Доказателства, че COVID-19 вируса атакува ЦНС: Тъканно разпределение, Взаимодействие приемник-вирус, предложения за невротропни механизми

Източник: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acschemneuro.0c00122

© Превод: Боян Велев, д-р Вергина Матева

АбдулМаннанБайг,*АрибаКхалиия, УсманАли и ХираСъида

(AbdulMannanBaig,*AreebaKhaleeq,Usman Ali,andHiraSyeda)

РЕЗЮМЕ: Настоящата епидемия от Корона-Вирусно Инфекциозно Заболяване 2019 (КОВИЗ-19, на англ. COVID-19) е обвила света в притеснения и доведе до невиждани нива на страх от потенциала ѝ да разпространява и заразява хората навсякъде по света. В разгара на тази пандемия от COVID-19, учените се опитват да разберат приликите и разликите на това заболяване, на геномно и трансатомично ниво, от Тежкия Остър Респираторен Синдром на Коронавирус (ТОРС-КоВ, на англ SARS-CoV). За кратко време след избухването на епидемията се разбира, че подобно на SARS-CoV, за да влезе в клетките, вируса на COVID-19 използва  рецепторите на Ангиотензин Конвертиращ Ензим 2 (ACE2). Това откритие поражда интерес от изследване на експресията на ACE2 в неврологичната тъкан и определяне на вероятната възможност увреждания в неврологичната тъкан да допринасят за заболеваемостта  и смъртността причинени от COVID-19. 

В тази статия разглеждаме плътността на нивата на експресия на АСЕ2 в централната нервна система (ЦНС), взаимодействието приемник-вирус и как то се отнася към патогенезата и усложненията, наблюдавани в скорошни случаи, възникнали вследствие на епидемията от COVID-19. Също така, обсъждаме нуждата от създаване на модел за фазово развитие на COVID-19, базиран на ефекта върху неврологичната тъкан.

КЛЮЧОВИ ДУМИ: Коронавирус, SARS-CoV-2, COVID-19, ACE2, Разпределение на тъкани, взаимодействие приемник-вирус, Spike-протеин

1. НОВОТО ВИРУСНО ЗАБОЛЯВАНЕ COVID-19

Първите данни за вирусната инфекция привличат внимание в края на Декември 2019 в Ухан, столица на провинция Хубей, Китай. В последствие се оказва, че вирусът, причиняващ инфекцията, е заразен и се разпространява между хора. Към края на Януари вече са високо разпространени  определенията „новият Коронавирус“ и „Коронавирусът от Ухан“. На 11 Февруари 2020, вирусният щам официално се класифицира с наименованието „Тежък Остър Респираторен Синдром Коронавирус 2“ (ТОРС-КоВ-2, офиц. на англ.: SARS-CoV-2), като преди това в употреба са били термините 2019-нКоВ (2019 – нов коронавирус, на англ. 2019-nCoV) и Коронавирус от Ухан. В рамките на няколко часа през същия ден СЗО официално преименува заболяването на COVID-19.

2.ГЕНОМЪТ НА ВИРУСА НА COVID-19

Пълният геном на SARS-CoV-2 от Ухан, Китай е вкаран в базата данни на Националния Център за Биотехнологии1 (НЦБТ) с номер NC_045512, на 17 Януари 2020. Геномът на SARS-CoV-2 представлява 29,903 бд едноверижна РНК (ss-RNA) коронавирус. Вече е ясно, че вирусът причиняващ COVID-19 е подобен на ТОРС (САРС) коронавирус, който се среща при прилепи в Китай.

3.ТЪКАННО РАЗПРЕДЕЛЕНИЕНА АСЕ2 В ЧОВЕШКИТЕ ОРГАНИ И ТЪКАНИ

За да се открие невровирулентността на  SARS-CoV-2 и да се свърже с експресията на АСЕ2 в неврологична тъкан е използвана информация придобита от бази данни за човешки протеини. Повечето от доказателствата за експресия на АСЕ2 в мозъка (Фигура 1) се намират в литературни източници и бази данни за експресията в тъкани на бозайници,2 което ни накара да изследваме невротропните ефекти на SARS- CoV-2 и тяхното влияние върху заболеваемостта и смъртността при пациенти с COVID-19.

3.1. Доказателства за разпространението на АСЕ2 в Човешкия мозък.

Установени са случаи, където мозъкът експресира АСЕ2 рецептори (Фигура 1А, С) върху невроглиални клетки и неврони, което ги превръща в потенциална мишена за COVID-19. При предишни изследвания е установена способността на SARS- CoV да причини невронна смърт при мишки, като навлиза в мозъка чрез носа близо до обонятелния епител.3Тепърва предстои да се установи приносът за невротропния потенциал на SARS-CoV-2 при пациенти диагностицирани с COVID-19 през наскоро разразилата се епидемия.

Фигура 1: Тъканно разпределение на АСЕ2 рецепториприхора.Виремията(A)разнася вируса на COVID-19 из тялото чрез кръвообращението(B).Невротропизъм може да се възникне чрез циркулацията и/или горните назални пътища, които позволяват COVID-19 да достигне до мозъка (C) и така да се свърже и взаимодейства с ACE2 рецепторите  (D, синьо). COVID-19 се прихваща за АСЕ2 чрез Spike-протеините (D, жълти шипове). На фигурата са показани белите дробове, сърцето , бъбреците, червата, мозъка и тестисите, всички, за които се знае, че експресират АСЕ2 рецептори, което съответно ги прави потенциални мишени на COVID-19.

При аутопсиите на пациенти, заболели от SARS-CoV инфекции в миналото, чрез електронна микроскопия, имунохистохимия и полимеразна верижна реакция с обратна транскрипция в реално време (RT-PCR). се предоставени значителни доказателства за наличие на SARS-CoV.3  При пациенти с остро SARS-CoV заболяване също е установено наличие на вируса и в гръбначно-мозъчната течност. Ролята на кръвно-мозъчна бариера за задържане на вируса и предотвратяване достъпа му до невралната тъкан, при пациенти диагностицирани с COVID-19, трябва още да се изследва. Според скорошно проучване на 214 пациента от сегашната епидемия и публикувано в medRxiv4, COVID-19 има неврологични проявления – те се срещат при 78 (36.4%) от случаите, което потвърждава нашата теория за невротропен потенциал на вируса на COVID-19. Също така, едно от публикуваните открития, касаещо пациент, загубил контрол над дишането си, по време на сегашната епидемия, и няколко други пациенти, страдащи от остра респираторна недостатъчност, подтиква здравните специалисти и лекарите-клиницисти  да разделят пациентите с COVID-19 на неврологично засегнати и такива без неврологични дефицити.

4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПРИЕМНИК – ВИРУС: КАК COVID-19 ЕКСПЛОАТИРА АСЕ2 РЕЦЕПТОРА, ЗА ДА ВЛЕЗЕ В КЛЕТКИТЕ НА ПРИЕМНИКА

С матричната РНК (mRNA), кодираща някои други протеини, 1 вирусът на COVID-19, както SARS-CoV, използва Spike-протеин S1, който позволява на вириона да се прикачи към клетъчната мембрана като си взаимодейства с АСЕ2 рецептора на приемника.3,6 (Фигура 1 С, D). По-късно, изследването установява, че афинитетът за свързване към АСЕ2 на 2019-nCoV ектодомейна на Spike-протеин на 2019-nCoV била10-20 пъти по-висока от тази на SARS-CoV Spike-протеинa. BLASTp проучване на рецептор-свързващия домейн, поддомейн-1(319 до 591aa) на вируса (SARS-CoV-2) на COVID-19 установява spike- гликопротеин [RaTG13 коронавирус при прилепите] и S1 частичен протеин [SARS коронавирус GD322] като хомолози. Подравняването на секвенции по двойки (вид биоинформационен метод) на трите секвенции показва, че въпреки многото сходства между Spike-протеините при трите корoнaвируса, те не са идентични (Фигура 2A, хоризонтални стрелки), което може да е причината за по-голямата склонност на COVID-19 Spike-протеин да се свързва с човешкия АСЕ2 рецептор. Хомоложното моделиране на SARS-CoV-2  RBD субдомейн-1 (319тa до 591ва АК) в SWISS-MODEL автоматизирания сървър е разработило базиран на шаблон модел на SARS-CoV-2 spike-гликопротеина с един рецептор-свързващ домейн в конфигурацията (Фигура 2A1) със 100% идентичност на веригата. От другите разработени шаблонни модели, той очаквано показва модел на структурата на SARS-CoV spike-гликопротеина, потвърждение 2 с около 74% идентичност на веригата (Фигура 2В, В1), което показва, че са структурно и еволюционно свързани.

5.ПРЕДЛОЖЕНИЕ ЗА КАСКАДА НА ЦЕРЕБРАЛНОТО АНГАЖИРАНЕ ПРИ COVID-19ИНФЕКЦИИ

Разпространяването на COVID-19 в системното кръвообращение или през lamina cribrosa на етмоидалната кост (Фигура 1) през ранния или по-късен етап от инфекцията може да доведе до церебрално засягане, подобно на случаите на пациенти съсSARS-CoV в миналото.3Присъствието на COVID-19 в основното кръвообращение разбираемо му позволява да премине и в церебралното кръвообращение (Фигура 1A−C), където бавната циркулация на кръвта във микро-кръвообращението може да е един от факторите спомагащи за взаимодействието на Spike-протеин на вируса на COVID-19 с АСЕ2 експресирани в капилярния ендотел. Последващото отделяне на вирусни частици от капилярния ендотел и нараняване на ендотелната лигавица могат да спомогнат за достъпа на вируса до мозъка. (Фигура 1B). Веднъж навлязъл в средата на невронните тъкани, взаимодействието му с АСЕ2 рецепторите (Фигура 1C, D) експресирани в неврони 2 може да стартира цикъл на вирусно „пъпкуване” придружено от увреждане на невроните без съществено възпаление, както е наблюдавано при случаи със SARS-CoV3в миналото. Тук е важно да се отбележи, че много преди да възникнат предложените очаквани невронни увреждания, ендотелните разкъсвания в церебралните капиляри придружени с кървене в церебралната тъкан може имат фатални последици при пациенти с инфекции COVID-19.

Фигура2: (A) Секвенционално подреждане на COVID-19 RBD субдомейн-1 (319th to 591st) аминокиселини (горен ред) със Spike-протеин при прилепи и SARS-CoV (среден и долен ред), които са получени от that BLASTp резултати на COVID-19 вирусния RBD субдомейн-1 (319та to 591ва) амикнокиселини. Забележете хоризонталните стрелки, които показват зони на контраст между секвенциите. (A1) Хомоложни модели на COVID-19 вирусните RBD субдомейн-1 (319ти до 591и) аминокиселини създава шаблон (6vsb.1. A)-базиран модел на COVID-19 вирусния spike-гликопротеин. (B). Хомоложни модели на COVID-19 вирусните RBD субдомейн-1 (319та до 591ва) аминокиселини създава шаблон (5x5b.1.A) базиран модел на перфузионната структура на SARS-CoV spike-гликопротеина в конформация 2 (B1) с 73.96% секвенциална идентичност. [Uniprot и SWISS-MODEL автоматични сървъри са използвани за секвенционалните подравнявания и създаването на шаблони и модели, респективно.]

Придвижването на вируса на COVID-19 към мозъка чрез lamina cribosa близо до bulbus olfactorius може да е допълнителен път позволяващ на вируса да достигне и засегне мозъка. В допълнение, наличието на данни за промяна в обонянието или намаляването му (хипосмия) по време на лека (без усложнения) и ранна фаза при пациенти с COVID-19 следва да се изследва обстойно за евентуално засягане на ЦНС.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И БЪДЕЩИ НАСОКИ

Аутопсиите на пациенти с COVID-19, обстойните неврологични изследвания и опитите да се изолира SARS-CoV-2 от ендотела на церебралното кръвообращение, гръбначно-мозъчната течност, глиалните клетки и неврологичната тъкан биха разяснили ролята на новия COVID-19 вирус върху смъртността през сегашната епидемия. Важно е тук да се отбележи, че въпреки че церебралните увреждания могат усложнени COVID-19 инфекцията, изглежда че разпространената дисрегулация на хомеостазата, причинена от белодробни, бъбречни, сърдечни и циркулаторни увреди, е смъртоносния фактор при пациенти с COVID-19. Имайки предвид това, доминиращо засягане на мозъка само по себе си, с потенциала да причини церебрален едем по време на COVID-19, може да се превърне във водеща причина за смърт, доста преди наличието на системна хомеостатична дисрегулация. Достъпът на COVID-19 вируса до мозъка чрез транскрибалния път, както е описано вече за други патогени атакуващи ЦНС,7 би могло да обясни случая със скорошен пациент страдащ от намалено обоняние (хипосмия), както и случаите на остра дихателна недостатъчност при COVID-19; това трябва да бъде допълнително изяснено като SARS-CoV-2 вируса се изолира от зоните в близост до обонятелния център. Очаква се разликите във веригите на Spike-протеините на COVID-19 вируса и SARS-CoV (Фигура 2А) да позволят на учените да установят епитопи в COVID-19 вируса, за да се разработят моноклонални антитела срещу вируса. Предвид сегашната епидемия на COVID-19, съществува спешна нужда да се разбере невртропния потенциал на COVID-19 вируса, за да могат да се приоритизират и индивидуализират правилата за лечение по отношение на тежестта на заболяването и основните засегнати органи. Съща така, има нужда от категоризиране на етапност основаваща се на тежестта и засегнатите органи от COVID-19, за да се определят пациентите нуждаещи се от агресивно или конвенционално лечение.

ИНФОРМАЦИЯ ЗА АВТОРИТЕ

Автор за кореспонденция:

Abdul Mannan Baig − Department of Biological and Biomedical Sciences, Aga Khan University, Karachi 74800, Pakistan;  

orcid.org/0000-0003-0626-216X; Phone:+92- (0)333-2644-246; Email:abdul.mannan@aku.edu

Автори:

Areeba Khaleeq − Department of Biological and Biomedical Sciences, Aga Khan University, Karachi74800, Pakistan

Usman Ali – Medical College, Aga Khan University, Karachi74800, Pakistan

Hira Syeda – Department of Biosciences, Mohammad Ali Jinnah University, Karachi75400, Pakistan

Подробна информация за връзка с авторите можете да намерите на:

https://pubs.acs.org/10.1021/acschemneuro.0c00122

Финансиране:

Тази разработка е частично финансирана от Университета Ага Кхан, Пакистан.

Бележки:

Авторите декларират, че нямат конфликтна интереси и не са финансово зависими.

Термините COVID-19 вирус и SARS-CoV-2 използвани в тази статия, имат предвид новия короновирус касаещ настоящата епидемия.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторите благодарят на служителите и членове на Факултета по Биологични и Биомедицински Науки на Университет Ага Кхан, които, въпреки натоварените си графици, взеха участие в презентациите организирани от авторите и  предоставиха своя принос за изводите в това изследване. Автори също са признателни на Г-жа Приит Катяра (Preet Katyara) за нейния критичен преглед на тази доклад. 

ЛИТЕРАТУРА

(1) Wuhan sea food market pneumonia virus isolate Wuhan-Hu-1, complete genome. Nucleotide, National Center for Biotechnology Information(NCBI), National Library of Medicine(US), National Center for Biotechnology Information, Bethesda, MD, https://www. ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/1798174254 (accessedon2020-02-28).

(2)Palasca,O.,Santos,A.,Stolte,C.,Gorodkin, J.,andJensen,L.J. (2018) TISSUES 2.0: an integrative web resource on mammalian tissue expression. Database2018, No.bay003.

(3) Netland,J., Meyerholz, D.K., Moore, S., Cassell, M., and Perlman, S.(2008) Severe acute respiratory syndrome coronavirus infection causes neuronal death in the absence of encephalitis in mice transgenic for human ACE2.J.Virol. 82(15),7264−75.

(4)Mao,L.,Wang,M.,Chen,S.,He,Q.,Chang, J.,Hong, C., Zhou, Y., Wang, D.,Li,Y.,Jin, H., and Hu, B. Neurological Manifestations of Hospitalized Patients with COVID-19 in Wuhan, China: a retrospective case series study.  medRxiv,2020.02.22.20026500 (accessedon2020-02-28).

(5)  Li,  Y. C.,  Bai,  W.  Z.,  and Hashikawa, T.   (2020) The neuro invasive potential of  SARS-CoV2 maybe at least partially responsible for the respiratory failure of COVID-19 patients. J.Med. Virol., DOI:10.1002/jmv.25728.

(6)Wrapp,D.,Wang,N.,Corbett,K.S.,Goldsmith, J.A.,Hsieh,C.L., Abiona,O.,Graham,B.S.,and McLellan, J.S.(2020)Cryo-EM structureofthe 2019-nCoV spike in the prefusion conformation. Science, No.eabb2507.

(7) Baig,A.M.(2016) Primary Amoebic Meningoencephalitis: Neurochemotaxisand Neurotropic PreferencesofNaegleriafowleri.