Expansion Revealing of Pathology Resolves Nanostructures Associated with Inflammatory Phenotypes in COVID-19 Decedent Human Brain Tissue

Diese Studie stellt angepasste Expansionsmikroskopie-Protokolle (ExRPath und 15ExMPath) vor, die mit menschlichen pathologischen Proben kompatibel sind, um hochauflösende Bildgebungen von COVID-19-Verstorbenen-Gehirngewebe zu ermöglichen und periodische Amyloid-Nanocluster aufzudecken, die mit SARS-CoV-2 koinzidieren und auf einen neuartigen neuroinflammatorischen Krankheitsmechanismus hindeuten.

Das Wesentliche

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine überfüllte Stadtstraße aus einem Hubschrauber zu betrachten. Von oben können Sie die Gebäude und den allgemeinen Verkehrsfluss erkennen, aber Sie können die Gesichter der Menschen oder die spezifischen Details der Autos nicht ausmachen. Dies ist es, was Wissenschaftler oft vorfinden, wenn sie menschliches Hirngewebe unter einem Mikroskop betrachten: Die Zellen und Proteine sind so dicht gepackt, dass sie wie eine verschwommene, ununterscheidbare Masse wirken.

Um dies zu lösen, entwickelten Forscher eine neue Methode, um „heranzuzoomen", ohne eine bessere Linse zu benötigen. Sie nennen dies Expansion Revealing of Pathology (ExRPath).

So funktioniert es, mit einer einfachen Analogie:

Der Trick mit dem „dehnbaren Stoff"
Stellen Sie sich das Hirngewebe nicht als festen Felsblock vor, sondern als ein sehr dichtes, verwickeltes Stück Stoff. Normalerweise würde der Stoff reißen oder die Fäden abreißen, wenn Sie versuchen, die Fäden auseinanderzuziehen, um zu sehen, was darin gewebt ist, da sie durch die Chemikalien, die zur Konservierung des Gewebes für medizinische Untersuchungen verwendet werden, zusammengeklebt sind.

Die Wissenschaftler haben ein spezielles neues Rezept (ExRPath) entwickelt, das wie ein sanftes, magisches Lösungsmittel wirkt. Es ermöglicht ihnen, das konservierte Hirngewebe in ein Gel zu tränken, das wie ein dehnbare Gummiband wirkt. Wenn sie an diesem Gummiband ziehen, dehnt sich das Gewebe in jede Richtung um das 20-fache aus.

• Davor: Stellen Sie sich einen überfüllten Raum vor, in dem alle Schulter an Schulter stehen. Sie können nicht erkennen, wer neben wem steht.
• Danach: Stellen Sie sich nun vor, dass derselbe Raum plötzlich so expandiert, dass alle 20 Fuß voneinander entfernt sind. Plötzlich können Sie genau erkennen, wer neben wem steht, was sie halten und wie sie interagieren.

Was sie im „überfüllten Raum" fanden
Die Forscher wandten diese neue Dehnungstechnik auf Hirngewebe von Menschen an, die an COVID-19 verstorben waren. Da sie endlich die winzigen Details (bis zur Größe eines Virus) sehen konnten, entdeckten sie bei einigen der Patienten etwas Überraschendes:

Sie fanden winzige, sich wiederholende Cluster eines Proteins namens Amyloid (das oft mit Gehirnentzündungen in Verbindung gebracht wird), die direkt neben dem SARS-CoV-2-Virus saßen.

Das große Ganze
Stellen Sie sich vor, Sie finden eine bestimmte Art von Graffiti (das Amyloid), das direkt auf einen bestimmten Lieferwagen (das Virus) in einigen spezifischen Vierteln gemalt wurde. Dies passiert nicht überall, aber wenn es geschieht, deutet es auf ein spezifisches Muster von Entzündungen im Gehirn hin, das mit dem Virus in Verbindung stehen könnte.

Warum dies wichtig ist
Die Hauptleistung besteht hier nicht nur darin, diese Cluster zu finden; es geht darum zu beweisen, dass wir diesen „dehnbaren" Mikroskop-Trick auf alte, konservierte medizinische Proben anwenden können, die zuvor nicht so genau untersucht werden konnten. Es ist, als würde man ein staubiges, verschlossenes Archiv alter Fotos nehmen und plötzlich die winzige Handschrift auf der Rückseite lesen können, was neue Hinweise darauf liefert, wie die Krankheit das Gehirn beeinflusst.

Kurz gesagt, sagt die Studie: „Wir haben eine Methode entwickelt, um konserviertes Hirngewebe zu dehnen, damit wir die winzigen Details klar sehen können, und dabei haben wir bei einigen Patienten eine spezifische Verbindung zwischen dem COVID-19-Virus und Gehirnentzündungen entdeckt."

Technische Zusammenfassung

Technische Zusammenfassung

Problem
Die Expansion Revealing (ExR) ist eine Technik, die darauf ausgelegt ist, die zelluläre Organisation aufzuklären, indem Proteine innerhalb dichter Nanostrukturen durch eine 20-fache lineare Expansion physisch getrennt werden, wodurch eine Super-Resolution-Bildgebung ermöglicht wird. Eine kritische Einschränkung der Standard-ExR ist jedoch ihre Abhängigkeit von Fixierungsverfahren, die mit formalinfixierten, in Paraffin eingebetteten (FFPE) humanen pathologischen Proben unvereinbar sind. Diese Inkompatibilität hat die Anwendung von ExR auf archiviertes klinisches Gewebe verhindert und insbesondere die Untersuchung nanostruktureller Veränderungen bei humaner Hirnpathologie behindert.

Methodik
Um diese Einschränkungen zu überwinden, entwickelten die Autoren Expansion Revealing of Pathology (ExRPath). Dieses Protokoll passt den iterativen 20-fachen Expansionsprozess so an, dass er mit humanen pathologischen Hirnproben kompatibel ist, erreicht eine Auflösung von etwa 20 nm und ermöglicht das „Entcrowding" dichter Gewebestrukturen. Zusätzlich führten die Autoren ein straffes, Single-Shot-Protokoll ein, das als 15x Expansion of Pathology (15ExMPath) bezeichnet wird und eine 15-fache lineare Expansion in einem einzigen Schritt erreicht. Beide Methoden wurden speziell für die Anwendung auf FFPE-humanem Hirngewebe optimiert.

Hauptbeiträge und Ergebnisse
Die Autoren wandten ExRPath und 15ExMPath auf Hirngewebe an, das von Verstorbenen stammte, die an COVID-19 gestorben waren. Die Hochdurchsatz-Nanoimaging-Fähigkeiten dieser expandierten Protokolle enthüllten spezifische strukturelle Befunde:

• Die Identifizierung periodischer Amyloid-Nanocluster innerhalb des Gewebes.
• Die Beobachtung, dass diese Nanocluster in einer seltenen Minderheit der untersuchten Patientenproben mit SARS-CoV-2 ko-lokalisiert.

Bedeutung
Die Arbeit geht davon aus, dass diese Befunde auf ein potenzielles neuroinflammatorisches Phänotyp im Zusammenhang mit COVID-19 hinweisen. Die Autoren unterstreichen die Bedeutung ihrer Arbeit darin, die Kraft der Expansionsmikroskopie zu demonstrieren, die – angepasst für die Hochdurchsatz-Nanoimaging von klinischen Proben – potenzielle neue Krankheitsmechanismen aufdecken kann, die zuvor aufgrund der Auflösungsgrenzen der konventionellen Pathologie und der Inkompatibilität standardisierter Expansionsprotokolle mit archiviertem humanem Gewebe unzugänglich waren.