發(fā)表在《Nature Communications》雜志上的一項新研究揭示了SARS-CoV-2病毒產(chǎn)生的病毒毒素可能會導(dǎo)致嚴重的COVID-19感染。

這項研究顯示了部分SARS-CoV-2“刺突”蛋白如何破壞身體器官(如肺部)血管內(nèi)部的細胞屏障，導(dǎo)致所謂的血管泄漏。阻斷這種蛋白質(zhì)的活性可能有助于預(yù)防COVID-19的一些致命癥狀，包括肺水腫，肺水腫會導(dǎo)致急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)。

“從理論上講，通過專門針對這一途徑，我們可以阻斷導(dǎo)致血管疾病和急性呼吸窘迫綜合征的發(fā)病機制，而不需要針對病毒本身，”該研究的主要作者、加州大學伯克利分校的博士后學者Scott B. Biering說?！拌b于所有正在出現(xiàn)的不同變體，以及單獨預(yù)防每種變體的感染的困難，除了完全阻止感染之外，關(guān)注這些致病的觸發(fā)因素可能是有益的?！?/p>

雖然許多疫苗懷疑人士對SARS-CoV-2刺突蛋白(COVID-19 mRNA疫苗的靶標)的潛在危險表示擔憂，但研究人員表示，他們的工作沒有提供證據(jù)表明，在沒有病毒感染的情況下，刺突蛋白會引起癥狀。相反，他們的研究表明，刺突蛋白可能與病毒和身體自身的免疫反應(yīng)協(xié)同作用，引發(fā)危及生命的癥狀。

此外，接種疫苗后體內(nèi)循環(huán)的刺突蛋白的濃度遠低于在嚴重COVID-19患者中觀察到的濃度和研究中使用的濃度。

該研究的資深作者、加州大學伯克利分校的傳染病和疫苗學教授Eva Harris說:“疫苗中含有的刺突蛋白的數(shù)量永遠不會導(dǎo)致泄漏。此外，沒有證據(jù)表明(刺突蛋白)本身具有致病性。我們的想法是，它能夠幫助和教唆持續(xù)的感染。”

通過研究SARS-CoV-2刺突蛋白對人類肺部和血管細胞以及小鼠肺部的影響，研究小組發(fā)現(xiàn)了允許刺突蛋白破壞體內(nèi)關(guān)鍵屏障的分子途徑。除了為治療嚴重的COVID-19開辟新的途徑外，了解刺突蛋白是如何導(dǎo)致血管滲漏的，還可以揭示其他新興傳染病背后的病理學。

Biering說:“我們認為，許多導(dǎo)致嚴重疾病的病毒可能會編碼一種病毒毒素。這些蛋白質(zhì)不受病毒感染，與屏障細胞相互作用，導(dǎo)致這些屏障失靈。這使得病毒得以傳播，病毒的放大和血管泄漏是引發(fā)嚴重疾病的原因。我希望我們可以利用我們從SARS-CoV-2病毒中學到的原理，找到阻斷這種發(fā)病機制的方法，以便在下一次大流行發(fā)生時做好更充分的準備?！?/p>

刺突蛋白如何引發(fā)血管滲漏

當排列在血管和毛細血管上的細胞被破壞，導(dǎo)致血漿和其他液體從血液中泄漏時，就會發(fā)生血管滲漏。除了在重癥COVID-19中觀察到的肺和心臟損傷外，血管滲漏還可導(dǎo)致低血容量性休克，這是登革熱死亡的主要原因。

在COVID-19大流行之前，Biering和Harris研究項目的其他成員正在研究登革熱病毒蛋白NS1在觸發(fā)血管滲漏和導(dǎo)致低血容量性休克中的作用。當大流行爆發(fā)時，該團隊想知道SARS-CoV-2中類似的病毒毒素是否也可能導(dǎo)致導(dǎo)致COVID-19患者死亡的急性呼吸窘迫綜合征。

Harris說:“人們已經(jīng)意識到細菌毒素的作用，但病毒毒素的概念仍然是一個真正的新概念。”“我們已經(jīng)確定了這種從登革病毒感染的細胞中分泌的蛋白質(zhì)，即使在沒有病毒的情況下，也能夠引起內(nèi)皮細胞的通透性并破壞內(nèi)部屏障。所以，我們想知道SARS-CoV-2蛋白質(zhì)，如spike，是否能夠做類似的事情。”

刺突蛋白覆蓋在SARS-CoV-2的外表面，使病毒具有多節(jié)的外觀。它們在幫助病毒感染宿主方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用:刺突蛋白與人類和其他哺乳動物細胞上的一種名為ACE2的受體結(jié)合，就像鑰匙轉(zhuǎn)動鎖一樣，允許病毒進入細胞并劫持細胞功能。SARS-CoV-2病毒感染細胞時，會脫落大量含有受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域(RBD)的刺突蛋白。

Biering說:“真正有趣的是，循環(huán)刺突蛋白與臨床中嚴重的COVID-19病例相關(guān)。我們想知道這種蛋白質(zhì)是否也導(dǎo)致了我們在SARS-CoV-2中看到的任何血管泄漏。”

目前，科學家將與嚴重的COVID-19相關(guān)的心肺損傷歸因于一種被稱為細胞因子風暴的過度活躍的免疫反應(yīng)。為了驗證刺突蛋白可能也起作用的理論，Biering和其他團隊成員使用薄層的人體內(nèi)皮細胞和上皮細胞來模擬體內(nèi)血管的內(nèi)襯。他們發(fā)現(xiàn)，將這些細胞層暴露在刺突蛋白下增加了它們的滲透性，這是血管滲漏的標志。

利用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)，研究小組表明，即使在不表達ACE2受體的細胞中，滲透性也會增加，這表明它可以獨立于病毒感染而發(fā)生。此外，他們發(fā)現(xiàn)暴露于刺突蛋白的小鼠也表現(xiàn)出血管滲漏，盡管小鼠不表達人類ACE2受體，也不會感染SARS-CoV-2。

最后，在RNA測序的幫助下，研究人員發(fā)現(xiàn)刺突蛋白通過一個涉及聚糖、整合素和轉(zhuǎn)化生長因子β (TGF- β)的分子信號通路觸發(fā)血管泄漏。通過阻斷整合素的活性，該團隊能夠逆轉(zhuǎn)小鼠的血管泄漏。

“我們發(fā)現(xiàn)了SARS-CoV-2的一種新的致病機制，其中刺突蛋白可以打破我們血管系統(tǒng)的屏障。由此導(dǎo)致的通透性增加會導(dǎo)致血管滲漏，就像在嚴重的COVID-19病例中經(jīng)常觀察到的那樣，我們可以在我們的小鼠模型中重現(xiàn)這些疾病的表現(xiàn)，”研究合著者、加州大學伯克利分校公共衛(wèi)生學院Harris實驗室的研究生Felix Pahmeier說?！翱吹酱掏徊《镜鞍缀偷歉锊《镜鞍譔S1之間的異同是很有趣的。兩者都能破壞內(nèi)皮屏障，但兩者之間的時間線和宿主途徑似乎不同。”

雖然阻斷整合素的活性可能是治療嚴重COVID-19的一個有希望的靶點，但Harris說，需要做更多的工作來了解這一途徑在疾病進展中的確切作用。雖然血管通透性增加會加速感染并導(dǎo)致內(nèi)出血，但它也可以通過讓免疫機制更好地接近被感染的細胞來幫助身體對抗病毒。

“SARS-CoV-2進化出一種刺突表面蛋白，通過獲得RGD motif，與宿主細胞膜因子(如整合素)相互作用的能力增強。該motif是一種常見的整合素結(jié)合因子，被許多病原體利用，包括細菌和其他病毒，來感染宿主細胞，”Harris實驗室的前助理項目科學家、該研究的共同第一作者Francielle Tramontini Gomes de Sousa說?！拔覀兊难芯匡@示了峰值RGD如何與整合素相互作用，導(dǎo)致TGF- β釋放和TGF- β信號的激活。利用上皮細胞、內(nèi)皮細胞和血管通透性的體外和體內(nèi)模型，我們能夠更好地了解COVID-19患者TGF- β水平升高的細胞機制，以及spike-宿主細胞相互作用如何導(dǎo)致疾病?！?/p>

該團隊正在繼續(xù)研究導(dǎo)致血管泄漏的分子機制，并正在研究其他導(dǎo)致人類嚴重疾病的病毒中可能的病毒毒素。

“COVID-19沒有消失。我們現(xiàn)在有更好的疫苗，但我們不知道病毒未來會如何變異。研究這一過程可能有助于我們開發(fā)一種新的藥物庫，這樣如果有人經(jīng)歷血管泄漏，我們就可以針對它。也許它不能阻止病毒復(fù)制，但它可以阻止那個人死亡?！?/p>

Scott B. Biering, Francielle Tramontini Gomes de Sousa, Laurentia V. Tjang, Felix Pahmeier, Chi Zhu, Richard Ruan, Sophie F. Blanc, Trishna S. Patel, Caroline M. Worthington, Dustin R. Glasner, Bryan Castillo-Rojas, Venice Servellita, Nicholas T. N. Lo, Marcus P. Wong, Colin M. Warnes, Daniel R. Sandoval, Thomas Mandel Clausen, Yale A. Santos, Douglas M. Fox, Victoria Ortega, Anders M. Näär, Ralph S. Baric, Sarah A. Stanley, Hector C. Aguilar, Jeffrey D. Esko, Charles Y. Chiu, John E. Pak, P. Robert Beatty, Eva Harris. SARS-CoV-2 Spike triggers barrier dysfunction and vascular leak via integrins and TGF-β signaling. Nature Communications, 2022; 13 (1) DOI: 10.1038/s41467-022-34910-5