Einleitung Eine Infektion mit dem neuartigen Erreger SARS-CoV-2 verursacht COVID-19 und geht in mehr als einem Drittel der Fälle mit einem breiten Spektrum neurologischer Symptome einher, deren Ätiopathogenesen bisher nicht vollumfänglich geklärt sind. Riech- und Geschmacksstörungen, insbesondere die Anosmie und Ageusie, sind für einen Teil der Patienten*innen sogar die führenden Symptome einer SARS-CoV-2-Infektion. Die Rezeptionszone des olfaktorischen Systems wird als Riechschleimhaut bezeichnet und bedeckt die obere Nasenmuschel direkt unterhalb der Siebplatte. In Anbetracht des direkten Kontaktes von neuralen/neuronalen Zellen mit der Umwelt stellt die Riechschleimhaut eine Schnittstelle und somit eine potentielle Eintrittspforte von SARS-CoV-2 in das ZNS dar.
Methodik In der vorliegenden Arbeit erfolgte eine systematische postmortem Untersuchung des ZNS sowie peripherer Gewebeproben aus dem Respirationstrakt von Personen, die infolge einer SARS-CoV-2-Infektion verstorben sind. Mittels der Korrelation klinischer Daten und (neuro-)pathologischer Untersuchungen wurden SARS-CoV-2-spezifische Veränderungen des ZNS ermittelt. Zur Quantifizierung pro- und antiinflammatorischer Zytokine im Liquor der Verstorbenen wurde ein humaner Zytokin Array (Bio-techne) durchgeführt. Der Nachweis von SARS-CoV-2-RNA sowie subgenomischer (sg)RNA, als Surrogat aktiver Virusreplikation, erfolgte mittels quantitativer Echtzeit-Polymerase-Kettenreaktion (qPCR). Zur Charakterisierung des Tropismus von SARS-CoV-2 wurde die RNAscope® in situ Hybridisierung (ISH), Immunhistochemie (IHC) und Elektronenmikroskopie genutzt.
Ergebnisse Akute thromboembolische ischämische Infarkte (n=13/86; 15%) und frische Blutungen (n=13/86; 15%) sowie eine starke angeborene Immunantwort, vermittelt durch HLA-DR+ Mikroglia mit korrelierender Erhöhung proinflammatorischer Mediatoren wie IL-6, IL-18, CCL2 und sICAM-1 im Liquor, sind die führenden Veränderungen im ZNS. Die höchste Viruslast ließ sich mittels qPCR in der Riechschleimhaut detektieren. SgRNA fand sich am häufigsten in der Riechschleimhaut (n=18/57) und Uvula (n=8/45); es ergab sich kein Nachweis von sgRNA im ZNS. Die Viruslast korreliert invers mit der Erkrankungsdauer der Patienten*innen (r=-0,5; P=0,006). Im Riechepithel - hier in Kolokalisation mit neuralen/neuronalen Zellen - sowie in den cerebralen Gefäßendothelzellen fand sich eine distinkte Immunreaktivität für SARS-CoV Spike-Protein. Mittels RNAscope® ISH gelang es SARS-CoV-2 RNA innerhalb des Riechepithels darzustellen. Ultrastrukturell konnten wir elektronenmikroskopische Aufnahmen intakter Coronaviruspartikel in der Riechschleimhaut anfertigen.
Schlussfolgerung Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass SARS-CoV-2 die Nervenzellen der Riechschleimhaut als Eintrittspforte in das Gehirn benutzen kann. Eine SARS-CoV-2-Infektion führt im ZNS zu einer Immunantwort mit Aktivierung von HLA-DR+ Mikroglia und erhöhten Spiegeln von Entzündungsmediatoren.
Introduction The newly identified severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) causes Coronavirus disease 2019 (COVID-19) which is accompanied by a broad spectrum of neurological manifestations in more than one-third of COVID-19 cases. For the latter, olfactory and gustatory disturbances such as anosmia and ageusia, are often leading symptoms of SARS-CoV-2 infection. The reception area of the human olfactory system is known as the olfactory mucosa and covers the upper turbinate directly underneath the cribriform plate. Given the close proximity of neural/neuronal cells and the environment the olfactory mucosa as a neural-mucosal interface may represent a potential port of CNS entry for SARS-CoV-2.
Methods Here, we systematically investigated postmortem tissue of the CNS and respiratory tract from individuals with COVID-19. Based on the correlation of clinical data and (neuro-)pathological examinations, SARS-CoV-2-specific morphological changes were determined. To quantify pro- and anti-inflammatory cytokines in the cerebrospinal fluid (CSF) of the deceased, a human cytokine array (Bio-techne) was performed. Detection of SARS-CoV-2 RNA, including subgenomic (sg)RNA as a surrogate of active virus replication, was performed using quantitative real-time PCR (qPCR). By various means, such as RNAscope® in situ hybridization (ISH), immunohistochemistry and electron microscopy, we further characterized the CNS tropism of SARS-CoV-2 and the consequences thereof.
Results Acute thromboembolic ischemic infarcts (n=13/86; 15%) and a strong innate immune response, mediated by HLA-DR+ microglia with a linked increase in proinflammatory mediators such as IL-6, IL-18, CCL2 and sICAM-1 in the CSF, are leading alterations in the CNS. The highest levels of viral RNA for SARS-CoV-2 were found within the olfactory mucosa. SgRNA was most frequently found in the olfactory mucosa (n=18/57) and uvula (n=8/45), although there was no evidence of sgRNA in the CNS. An inverse correlation between the duration of illness and viral load could be determined (r=-0,5; P=0,006). Besides, a distinct immunoreactivity for SARS-CoV Spike (S) protein was found in the olfactory epithelium – here co-localizing with neural/neuronal cells - and within cerebral endothelial cells. Using RNAscope® ISH, SARS-CoV-2 RNA was successfully detected within the olfactory epithelium. We were also able to illustrate intact coronavirus particles in the olfactory mucosa ultrastructurally.
Conclusion The results indicate that SARS-CoV-2 can enter the nervous system by crossing the neural-mucosal interface in the olfactory mucosa. SARS-CoV-2 infection results in an innate immune response with activation of HLA-DR+ microglia and increased levels of inflammatory mediators in the CNS.
