В крупном научном исследовании, опубликованном в журнале Cell, ученые из Медицинской школы UNC и Школы глобального общественного здравоохранения UNC Gillings охарактеризовали конкретные способы, которыми SARS-CoV-2 – коронавирус, вызывающий COVID-19, – заражает носовая полость в значительной степени – реплицирует определенные типы клеток – и инфицирует и реплицируется все хуже и хуже в клетках нижних дыхательных путей, включая легкие.
Полученные данные свидетельствуют о том, что вирус имеет тенденцию сначала прочно закрепляться в полости носа, но в некоторых случаях вирус всасывается в легкие, где может вызвать более серьезное заболевание, включая потенциально смертельную пневмонию.
"Если нос является доминирующим исходным местом, откуда засеваются легочные инфекции, то широкое использование масок для защиты носовых ходов, а также любые терапевтические стратегии, снижающие количество вирусов в носу, такие как орошение носа или противовирусные назальные спреи, могут быть полезным," сказал соавтор исследования Ричард Баучер, доктор медицины, Джеймс К. Мозер, выдающийся заслуженный профессор медицины и директор Института легких им. Марсико Медицинской школы UNC.
Другим соавтором исследования был Ральф Барик, Ph.D., Уильям Р. Кенан, заслуженный профессор эпидемиологии Школы общественного здравоохранения UNC Gillings.
"Это знаковое исследование, которое раскрывает новые и неожиданные сведения о механизмах, которые регулируют прогрессирование и тяжесть заболевания после инфекции SARS-CoV-2," сказал Барич, который также работает на факультете микробиологии в Медицинской школе UNC. "Кроме того, мы описываем новую обратную генетическую платформу для SARS-CoV-2, позволяющую нам производить ключевые индикаторные вирусы, которые будут поддерживать национальные усилия по созданию вакцины, предназначенные для контроля распространения и серьезности этого ужасного заболевания."
SARS-CoV-2 первоначально вызывал вспышки в конце 2019 года в Китае и распространился по всему миру, заразив почти 6 миллионов человек и убив более 350000 человек. На Соединенные Штаты приходится почти треть этих инфекций и смертей.
Команда UNC-Chapel Hill в своем исследовании стремилась лучше понять ряд вещей о вирусе, в том числе, какие клетки в дыхательных путях он заражает и как он попадает в легкие у пациентов, у которых развивается пневмония.
В одной серии лабораторных экспериментов исследователи использовали разные изоляты SARS-CoV-2, чтобы увидеть, насколько эффективно они могут инфицировать культивируемые клетки из разных частей дыхательных путей человека. Они обнаружили поразительную картину непрерывного изменения или градиента от относительно высокой заразности SARS-CoV-2 в клетках, выстилающих носовые ходы, до меньшей заразности в клетках, выстилающих горло и бронхи, до относительно низкой инфекционности в клетках легких.
Ученые также обнаружили, что ACE2 – рецептор клеточной поверхности, который вирус использует для проникновения в клетки, – был более распространен на клетках слизистой носа и менее распространен на поверхности клеток нижних дыхательных путей. Это различие может объяснить, по крайней мере частично, почему клетки слизистой оболочки верхних дыхательных путей более восприимчивы к инфекции.
Другие эксперименты были сосредоточены на TMPRSS2 и фурине, двух ферментах, расщепляющих белок, обнаруженных во многих клетках человека. Считается, что SARS-CoV-2 использует эти два фермента для преобразования ключевых вирусных белков и проникновения в клетки человека. Эксперименты подтвердили, что, когда этих человеческих ферментов больше, этот конкретный коронавирус имеет повышенную способность инфицировать клетки и создавать копии самого себя.
Исследователи обнаружили, что вирус может инфицировать клетки слизистой оболочки дыхательных путей, называемые эпителиальными клетками, и в ограниченной степени наиболее важные "пневмоцит" клетки легких, которые помогают переносить вдыхаемый кислород в кровоток. Но SARS-CoV-2 почти не поражает другие клетки дыхательных путей.
Интересно, что вирус не инфицировал клетки выстилки дыхательных путей, называемые клубными клетками, несмотря на то, что эти клетки экспрессируют как ACE2, так и TMPRSS2. Более того, одни и те же типы эпителиальных клеток дыхательных путей от разных доноров-людей, особенно эпителиальные клетки нижних дыхательных путей, как правило, значительно различались по своей восприимчивости к инфекции. Такие результаты позволяют предположить, что в клетках дыхательных путей есть неоткрытые факторы, которые помогают определить течение инфекции у людей – курс, который, как известно, широко варьируется от легкого или отсутствия симптомов до респираторной недостаточности и смерти.
Команда нанесла на карту участки заражения коронавирусом в легких нескольких людей, умерших от COVID-19, и обнаружила, что эти участки демонстрируют своего рода пятнистость и другие характеристики, соответствующие гипотезе о том, что эти участки возникли в результате инфекции выше в дыхательных путях.
Гипотеза о том, что аспирация перорального содержимого в легкие является значительной причиной пневмонии COVID-19, согласуется с наблюдениями о том, что люди с повышенным риском тяжелого заболевания легких – пожилые люди, страдающие ожирением и диабетики – более склонны к аспирации, особенно в ночь.
Команда также обнаружила, что ранее описанные индивидуальные антитела, способные нейтрализовать оригинальный коронавирус SARS 2002 года и коронавирус MERS, который медленно распространяется на Ближнем Востоке с 2012 года, не нейтрализовали SARS-CoV-2. Однако сыворотка крови двух из пяти пациентов с SARS 2002 показала низкий уровень, но значительную способность нейтрализовать инфекционность SARS-CoV-2 в культивируемых клетках. Эти данные свидетельствуют о том, что люди, подвергшиеся воздействию других коронавирусов, могут иметь в крови некоторые другие типы антител, которые обеспечивают хотя бы частичную защиту от SARS-CoV-2.
"Эти результаты с использованием новой и инновационной методологии открывают новые направления для будущих исследований SARS-C0V-2, которые могут служить ориентиром для терапевтических разработок и практик для снижения передачи и тяжести COVID-19," сказал Джеймс Кили, директор отделения болезней легких в Национальном институте сердца, легких и крови, входящем в состав Национальных институтов здравоохранения.
Баучер, Барик и его коллеги отмечают, что их исследование, помимо конкретных выводов об инфекции SARS-CoV-2 в дыхательных путях, включало разработку ключевых лабораторных инструментов, включая версию SARS-CoV-2, модифицированную для переноса вируса. флуоресцентный маяк – это должно быть полезно в будущих исследованиях вируса.