Клеточные взаимодействия помогают объяснить сосудистые осложнения, вызванные вирусной инфекцией COVID-19
COVID-19 — это респираторное заболевание, поражающее в первую очередь легкие. Однако вирус SARS-CoV-2, вызывающий COVID-19, удивил врачей и ученых, вызвав у необычно большого процента пациентов сосудистые осложнения — проблемы, связанные с кровотоком, такие как образование тромбов, сердечные приступы и инсульты.
Основатель Института Уайтхеда Рудольф Йениш и его коллеги хотели понять, как этот респираторный вирус может иметь столь значительные сосудистые эффекты. Они использовали плюрипотентные стволовые клетки для создания трех соответствующих сосудистых и периваскулярных типов клеток — клеток, которые окружают и помогают поддерживать кровеносные сосуды, — чтобы они могли внимательно наблюдать за воздействием SARS-CoV-2 на клетки.
Вместо того чтобы использовать существующие методы создания клеток, исследователи разработали новый подход, давший им новое представление о механизмах, посредством которых вирус вызывает сосудистые проблемы.
Исследователи обнаружили, что SARS-CoV-2 в первую очередь заражает периваскулярные клетки и что сигналов от этих инфицированных клеток достаточно, чтобы вызвать дисфункцию в соседних сосудистых клетках, даже если сами сосудистые клетки не инфицированы.
В своей статье, опубликованной в журнале Nature Communications , Йениш, постдок его лаборатории Алексия Ричардс, профессор Гарвардского университета и сотрудник Института биологической инженерии Висса Дэвид Муни, а также тогдашний постдок лабораторий Йениш и Муни Эндрю Халил делятся своими открытиями и представляют масштабируемую модельную систему, полученную из стволовых клеток, с помощью которой можно изучать биологию сосудистых клеток и тестировать методы лечения.
Новая проблема требует нового подхода
Когда началась пандемия COVID-19, вирусолог Ричардс быстро переключила свое внимание на SARS-CoV-2. Биоинженер Халил уже работал над новым подходом к созданию сосудистых клеток. Исследователи поняли, что сотрудничество может предоставить Ричардс необходимый ей исследовательский инструмент, а Халилу — важный исследовательский вопрос, к которому можно применить его инструмент.
Три типа клеток, которые были получены с помощью подхода Халиля, были эндотелиальными клетками (сосудистыми клетками, которые образуют выстилку кровеносных сосудов) и гладкомышечными клетками и перицитами (периваскулярными клетками, которые окружают кровеносные сосуды и обеспечивают им структуру и поддержание, среди прочих функций). Самым большим нововведением Халиля было создание всех трех типов клеток в одной и той же среде — смеси питательных веществ и сигнальных молекул, в которой выращиваются клетки, полученные из стволовых клеток.
Комбинация сигналов в среде определяет конечный тип клеток, в который созревает стволовая клетка, поэтому гораздо проще выращивать каждый тип клеток по отдельности в специально подобранной среде, чем найти смесь, которая подойдет для всех трех.
Ричардс объясняет, что обычно вирусологи создают желаемый тип клеток, используя самый простой метод, который подразумевает выращивание каждого типа клеток, а затем наблюдение за воздействием вирусной инфекции на него в изоляции. Однако этот подход может ограничивать результаты несколькими способами. Во-первых, он может усложнить различение различий в том, как типы клеток реагируют на вирус, от различий, вызванных выращиванием клеток в разных средах.
«Создав эти клетки в идентичных условиях, мы смогли увидеть в гораздо более высоком разрешении воздействие вируса на эти различные популяции клеток, и это было необходимо для формирования надежной гипотезы о механизмах риска возникновения и прогрессирования сосудистых симптомов», — говорит Халил.
Во-вторых, заражение изолированных типов клеток вирусом неточно отражает то, что происходит в организме, где клетки находятся в постоянном общении, реагируя на воздействие вируса. Действительно, работа Ричардса и Халила в конечном итоге показала, что общение между инфицированными и неинфицированными типами клеток играет решающую роль в сосудистых эффектах COVID-19.
«В области вирусологии часто упускается из виду важность учета того, как клетки влияют на другие клетки, и разработки моделей, отражающих это», — говорит Ричардс. «Клетки не заражаются в изоляции, и ценность нашей модели в том, что она позволяет нам наблюдать, что происходит между клетками во время инфекции».
Вирусная инфекция гладкомышечных клеток имеет более широкие, косвенные эффекты
Когда исследователи подвергли свои клетки воздействию SARS-CoV-2, гладкомышечные клетки и перициты заразились — первые в особенно высоких концентрациях, и эта инфекция привела к сильной экспрессии воспалительных генов, — но эндотелиальные клетки сопротивлялись инфекции. Эндотелиальные клетки продемонстрировали некоторую реакцию на воздействие вируса, вероятно, из-за взаимодействия с белками на поверхности вируса. Обычно эндотелиальные клетки плотно прижимаются друг к другу, образуя прочный барьер, который удерживает кровь внутри кровеносных сосудов и не дает вирусам выйти наружу.
При воздействии SARS-CoV-2 соединения между эндотелиальными клетками, по-видимому, немного ослабли. В клетках также увеличились уровни активных форм кислорода, которые являются вредными побочными продуктами определенных клеточных процессов.
Однако большие изменения в эндотелиальных клетках произошли только после того, как клетки подверглись воздействию инфицированных гладкомышечных клеток. Это вызвало высокий уровень воспалительной сигнализации в эндотелиальных клетках. Это привело к изменениям в экспрессии многих генов, имеющих отношение к иммунному ответу. Некоторые из затронутых генов были вовлечены в пути коагуляции, которые сгущают кровь и, таким образом, могут вызывать образование тромбов и связанные с ними сосудистые события.
Соединения между эндотелиальными клетками испытывали гораздо более значительное ослабление после воздействия инфицированных гладкомышечных клеток, что приводило к утечке крови и распространению вируса. Все эти изменения происходили без того, чтобы SARS-CoV-2 когда-либо инфицировал эндотелиальные клетки.
Эта работа показывает, что вирусная инфекция гладкомышечных клеток и их последующая передача сигналов эндотелиальным клеткам являются стержнем сосудистого повреждения, вызванного SARS-CoV-2. Это не было бы очевидным, если бы исследователи не могли наблюдать за взаимодействием клеток друг с другом.
Клиническая значимость результатов исследования стволовых клеток
Эффекты, которые наблюдали исследователи, соответствовали данным пациентов. Некоторые из генов, экспрессия которых изменилась в их модели, полученной из стволовых клеток, были идентифицированы как маркеры высокого риска сосудистых осложнений у пациентов с COVID-19 с тяжелыми инфекциями.
Кроме того, исследователи обнаружили, что более поздний штамм SARS-CoV-2, омикронный вариант, оказывал гораздо более слабое воздействие на сосудистые и периваскулярные клетки, чем исходный вирусный штамм. Это согласуется с более низкими уровнями сосудистых осложнений, наблюдаемых у пациентов с COVID-19, инфицированных недавними штаммами.
Определив гладкомышечные клетки как основное место заражения SARS-Cov-2 в сосудистой системе, исследователи затем использовали свою модельную систему для проверки способности одного препарата предотвращать заражение гладкомышечных клеток. Они обнаружили, что препарат N, N-диметил-D-эритро-сфингозин может снижать заражение клеточного типа, не повреждая гладкомышечные или эндотелиальные клетки.
Хотя профилактика сосудистых осложнений COVID-19 не является столь актуальной в связи с текущими штаммами вируса, исследователи рассматривают этот эксперимент как доказательство того, что их модель стволовых клеток может быть использована для разработки будущих лекарств.
Новые коронавирусы и другие патогены часто эволюционируют, и когда будущий вирус вызывает сосудистые осложнения , эта модель может быть использована для быстрого тестирования лекарств, чтобы найти потенциальные методы лечения, пока потребность все еще высока. Модельная система также может быть использована для ответа на другие вопросы о сосудистых клетках, о том, как эти клетки взаимодействуют и как они реагируют на вирусы.
«Интегрируя стратегии биоинженерии в анализ фундаментального вопроса вирусной патологии, мы решили важные практические проблемы моделирования заболеваний человека в культуре и получили новое понимание инфекции SARS-CoV-2», — говорит Муни.
«Наш междисциплинарный подход позволил нам разработать улучшенную модель стволовых клеток для инфекции сосудистой системы», — говорит Йениш, который также является профессором биологии в Массачусетском технологическом институте. «Наша лаборатория уже применяет эту модель к другим интересующим вопросам, и мы надеемся, что она может стать ценным инструментом для других исследователей».