病毒毒素如何加剧严重的COVID-19
一个新的研究在杂志上自然通讯揭示了SARS-CoV-2病毒产生的病毒毒素如何导致严重的COVID-19感染。
这项研究表明，SARS-CoV-2的一部分斯派克”蛋白质是否会破坏人体器官(如肺)血管内部的细胞屏障，导致所谓的血管泄漏。阻断这种蛋白质的活性可能有助于预防COVID-19的一些最致命的症状，包括肺水肿，肺水肿会导致急性呼吸窘迫综合征(ARDS)。
“从理论上讲，通过专门针对这一途径，我们可以阻断导致血管疾病和急性呼吸窘迫综合征的发病机制，而无需靶向病毒该研究的主要作者、加州大学伯克利分校的博士后学者斯科特·比尔林说。“鉴于所有正在出现的不同变体以及单独预防每种感染的难度，除了完全阻断感染外，关注这些发病机制的触发因素可能是有益的。”
尽管许多疫苗怀疑论者引发了对SARS-CoV-2潜在危险的担忧峰值蛋白质——这是COVID-19 mRNA疫苗的目标——研究人员表示，他们的工作没有提供证据表明刺突蛋白在没有病毒感染的情况下会引起症状。相反，他们的研究表明，刺突蛋白可能与病毒和人体自身的免疫反应协同作用，引发危及生命的症状。
此外，接种疫苗后体内循环的刺突蛋白的数量远低于在COVID-19重症患者中观察到的并用于研究的数量。
该研究的资深作者、加州大学伯克利分校的传染病和疫苗学教授伊娃·哈里斯说:“疫苗中含有的刺突蛋白的数量永远不会导致泄漏。”“此外，没有证据表明[刺突蛋白]本身是致病的。我们的想法是，它能够帮助和教唆持续的感染。”
通过检测SARS-CoV-2刺突蛋白对人体肺和肺的影响血管细胞在小鼠的肺中，研究小组发现了允许刺突蛋白破坏体内关键内部屏障的分子途径。除了为治疗重症COVID-19开辟新途径外，了解刺突蛋白如何导致血管泄漏还可以揭示其他新发传染病背后的病理学。
“我们认为许多导致严重疾病的病毒可能编码病毒毒素，”Biering说。“这些蛋白质不受病毒感染，与屏障细胞相互作用，导致这些屏障失灵。这使得病毒得以传播，而病毒的放大和血管泄漏是引发严重疾病的原因。我希望我们能利用我们从SARS-CoV-2病毒中学到的原理，找到阻止这种发病机制的方法，以便在下一次大流行发生时，我们能做好更充分的准备。”
刺突蛋白是如何引发血管渗漏的
当排列在血管和毛细血管上的细胞被破坏，导致血浆和其他液体从血液中泄漏出来时，就会发生血管渗漏。除了造成严重COVID-19中观察到的肺和心脏损伤外，血管泄漏还可导致低血容量性休克，这是登革热死亡的主要原因。
在2019冠状病毒病大流行之前，Biering和哈里斯研究计划的其他成员正在研究登革热病毒蛋白NS1在引发血管泄漏和导致低血容量性休克中的作用。当大流行袭来时，研究小组想知道SARS-CoV-2中类似的病毒毒素是否也可能导致这种疾病急性呼吸窘迫综合征导致COVID-19患者死亡。
“人们已经意识到细菌毒素的作用，但病毒毒素的概念仍然是一个真正的新想法，”哈里斯说。“我们已经确定了这种从登革热病毒感染的细胞分泌的蛋白质，即使在没有病毒的情况下，也能够引起内皮细胞的渗透性并破坏内部屏障。所以，我们想知道SARS-CoV-2蛋白，比如spike，是否也能做类似的事情。”
刺突蛋白包裹在SARS-CoV-2的外表面，使该病毒具有多节的外观。它们在帮助病毒感染宿主方面发挥着关键作用:刺突蛋白与人类和其他哺乳动物细胞上的一种名为ACE2的受体结合，就像钥匙打开锁一样，允许病毒进入细胞并劫持细胞功能。SARS-CoV-2病毒在感染细胞时，会脱落大量含有受体结合域(RBD)的刺突蛋白。
Biering说:“真正有趣的是，循环刺突蛋白与临床中的严重COVID-19病例相关。”“我们想知道这种蛋白质是否也导致了我们在SARS-CoV-2的背景下看到的任何血管泄漏。”
目前，科学家们将与COVID-19严重相关的心肺损伤归因于一种被称为细胞因子风暴的过度活跃的免疫反应。为了验证刺突蛋白可能也起作用的理论，Biering和其他团队成员使用人体内皮细胞和上皮细胞的薄层来模拟人体血管的内层。他们发现，将这些细胞层暴露于刺突蛋白会增加它们的渗透性，这是血管渗漏的标志。
利用CRISPR-Cas9基因编辑技术，研究小组发现，即使在不表达ACE2受体的细胞中，渗透性也会增加，这表明它可能独立于病毒感染而发生。此外，他们发现暴露于刺突蛋白的小鼠也表现出血管渗漏，即使小鼠不表达人类ACE2受体，也不会感染SARS-CoV-2。
最后，在RNA测序的帮助下，研究人员发现刺突蛋白通过涉及聚糖、整合素和转化生长因子β (tgf - β)的分子信号通路触发血管泄漏。通过阻断整合素的活性，研究小组能够逆转小鼠的血管泄漏。
“我们发现了SARS-CoV-2的一种新的致病机制，其中刺突蛋白可以打破我们脉管系统的屏障。由此导致的通透性增加可能导致血管泄漏，正如在严重的COVID-19病例中常见的那样，我们可以在我们的小鼠模型中概括这些疾病的表现，”加州大学伯克利分校公共卫生学院哈里斯实验室的研究生、该研究的合著者菲利克斯·帕梅尔说。“看到刺突病毒和登革热病毒蛋白NS1之间的异同是很有趣的。两者都能够破坏内皮屏障，但两者涉及的时间线和宿主途径似乎有所不同。”
虽然阻断整合素的活性可能是治疗严重COVID-19的一个有希望的目标，但哈里斯说，需要做更多的工作来了解这一途径在疾病进展中的确切作用。虽然血管通透性的增加会加速感染并导致内出血，但它也可以通过让免疫机制更好地接近受感染的细胞来帮助身体对抗病毒。
“SARS-CoV-2进化成具有刺突表面蛋白，通过获得RGD基序，其与宿主细胞膜因子(如整合素)相互作用的能力增强。这个基序是一种常见的整合素结合因子，被许多病原体利用，包括细菌和其他病毒，来感染宿主细胞，”哈里斯实验室的前助理项目科学家、该研究的第一作者之一Francielle Tramontini Gomes de Sousa说。“我们的研究显示了RGD如何与整合素相互作用，导致tgf - β释放和tgf - β信号的激活。使用在体外和在活的有机体内上皮、内皮和血管通透性模型，我们能够提高对COVID-19患者tgf - β水平升高的细胞机制的理解，以及刺突-宿主细胞相互作用如何导致疾病。”
该团队正在继续研究导致血管泄漏的分子机制，同时也在调查其他病毒中可能存在的病毒毒素，这些病毒毒素会导致人类严重疾病。
“COVID-19并没有消失。我们现在有更好的疫苗，但我们不知道病毒将来会如何变异。”“研究这一过程可能有助于我们开发一种新的药物库，这样如果有人经历血管泄漏，我们就可以瞄准它。也许它不能阻止病毒的复制，但它可以阻止那个人死亡。”
