新研究揭示新冠病毒刺突蛋白驅(qū)動(dòng)肺血管內(nèi)皮損傷的分子機(jī)制

自2019年底以來(lái)，SARS-CoV-2感染引發(fā)的新冠肺炎疫情給缺乏有效治療手段的世界帶來(lái)了巨大負(fù)擔(dān)。SARS-CoV-2感染誘導(dǎo)嚴(yán)重的內(nèi)皮病變，其特征是肺血管系統(tǒng)中大量?jī)?nèi)皮細(xì)胞損傷和微血栓聚集。此外，在患有嚴(yán)重新冠肺炎的人群中，廣泛的微血栓和高凝狀態(tài)更為常見(jiàn)，這表明肺內(nèi)皮病是常見(jiàn)的新冠肺炎并發(fā)癥。嚴(yán)重的新冠肺炎患者更容易出現(xiàn)肺血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷，如細(xì)胞凋亡和緊密連接丟失，以及精心策劃的血管內(nèi)凝血病，這增加了早期診斷這些綜合征可能對(duì)這些患者大有裨益的可能性。然而，在死后肺中觀察到的內(nèi)皮病變是否是通過(guò)直接的病毒結(jié)合介導(dǎo)的仍然存在爭(zhēng)議。

7月14日，廣州醫(yī)科大學(xué)呼吸疾病全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、廣州實(shí)驗(yàn)室鐘南山院士和王健教授團(tuán)隊(duì)在Nature旗下刊物Signal Transduction and Targeted Therapy（中國(guó)科學(xué)院醫(yī)學(xué)1區(qū)Top期刊，IF=39.3）在線(xiàn)發(fā)表了題為“SARS-CoV-2 Spike Protein Receptor-Binding Domain Perturbates Intracellular Calcium Homeostasis and Impairs Pulmonary Vascular Endothelial Cells”的研究論文，該研究揭示SARS-CoV-2刺突蛋白受體結(jié)合域干擾細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)并損害肺血管內(nèi)皮細(xì)胞。暴露于SARS-CoV-2的刺突蛋白或受體結(jié)合域（S-RBD）顯著影響內(nèi)皮細(xì)胞并誘導(dǎo)肺血管內(nèi)皮病變。在本研究中，使用血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2人源化近交系（hACE2 Tg）小鼠和培養(yǎng)的肺血管內(nèi)皮細(xì)胞來(lái)研究刺突蛋白/S-RBD如何影響肺血管內(nèi)皮。

結(jié)果表明，S-RBD通過(guò)TRPV4的急性激活導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)游離鈣濃度（[Ca2+]i）的急性到延長(zhǎng)誘導(dǎo)，并導(dǎo)致培養(yǎng)的人肺動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞（PAEC）中機(jī)械敏感通道Piezo1和儲(chǔ)存操作鈣通道（SOCC）關(guān)鍵組分Orai1的延長(zhǎng)上調(diào)。在機(jī)制上，S-RBD與ACE2相互作用，誘導(dǎo)涉及Orai1、Piezo1和TRPC1的簇的形成，促進(jìn)Piezo 1和SOCC的通道激活，并導(dǎo)致細(xì)胞凋亡升高。這些作用被抑制S-RBD和ACE2之間結(jié)合的Kobophenol A或細(xì)胞內(nèi)鈣螯合劑BAPTA-AM阻斷。GsMTx4阻斷Piezo1和SOCC通過(guò)使升高的[Ca2+]i正常化，有效保護(hù)S-RBD誘導(dǎo)的hACE2-Tg小鼠肺微血管內(nèi)皮損傷。與原型菌株相比，S-RBD的奧密克戎變異株（BA.5.2和XBB）誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡明顯減輕。轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析表明，原型S-RBD比德?tīng)査騆ambda S-RBD產(chǎn)生更嚴(yán)重的急性影響。總之，該研究提供了令人信服的證據(jù)，證明S-RBD可以通過(guò)與ACE2結(jié)合并通過(guò)上調(diào)Piezo1和Orai1觸發(fā)[Ca2+]i來(lái)誘導(dǎo)持續(xù)的肺血管內(nèi)皮損傷。靶向抑制ACE2-Piezo1/SOCC-[Ca2+]i軸是治療S-RBD誘導(dǎo)的肺血管疾病的有效策略。

據(jù)報(bào)道，在培養(yǎng)細(xì)胞模型和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型中，暴露于促進(jìn)與宿主細(xì)胞質(zhì)膜上受體結(jié)合的刺突蛋白或受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域（S-RBD），如血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2（ACE2），可以直接影響肺血管系統(tǒng)的內(nèi)皮。在分子水平上，進(jìn)行性血管內(nèi)皮病是通過(guò)下調(diào)ACE2和線(xiàn)粒體損傷以及激活免疫反應(yīng)（涉及血管內(nèi)皮細(xì)胞和先天免疫細(xì)胞之間的串?dāng)_）等機(jī)制發(fā)展起來(lái)的。這些證據(jù)強(qiáng)烈表明，在沒(méi)有完全病毒感染和隨后誘導(dǎo)的微環(huán)境變化的情況下，特異性棘突蛋白/S-RBD-宿主相互作用可能足以損害肺血管內(nèi)皮，并導(dǎo)致新冠肺炎的內(nèi)皮病變和內(nèi)皮功能障礙。然而，相關(guān)的潛在機(jī)制仍不清楚，需要進(jìn)一步研究。

研究報(bào)告了SARS-CoV-2或新冠肺炎感染人群中肺動(dòng)脈高壓（PH）的發(fā)生和發(fā)展。在感染SARS-CoV-2后，非重癥監(jiān)護(hù)室（ICU）和ICU人群中預(yù)測(cè)的PH患病率應(yīng)分別為12%和39%。這些臨床發(fā)現(xiàn)表明SARS-CoV-2、發(fā)育性肺血管損傷和肺動(dòng)脈高壓之間存在關(guān)聯(lián)。與新冠肺炎相關(guān)的肺血管病與肺動(dòng)脈高壓具有許多病理生理學(xué)和病理生物學(xué)特征，包括平滑肌肥大和重塑、內(nèi)皮功能障礙和微血管微血栓。在急性感染期間，肺血管中微血栓的增加可能會(huì)導(dǎo)致慢性血栓栓塞性PH的進(jìn)展。

在長(zhǎng)期感染期間，持續(xù)的肺血管損傷和微血栓的積聚可能共同驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)期的肺血管炎癥和重塑，這表明PH是一種長(zhǎng)期的新冠肺炎并發(fā)癥，值得進(jìn)一步評(píng)估和關(guān)注。先前的研究表明，內(nèi)皮損傷在啟動(dòng)肺血管重塑和PH中起著至關(guān)重要的作用。內(nèi)皮細(xì)胞死亡導(dǎo)致細(xì)胞凋亡和增殖之間的失衡，從而出現(xiàn)并促進(jìn)管腔閉塞病變的建立。此外，內(nèi)皮細(xì)胞損傷通過(guò)旁分泌機(jī)制刺激平滑肌細(xì)胞增殖和內(nèi)/外膜肥大。這些機(jī)制共同促進(jìn)了PH相關(guān)肺血管重塑的發(fā)病機(jī)制，這也是S-RBD誘導(dǎo)的血管損傷的潛在機(jī)制。

在已有知識(shí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)使用體內(nèi)ACE2人源化近交系小鼠（hACE2 Tg）、體外培養(yǎng)的人和小鼠肺血管內(nèi)皮細(xì)胞，本研究旨在系統(tǒng)地確定刺突蛋白/S-RBD對(duì)肺血管內(nèi)皮和內(nèi)皮細(xì)胞的作用，還探討了刺突蛋白/S-RBD如何影響細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)并誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷的潛在機(jī)制。這項(xiàng)研究**證明，刺突蛋白/S-RBD可以通過(guò)依賴(lài)于S-RBD-ACE2相互作用、細(xì)胞內(nèi)鈣的存在和ACE2鈣通道簇的形成的機(jī)制，影響Piezo1和SOCC等鈣通道的激活和表達(dá)。

這些機(jī)制被針對(duì)S-RBD-ACE2相互作用的特異性抑制劑、細(xì)胞內(nèi)鈣螯合劑或針對(duì)Piezo1和SOCC的抑制劑抑制。這些數(shù)據(jù)強(qiáng)調(diào)了鈣通道在刺突蛋白/S-RBD誘導(dǎo)的肺血管功能障礙和內(nèi)皮細(xì)胞損傷中的潛在作用和貢獻(xiàn)。此外，通過(guò)使用特異性鈣通道抑制劑，該研究結(jié)果有力地表明，靶向抑制細(xì)胞內(nèi)鈣調(diào)節(jié)可能是治療S-RBD誘導(dǎo)的肺血管損傷的有力策略，為新冠肺炎相關(guān)肺血管疾病的治療和長(zhǎng)期新冠肺炎并發(fā)癥的管理提供了新的見(jiàn)解。

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