В недавнем исследовании, опубликованном на сервере препринтов bioRxiv* , исследователи из Австралии изучили молекулярные механизмы легочных и сердечных осложнений, вызванных коронавирусом тяжелого острого респираторного синдрома 2 (SARS-CoV-2), с использованием сердечных и стволовых клеток человека. клетки легких.

Исследование: Параллельное использование моделей легкого и сердца с плюрипотентными стволовыми клетками человека дает новое представление о лечении SARS-CoV-2 . Изображение предоставлено: Катерина Кон / Shutterstock

Фон

Хотя коронавирусная болезнь 2019 года (COVID-19) в первую очередь поразила дыхательную и легочную системы, тяжелые проявления COVID-19 также затронули сердечно-сосудистую, пищеварительную, почечную и нервную системы.

Магнитно-резонансная томография (МРТ) и электрокардиография (ЭКГ) выявили сердечные осложнения, такие как повреждение миокарда, аритмии и тромбоэмболии, у большого числа выздоравливающих пациентов с COVID-19. Кроме того, вскрытие также выявило белок-антиген спайка (S) и РНК SARS-CoV-2 в ткани сердца пациентов, которые умерли от COVID-19.

S-белок SARS-CoV-2 инициирует инфекцию, связываясь с рецептором ангиотензинпревращающего фермента 2 (ACE2) на поверхности клетки-хозяина. Протеазы клетки-хозяина, такие как фурин, расщепляют белок S на две субъединицы — S1 и S2. Последующее слияние мембран вируса и клетки-хозяина требует отщепления S1 от S2 с помощью сериновых протеаз или катепсинов . Тканевой тропизм вируса определяется экспрессией либо ACE2 и сериновых протеаз, либо ACE2 и катепсинов, которые различаются в дыхательной, легочной, сердечной, почечной и пищеварительной системах.

Об исследовании

В настоящем исследовании использовались плюрипотентные стволовые клетки человека (hPSC) для создания функциональных клеток легких и сердца. Культуры сердца, полученные из стволовых клеток, и эпителиальные клетки легких альвеолярного типа II (AT2) могут быть инфицированы SARS-CoV-2. Клетки Vero или эпителиальные клетки почек африканской зеленой мартышки, широко используемые в исследованиях COVID-19, также использовались в этом исследовании для сравнения.

Эти клетки использовали в парных экспериментах для определения сходства и различия механизмов и факторов, влияющих на проявления COVID-19 в легких и сердце.

Gummiology, жевательный витамин D3 для взрослых, без желатина, со вкусом персика и вишни, 100 вегетарианских жевательных таблеток

Команда использовала сгруппированные короткие палиндромные повторы (CRISPR), связанные с белком 9 (Cas9), опосредованным нокаутом рецептора ACE2, чтобы понять его важность при инфекции SARS-CoV-2. Кроме того, для выявления различных механизмов проникновения вируса использовались низкомолекулярные ингибиторы. Они также использовали фосфопротеомику и профилирование транскриптома, чтобы понять различия в клеточных реакциях во время инфекций SARS-CoV-2.

Полученные результаты

Важные результаты исследования показали, что, хотя все три типа клеток зависели от присутствия рецепторов ACE2, нижестоящий процессинг вирусного белка S происходил по разным путям. Например, в клетках АТ2 легкого расщепление белка S осуществлялось сериновыми протеазами TMPRSS2 на мембране клетки-хозяина, тогда как проникновение вируса в клетки сердца происходило эндосомальным путем посредством катепсин-опосредованного расщепления субъединиц S1 и S2. .

Анализы ингибирования проникновения с использованием ингибитора TMPRSS2 мезилата камостата предотвращали заражение SARS-CoV-2 клеток AT2 легких, подчеркивая роль сериновых протеаз в проникновении вируса в клетки легких. Аналогичные анализы с CA-074 Me, ингибитором катепсина B и L, блокировали проникновение вируса в клетки сердца.

Прерванная инфекция SARS-CoV-2 в клетках легких и сердца с нокаутом ACE2 продемонстрировала, что рецепторы ACE2 необходимы для вирусной инфекции. Однако использование комбинации антител против ACE2 блокировало заражение SARS-CoV-2 в тканях легких и сердца, а низкие дозы антител против ACE2 предотвращали вирусную инфекцию только в клетках сердца. Эти результаты в сочетании с секвенированием рибонуклеиновой кислоты (РНК) и анализом количественной полимеразной цепной реакции (КПЦР) показали, что клетки AT2 легких имеют более высокую экспрессию рецепторов ACE2, чем клетки сердца.

Кроме того, вирусная инфекция приводила к сильному интерфероновому ответу в клетках сердца, но не в клетках AT2 легких. Результаты фосфопротеомного анализа также показали, что инфекция активирует различные пути в клетках AT2 легких и сердца.

Выводы

В целом результаты выявили значительные различия в механизме заражения SARS-CoV-2 в клетках и тканях сердца и легких. В то время как проникновение вируса начинается в обеих клетках со связыванием рецептора ACE2, последующие пути вирусной инфекции значительно различаются: спайковый белок подвергается расщеплению сериновой протеазой в клетках AT2 легких и расщеплению эндосомального катепсина в клетках сердца.

Авторы полагают, что дифференциальное расщепление шиповидного белка и вариации в экспрессии рецептора ACE2 в обеих этих клетках указывают на необходимость улучшения противовирусной терапии и включения комбинаций лекарств, направленных как на эндосомальные, так и на мембранные протеазные пути проникновения вируса. Они предлагают использовать препараты, нацеленные на протеинкиназу-1 фактора сплайсинга, богатую серином/аргинином (SRPK1), и на циклинзависимые киназы (CDK).

Исследование также подчеркнуло важность использования клеточных моделей, полученных из стволовых клеток, отличных от иммортализованных клеточных линий, таких как клетки Vero, для проверки противовирусной эффективности и цитотоксичности методов лечения COVID-19.

*Важное замечание

bioRxiv публикует предварительные научные отчеты, которые не рецензируются экспертами и, следовательно, не должны рассматриваться как окончательные, направляющие клиническую практику/поведение, связанное со здоровьем, или рассматриваться как установленная информация.