發(fā)表在《Nature Communications》雜志上的一項(xiàng)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(yán)重的COVID-19感染。

這項(xiàng)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(xì)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(jī)制，而不需要針對病毒本身，”該研究的主要作者、加州大學(xué)伯克利分校的博士后學(xué)者Scott B. Biering說。“鑒于所有正在出現(xiàn)的不同變體，以及單獨(dú)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。”

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(biāo))的潛在危險(xiǎn)表示擔(dān)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(yuǎn)低于在嚴(yán)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(xué)伯克利分校的傳染病和疫苗學(xué)教授Eva Harris說:“疫苗中含有的刺突蛋白的數(shù)量永遠(yuǎn)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(xì)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(yán)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(xué)。

Biering說:“我們認(rèn)為，許多導(dǎo)致嚴(yán)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(xì)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(yán)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(xué)到的原理，找到阻斷這種發(fā)病機(jī)制的方法，以便在下一次大流行發(fā)生時(shí)做好更充分的準(zhǔn)備。”

刺突蛋白如何引發(fā)血管滲漏

當(dāng)排列在血管和毛細(xì)血管上的細(xì)胞被破壞，導(dǎo)致血漿和其他液體從血液中泄漏時(shí)，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(xiàng)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(dāng)大流行爆發(fā)時(shí)，該團(tuán)隊(duì)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(xì)菌毒素的作用，但病毒毒素的概念仍然是一個(gè)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(xì)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(xì)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(xì)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(jìn)入細(xì)胞并劫持細(xì)胞功能。SARS-CoV-2病毒感染細(xì)胞時(shí)，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(yán)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(xué)家將與嚴(yán)重的COVID-19相關(guān)的心肺損傷歸因于一種被稱為細(xì)胞因子風(fēng)暴的過度活躍的免疫反應(yīng)。為了驗(yàn)證刺突蛋白可能也起作用的理論，Biering和其他團(tuán)隊(duì)成員使用薄層的人體內(nèi)皮細(xì)胞和上皮細(xì)胞來模擬體內(nèi)血管的內(nèi)襯。他們發(fā)現(xiàn)，將這些細(xì)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(biāo)志。

利用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)，研究小組表明，即使在不表達(dá)ACE2受體的細(xì)胞中，滲透性也會增加，這表明它可以獨(dú)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(dá)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(gè)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(tuán)隊(duì)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(jī)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(yán)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(xué)伯克利分校公共衛(wèi)生學(xué)院Harris實(shí)驗(yàn)室的研究生Felix Pahmeier說。“看到刺突病毒蛋白和登革病毒蛋白NS1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(shí)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(yán)重COVID-19的一個(gè)有希望的靶點(diǎn)，但Harris說，需要做更多的工作來了解這一途徑在疾病進(jìn)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(jī)制更好地接近被感染的細(xì)胞來幫助身體對抗病毒。

“SARS-CoV-2進(jìn)化出一種刺突表面蛋白，通過獲得RGD motif，與宿主細(xì)胞膜因子(如整合素)相互作用的能力增強(qiáng)。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(xì)菌和其他病毒，來感染宿主細(xì)胞，”Harris實(shí)驗(yàn)室的前助理項(xiàng)目科學(xué)家、該研究的共同第一作者Francielle Tramontini Gomes de Sousa說。“我們的研究顯示了峰值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(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)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(xì)胞機(jī)制，以及spike-宿主細(xì)胞相互作用如何導(dǎo)致疾病。”

該團(tuán)隊(duì)正在繼續(xù)研究導(dǎo)致血管泄漏的分子機(jī)制，并正在研究其他導(dǎo)致人類嚴(yán)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(gè)人死亡。”

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