Ermittlung der Anfälligkeit GFAP-exprimierender Zellen für SARS‑CoV‑2-Infektion mithilfe humaner iPSC-abgeleiteter Neuralzellen

Wie ein COVID‑19‑Virus Gehirnzellen erreichen kann

Viele Menschen mit COVID‑19 berichten über Beschwerden wie Kopfschmerzen, Geruchsverlust, Verwirrung oder anhaltende „Gehirnnebel“. Diese Symptome deuten darauf hin, dass das für COVID‑19 verantwortliche Virus, SARS‑CoV‑2, in manchen Fällen das Gehirn beeinflussen kann. Es war jedoch schwierig zu untersuchen, welche Gehirnzellen genau gefährdet sind und auf welchem Weg das Virus Fuß fasst. Diese Studie baut ein schnelles, auf menschlichen Zellen basierendes Labor-Modell von Hirngewebe auf, um eine einfache, aber wichtige Frage zu stellen: Welche Hirnzellen sind am verwundbarsten gegenüber SARS‑CoV‑2, und was könnte diese Verwundbarkeit erklären?

Bau einer Mini‑Gehirnzellschicht in einer Petrischale

Die Forscher begannen mit humanen induzierten pluripotenten Stammzellen, also somatischen Zellen, die zurück in einen flexiblen, embryoähnlichen Zustand reprogrammiert wurden. Mit einer schrittweisen Rezeptur aus Wachstumsfaktoren und Nährstoffen förderten sie innerhalb von nur zwei Wochen die Reifung dieser Zellen zu einer flachen, zweidimensionalen Schicht gehirnähnlicher Zellen. Eine sorgfältige Gen‑„Fingerabdruck“-Analyse auf Einzelzellebene zeigte, dass diese Schicht eine Mischung von Zelltypen enthielt, wie sie typischerweise in der äußeren Schicht des Gehirns vorkommen, einschließlich mehrerer Arten von Neuronen und Stützzellen. Bemerkenswerterweise ähnelte die Vielfalt der Zelltypen nach nur 14 Tagen derjenigen in deutlich älteren, dreidimensionalen Gehirnorganoiden, für deren Wachstum normalerweise viele Monate erforderlich sind.

Abgleich des schnelleren Modells mit komplexen Gehirnorganoiden

Um die Realitätsnähe ihres neuen Systems zu beurteilen, verglich das Team dessen Genaktivitätsmuster mit denen zuvor publizierter Gehirnorganoide, die sechs bzw. zehn Monate kultiviert wurden. Beide Systeme teilten viele der gleichen großen Zellgruppen, wie radiale Glia (unreife Stützzellen), exzitatorische und inhibitorische Neuronen sowie frühstadiale Neuronen. Ein wichtiger Unterschied war, dass das schnelle 2D‑Modell mehr Interneurone und Astrozyten — eine sternförmige Helferzelle — enthielt als die älteren Organoide. Dieser Kompromiss legt nahe, dass die 2D‑Kulturen zwar nicht die vollständige 3D‑Architektur des Gehirngewebes nachbilden, aber in kurzer Zeit eine reiche Mischung von Zellidentitäten abbilden und sich damit besonders für schnelle Studien während aufkommender Ausbrüche eignen.

Nachverfolgung, welche Gehirnzellen das Virus bevorzugt

Das Team setzte diese gemischten Hirnzellkulturen anschließend unterschiedlichen SARS‑CoV‑2‑Stämmen aus, darunter dem ursprünglichen Wuhan‑Virus und einer Alpha‑Variante, und beobachtete die Vorgänge über die folgenden drei Tage. Das Virus konnte die 2D‑neuralen Kulturen infizieren und neue Virusteilchen produzieren, während eine üblicherweise verwendete Nervenzelllinie (SH‑SY5Y) keine Infektion zuließ. Obwohl weniger als 2 Prozent der Zellen Infektionsanzeichen zeigten, war die Menge an Virus im Kulturmedium beträchtlich. Als die Wissenschaftler für virale Proteine zusammen mit Markern für verschiedene Hirnzeltypen färbten, fanden sie heraus, dass die Infektion vorwiegend in Zellen auftrat, die ein Protein namens GFAP exprimieren — charakteristisch für astrozytenähnliche Zellen — und nicht in Neuronen.

Suche nach der viralen Eintrittstür an Astrozyten

SARS‑CoV‑2 tritt üblicherweise in Zellen ein, indem es an ein Protein namens ACE2 bindet, wobei oft andere Faktoren an der Zelloberfläche unterstützen. Überraschenderweise waren die gemessenen ACE2‑ und verwandten Eintrittsfaktoren in der gesamten Kultur sehr niedrig, und es gab kaum Unterschiede zwischen den empfänglichen 2D‑Gehirnzellen und den resistenten SH‑SY5Y‑Zellen. Nur etwa 2 Prozent der Zellen zeigten nachweisbares ACE2‑Protein, und diese überlappten nicht mit GFAP‑positiven astrozytenähnlichen Zellen. Um ein klareres Bild zu erhalten, kehrte das Team zur Einzelzell‑Genexpressionsanalyse zurück und untersuchte ein breiteres Panel potenzieller Eintrittsgenen. Hier fielen Astrozyten‑Cluster durch deutlich höhere Werte eines Gens namens BSG auf, das das Oberflächenprotein CD147 kodiert, sowie durch HSPA5, ein weiteres vorgeschlagenes Hilfsprotein für den viralen Eintritt. Dieses Muster legt nahe, dass SARS‑CoV‑2 in diesem Modell alternative Eintrittswege auf astrozytenähnlichen Zellen ausnutzen könnte, statt primär auf ACE2 angewiesen zu sein.

Was das für das Gehirn und COVID‑19 bedeutet

In diesem vereinfachten humanen Hirnzellmodell kann SARS‑CoV‑2 Zellen infizieren, konzentriert sich dabei aber vorwiegend auf astrozytenähnliche Zellen mit hohen BSG‑Spiegeln, während die meisten Neuronen verschont bleiben und keine starke, großflächige Entzündungsreaktion auslösen. Für Nicht‑Spezialisten ist die wichtigste Erkenntnis, dass das Virus offenbar bestimmte Stützzellen im Gehirn erreichen und infizieren kann und dass ein alternatives Oberflächenprotein, CD147 (kodiert durch das BSG‑Gen), dabei als Türöffner dienen könnte. Das Modell bildet noch nicht alle Merkmale des lebenden Gehirns ab, etwa Blutgefäße oder Immunzellen, bietet aber eine schnelle und realistische Möglichkeit, zu untersuchen, wie COVID‑19 die Gehirnfunktion stören könnte, und Ansätze für Langzeit‑COVID sowie andere anhaltende neurologische Effekte zu testen.

Zitation: Asavapanumas, N., Chaiwijit, P., Suksatu, A. et al. Identifying GFAP-expressing cell susceptibility to SARS-CoV-2 infection using human iPSC-derived neural cells. Sci Rep 16, 10433 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41177-z

Schlüsselwörter: COVID‑19 und Gehirn, SARS‑CoV‑2 Neurotropismus, Astrozyten, Gehirnorganoide und iPSCs, virale Eintrittsrezeptoren