erklären den zugrundeliegenden Pathomechanismus genauer; das Phänomen einer molekularen Mimikry könnte dabei eine Rolle spielen.

Innerhalb des Hirnstammes sind zwei neuronale Netzwerke an der Generierung des respiratorischen Rhythmus beteiligt (Schrittmacher-Funktion). Der Pre-Bötzinger-Komplex (PreBötC) erzeugt oszillatorisch das primäre Atemmuster, der RTN/pFRG-Komplex (Retrotrapezoid-Kern und parafaziale respiratorische Gruppe) ist sekundärer Oszillator. Die Forschergruppe der ersten Arbeit [1] konnte schon früher im Rahmen ihrer SARS/MERS-Forschungen im Mausmodell zeigen, dass die Unterbrechung von PreBötC und RTN/pFRG ein letales Atmungsversagen auslöst. Möglicherweise kann eine Neuroinvasion durch SARS-CoV-2 in ähnlicher Weise die respiratorische Rhythmogenese und somit die Spontanatmung stören. Diese Hypothese muss allerdings für SARS-CoV-2 noch validiert werden.

Eine Hypothese zur Affektion des Pre-Bötzinger-Komplexes durch die SARS-CoV-2-Infektion liefert eine Publikation aus Greifswald [2]. Es ist die Entdeckung einer molekularen Mimikry zwischen den viralen und den neuronalen Proteinen des preBötC. Das Proteom von SARS-CoV-2 besitzt drei Sequenzen von sechs Aminosäuren, die identisch sind mit drei Proteinen des humanen preBötC (die Proteine DAB1, AIFM und SURF1). Andere humane Coronaviren, die zwar respiratorische Symptome und Lungenschädigungen auslösen, jedoch nicht zum Lungenversagen führen, besitzen diese Sequenzen bemerkenswerterweise nicht.

Die physiologische Funktion der genannten Proteine lässt einige potenzielle Zusammenhänge mit einem SARS-CoV-2-assoziierten Atemversagen erkennen. AIFM1 und SURF1, beispielsweise, sind an Stoffwechselvorgängen in den Mitochondrien beteiligt. Entsprechende Genmutationen können eine subakute nekrotisierende Enzephalomyelopathie (Leigh-Syndrom) verursachen. Die Todesursache beim Leigh-Syndrom ist in der Regel ein Atemversagen. Auch bei COVID-19-Patienten wurde eine subakute nekrotisierende Enzephalopathie bereits beschrieben. Insgesamt scheint es denkbar, dass SARS-CoV-2-ausgelöste Immunreaktionen aufgrund der molekularen Mimikry diese Proteine des PreBötC angreifen und es dadurch zur Dysregulation des Atemzentrums kommt.

Ein viraler Befall des Hirnstammes ist normalerweise zum Zeitpunkt der COVID-19-Diagnosestellung nicht erkennbar und das Atemzentrum steht derzeit nicht im Fokus der SARS-CoV-2-Forschung. Künftig sollte es mehr Aufmerksamkeit erfahren, so die Autoren.

[1] Gandhi S, Srivastava AK, Ray U et al. Is the Collapse of the Respiratory Center in the Brain Responsible for Respiratory Breakdown in COVID-19 Patients? ACS Chem Neurosci 2020 Apr 29. https://doi.org/10.1021/acschemneuro.0c00217
[2] Lucchese G1, Flöel A2. Molecular mimicry between SARS-CoV-2 and respiratory pacemaker neurons. Autoimmun Rev. 2020 Apr 30:102556. doi: 10.1016/j.autrev.2020.102556. [Epub ahead of print] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S156899722030118X?via%3Dihub