Przełamywanie przez SARS-COV-2 bariery krew-mózg w ataku na OUN

O wypływie wirusa na OUN wnioskowano na podstawie objawów neurologicznych COVID-19: nudności, bólu głowy, utraty węchu i smaku, zaburzeń świadomości, a niekiedy ostrych zmian niedokrwiennych mózgu, z zawałem włącznie. Krytyczne dla zrozumienia neuroinwazyjności SARS-COV-2 było poznanie mechanizmu przełamania bariery krew-mózg (ang. blood-brain-bareer, BBB).

Receptorem komórkowym wykorzystywanym przez SARS-Cov-2 do ataku na komórkę jest receptor enzymu konwertującego angiotensynę 2 (ACE2), wiążący się z białkiem S1 kolca wirusa. ACE2 znajduje się na komórkach śródbłonka, pericytach i komórkach mięśni gładkich, trzech typach komórek naczyń krwionośnych obecnych we wszystkich tkankach. Identyfikowany jest również w naczyniach mózgu, a wzrost jego ekspresji, wykazany u chorych na nadciśnienie tętnicze i choroby neurodegeneracyjne, może wyjaśniać obserwowany w tych schorzeniach cięższy przebieg COVID-19. Skuteczny atak na BBB był opisywany w przypadku wirusów wścieklizny, HIV-1, gorączki zachodniego Nilu, Zika i grypy. Wirusy te uszkadzają śródbłonek naczyń w bezpośrednim kontakcie lub pośrednio, aktywując miejscowe mechanizmy stanu zapalnego, co sprzyja inwazji na zasadzie dodatniego sprzężenia zwrotnego.

Mechanizmy przełamania BBB przez SARS-COV-2 został opisany i zweryfikowany eksperymentalnie w połowie 2020 roku w publikacji wykorzystującej niestandardowe techniki in vitro. W modelu badawczym, wirus był reprezentowany przez struktury kolca odpowiedzialne za interakcje z atakowaną komórką: białko S1, uczestniczące w wiązaniu z ACE2; S2 – białko fuzyjne kolca i RBD (ang. receptor-binding domain) – fragment S1, bezpośrednio wiążący ACE2. Do stworzenia modeli BBB in vitro: dwu- (2D) i trójwymiarowych (3D) użyto komórek śródbłonka naczyń włosowatych, hBMVEC (ang. human brain microvascular endothelial) z hodowli pierwotnej i linii komórkowej. W modelu 2D, hBMVEC hodowane były jednowarstwowo (monolayer) na membranie oddzielającej dwa przedziały naczynia hodowlanego; w modelu 3D, hBMVEC rosły we wnętrzu mikrocylindrów z macierzy żelowej. Perfundowanie mikrocylindrów płynem hodowlanym tworzyło działające w naczyniach siły tnące istotne dla pomiaru integralności warstwy komórkowej. Hodowle w obu modelach inkubowano z S1, RBD lub S2, odtwarzając ekspozycję BBB na natywny wirus in vivo.

Za miarę strukturalnej dezintegracji BBB przyjęto spadek transmembranowej impedancji warstwy komórek (odpowiednika oporu elektrycznego prądu stałego); za miarę dysfunkcyjności BBB wzrost przepuszczalności małych cząstek znakowanych fluorescencyjnie. Wykazano, że efekt wywierany in vitro przez S1, RBD i S2 na integralność warstw komórek był podobny, a odwracalność dysfunkcji sugeruje, że mają one charakter chwilowej reorganizacji struktury śródbłonka, a nie zmian utrwalonych.

Na poziomie molekularnym wykazano natomiast, że eksponowane na S1, RBD i S2 hBMVEC ulegają aktywacji, wykazując wzrost ekspresji cząsteczek adhezyjnych (ICAM-1 i VCAM-1), czynników chemotaksji leukocytów (chemokiny CCL5, CXCL10), cytokin prozapalnych (IL-1β i IL-6) oraz metaloproteinaz macierzy pozakomórkowej (MMPs). Metaloproteinaza MMP3 degraduje białka ścisłych połączeń międzykomórkowych hBMVEC, a MMP12 umożliwia ekstrawazację ściągniętych przez cytokiny monocytów/neutrofili do miąższu mózgu.

U podstaw neuroinwazyjności i neurotoksyczności SARS-COV-2 leży więc odwracalne nasilenie parakomórkowej przepuszczalności śródbłonka naczyń, umożliwiającej przenikanie wirusa przez BBB, indukcja miejscowego stanu zapalnego przez wzrost produkcji chemokin i cytokin oraz ułatwienie migracji komórek stanu zapalnego do miąższu mózgu. Wydaje się, że ten mechanizm ujmuje wszystkie elementy skutecznego ataku SARS-COV-2 na OUN.

Dr Tomasz Ochałek 

Laboratoria Medyczne DIAGNOSTYKA