Cómo una toxina viral puede exacerbar la COVID-19 grave

A nuevo estudio en el diario Comunicaciones de la naturaleza revela cómo una toxina viral producida por el virus SARS-CoV-2 puede contribuir a infecciones graves por COVID-19.

El estudio muestra cómo una porción de la proteína «espiga» del SARS-CoV-2 puede dañar las barreras celulares que recubren el interior de los vasos sanguíneos dentro de órganos del cuerpo como los pulmones, lo que contribuye a lo que se conoce como fuga vascular. El bloqueo de la actividad de esta proteína puede ayudar a prevenir algunos de los síntomas más mortales de la COVID-19, incluido el edema pulmonar, que contribuye al síndrome de dificultad respiratoria aguda (SDRA).

«En teoría, al enfocarnos específicamente en esta vía, podríamos bloquear la patogenia que conduce a un trastorno vascular y al síndrome de dificultad respiratoria aguda sin necesidad de atacar al virus en sí», dijo el autor principal del estudio, Scott Biering, becario postdoctoral de la Universidad de California, Berkeley. . «A la luz de todas las diferentes variantes que están surgiendo y la dificultad de prevenir la infección de cada una individualmente, podría ser beneficioso centrarse en estos factores desencadenantes de la patogénesis además de bloquear la infección por completo».

Si bien muchos escépticos de las vacunas han avivado los temores sobre los peligros potenciales de la proteína de punta del SARS-CoV-2, que es el objetivo de las vacunas de ARNm de COVID-19, los investigadores dicen que su trabajo no proporciona evidencia de que la proteína de punta pueda causar síntomas en ausencia. de infección viral. En cambio, su estudio sugiere que la proteína espiga puede funcionar en conjunto con el virus y la propia respuesta inmune del cuerpo para desencadenar síntomas que amenazan la vida.

Además, la cantidad de proteína de punta que circula en el cuerpo después de la vacunación está mucho menos concentrada que las cantidades que se observaron en pacientes con COVID-19 grave y que se usaron en el estudio.

«La cantidad de proteína de pico que tendría en una vacuna nunca podría causar una fuga», dijo la autora principal del estudio, Eva Harris, profesora de enfermedades infecciosas y vacunología en UC Berkeley. «Además, no hay evidencia de que [the spike protein] es patogénico por sí mismo. La idea es que pueda ayudar e instigar una infección en curso».

Al examinar el impacto de la proteína del pico del SARS-CoV-2 en las células pulmonares y vasculares humanas, y en los pulmones de los ratones, el equipo de investigación pudo descubrir las vías moleculares que permiten que la proteína del pico rompa las barreras internas críticas del cuerpo. . Además de abrir nuevas vías para el tratamiento de la COVID-19 grave, comprender cómo la proteína espiga contribuye a la fuga vascular podría arrojar luz sobre la patología detrás de otras enfermedades infecciosas emergentes.

«Creemos que muchos virus que causan enfermedades graves pueden codificar una toxina viral», dijo Biering. «Estas proteínas, independientes de la infección viral, interactúan con las células de barrera y hacen que estas barreras funcionen mal. Esto permite que el virus se disemine, y esa amplificación del virus y la fuga vascular es lo que desencadena la enfermedad grave. Espero que podamos usar los principios que hemos aprendido del virus SARS-CoV-2 para encontrar formas de bloquear esta patogénesis para que estemos más preparados cuando ocurra la próxima pandemia».

Cómo la proteína espiga desencadena una fuga vascular

La fuga vascular ocurre cuando las células que recubren los vasos sanguíneos y los capilares se rompen, lo que permite que el plasma y otros fluidos se filtren fuera del torrente sanguíneo. Además de causar el daño pulmonar y cardíaco observado en casos graves de COVID-19, la fuga vascular también puede provocar un shock hipovolémico, la principal causa de muerte por dengue.

Antes de la pandemia de COVID-19, Biering y otros miembros del Programa de Investigación de Harris estaban estudiando el papel de la proteína NS1 del virus del dengue en el desencadenamiento de una fuga vascular y la contribución al shock hipovolémico. Cuando llegó la pandemia, el equipo se preguntó si una toxina viral similar en el SARS-CoV-2 también podría estar contribuyendo al síndrome de dificultad respiratoria aguda que estaba matando a los pacientes con COVID-19.

«La gente es consciente del papel de las toxinas bacterianas, pero el concepto de una toxina viral sigue siendo una idea realmente nueva», dijo Harris. «Habíamos identificado esta proteína secretada por células infectadas con el virus del dengue que, incluso en ausencia del virus, puede causar permeabilidad endotelial y romper las barreras internas. Entonces, nos preguntamos si una proteína SARS-CoV-2, como Spike, podría ser capaz de hacer cosas similares».

Las proteínas de pico cubren la superficie exterior del SARS-CoV-2, lo que le da al virus su apariencia nudosa. Desempeñan un papel fundamental para ayudar al virus a infectar a sus anfitriones: la proteína espiga se une a un receptor llamado ACE2 en las células humanas y de otros mamíferos, lo que, como una llave que abre una cerradura, permite que el virus ingrese a la célula y secuestre la función celular. El virus SARS-CoV-2 arroja una gran parte de la proteína de punta que contiene el dominio de unión al receptor (RBD) cuando infecta una célula.

«Lo que es realmente interesante es que la proteína de pico circulante se correlaciona con los casos graves de COVID-19 en la clínica», dijo Biering. «Queríamos preguntar si esta proteína también contribuía a alguna fuga vascular que vimos en el contexto del SARS-CoV-2».

Actualmente, los científicos atribuyen el daño cardíaco y pulmonar asociado con la COVID-19 grave a una respuesta inmunitaria hiperactiva llamada tormenta de citoquinas. Para probar la teoría de que la proteína espiga también podría desempeñar un papel, Biering y otros miembros del equipo utilizaron capas delgadas de células endoteliales y epiteliales humanas para imitar los revestimientos de los vasos sanguíneos del cuerpo. Descubrieron que exponer estas capas celulares a la proteína espiga aumentaba su permeabilidad, un sello distintivo de la fuga vascular.

Usando la tecnología de edición de genes CRISPR-Cas9, el equipo demostró que este aumento de la permeabilidad se produjo incluso en células que no expresaban el receptor ACE2, lo que indica que podría ocurrir independientemente de la infección viral. Además, encontraron que los ratones que estuvieron expuestos a la proteína espiga también exhibieron una fuga vascular, a pesar de que los ratones no expresan el receptor ACE2 humano y no pueden infectarse con el SARS-CoV-2.

Finalmente, con la ayuda de la secuenciación del ARN, los investigadores encontraron que la proteína de punta desencadena una fuga vascular a través de una vía de señalización molecular que involucra glicanos, integrinas y el factor de crecimiento transformante beta (TGF-beta). Al bloquear la actividad de las integrinas, el equipo pudo revertir la fuga vascular en ratones.

«Identificamos un nuevo mecanismo patogénico del SARS-CoV-2 en el que la proteína espiga puede romper las barreras que recubren nuestra vasculatura. El aumento resultante en la permeabilidad puede provocar una fuga vascular, como se observa comúnmente en los casos graves de COVID-19, y podríamos recapitular esas manifestaciones de la enfermedad en nuestros modelos de ratón», dijo el coautor del estudio, Felix Pahmeier, estudiante de posgrado en el laboratorio Harris de la Facultad de Salud Pública de UC Berkeley. «Fue interesante ver las similitudes y diferencias entre la proteína NS1 del virus Spike y el dengue. Ambos pueden romper las barreras endoteliales, pero las líneas de tiempo y las vías del huésped involucradas parecen diferir entre los dos».

Si bien bloquear la actividad de las integrinas puede ser un objetivo prometedor para tratar la COVID-19 grave, Harris dijo que se necesita más trabajo para comprender el papel exacto de esta vía en la progresión de la enfermedad. Si bien el aumento de la permeabilidad vascular puede acelerar la infección y provocar una hemorragia interna, también puede ayudar al cuerpo a combatir el virus al brindarle a la maquinaria inmunitaria un mejor acceso a las células infectadas.

«El SARS-CoV-2 evolucionó para tener una proteína de superficie de punta con mayor capacidad de interactuar con factores de la membrana de la célula huésped, como las integrinas, al adquirir un motivo RGD. Este motivo es un factor común de unión a integrinas explotado por muchos patógenos, incluidas las bacterias. y otros virus, para infectar las células huésped», dijo Francielle Tramontini Gomes de Sousa, exasistente científica del proyecto en el laboratorio de Harris y coautora del estudio. «Nuestro estudio muestra cómo Spike RGD interactúa con las integrinas, lo que da como resultado la liberación de TGF-beta y la activación de la señalización de TGF-beta. in vitro y en vivo modelos de permeabilidad epitelial, endotelial y vascular, pudimos mejorar la comprensión de los mecanismos celulares del aumento de los niveles de TGF-beta en pacientes con COVID-19 y cómo las interacciones entre la célula huésped y la espiga podrían contribuir a la enfermedad».

El equipo continúa estudiando los mecanismos moleculares que conducen a la fuga vascular y también investiga posibles toxinas virales en otros virus que causan enfermedades graves en humanos.

«COVID-19 no se ha ido. Tenemos mejores vacunas ahora, pero no sabemos cómo va a mutar el virus en el futuro», dijo Biering. «Estudiar este proceso puede ayudarnos a desarrollar un nuevo arsenal de medicamentos para que, si alguien experimenta una fuga vascular, podamos enfocarnos en eso. Tal vez no detenga la replicación del virus, pero podría evitar que esa persona muera». .»