Coronavirus SARS-CoV-2 infecteert cellen van de darm

Onderzoekers van het Hubrecht Institute in Utrecht, Erasmus MC Universitair Medisch Centrum Rotterdam en Universiteit Maastricht hebben ontdekt dat het coronavirus SARS-CoV-2, dat COVID-19 veroorzaakt, darmcellen kan infecteren en zich daar kan vermenigvuldigen. Met behulp van de modernste celkweekmodellen van de menselijke darm, hebben de onderzoekers het virus met succes in vitro vermeerderd en de reactie van de cellen op het virus onderzocht. Dit heeft een nieuw celkweekmodel voor het bestuderen van COVID-19 opgeleverd. De resultaten verklaren mogelijk waarom een derde van de COVID-19 patiënten maagdarmklachten heeft, zoals diarree, en het feit dat het virus vaak kan worden teruggevonden in ontlastingsmonsters. De resultaten van deze studie zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Science op 1 mei 2020.

Patiënten met COVID-19 vertonen verschillende symptomen in relatie tot de ademhalingsorganen – zoals hoesten, niezen, kortademigheid en koorts – en de ziekte wordt overgedragen via kleine druppeltjes die voornamelijk worden verspreid door hoesten en niezen. Een derde van de patiënten heeft echter ook maagdarmklachten, zoals misselijkheid en diarree. Bovendien kan het virus lang na het verdwijnen van de ademhalingssymptomen nog in de menselijke ontlasting worden opgespoord. Dit suggereert dat het virus zich ook kan verspreiden via zogenaamde “fecaal-orale besmetting”.

Hoewel de ademhalingsorganen en organen van het maagdarmkanaal erg verschillend lijken, zijn er enkele belangrijke overeenkomsten. Een bijzonder interessante overeenkomst is de aanwezigheid van de ACE2-receptor, de receptor waardoor het SARS-CoV-2 virus, dat COVID-19 veroorzaakt, de cellen kan binnendringen. De binnenkant van de darm zit vol met ACE2-receptoren. Tot nu toe was echter niet bekend of darmcellen daadwerkelijk geïnfecteerd konden raken en virusdeeltjes konden produceren.

Darmorganoïden
Onderzoekers van het Hubrecht Institute, Erasmus MC en Universiteit Maastricht onderzochten of het SARS-CoV-2 virus de cellen van de darmwand rechtstreeks kan infecteren en zo ja, of het virus zich daar ook kan vermenigvuldigen. Ze gebruikten menselijke darmorganoïden: minuscule versies van de menselijke darm die in het laboratorium kunnen worden gekweekt. Hans Clevers (Hubrecht Institute): “Deze organoïden bevatten de cellen van de menselijke darmwand, waardoor ze een aantrekkelijk model zijn om infectie door SARS-CoV-2 te onderzoeken.”

Coronavirus SARS-CoV-2 (donkere rondjes) aan de rand van een darmcel (in de hoek links onder). Beeld: Kèvin Knoops, copyright: Universiteit Maastricht

Infectie van darmcellen
Toen de onderzoekers het virus aan de organoïden toevoegden, raakten ze al snel geïnfecteerd. Het virus dringt een deel van de cellen in de darmorganoïden binnen en het aantal geïnfecteerde cellen neemt naar verloop van tijd toe. Met behulp van elektronenmicroscopie, een geavanceerde manier om verschillende componenten van de cel tot in detail te visualiseren, vonden de onderzoekers virusdeeltjes binnen en buiten de cellen van de organoïden. Peter Peters (Universiteit Maastricht): “Door de lockdown hebben we allemaal op afstand vanuit huis virtuele dia’s van de geïnfecteerde organoïden bestudeerd.”

Darmorganoïden, de rechter geïnfecteerd met coronavirus SARS-CoV-2. Het coronavirus is wit gekleurd, de organoïden zelf zijn blauw en groen gekleurd. Beeld: Joep Beumer, copyright Hubrecht Institute

De onderzoekers onderzochten de respons van de darmcellen op het virus met RNA-sequencing, een methode om te onderzoeken welke genen in de cellen actief zijn. Hieruit bleek dat zogenaamde interferon-gestimuleerde genen actief werden. Het is bekend dat deze genen een virale infectie bestrijden. Toekomstig werk zal zich richten op het verder bestuderen van deze genen en hoe ze kunnen worden gebruikt om nieuwe behandelingen te ontwikkelen.

De onderzoekers kweekten de organoïden ook onder verschillende omstandigheden die ervoor zorgen voor cellen met hogere en lagere niveaus van de ACE2-receptor, die SARS-CoV-2 gebruikt om de cellen binnen te dringen. Tot hun verbazing ontdekten ze dat het virus cellen met zowel hogere als lagere niveaus van de ACE2-receptor infecteerde. Uiteindelijk kunnen deze onderzoeken leiden tot nieuwe manieren om tegen te gaan dat het virus onze cellen binnendringt.

Implicaties
Bart Haagmans (Erasmus MC): “De resultaten van dit onderzoek zijn een duidelijk bewijs dat SARS-CoV-2 zich kan vermenigvuldigen in cellen van het maagdarmkanaal. We weten echter nog niet of SARS-CoV-2 in de darmen van COVID-19 patiënten een significante rol speelt bij de overdracht tussen personen. Onze bevindingen geven wel aan dat we deze mogelijkheid moeten onderzoeken.” De huidige studie sluit aan bij andere recente studies die lieten zien dat een groot deel van de COVID-19 patiënten maagdarmklachten heeft en dat het virus in de ontlasting van patiënten zonder ademhalingssymptomen gevonden kan worden. Er moet mogelijk extra gelet worden op patiënten met maagdarmklachten. Uitgebreider testen met niet alleen neus- en keeluitstrijkjes, maar ook rectale uitstrijkjes of ontlastingsmonsters kan dus nodig zijn.

Ondertussen zetten de onderzoekers hun samenwerking voort om meer te weten te komen over COVID-19. Ze onderzoeken de verschillen tussen long- en darminfecties door long- en darmorganoïden die zijn geïnfecteerd met SARS-CoV-2 te vergelijken.

~~~

Publicatie
SARS-CoV-2 productively Infects Human Gut Enterocytes. Mart M. Lamers*, Joep Beumer*, Jelte van der Vaart*, Kèvin Knoops, Jens Puschhof, Tim I. Breugem, Raimond B.G. Ravelli, J. Paul van Schayck, Anna Z. Mykytyn, Hans Q. Duimel, Elly van Donselaar, Samra Riesebosch, Helma J.H. Kuijpers, Debby Schipper, Willine J. van de Wetering, Miranda de Graaf, Marion Koopmans, Edwin Cuppen, Peter J. Peters, Bart L. Haagmans† en Hans Clevers†. Science 2020.
* Gelijke bijdrage, † gelijke bijdrage.

Deze studie was een samenwerking tussen het Hubrecht Institute in Utrecht, Erasmus MC Universitair Medisch Centrum Rotterdam, Universiteit Maastricht, UMC Utrecht en Single Cell Discoveries. De microscoopdata zijn vrij beschikbaar via de Image Data Resource (idr0083, https://idr.openmicroscopy.org – met hulp van de University of Dundee en het European Bioinformatics Institute) en de genomische data zijn vrij beschikbaar via de Gene Expression Omnibus (GSE149312, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo), om ervoor te zorgen dat data gerelateerd aan COVID-19 efficient gedeeld kunnen worden met onderzoekers over de hele wereld.

Hans Clevers is groepsleider bij het Hubrecht Institute en het Prinses Máxima Centrum voor kinderoncologie, hoogleraar Moleculaire Genetica bij het UMC Utrecht en de Universiteit Utrecht, en Oncode Investigator.

Bart Haagmans is groepsleider bij de Viroscience afdeling aan het Erasmus MC Universitair Medisch Centrum Rotterdam.

Peter Peters is directeur en groepsleider aan het Maastricht Multimodal Molecular Imaging Institute (M4i) en hoogleraar Nanobiologie aan de Universiteit Maastricht en Maastricht Universitair Medisch Centrum.