Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, показывает, как вирусный токсин, продуцируемый вирусом SARS-CoV-2, может способствовать развитию тяжелых инфекций COVID-19.

Исследование показывает, как часть « спайкового » белка SARS-CoV-2 может повреждать клеточные барьеры, которые выстилают внутреннюю часть кровеносных сосудов в органах тела, таких как легкие, способствуя тому, что известно как утечка из сосудов . Блокирование активности этого белка может помочь предотвратить некоторые из самых смертоносных симптомов COVID-19, включая отек легких, который способствует развитию острого респираторного дистресс-синдрома (ОРДС).

«Теоретически, целенаправленно воздействуя на этот путь, мы могли бы блокировать патогенез, который приводит к сосудистым расстройствам и острому респираторному дистресс-синдрому, без необходимости воздействовать на сам вирус », — сказал ведущий автор исследования Скотт Биринг, научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли. . «В свете всех появляющихся различных вариантов и сложности предотвращения заражения каждым из них в отдельности, может быть полезно сосредоточиться на этих триггерах патогенеза в дополнение к полному блокированию инфекции».

В то время как многие скептики в отношении вакцин разжигают опасения по поводу потенциальной опасности шиповидного белка SARS -CoV-2, который является мишенью мРНК-вакцин против COVID-19, исследователи говорят, что их работа не дает доказательств того, что шиповидный белок может вызывать симптомы в отсутствие вируса. вирусной инфекции. Вместо этого их исследование предполагает, что шиповидный белок может работать в тандеме с вирусом и собственным иммунным ответом организма, вызывая опасные для жизни симптомы.

Кроме того, количество шиповидного белка, циркулирующего в организме после вакцинации, гораздо менее концентрировано, чем количество, которое наблюдалось у пациентов с тяжелой формой COVID-19 и которое использовалось в исследовании.

«Количество шиповидного белка, которое содержится в вакцине, никогда не сможет вызвать утечку», — сказала старший автор исследования Ева Харрис, профессор инфекционных заболеваний и вакцинологии в Калифорнийском университете в Беркли. «Кроме того, нет никаких доказательств того, что [белок спайка] является патогенным сам по себе. Идея состоит в том, что он может способствовать и способствовать продолжающейся инфекции».

Изучая влияние шиповидного белка SARS-CoV-2 на клетки легких и сосудов человека , а также на легкие мышей, исследовательская группа смогла выявить молекулярные пути, которые позволяют шиповидному белку разрушать критические внутренние барьеры в организме. . Помимо открытия новых возможностей для лечения тяжелой формы COVID-19, понимание того, как шиповидный белок способствует утечке из сосудов, может пролить свет на патологию, лежащую в основе других возникающих инфекционных заболеваний.

«Мы думаем, что многие вирусы, вызывающие тяжелые заболевания, могут кодировать вирусный токсин», — сказал Биринг. «Эти белки, независимо от вирусной инфекции, взаимодействуют с барьерными клетками и вызывают нарушение работы этих барьеров. Это позволяет вирусу диссеминировать, а амплификация вируса и утечка из сосудов — вот что вызывает тяжелое заболевание. Я надеюсь, что мы сможем использовать принципы, которым мы научились у вируса SARS-CoV-2, чтобы найти способы блокировать этот патогенез, чтобы мы были более подготовлены к следующей пандемии».

Как шиповидный белок вызывает утечку из сосудов

Сосудистая утечка возникает, когда разрушаются клетки, выстилающие кровеносные сосуды и капилляры, что приводит к утечке плазмы и других жидкостей из кровотока. В дополнение к поражению легких и сердца, наблюдаемому при тяжелом течении COVID-19, утечка из сосудов может также привести к гиповолемическому шоку, основной причине смерти от лихорадки денге.

Перед пандемией COVID-19 Биринг и другие участники Исследовательской программы Харриса изучали роль белка NS1 вируса денге в инициировании сосудистой утечки и содействии гиповолемическому шоку. Когда разразилась пандемия, команда задалась вопросом, может ли аналогичный вирусный токсин в SARS-CoV-2 также способствовать развитию острого респираторного дистресс-синдрома , от которого умирали пациенты с COVID-19.

«Люди знают о роли бактериальных токсинов, но концепция вирусного токсина все еще остается новой идеей», — сказал Харрис. «Мы идентифицировали этот белок, секретируемый клетками, инфицированными вирусом денге, который даже в отсутствие вируса способен вызывать проницаемость эндотелия и нарушать внутренние барьеры. Поэтому мы задались вопросом, может ли белок SARS-CoV-2, такой как шип, могли бы делать подобные вещи».

Спайковые белки покрывают внешнюю поверхность SARS-CoV-2, придавая вирусу узловатый вид. Они играют решающую роль, помогая вирусу заразить своих хозяев: шиповидный белок связывается с рецептором под названием ACE2 на клетках человека и других млекопитающих, что, подобно ключу, поворачивающему замок, позволяет вирусу проникнуть в клетку и захватить клеточную функцию. Вирус SARS-CoV-2 теряет большую часть спайкового белка, содержащего рецептор-связывающий домен (RBD), когда он заражает клетку.

«Что действительно интересно, так это то, что циркулирующий шиповидный белок коррелирует с тяжелыми случаями COVID-19 в клинике», — сказал Биринг. «Мы хотели спросить, способствовал ли этот белок какой-либо утечке из сосудов, которую мы наблюдали в контексте SARS-CoV-2».

В настоящее время ученые связывают повреждение сердца и легких, связанное с тяжелой формой COVID-19, со сверхактивным иммунным ответом, называемым цитокиновым штормом. Чтобы проверить теорию о том, что спайковый белок также может играть определенную роль, Биринг и другие члены команды использовали тонкие слои эндотелиальных и эпителиальных клеток человека, чтобы имитировать выстилку кровеносных сосудов в организме. Они обнаружили, что воздействие на эти клеточные слои шиповидного белка увеличивает их проницаемость, что является признаком сосудистой утечки.

Используя технологию редактирования гена CRISPR-Cas9, команда показала, что эта повышенная проницаемость происходит даже в клетках, которые не экспрессируют рецептор ACE2, что указывает на то, что это может происходить независимо от вирусной инфекции. Кроме того, они обнаружили, что у мышей, подвергшихся воздействию шиповидного белка, также наблюдалась утечка из сосудов, хотя мыши не экспрессируют человеческий рецептор ACE2 и не могут быть инфицированы SARS-CoV-2.

Наконец, с помощью секвенирования РНК исследователи обнаружили, что шиповидный белок вызывает утечку из сосудов через молекулярный сигнальный путь, который включает гликаны, интегрины и бета-трансформирующий фактор роста (TGF-бета). Блокируя активность интегринов, команда смогла обратить вспять утечку из сосудов у мышей.

«Мы определили новый патогенный механизм SARS-CoV-2, при котором шиповидный белок может разрушать барьеры, выстилающие нашу сосудистую сеть. Возникающее в результате повышение проницаемости может привести к утечке из сосудов, что обычно наблюдается в тяжелых случаях COVID-19, и мы могли бы воспроизвести эти проявления болезни на наших моделях мышей», — сказал соавтор исследования Феликс Пахмайер, аспирант лаборатории Харриса в Школе общественного здравоохранения Калифорнийского университета в Беркли. «Было интересно увидеть сходства и различия между шиповидным белком и белком NS1 вируса денге. Оба способны разрушать эндотелиальные барьеры, но сроки и задействованные пути хозяина, по-видимому, различаются между ними».

Хотя блокирование активности интегринов может быть многообещающей целью для лечения тяжелой формы COVID-19, Харрис сказал, что необходимо проделать дополнительную работу, чтобы понять точную роль этого пути в прогрессировании заболевания. Хотя повышенная проницаемость сосудов может ускорить инфекцию и привести к внутреннему кровотечению, она также может помочь организму бороться с вирусом, предоставляя иммунным механизмам лучший доступ к инфицированным клеткам.

«SARS-CoV-2 эволюционировал, чтобы иметь шиповидный поверхностный белок с повышенной способностью взаимодействовать с факторами мембраны клетки-хозяина, такими как интегрины, за счет приобретения мотива RGD. Этот мотив является распространенным фактором связывания интегрина, используемым многими патогенами, включая бактерии. и другие вирусы, чтобы заразить клетки-хозяева», — сказала Франсиэль Трамонтини Гомес де Соуза, бывший помощник научного сотрудника в лаборатории Харриса и соавтор исследования. «Наше исследование показывает, как шиповидный RGD взаимодействует с интегринами, что приводит к высвобождению TGF-бета и активации передачи сигналов TGF-бета. Использование in vitro и in vivoмоделей эпителиальной, эндотелиальной и сосудистой проницаемости, мы смогли улучшить понимание клеточных механизмов повышенного уровня ТФР-бета у пациентов с COVID-19 и того, как взаимодействия шип-клетка-хозяин могут способствовать заболеванию».

Команда продолжает изучать молекулярные механизмы, которые приводят к утечке из сосудов, а также исследует возможные вирусные токсины в других вирусах, вызывающих тяжелые заболевания у людей.

«COVID-19 никуда не делся. Сейчас у нас есть лучшие вакцины, но мы не знаем, как вирус будет мутировать в будущем», — сказал Биринг. «Изучение этого процесса может помочь нам разработать новый арсенал лекарств, чтобы, если у кого-то возникла утечка из сосудов, мы могли просто нацелиться на нее. Возможно, это не остановит репликацию вируса, но может предотвратить смерть этого человека.»