Течение коронавирусной инфекции SARS-CoV-2 зависит не только от того, насколько агрессивен вирус, но и от иммунного ответа инфицированного человека. Используя анализ отдельных клеток, группа исследователей под руководством Саманты Практикньо из Берлинского института здравоохранения в Шарите (BIH), Маркуса Ландталера из Центра Макса Дельбрюка и Якоба Тримперта из Свободного университета Берлина выявила две различные закономерности, типичные для умеренной степени тяжести. и тяжелое течение заболевания соответственно. Ученым удалось проследить, что происходит в молекулярной биологии с течением времени, от начала инфекции до повреждения органов.
Ключевыми игроками на клеточном уровне являются нейтрофилы (иммунные клетки) и эндотелиальные клетки (клетки, выстилающие кровеносные сосуды), как пишет группа в Cell Reports.
Любой, кто хочет положительно повлиять на прогрессирование SARS-CoV-2, нуждается в информации о ранней фазе инфекции. Исследования на пациентах, которые уже заразились COVID-19, проводятся слишком поздно в процессе заболевания. С другой стороны, модели на животных можно использовать для изучения того, что происходит с момента заражения.
«Используя анализ РНК отдельных клеток, мы можем собирать данные об экспрессии генов во многих отдельных клетках и наблюдать молекулярно-биологические процессы по мере прогрессирования инфекции», — объясняет доктор Саманта Практикньо, исследователь Берлинского института здравоохранения в Шарите и один из соавторы недавно опубликованного исследования с участием ученых из БиГ, Центра Макса Дельбрюка, Charité — Universitätsmedizin Berlin и Свободного университета Берлина.
«Наше исследование показывает, насколько мощным может быть сочетание одноклеточных технологий и современного биоинформатического анализа, когда дело доходит до исследования сложных заболеваний и их осложнений, таких как тяжелое воспаление легких, вызванное COVID-19», говорит профессор Маркус Ландталер, который возглавляет лабораторию в Центре Макса Дельбрюка и также является одним из последних авторов исследования.
Одноклеточное секвенирование образцов легких
Ученые систематически сравнивали данные, полученные в ходе исследований на людях с COVID-19, включая бронхоальвеолярный лаваж и мазки из носа, а также посмертные исследования легочной ткани, с данными, полученными на животной модели, прежде чем оценить их актуальность для человека. Хомяки оказались подходящей животной моделью для COVID-19, поскольку они могут легко заразиться теми же вариантами SARS-CoV-2, что и люди, и демонстрируют аналогичную картину заболевания.
Используя секвенирование одноклеточной РНК, исследователи исследовали биопсии легких здоровых и инфицированных животных в разные моменты времени после заражения. Они сравнили динамические клеточные и молекулярные процессы у двух разных видов хомяков: золотого или сирийского хомячка, у которого наблюдается умеренное течение COVID-19, и карликового хомячка Роборовского, у которого обычно наблюдается тяжелое прогрессирование заболевания.
Секвенирование одноклеточной РНК можно использовать, чтобы выяснить, какие участки генетической информации были активированы в клетках во время отбора проб. «Техника секвенирования одноклеточной РНК позволяет нам получить представление о том, что происходит в различных клетках образцов тканей», — говорит Практикнджо.
Исследования последних лет показали, что агрессивный характер вируса — не единственный фактор, ответственный за тяжелое течение инфекции COVID-19. Воспалительная реакция организма-хозяина также играет роль. Воспаление — это жизненно важный защитный механизм, защищающий организм от патогенов, и это совершенно нормально. Но когда воспаление становится чрезмерным и высвобождает большое количество провоспалительных сигнальных молекул, это может привести к повреждению различных органов.
Тяжелое течение заболевания выявляется на ранней стадии.
От чего зависит, примет ли заболевание тяжелое течение у пациента, ранее было неясно, как и вопрос о том, когда именно установится это течение. Исследователи из Берлина стремились найти ответы на эти вопросы с помощью углубленного анализа секвенирования РНК отдельных клеток. Это включало использование новых методов машинного обучения для характеристики активности клеток с момента заражения, что позволило ученым идентифицировать две различные модели активации генов на животной модели .
Как в умеренных, так и в тяжелых случаях COVID-19 нейтрофильные гранулоциты (или нейтрофилы), которые относятся к первой линии защиты врожденного иммунного ответа, активируются вскоре после заражения. В умеренных случаях нейтрофилы активируются на короткий период времени, но затем начинают действовать другие иммунные клетки, такие как естественные клетки-киллеры (иммунный ответ 1-го типа). Однако в тяжелых случаях нейтрофилы остаются постоянно активированными (иммунный ответ 3-го типа), что приводит к «шторму» провоспалительных сигналов и массивным воспалительным реакциям в легких.
Отличительным признаком тяжелого прогрессирования COVID-19 является повреждение эндотелия (оболочки кровеносных сосудов) во многих органах. У обоих видов хомяков исследователи обнаружили сильную активацию сосудистого эндотелия легких, которая побуждала нейтрофилы вырабатывать провоспалительные сигналы. У хомячка Роборовского это привело к серьезному повреждению эндотелия, но у золотистого хомячка эндотелиальные клетки вернулись в основное состояние, не причинив значительного повреждения.
«Наша методология позволила нам впервые задокументировать решающую роль, которую эндотелиальные клетки играют в развитии тяжелого течения заболевания», — говорит доктор Стефан Пейдли, один из первых авторов исследования.
«Наши исследования подтверждают и расширяют данные о роли чрезмерных иммунных и воспалительных реакций при COVID-19», — добавляет Практикнджо. «Мы продолжим наши исследования в этом направлении и надеемся определить цели для инновационных методов лечения, которые можно будет использовать, чтобы направить инфекционный процесс по правильному пути на раннем этапе».
