Einzelzellanalyse der Expression des Angiotensin-konvertierenden Enzyms II in menschlichen Nieren und Harnblasen zeigt einen potenziellen Infektionsweg des neuartigen Coronavirus 2019
Im Jahr 2019 trat ein neuartiges Coronavirus (2019-nCoV), später als SARS-CoV-2 bezeichnet, in Wuhan, China, auf und verbreitete sich rasch weltweit, was zur COVID-19-Pandemie führte. Während die primären Symptome von COVID-19 respiratorischer Natur sind, deuten neuere Erkenntnisse darauf hin, dass das Virus multiple Organsysteme, einschließlich der Nieren, beeinträchtigen kann. Bei einem Teil der COVID-19-Patienten wurde eine akute Nierenschädigung (AKI) beobachtet, was Fragen zu potenziellen Infektionswegen im Harntrakt aufwirft. Diese Studie untersucht die Expression des Angiotensin-konvertierenden Enzyms II (ACE2), des Rezeptors für SARS-CoV-2, in menschlichen Nieren und Harnblasen mittels Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNA-Seq), um die Mechanismen der Nierenschädigung und potenzielle virale Eintrittspforten im Urogenitalsystem zu erforschen.
Hintergrund und Bedeutung
Das 2019-nCoV, das eine 88%ige genomische Übereinstimmung mit fledermausstammigen SARS-ähnlichen Coronaviren aufweist, bindet wie SARS-CoV an ACE2 zur Zellinvasion. ACE2 wird in verschiedenen Geweben exprimiert, darunter Lunge, Nieren und Harnblase. Trotz dominierender respiratorischer Symptome wurde AKI bei 3–10 % der hospitalisierten COVID-19-Patienten berichtet, teilweise mit Nierenversagen. Der Nachweis von SARS-CoV-2 in Urinproben legt eine mögliche Infektion des Harntrakts nahe. Die zugrundeliegenden Mechanismen der Nierenschädigung und die Rolle von ACE2 bleiben jedoch unklar.
Diese Studie nutzt scRNA-Seq-Daten gesunder Nieren und Harnblasen, um ACE2-exprimierende Zelltypen zu identifizieren. Durch Analyse koexprimierter Gene und funktioneller Pathways werden Einblicke in potenzielle Infektionswege und molekulare Schädigungsmechanismen geliefert.
Methoden
Datenakquise und -verarbeitung
Öffentliche scRNA-Seq-Datensätze gesunder Nieren (GSE131685, drei Spender) und Harnblasen (GSE108097, drei Blasenkrebspatienten) wurden aus der Gene Expression Omnibus (GEO)-Datenbank bezogen. Die Nierendaten wurden mit dem Seurat-Paket normalisiert, skaliert und anhand der Top-2000 variabler Gene clusterbasiert analysiert. Die Blasendaten wurden mittels Harmony integriert, um Batch-Effekte zu entfernen.
Nierenprobenverarbeitung
Nierenbiopsien lebender Spender wurden umgehend mit GEXSCOPE®-Gewebekonservierungslösung dissoziiert. Nach Erythrozytenlyse und Zellzählung wurden Einzelzellbibliotheken nach Standardprotokollen sequenziert.
Koexpressions- und Funktionsanalyse
Koexprimierte Gene mit ACE2 wurden mittels Pearson-Korrelationskoeffizienten (r > 0,1; p < 0,01) identifiziert. Pathway-Anreicherungsanalysen erfolgten über GO- und KEGG-Datenbanken. Protein-Protein-Interaktionsnetzwerke wurden mit STRINGdb und Cytoscape visualisiert.
Ergebnisse
ACE2-Expression in Nieren
ACE2 wurde primär in proximalen Tubuluszellen (PT-Zellen) exprimiert, einschließlich proximaler gewundener (PCT) und gerader Tubuli (PST). In drei öffentlichen Datensätzen zeigten 5,12 % (PCT), 5,80 % (PT) und 14,38 % (PST) der Zellen ACE2-Expression. Unabhängige Validierungen bestätigten ACE2 in 12,05 % (PCT), 6,79 % (PT) und 10,20 % (PST). Sammelrohre und distale Tubuli exprimierten kaum ACE2.
ACE2-Expression in Harnblasen
In Blasenepithelzellen war ACE2 schwach nachweisbar, insbesondere in Umbrella-Zellen (1,28 %) und intermediären Zellen (0,25 %). Basal- und Immunzellen exprimierten kaum ACE2.
Funktionelle Analyse koexprimierter Gene
Koexprimierte Gene in PT- und Umbrella-Zellen waren mit Bürstensaummembranen assoziiert und an Pathways wie Renin-Angiotensin-System, bikarbonatabhängiger Reabsorption und Mineralstoffaufnahme beteiligt. PPI-Netzwerke deuteten auf Interaktionen zwischen ACE2 und viralen Eintrittsmechanismen hin.
Diskussion
AKI bei COVID-19 und SARS
Die AKI-Prävalenz bei COVID-19 (3–10 %) ähnelt SARS-Erkrankungen (6,7 % mit hoher Letalität). Der direkte Virusnachweis in Nierengewebe unterstützt eine ACE2-vermittelte Infektion der Tubulusepithelien, was die beobachtete Nierenschädigung erklären könnte.
Urogenitale ACE2-Expression
Die höhere ACE2-Expression in PT-Zellen gegenüber Blasenzellen deutet auf eine größere renale Vulnerabilität hin. Die Detektion in lumenseitigen Umbrella-Zellen unterstreicht das Potenzial für virale Ausscheidung via Urin.
Klinische Implikationen
Die Ergebnisse betonen die Notwendigkeit des Nierenmonitorings bei schweren COVID-19-Verläufen. Die ACE2-Expression im Urogenitaltrakt erfordert Vorsichtsmaßnahmen beim Umgang mit Urinproben infizierter Patienten.
Limitationen
Die Studie beschränkt sich auf gesundes Gewebe, sodass pathologische ACE2-Expressionsmuster unklar bleiben. Fehlende experimentelle Validierung und Patientendaten limitieren kausale Rückschlüsse.
Fazit
Diese bioinformatische Analyse identifiziert PT- und Umbrella-Zellen als potenzielle SARS-CoV-2-Ziele im Urogenitaltrakt. Die Befunde legen nahe, dass COVID-19-assoziierte Nierenschäden durch direkte Virusinfektion ACE2-exprimierender Tubuluszellen verursacht werden könnten. Weitere Forschung zur Validierung und Aufklärung der Pathomechanismen ist erforderlich.
doi.org/10.1097/CM9.0000000000001439