Mikroskopische Viskoelastizität von COVID-19-Plasma & Serum

Blut Plasma (der flüssige Blutanteil ohne rote Blutkörperchen) von COVID-19 Patienten hat oftmals eine deutlich höhere Viskosität ("Klebrigkeit"). Diese steht in einem direkten Zusammenhang mit vielen Todesfällen. Jedoch ist das Messen der Viskosität sehr zeitaufwändig und kompliziert. In diesem Projekt, geleitet von Dr. Kareem Elsayad, wird in Zusammenarbeit mit Doz. Alexander Zoufaly, Dr. Tamara Seitz, und Prof. Manuela Födinger von der Klinik Favoriten, sowie Prof. Judith Aberle von der Medizinischen Universität Wien, eine hoch-auflösende spektroskopische Methode entwickelt. Dabei wird die Viskosität des Plasmas in weniger als einer Sekunde gemessen, und es werden dabei Effekte von sämtlichen Faktoren wie unter anderem der Temperatur und chemischen Zusammensetzung für prognostische Anwendungen erforscht.

Dieses Projekt untersuchte das Potenzial der Nutzung einer lichtstreuenden spektroskopischen Methode - der sogenannten Brillouin-Lichtstreuung- zur Messung mechanischer Materialeigenschaften, um Anomalien im Blutplasma von COVID-19-Patienten zu identifizieren. Es wurde zuvor berichtet, dass COVID-19-Patienten eine deutlich höhere Scherviskosität des Blutplasmas aufweisen als gesunde Personen; unklar war jedoch, inwieweit dies auch für die mit Brillouin-Lichtstreuung gemessene longitudinale Viskosität gilt. Unsere Untersuchungen ergaben, dass bei Patienten mit schwerer COVID-19-Erkrankung im Durchschnitt eine erhöhte longitudinale Plasmaviskosität vorliegt, wobei besonders auffällig war, dass sie eine einzigartige Temperaturabhängigkeit zeigte. Das anomale Verhalten trat oberhalb von etwa 38C auf und war bei schweren Krankheitsverläufen ausgeprägter. Hochauflösende Brillouin-Konfokalmikroskopie-Karten zeigten, dass dieses Verhalten mit dem Auftreten mechanisch unterscheidbarer Strukturen von mehreren Mikrometern Durchmesser einherging. Die Temperaturabhängigkeit ließ sich qualitativ mit einem einfachen Modell der longitudinalen Viskosität beschreiben, das von einer zunehmenden Präsenz kleiner Einschlüsse bei höheren Temperaturen ausgeht. Feine Anomalien in der Temperaturabhängigkeit der Scherviskosität von Plasma schwerer COVID-19-Fälle konnten durch ein analoges Modell erklärt werden. Die genaue Natur dieser Einschlüsse ist noch ungeklärt; es wird vermutet, dass es sich um ungeordnete Fibringerinnsel handeln könnte, die bereits in Blutproben schwer erkrankter Patienten beschrieben wurden. Neuere Untersuchungen deuten darauf hin, dass diese Anomalien bei einem Teil der sogenannten Long-COVID-Patienten bestehen bleiben und somit ein potenziell nützliches Diagnosewerkzeug darstellen könnten - sowohl zur Einschätzung der COVID-19-Schwere und von Long COVID als auch für ähnliche Infektionen. Die Brillouin-Streuungsmikroskopie bietet dabei mehrere Vorteile gegenüber anderen Methoden: Sie ist markierungsfrei, schnell (weniger als eine Minute pro Messung) und erfordert nur ein sehr kleines Plasmavolumen (wenige Mikroliter). Für den Einsatz in diagnostischen Anwendungen haben wir fasergekoppelte Handsonden entwickelt, die Proben direkt in kleinen Reagenzgläsern messen können, ohne dass eine Probenmontage nötig ist. Wir haben auch gemeinsam mit führenden internationalen Forschern Kalibrierstandards und Konsensrichtlinien zur Messung und Analyse von Brillouin-Lichtstreuung-Daten initiiert und veröffentlicht, um reproduzierbare Ergebnisse zwischen Laboren sicherzustellen und den Weg zur medizinischen Anwendung zu ebnen. Insgesamt zeigte das Projekt erfolgreich, dass die Brillouin-Lichtstreuung an Biofluiden - insbesondere die Messung der longitudinalen Viskosität - als ein qualitativer Ersatz für die üblicherweise bestimmte Scherviskosität dienen kann, jedoch zusätzliche Informationen liefert, die empfindlicher auf kleine Einschlüsse reagieren. Dies eröffnet diagnostisches und prognostisches Potenzial.