COVID-19 und Immunologie – Untersuchungen von der körpereigenen Immunabwehr bis zur Impfstoffentwicklung mit Methoden der Künstlichen Intelligenz

Die extrakorporale Membran-Oxygenierung (ECMO) ist ein intensivmedizinisches Verfahren zur kardialen und/oder pulmonalen Unterstützung des*der Patient*in, bei dem eine Maschine teilweise oder vollständig die Atemfunktion übernimmt. Es kommt zum Einsatz, wenn ein schweres Herz- und/oder Lungenversagen vorliegt. Diese Therapie wird in der Regel als letztes Mittel der Wahl eingesetzt, wenn alle konventionellen Therapieoptionen erfolglos waren. Das ECMO-Gerät pumpt dabei körpereigenes Blut kontinuierlich durch einen Membran-Oxygenator (MO), der Kohlendioxid aus dem Blut entfernt und es mit Sauerstoff anreichert. Das so aufbereitete Blut wird dann zum*zur Patient*in zurückgeführt. Die ECMO-Therapie kommt derzeit bei Covid-19-Patient*innen mit schweren Krankheitsverläufen zum Einsatz.

Eine aus therapeutischer Sicht unerwünschte Nebenwirkung ist jedoch die Akkumulation von Blutzellen des*der Patient*in auf der Gasaustauschmembran im Innern der Membran-Oxygenatoren. Die für den Gasaustausch extra große künstliche Oberfläche wirkt hier als „Filter“ für im Blut zirkulierende Immunzellen. Nach Beendigung der Therapie wird diese zum Einmal-Gebrauch konzipierte Membran normalerweise entsorgt. In unserem Projekt wird sie jedoch als für den*die Patient*in nicht-invasive, schmerzlose und sichere „Biopsie“ zur Untersuchung der Immunzellpopulation dienen.

Es ist davon auszugehen, dass es Unterschiede in der Zusammensetzung der Sub-Populationen der Immunzellen zwischen Covid-19-Patient*innen und solchen ohne Infektionskrankheiten gibt. In diesem Projekt sollen daher das Ausmaß und die Zusammensetzung der Zellbesiedlung mit den klinischen Daten verknüpft und mögliche Zusammenhänge aufgedeckt werden. Basierend auf einer Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für Herz- und Lungenforschung, Bad Nauheim, stehen 2400 Einzelbilder zur Auswertung bereit, auf denen die Zellen mithilfe eines Neuronalen Netzwerks (NN) identifiziert und quantifiziert werden sollen (Abbildung 1)

Ziel dieses Teilprojektes ist es, die Therapie von Covid-19-Patient*innen weiter zu verbessern, um den kritisch kranken Organismus nicht zusätzlich zu belasten. Mit den Erkenntnissen aus den Zellquantifizierungen möchten wir Frühindikatoren für kritische pathologische Prozesse und Komplikationen ermitteln, um diesen Prozessen zukünftig besser und frühzeitiger entgegenwirken zu können oder um sie sogar zu vermeiden.

Wie bei anderen Viren werden auch bei SARS-CoV2 mit jeder Infektion Veränderungen im viralen Erbgut beobachtet. Die meisten dieser Veränderungen – auch Mutationen genannt – sind bedeutungslos und zeigen keine Auswirkungen auf den Infektionsverlauf. Manche Mutationen aber können zu einer gesteigerten Infektiosität des Virus führen und/oder Einfluss auf die Struktur von viralen Oberflächenproteinen nehmen, die für die Immunantwort und damit für die Bekämpfung einer Infektion entscheidend sind. So steht derzeit das Spike-Protein des Coronavirus im Mittelpunkt des Interesses, da dieses Oberflächenprotein die Zielstruktur für die Wechselwirkung mit impfstoffinduzierten Antikörpern darstellt. Eine durch Mutationen hervorgerufene strukturelle Veränderung des Spike-Proteins könnte demnach fatale Folgen für die Wirksamkeit derzeit verabreichter Impfstoffe haben.

In diesem Teilprojekt wird in einem Laborversuch eine Folge von Infektionen nachgeahmt. Es soll untersucht werden, welche Mutationen nach wiederholten Infektionszyklen entstehen und welchen Einfluss diese Veränderungen auf die Struktur des Spike-Proteins haben können. Dazu werden systematisch Infektionen mit SARS-CoV2 unter Laborbedingungen durchgeführt (Abbildung 2), dabei entstehende Mutationen mittels Sequenzanalyse ermittelt und deren Einfluss auf die Proteinstruktur mit Hilfe von Methoden der Künstlichen Intelligenz vorhergesagt. So sollen Aussagen über die Wirksamkeit von Impfstoffen nach Mutationsereignissen ermöglicht werden. Neben Mutationsanalysen werden auch Erkenntnisse zur zellulären Infektion gewonnen. Ziel ist, einen systembiologischen Ansatz für die Infektion des SARS-CoV2 zu entwickeln und damit eine wichtige Grundlage für zukünftige Therapieansätze zu schaffen.

Gefördert durch das Ministerium für Wissenschaft und Gesundheit (MWG) des Landes Rheinland-Pfalz