Institut für Virologie und Immunbiologie
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While there is abounding literature on virus-induced pathology in general and coronavirus in particular, recent evidence accumulates showing distinct and deleterious brain affection. As the respiratory tract connects to the brain without protection of the blood–brain barrier, SARS-CoV-2 might in the early invasive phase attack the cardiorespiratory centres located in the medulla/pons areas, giving rise to disturbances of respiration and cardiac problems. Furthermore, brainstem regions are at risk to lose their functional integrity. Therefore, long-term neurological as well as psychiatric symptomatology and eventual respective disorders cannot be excluded as evidenced from influenza-A triggered post-encephalitic Parkinsonism and HIV-1 triggered AIDS–dementia complex. From the available evidences for coronavirus-induced brain pathology, this review concludes a number of unmet needs for further research strategies like human postmortem brain analyses. SARS-CoV-2 mirroring experimental animal brain studies, characterization of time-dependent and region-dependent spreading behaviours of coronaviruses, enlightening of pathological mechanisms after coronavirus infection using long-term animal models and clinical observations of patients having had COVID-19 infection are calling to develop both protective strategies and drug discoveries to avoid early and late coronavirus-induced functional brain disturbances, symptoms and eventually disorders. To fight SARS-CoV-2, it is an urgent need to enforce clinical, molecular biological, neurochemical and genetic research including brain-related studies on a worldwide harmonized basis.
Das Masernvirus (MV) kann in Erkrankten eine schwere, langanhaltende Immunsuppression verursachen, wodurch Infektionen mit opportunistischen Pathogenen begünstigt werden. Diese basiert auf einer Paralyse der hämatopoetischen Zellen, welche das Virus durch Kontakt eines viralen Glykoproteinkomplexes zu einem unbekannten RezeptorX auf der Zell- Oberfläche induzieren kann. Kerncharakterisitika hiervon sind unter anderem die Herabregulation der Akt-Kinase-Phosphorylierung, die Inhibition der zellulären Proliferation und die Aktivierung der neutralen Sphingomyelinase 2 (NSM2).
In einem kinetischen Phosphoproteom konnten zwei potentielle Interaktionsrezeptoren des MV identifiziert werden: CD43 und P2X3. Das hochglykosylierte Oberflächenmolekül CD43 ist auf hämatopoetischen Zellen ubiquitär exprimiert und reguliert in T-Zellen deren Überleben, Proliferation, Aktivierung, Migration und Adhäsion. P2X3 wird in hämatopoetischen Zellen nur in geringem Maße exprimiert. Seine funktionelle Bedeutung ist in diesem Kompartiment nicht bekannt. Beide Kandidaten wurden mittels CRISPR/Cas9 Verfahren einzeln oder kombiniert aus Jurkat-T-Zellen ablatiert, welche nachfolgend nach MV-Kontakt hinsichtlich der oben erwähnten MV-modulierten Parameter getestet wurden. Zusätzlich wurden iso- und allosterische P2X3-Inhibitoren an primären und Jurkat-T-Zellen verwendet, um dessen Rolle in Ca2+-Mobilisierung und Proliferation nach T-Zell-Rezeptor Co-Stimulation zu analysieren.
Die genetische Depletion beider Rezeptor-Kandidaten verringerte die Effekte des MV auf alle getesteten Parameter signifikant, was darauf hindeutet, dass beide Proteine entscheidend an der T-Zell-Suppression beteiligt sind. Während die isosterische Inhibition von P2X3 keinen Effekt hatte, wurde die Proliferation primärer T-Zellen durch dessen allosterische Inhibition vor Co-Stimulation fast verdoppelt und die Effizienz der Ca2+-Mobilisierung in Jurkat- und primären T-Zellen signifikant erhöht. In P2X3-depletierten Jurkat-Zellen hingegen war die Ca2+-Mobilisierung nach Stimulation signifikant geringer als in WT-Zellen.
In dieser Arbeit konnten zwei wichtige Mediatoren der MV induzierten T-Zell-Suppression identifiziert werden. Vor allem P2X3, dessen Expression, Regulation und funktionelle Bedeutung im hämatopoetischen Kompartiment noch nicht erforscht wurde, könnte ein vielversprechender Kandidat für eine antivirale Therapie darstellen, da ein klinisch getesteter P2X3-Inhibitor bereits verfügbar ist.
Upon systemic infection with human pathogenic yeast Candida albicans (C. albicans), human monocytes and polymorph nuclear neutrophilic granulocytes are the first immune cells to respond and come into contact with C. albicans. Monocytes exert immediate candidacidal activity and inhibit germination, mediate phagocytosis, and kill fungal cells. Here, we show that human monocytes spontaneously respond to C. albicans cells via phagocytosis, decondensation of nuclear DNA, and release of this decondensed DNA in the form of extracellular traps (called monocytic extracellular traps: MoETs). Both subtypes of monocytes (CD14\(^{++}\)CD16\(^−\)/CD14\(^+\)CD16\(^+\)) formed MoETs within the first hours upon contact with C. albicans. MoETs were characterized by the presence of citrullinated histone, myeloperoxidase, lactoferrin, and elastase. MoETs were also formed in response to Staphylococcus aureus and Escherichia coli, indicating a general reaction of monocytes to infectious microbes. MoET induction differs from extracellular trap formation in macrophages as MoETs are not triggered by simvastatin, an inhibitor of cholesterol synthesis and inducer of extracellular traps in macrophages. Extracellular traps from both monocytes and neutrophils activate complement and C3b is deposited. However, factor H (FH) binds via C3b to the extracellular DNA, mediates cofactor activity, and inhibits the induction of the inflammatory cytokine interleukin-1 beta in monocytes. Altogether, the results show that human monocytes release extracellular DNA traps in response to C. albicans and that these traps finally bind FH via C3b to presumably support clearance without further inflammation.
Recently, we have shown that C6-ceramides efficiently suppress viral replication by trapping the virus in lysosomes. Here, we use antiviral assays to evaluate a synthetic ceramide derivative α-NH2-ω-N3-C6-ceramide (AKS461) and to confirm the biological activity of C6-ceramides inhibiting SARS-CoV-2. Click-labeling with a fluorophore demonstrated that AKS461 accumulates in lysosomes. Previously, it has been shown that suppression of SARS-CoV-2 replication can be cell-type specific. Thus, AKS461 inhibited SARS-CoV-2 replication in Huh-7, Vero, and Calu-3 cells up to 2.5 orders of magnitude. The results were confirmed by CoronaFISH, indicating that AKS461 acts comparable to the unmodified C6-ceramide. Thus, AKS461 serves as a tool to study ceramide-associated cellular and viral pathways, such as SARS-CoV-2 infections, and it helped to identify lysosomes as the central organelle of C6-ceramides to inhibit viral replication.
Recently, we have described novel pyridyl indole esters and peptidomimetics as potent inhibitors of the severe acute respiratory syndrome coronavirus type 2 (SARS-CoV-2) main protease. Here, we analysed the impact of these compounds on viral replication. It has been shown that some antivirals against SARS-CoV-2 act in a cell line-specific way. Thus, the compounds were tested in Vero, Huh-7, and Calu-3 cells. We showed that the protease inhibitors at 30 µM suppress viral replication by up to 5 orders of magnitude in Huh-7 cells, while in Calu-3 cells, suppression by 2 orders of magnitude was achieved. Three pyridin-3-yl indole-carboxylates inhibited viral replication in all cell lines, indicating that they might repress viral replication in human tissue as well. Thus, we investigated three compounds in human precision-cut lung slices and observed donor-dependent antiviral activity in this patient-near system. Our results provide evidence that even direct-acting antivirals may act in a cell line-specific manner.
Der Weg von der Entwicklung bis zur Zulassung neuer Virostatika ist bis heute mit hohen Kosten und einem großen Zeitaufwand verbunden. Sollten jedoch bereits zugelassene antivirale Medikamente eine Wirkung auf andere virale Infektionen zeigen, könnte dieser Prozess stark verkürzt werden. Daher war es Ziel dieser Arbeit, den Effekt von zugelassenen Medikamenten, gegen HSV-1, mCMV, hCMV, RSV, Parainfluenzavirus-3, DENV-2, CHIKV, Poliovirus, Masernvirus und HIV-1 zu evaluieren. Getestet wurden die Polymeraseinhibitoren ACV, GCV, CDV, sowie das neuere Medikament T-705 und die reversen Transkriptase-Inhibitoren TDF, 3TC, AZT und ABC. Außerdem die Proteaseinhibitoren SMV, GRV, DCV, LDV, ELB, VEL, SOF und DSV.
TDF senkte in einer Konzentration von 10 µM die Infektiosität von HSV-1 und mCMV bis zu 1 Größenordnung. Auch ABC senkte die Infektiosität von HSV-1 und mCMV in einer Konzentration von 30 µM um 0,4 bzw. 0,6 Größenordnungen. AZT und ELB senkten die Infektiosität bei Infektionen mit HSV-1 in einer Konzentration von 30 µM um 0,4 Größenordnungen. VEL senkte die Infektiosität von mCMV bis zu einer Konzentration von 2 µM um 0,7 Größenordnungen. Durch die Substanzen ELB und LDV konnte die Replikation von DENV-2 bei einer Konzentration von 10 µM um 0,6 bzw. 0,8 Größenordnungen gesenkt werden. Die Substanzen zeigten jedoch keinen Effekt auf Infektionen mit CHIKV und Poliovirus, sodass für beide Substanzen ein virusspezifischer Effekt anzunehmen ist. Es wurde keine Wirkung der Substanzen gegen Infektionen mit Masernvirus, RSV oder Parainfluenzavirus-3 in den Versuchen beobachtet. Es wurde gezeigt, dass die verwendeten Methoden eine schnelle und effektive Möglichkeit darstellen, neue direkt-antivirale Medikamente zu etablieren. Zudem stellen die gefundenen Wirkstoffe eine gute Grundlage als Leitsubstanzen zur Entwicklung neuer Wirkstoffe dar. Weitere Versuche mit Kombinationen der wirksamen Substanzen sollten zur weiteren Therapiefindung durchgeführt werden. Damit hat die vorgelegte Arbeit eine hohe Relevanz für die weitere Forschung.
Zusammenfassung
Hintergrund: Das saure Gliafaserprotein (GFAP) kommt im ZNS vor allem in Astrozyten vor und spielt eine Rolle bei der Astrozytose, die wiederum ist ein pathogenetisches Merkmal von HIV-assoziierten neurologischen Erkrankungen (HAND). In dieser Arbeit wird das Vorkommen von GFAP-Autoantikörpern bei PLWH und deren Bedeutung bei der Entstehung von HAND untersucht. Außerdem wird eruiert, ob GFAP-Autoantikörper als Marker eines neurokognitiven Defizites bei HAND in Frage kommen.
Methoden: Homogenisiert Gewebeschnitte von verschiedenen Gehirnareale wurden mittels SDS-Gelelektrophorese und Western Blot auf Membranen übertragen. Diese Membranen wurden mit Blutproben aus der HAND-1 Studie inkubiert. Der Nachweis von GFAP-Antikörpern erfolgte indirekt mittels eines IgG-Antikörpers. Die Anti-GFAP Signalintensitäten wurden semiquantitativ ausgewertet und mit den Daten der neurokognitiven Test der HAND-1 Studie korreliert.
Egebnisse: Die GFAP-Autoantikörper Signalintensität unterscheidet sich je nach Gehirnareal (p < 0,0001). Insbesondere die DM-Signale sind signifikant stärker als die der anderen Areale (p < 0,01). Es lässt sich insgesamt kein signifikanter Unterschied in der Signalstärke zwischen Menschen mit HIV und Kontrollen feststellen (p = 0,1742). Bei der HIV-Gruppe zeigt das Gesamtergebnis des MMS einen signifikanten, negativen und starken Zusammenhang mit der GFAP- Antikörpersignalintensität der Areale DM (p = 0,004), ST (p = 0,011), MC (p = 0,007) und FC (p = 0,002). Es konnten keine signifikanten Korrelationen zwischen den CD4-Zellzahlen und den Anti-GFAP Signalintensitäten festgestellt werden. Bei der Kontrollgruppe fanden sich lediglich vereinzelt signifikante Korrelationen.
Diskussion: Diese Promotion ist die bis dato erste Veröffentlichung, in der GFAP-Autoantikörper bei Menschen mit HIV gemessen wurden. Dass kein Unterschied im Vorkommen von GFAP-Ak bei PLWH und der Kontrollgruppe gefunden wurde, könnte an der geringen Teilnehmendenzahl oder am Mangel von Teilnehmenden mit HAD liegen. Andererseits könnte es auch dafür sprechen, dass anti-GFAP nicht obligat pathogen ist, sondern erst nach Übertritt über die Blut-Hirn-Schranke pathologische Folgen hat. Für diese Hypothese spricht die Erkenntnis, dass eine höhere Menge von GFAP-Ak mit einem schlechteren Abschneiden bei neurokognitiven Tests korreliert. Demnach könnten sich GFAP-Autoantikörper als diagnostische und möglicherweise prognostische Marker eines neurokognitiven Defizites bei HAND eignen.
Im Jahr 2015 wurde Plasmaproben von 161 HIV-positive Menschen auf HIV-Drug-Resistance untersucht. Die Patienten waren therapienaiv und wurde am Lighthouse-Hospital in Lilongwe, die Hauptstadt Malawis behandelt. Es zeigte sich eine HIVDR von insgesamt 17% welche aus mehreren Gesichtspunkte dargestellt worden sind, um zu zeigen ob 20105 in Malawi eingesetzte first-line Therapieregime eine gute Wirksamkeit zeigte.
Gene expression in eukaryotic cells is regulated by the combinatorial action of numerous gene-regulatory factors, among which microRNAs (miRNAs) play a fundamental role at the post-transcriptional level. miRNAs are single-stranded, small non-coding RNA molecules that emerge in a cascade-like fashion via the generation of primary and precursor miRNAs. Mature miRNAs become functional when incorporated into the RNA induced silencing complex (RISC). miRNAs guide RISCs to target mRNAs in a sequence-specific fashion. To this end, base-pairs are usually formed between the miRNA seed region, spanning nucleotide positions 2 to 8 (from the 5' end) and the 3'UTR of the target mRNA. Once miRNA-mRNA interaction is established, RISC represses translation and occasionally induces direct or indirect target mRNA degradation. Interestingly, miRNAs are expressed not only in every multicellular organism but are also encoded by several viruses, predominately by herpesviruses. By controlling both, cellular as well as viral mRNA transcripts, virus-encoded miRNAs confer many beneficial effects on viral growth and persistence. Murine cytomegalovirus (MCMV) is a ß-herpesvirus and so far, 29 mature MCMV-encoded miRNAs have been identified during lytic infection. Computational analysis of previously conducted photoactivated ribonucleotide-enhanced individual nucleotide resolution crosslinking immunoprecipitation (PAR-iCLIP) experiments identified a read cluster within the 3' untranslated region (3'UTR) of the immediate early 3 (IE3) transcript in MCMV. Based on miRNA target predictions, two highly abundant MCMV miRNAs, namely miR-m01-2-3p and miR-M23-2-3p were found to potentially bind to two closely positioned target sites within the IE3 PAR-iCLIP peak. To confirm this hypothesis, we performed luciferase assays and showed that activity values of a luciferase fused with the 3'UTR of IE3 were downregulated in the presence of miR-m01- 2 and miR-M23-2. In a second step, we investigated the effect of pre-expression of miR-m01-2 and miR-M23-2 on the induction of virus replication. After optimizing the transfection procedure by comparing different reagents and conditions, plaque formation was monitored. We could demonstrate that the replication cycle of the wild-type but not of our MCMV mutant that harbored point mutations in both miRNA binding sites within the IE3-3'UTR, was significantly delayed in the presence of miR-m01-2 and miR-M23-2. This confirmed that miR-m01-2 and miR-M23-2 functionally target the major transcription factor IE3 which acts as an indispensable regulator of viral gene expression during MCMV lytic infection. Repression of the major immediate early genes by viral miRNAs is a conserved feature of cytomegaloviruses. The functional role of this type of regulation can now be studied in the MCMV mouse model.
A fine balance of regulatory (T\(_{reg}\)) and conventional CD4\(^+\) T cells (T\(_{conv}\)) is required to prevent harmful immune responses, while at the same time ensuring the development of protective immunity against pathogens. As for many cellular processes, sphingolipid metabolism also crucially modulates the T\(_{reg}\)/T\(_{conv}\) balance. However, our understanding of how sphingolipid metabolism is involved in T cell biology is still evolving and a better characterization of the tools at hand is required to advance the field. Therefore, we established a reductionist liposomal membrane model system to imitate the plasma membrane of mouse T\(_{reg}\) and T\(_{conv}\) with regards to their ceramide content. We found that the capacity of membranes to incorporate externally added azide-functionalized ceramide positively correlated with the ceramide content of the liposomes. Moreover, we studied the impact of the different liposomal preparations on primary mouse splenocytes in vitro. The addition of liposomes to resting, but not activated, splenocytes maintained viability with liposomes containing high amounts of C\(_{16}\)-ceramide being most efficient. Our data thus suggest that differences in ceramide post-incorporation into T\(_{reg}\) and T\(_{conv}\) reflect differences in the ceramide content of cellular membranes.