Neuropathologische Veränderungen bei SARS-CoV-2-Autopsiefällen

Abstract

Obwohl die vorherrschende Klinik der COVID-19-Erkrankung die Atemwege betrifft, werden häufig neurologische Beschwerden beobachtet. Charakteristische Frühsymptome einer Infektion sind Anosmie und Dysgeusie. Die häufigste schwerwiegende neurologische Komplikation sind cerebrovaskuläre Ereignisse. In der Literatur werden Mikrogliose, Astrogliose und hypoxisch-ischämische Läsionen als häufigste neuropathologische Veränderungen beschrieben. Der direkte Nachweis von SARS-CoV-2 im ZNS ist in bisherigen Studien nur inkonsistent geglückt. Die vorliegende Dissertation stellt eine neuropathologische Aufarbeitung von 17 in den Jahren 2020 und 2021 am Universitätsklinikum des Saarlandes durchgeführten Autopsien von COVID-19-Patienten dar. Zielsetzung dieser Arbeit war eine neuropathologische Befundung und das Herausarbeiten eines gemeinsamen Läsionsmusters. Zum Einsatz kamen immunhistochemische Nachweismethoden und eine semiquantitative Auswertung durch zwei Untersucher. Ein besonderes Augenmerk wurde auf die in der Literatur beschriebene Mikroglia-Makrophagen-Aktivierung mit dem lysosomalen Marker CD68 gelegt. Als Referenz wurde eine Kontrollgruppe von fünf Autopsiefällen ohne SARS-CoV-2-Infektion ausgewertet. Ein immunhistochemischer Nachweis von Virusmaterial wurde mit kommerziell erhältlichen Antikörpern angestrebt. Die neuropathologische und statistische Auswertung ergab folgende Ergebnisse: Die CD68- Immunreaktion zeigte eine Reaktion im ZNS mit einer diffusen mikroglialen und einer perivaskulären Makrophagen-Komponente. Insgesamt war die diffuse Mikroglia-Aktivität im Bereich der Kleinhirnkerne am stärksten, gefolgt von der weißen Substanz der corticalen Areale und dem Hirnstamm-Bereich mit den Kerngebieten im Pons. Die COVID-19-Neuropathologie war damit im Besonderen eine Pathologie der weißen Substanz und des Hirnstamms. Die perivaskuläre Komponente folgte der diffusen Mikroglia-Aktivität in der Verteilung, zeigte aber über die Areale hinweg geringere Abweichung in der Intensität. Die Mikroglia-Reaktion mit der perivaskulären Makrophagen- und diffusen Komponente war in den COVID-19-Fällen deutlich erhöht gegenüber der Kontrollgruppe. Es bestand keine eindeutige Korrelation zwischen dem Ausprägungsgrad neuropathologischer Läsionen und der Krankheitsschwere der COVID-19-Infektion. Bei 10 Patienten (ca. 59%) traten Makrophagen-Cluster auf, zumeist ebenfalls in der weißen Substanz des Großhirns und der weißen Substanz des Hirnstamms. Die Cluster-Bildung stellte die Maximalausprägung der Mikroglia- und Makrophagen-Reaktion dar. Personen, die „mit“ SARS-CoV-2 verstorben waren bei anderer führender Todesursache, zeigten eine nur unwesentlich geringere Schädigung bei gleichem Läsionsmuster. Der neuropathologische Schaden einer schweren Influenza-Erkrankung mit intensivmedizinischer Behandlung und Beatmung war vergleichbar mit dem Läsionsmuster schwerer COVID-19-Verläufe. Durch Hypoxie verursachte Läsionen waren klar von der COVID-19-assoziierten Pathologie abgrenzbar. Ebenso unterschied sich das COVID-19-assoziierte Läsionsmuster gegenüber kardiopulmonal-reanimierten Kontrollpatienten. Das Läsionsmuster von Post-COVID-Patienten war gegenüber akuten COVID-19-Infektionen geringer. Es gelang kein belastbarer Virusnachweis im zentralen Nervensystem.

Although COVID-19 is widely considered a respiratory disease, neurological symptoms are commonly reported. Characteristic early signs of infection are anosmia and dysgeusia, most severe complications include cerebrovascular events. Neuropathological findings in autopsies include microgliosis, astrogliosis and hypoxic-ischemic lesions, according to literature. Detection of nucleic acid or viral proteins of SARS-CoV-2 in the central nervous system has been inconsistent in previous studies. This dissertation aimed to investigate neuropathological features of 17 COVID-19 patients who died in 2020 and 2021 and were autopsied at Saarland University Medical Center (Homburg, Germany). Goal of this study was to compile neuropathological findings and establish common lesion patterns. Detection was carried out using immunohistochemistry and sections were evaluated in a semiquantitative categorization by two observers. The lysosomal marker CD68 was used to evaluate microglial and macrophage activation, which has been described in literature. For comparison, a control group of SARS-CoV-2 negative patients was analyzed. Detection of viral proteins was attempted through multiple commercially available antibodies for immunohistochemistry. Neuropathological and statistical analysis yielded the following results: CD68-positive immunoreactivity showed inflammatory activity in the central nervous system with diffuse microglial activity and perivascular macrophage activation. Diffuse microglial activity was most distinct in cerebellar nuclei, followed by white matter areas of the cerebrum and the brain stem surrounding pontine nuclei. COVID-19 neuropathology appeared as a pathology of the white matter and brain stem. Perivascular macrophage activity followed the same distribution but showed less variation in lesion intensity. Microglial activity and perivascular macrophage activation was elevated in COVID-19 patients compared to control patients. There was no correlation between intensity of neuropathological lesions and severity of COVID-19 disease. In 10 patients (ca. 59%), macrophage clusters could be observed, most frequently in the white matter of the cerebrum and the white matter of the brain stem. Formation of clusters was identified as the end stage of microglial and macrophage activation. Patients that were infected with SARS-CoV-2 but died of other diseases showed slightly less microglia-macrophage activity and the same lesion pattern. Neuropathological damage of a severe Influenza-infection with intensive care treatment and ventilation was comparable to severe COVID-19 neuropathology. Lesion patterns of hypoxia differed substantially from described COVID-19 neuropathology, as did lesion patterns of control patients after cardio-pulmonary reanimation. Microglial and macrophage activation was less pronounced in Post-COVID-19 patients compared to acute infections. Detection of viral material in the central nervous system was inconclusive.