Как ключ, SARS-CoV-2 – вирус, вызывающий коронавирусную болезнь 2019 (COVID-19) – прикрепляется к определенным молекулам на поверхности клетки-хозяина, открывая двери внутрь клетки. Попадание вируса в клетки-хозяева вызывает мощный иммунный ответ. Большая часть этой битвы ведется в легких, что объясняет, почему у многих пациентов, госпитализированных с COVID-19, наблюдаются тяжелые респираторные симптомы.
Однако респираторные симптомы – это только часть истории. Все больше данных указывает на то, что воспаление кровеносных сосудов оказывает решающее влияние на тяжесть COVID-19. Кроме того, от 30 до 80 процентов пациентов испытывают неврологические симптомы, включая головокружение, головную боль, тошноту и потерю концентрации. Эти симптомы предполагают, что SARS-CoV-2 также влияет на клетки центральной нервной системы.
Хотя пока нет доказательств того, что вирус проникает в мозг, новая работа ученых из Медицинской школы Льюиса Каца при Университете Темпл показывает, что белки-шипы, которые выделяются из SARS-CoV-2, способствуют воспалительным ответам на эндотелиальных клетках, которые образуют гематоэнцефалический барьер. Исследование, опубликованное в декабрьском выпуске журнала Neurobiology of Disease, впервые показывает, что белки-шипы SARS-CoV-2 могут привести к тому, что этот барьер станет "дырявый," потенциально нарушая хрупкие нейронные сети в мозгу.
"Предыдущие исследования показали, что SARS-CoV-2 инфицирует клетки-хозяева, используя свои шипованные белки для связывания с ферментом, преобразующим ангиотензин 2 (ACE2) на поверхности клетки-хозяина," объяснил Servio H. Рамирес, доктор философии.D., Профессор патологии и лабораторной медицины Медицинской школы Льюиса Каца при Университете Темпл и главный исследователь нового исследования.
ACE2 экспрессируется на эндотелиальных клетках, которые образуют внутреннюю выстилку кровеносных сосудов, и играет центральную роль в обеспечении различных функций сердечно-сосудистой системы. По словам доктора. Рамирес, "поскольку ACE2 является основной мишенью связывания SARS-CoV-2 в легких и сосудистой сети других органов тела, ткани, находящиеся за сосудистой сетью, которые получают кровь из пораженных сосудов, подвергаются риску повреждения от вируса."
Однако неясно, присутствует ли ACE2 также в сосудистой сети мозга или изменяется ли его экспрессия в условиях здоровья, ухудшающих COVID-19, таких как высокое кровяное давление (гипертония). Чтобы выяснить это, команда начала с изучения посмертной ткани мозга человека на предмет экспрессии ACE2 в сосудах, используя ткани людей без основных заболеваний и людей, у которых была установлена гипертония и деменция. Анализы показали, что ACE2 фактически экспрессируется в кровеносных сосудах лобной коры головного мозга и значительно увеличивается в сосудистой сети головного мозга людей с гипертонией или деменцией в анамнезе.
Затем исследователи изучили влияние спайкового белка SARS-CoV-2 на эндотелиальные клетки мозга на моделях клеточных культур. Введение белка-шипа, в частности его части, обозначенной как субъединица 1, привело к существенным изменениям в функции эндотелиального барьера, что привело к снижению целостности барьера. Исследователи также обнаружили доказательства того, что субъединица 2 шипового белка SARS-CoV-2 может напрямую влиять на функцию гематоэнцефалического барьера. "Это важно, потому что, в отличие от субъединицы 1, субъединица 2 шипового белка не связывается с ACE2, а это означает, что нарушение гематоэнцефалического барьера может происходить независимо от ACE2," объяснила постдокторант и первый автор нового доклада Татьяна Петровна. Буждыган, к.D.
Доктор. Команда Рамиреса дополнительно исследовала влияние белков-шипов SARS-CoV-2 на тканеинженерные микрофлюидные конструкции, имитирующие капилляр мозга человека. "Созданные тканями микрофлюидные модели позволяют воспроизводить трехмерную цито-архитектуру и механические силы, вызванные движением жидкости, которому сосудистая сеть постоянно подвергается," сказал Эллисон М. Эндрюс, доктор философии.D., Доцент кафедры патологии & Лаборатория медицины в ЛКСОМ и соавтор отчета. Эксперименты показали, что связывание субъединицы 1 спайкового белка увеличивает проницаемость барьера в сконструированных сосудоподобных конструкциях.
"Наши результаты подтверждают предположение, что SARS-CoV-2 или его выбросные белки, циркулирующие в кровотоке, могут вызывать дестабилизацию гематоэнцефалического барьера в ключевых областях мозга," Доктор. Рамирес сказал. "Измененная функция этого барьера, который обычно не позволяет вредным агентам проникать в мозг, значительно увеличивает вероятность нейроинвазии этого патогена, предлагая объяснение неврологических проявлений, с которыми сталкиваются пациенты с COVID-19."
Долгосрочные эффекты изменения функции гематоэнцефалического барьера в присутствии SARS-CoV-2 неизвестны. Более того, как сказал доктор. Буждыган объяснил, "сосудистая сеть головного мозга чрезвычайно разветвлена, поэтому даже небольшое нейровоспаление может быть очень разрушительным." Основываясь на наблюдениях команды за экспрессией ACE2 в головном мозге, это неврологическое повреждение может быть обширным у пациентов с COVID-19 с уже существующими состояниями здоровья, при которых сосудистая сеть уже пострадала.
Также остается неизвестным, действительно ли вирус может проникнуть внутрь нейронов или глиальных клеток, лежащих за барьером. "Вирусный геном еще не обнаружен в определенных типах клеток головного мозга," Доктор. Рамирес отметил. "Следующие шаги в нашей работе – поиск геномных вирусных копий в различных частях мозга с использованием материала аутопсии из случаев COVID-19 и исследование способности патогена к нейроинвазии с использованием различных культур клеток и тканеинженерных конструкций."