Bioinformatik Biotechnologie | 2020 - 2022
Projektverantwortlich
Mitarbeitende

Felix Hoeren

Projektpartner

Kerckhoff-Klinik GmbH, Bad Nauheim

Universitätsklinikum Essen

Bioscientia Institut für Medizinische Diagnostik GmbH Ingelheim

Projektmittel

185.000 Euro

Kurzbeschreibung des Projekts

Das neuartige pandemische Coronavirus (SARS-CoV-2) kann bei schweren Krankheitsverläufen zum Lungen- und/oder Herzversagen und damit zum Tod führen. Die körpereigene Immunantwort spielt nicht nur bei der Abwehr des Coronavirus eine große Rolle, sondern hat auch – wenn sie übermäßig oder fehlgeleitet stattfindet – erheblichen Einfluss auf den Schweregrad der Erkrankung. Insbesondere für Patient*innen mit Vorerkrankungen und anderen Risikofaktoren liegt die Hoffnung jedoch in der Verfügbarkeit eines effektiven Impfstoffs, der ihnen einen sicheren Schutz vor einer Infektion bietet. Unser Projekt zielt nun in beide Richtungen: Zum einen soll die Immunantwort intensivmedizinisch versorgter Patient*innen im Hinblick auf den weiteren Krankheitsverlauf und auf eine Verbesserung der Therapie, zum anderen der Einfluss von Mutationen auf das Spike-Protein als Zielstruktur derzeit zugelassener Impfstoffkandidaten untersucht werden. Beide Ansätze führen zum besseren Verständnis der körpereigenen Immunantwort und liefern einen wertvollen Beitrag zu potenziellen Therapien.

Projekt 1: Automa­ti­sierte Bildaus­wertung der Immun-Zellbe­sie­delung von ECMO-Membranen aus schwer erkrankten Covid-19 Patient*innen

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.

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Abbildung 1: Ansammlung von Immunzellen auf einer Oxygenator-Membran nach Einsatz in der ECMO-Therapie eines Patienten. A Mikroskopische Aufnahme einer Stelle mit Zellablagerungen, die durch fluoreszenzmarkierte Zellkerne sichtbar gemacht wurden. An Stellen mit erhöhter Zelldichte (rote Kreise) ist die separierte Zählung schwierig. B Mithilfe eines Neuronalen Netzwerks (NN) gelingt eine vollständige Segmentierung der dichten Zellcluster (Maßstab 50µm), die eine anschließenden automatisierte Zählung ermöglicht.
Projekt 2: Syste­ma­tische in-vitro Evolution einer Corona-Virus-Infektion (SIVEC)

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.

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Abbildung 2: Systematische in-vitro-Evolution einer Corona-Virus Infektion. Menschliche Zellen werden mit SARS-CoV2 infiziert, die Viren nach dem Durchlaufen eines Infektionszyklus gesammelt, auf Mutationen hin untersucht und in einem weiteren Infektionszyklus eingesetzt. Dieser Vorgang wird mehrfach wiederholt, bis Mutationen zu beobachten sind. Der Einfluss der Mutationen auf die Struktur des Spike-Proteins soll mit Hilfe von Methoden der Künstlichen Intelligenz vorhergesagt werden.

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

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MWG

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