Назад
Тяжелое течение болезни COVID-19 не вызвано прямым разрушением легких из-за размножения вируса.
Как сообщают исследователи в журнале Nature Communications, в процесс вовлечены воспалительные процессы и эндотелий легкого.
Исследователи со всего мира в течение последних 18 месяцев пытались понять COVID-19. Это заболевание, способное вызвать острую легочную недостаточность, разрушает как легкие, так и другие органы и системы органов. К сожалению, возможности медикаментозного лечения остаются ограниченными. Одна из трудностей заключается в том, что COVID-19 вызывается ошибочным и иногда преувеличенным иммунным ответом. Для того чтобы определить терапевтические мишени, исследователям необходимо получить детальное представление об основных механизмах, как с точки зрения того, как они работают и где в организме они происходят.
Пациентоориентированные подходы довольно ограничены в своей сфере применения. Это особенно касается изучения механизмов заболевания на ранней стадии инфекции. Биоматериалы, необходимые для такого рода исследований, обычно можно получить только после госпитализации пациента. Кроме того, практически невозможно получить образцы легочной ткани у пациентов с легкой или средней степенью заболевания и пневмонией, поскольку процедура забора подвергает таких пациентов слишком большому риску. Поэтому остается только анализ тканей, собранных у пациентов COVID-19 после их смерти.
Под руководством проф. Мартина Витценрата, заместителя заведующего отделением инфекционных заболеваний и респираторной медицины Шарите, исследователи использовали имеющиеся образцы пациентов для получения ценной информации как о механизмах заболевания, так и о его развитии. Исследователи искали подходящую модель, которая позволила бы им также изучить отделы легких, труднодоступные для исследования у пациентов, но необходимые для изучения ранней стадии заболевания.
Модели хомячков оказались чрезвычайно полезными как в рамках международных исследований COVID-19, так и в исследованиях, касающихся SARS-CoV-1. "Мы хотели узнать, можно ли использовать эти модели для разработки новых методов лечения, и попытались воспроизвести результаты, полученные на образцах пациентов. В этом отношении мы добились значительного успеха", - говорит Витценрат, соавтор этого исследования. "В первую очередь нас интересовали эндотелиальные клетки легких, которые выстилают легочные кровеносные сосуды и образуют там барьер. В тяжелых случаях COVID-19 этот барьер становится нефункциональным, что в конечном итоге приводит к легочной недостаточности". Работая вместе с экспертами из Берлинского института биологии медицинских систем (BIMSB), исследователи смогли описать подробные характеристики инфекции SARS-CoV-2 в животной модели. Впоследствии они подтвердили свои выводы с помощью данных, относящихся к образцам пациентов.
Цель этого исследования - обеспечить доступность наиболее значимой в настоящее время нетрансгенной животной модели для изучения COVID-19 для исследований, направленных на разработку будущих методов лечения. Хомяки инфицируются теми же вариантами вируса, что и люди. У них также развиваются похожие симптомы заболевания, а тяжелая форма болезни приводит к повреждению легких. Симптомы и развитие COVID-19, однако, различаются у разных видов хомяков. Если у сирийских хомяков симптомы обычно остаются умеренными, то у хомяков Роборовского развивается тяжелая форма заболевания. Причины этого и процессы, происходящие в клетках легких, были продемонстрированы в ходе экспериментов, которые включали анализ отдельных клеток, полученных из конкретного образца, которые загружались на чип, где они сначала штрих-кодировались, а затем инкапсулировались в мельчайшие капли жидкости. После подготовки отдельные клетки могут подвергаться секвенированию РНК.
Благодаря баркодированию, эта РНК впоследствии была идентифицирована как происходящая из конкретной клетки, что позволило исследователям с высокой степенью точности определить клеточную функцию на уровне одной клетки. "Мы смогли наблюдать, как определенные клетки, участвующие в иммунитете легких - а именно моноциты и моноцитарные макрофаги - поглощают вирус и впоследствии демонстрируют очень выраженную реакцию. Они посылают биологические мессенджеры, которые затем вызывают очень сильную воспалительную реакцию. "В нашей модели она быстро берется под контроль Т-клетками, другим типом иммунных клеток, которые направляются именно для этой цели. Однако при тяжелой форме COVID-19 этого не происходит", - объясняет соавтор исследования Жеральдин Нуайе. Она добавляет: "Быстрый и эффективный ответ Т-клеток имеет решающее значение для успешного выздоровления от COVID-19". В то время как COVID-19 заставляет иммунную систему работать на пределе возможностей, SARS-CoV-2 изначально демонстрирует низкую скорость репликации в легких и дыхательных путях.
"Разрушение легочной ткани, наблюдаемое при тяжелой форме COVID-19, является прямым результатом не распространения вируса внутри клеток, а сильной воспалительной реакции",
- объясняет соавтор исследования Эмануэль Вайлер. "Это также относится к клеткам сосудистой системы, в частности, к эндотелиальным клеткам легких". Они демонстрируют очень сильную реакцию на вирус, но не инфицируются им и не разрушаются в процессе". При тяжелом течении болезни кровеносные сосуды могут обструктурироваться, а стенки сосудов становятся нестабильными, что приводит к острой легочной недостаточности. Однако не представляется вероятным, что такое повреждение кровеносных сосудов также играет роль в умеренной активности COVID-19. "То, что COVID-19 активирует эндотелий - тип защитного барьера, выстилающего кровеносные сосуды, который, помимо прочего, контролирует ряд процессов в микрососудах легких, - не стало неожиданностью. Однако неожиданностью стало то, что эти клетки также являются активным фактором воспаления", - говорит профессор Витценрат.
"Учитывая их ключевую роль в прогрессировании заболевания, на эти клетки можно направить одну из двух терапевтических стратегий. Первая - использовать вещества, способные уплотнять эндотелиальный барьер. Другая - использовать вещества, которые успокаивают эндотелий. Одно из этих веществ уже является объектом исследования, проведенного в нашем совместном исследовательском центре, где мы смогли показать, что оно эффективно при пневмонии и у пациентов, находящихся на вентиляции легких". Другие противовоспалительные препараты, которые в настоящее время проходят испытания в качестве лечения COVID-19, направлены на сам иммунный ответ. Они также эффективны против моноцитов и макрофагов и сдерживают их активность.
Теперь, когда их модель подтверждена, исследователи надеются использовать ее для разработки безопасных и эффективных методов лечения пациентов с COVID-19. Цель состоит в том, чтобы уменьшить число пациентов, у которых развивается тяжелое повреждение легких. В настоящее время междисциплинарная группа исследователей анализирует реакцию различных типов клеток, наблюдаемую у карликовых хомячков Роборовского. Исследователи хотят установить, почему инфекция вызывает тяжелое заболевание у этих животных и почему оно не является самоограничивающимся, как в случае с сирийскими хомяками.
"Мы надеемся, что это поможет нам найти возможное объяснение того, почему у одних людей развивается тяжелая форма COVID-19, а у других - нет", - говорит Нуайе. В качестве первого шага исследователям необходимо расшифровать геном карликового хомячка. Тот факт, что хомячки традиционно считаются несколько экзотическими в сообществе исследователей животных, объясняет существование многочисленных пробелов в знаниях. "Информация, полученная в ходе нашего нынешнего исследования, позволила нам закрыть некоторые из этих пробелов.
Это представляет собой значительный прогресс, в том числе в плане более сознательного и целенаправленного подхода к использованию животных в медицинских исследованиях", - объясняет соавтор исследования доктор Якоб Тримперт, вирусолог и ветеринарный врач из Свободного университета Берлина. Помимо разработки моделей COVID-19 на хомячках, Тримперт и его группа также сотрудничали с отделением ветеринарной патологии Свободного университета Берлина. Выполняя необходимые гистопатологические анализы (микроскопическое исследование инфицированной легочной ткани), команда внесла решающий вклад в опубликованные результаты исследования.
Geraldine Nouailles et al. Временной омический анализ у сирийских хомяков раскрывает клеточные эффекторные реакции на умеренный COVID-19 (аннотация).
При COVID-19 иммунные реакции играют ключевую роль в формировании тяжести заболевания. Однако клеточные механизмы начала воспалительного поражения легких при инфекции SARS-CoV-2, особенно с участием эндотелиальных клеток, остаются недостаточно определенными. Используя сирийских хомяков в качестве модели умеренного COVID-19, мы проводим подробный лонгитюдный анализ системных и легочных клеточных реакций и подтверждаем его данными, полученными от пациентов с COVID-19. Моноцитарные макрофаги в легких дают самый ранний и сильный транскрипционный ответ на инфекцию, включая индукцию провоспалительных генов, в то время как эпителиальные клетки демонстрируют слабые изменения.
Без признаков продуктивной инфекции эндотелиальные клетки реагируют, в зависимости от клеточных подтипов, сильной и ранней экспрессией антивирусных, провоспалительных и рекрутирующих Т-клетки генов. Привлечение цитотоксических Т-клеток, а также появление IgM-антител предшествует клиренсу вируса на 5-й день после заражения.
Таким образом, исследование SARS-CoV-2 инфицированных сирийских хомяков выявляет эффекторные функции, специфичные для конкретного типа клеток, что позволяет детально изучить патомеханизмы COVID-19 и разработать терапевтические стратегии.
