COVID-19 yra kvėpavimo takų liga, pirmiausia pažeidžianti plaučius. Tačiau SARS-CoV-2 virusas, sukeliantis COVID-19, nustebino gydytojus ir mokslininkus, nes neįprastai didelė dalis pacientų patyrė kraujagyslių komplikacijų – su kraujotaka susijusias problemas, tokias kaip kraujo krešuliai, širdies priepuoliai ir insultai.
Whitehead instituto įkūrėjas Rudolfas Jaenischas ir jo kolegos norėjo suprasti, kaip šis kvėpavimo takų virusas gali turėti tokį reikšmingą poveikį kraujagyslėms. Jie naudojo pluripotentines kamienines ląsteles, kad sukurtų tris atitinkamus kraujagyslių ir perivaskulinių ląstelių tipus – ląsteles, kurios supa kraujagysles ir padeda jas išlaikyti, kad galėtų atidžiai stebėti SARS-CoV-2 poveikį ląstelėms.
Užuot naudoję esamus metodus ląstelėms generuoti, mokslininkai sukūrė naują požiūrį, suteikdami jiems naujų įžvalgų apie mechanizmus, kuriais virusas sukelia kraujagyslių problemas.
Tyrėjai nustatė, kad SARS-CoV-2 pirmiausia užkrečia perivaskulines ląsteles ir kad signalų iš šių užkrėstų ląstelių pakanka, kad sukeltų disfunkciją gretimose kraujagyslių ląstelėse, net jei kraujagyslių ląstelės pačios nėra užkrėstos.
Savo straipsnyje, paskelbtame žurnale Gamtos komunikacijosJaenisch, savo laboratorijos doktorantas Alexsia Richards, Harvardo universiteto profesorius ir Wyss biologiškai įkvėptos inžinerijos instituto narys Davidas Mooney ir tuometinis Jaenisch ir Mooney laboratorijų postdoc Andrew Khalil dalijasi savo išvadomis ir pristato keičiamo dydžio kamieninių ląstelių modelio sistemą su kuria tirti kraujagyslių ląstelių biologiją ir išbandyti medicinines terapijas.
Nauja problema reikalauja naujo požiūrio
Kai prasidėjo COVID-19 pandemija, virusologė Richards greitai sutelkė dėmesį į SARS-CoV-2. Khalilas, bioinžinierius, jau dirbo prie naujo požiūrio į kraujagyslių ląsteles generuoti. Tyrėjai suprato, kad bendradarbiavimas gali suteikti Richards jai reikalingą tyrimo įrankį, o Khalil – svarbų tyrimo klausimą, kuriam būtų galima pritaikyti jo įrankį.
Trys ląstelių tipai, kuriuos sukūrė Khalil metodas, buvo endotelio ląstelės (kraujagyslių ląstelės, sudarančios kraujagyslių pamušalą) ir lygiųjų raumenų ląstelės bei pericitai (perivaskulinės ląstelės, kurios supa kraujagysles ir suteikia joms struktūrą bei priežiūrą, be kitų funkcijų). Didžiausia Khalilo naujovė buvo visų trijų tipų ląstelių generavimas toje pačioje terpėje – maistinių medžiagų ir signalinių molekulių mišinyje, kuriame auginamos iš kamieninių ląstelių gautos ląstelės.
Signalų derinys terpėje lemia galutinį ląstelių tipą, į kurį subręs kamieninė ląstelė, todėl daug lengviau auginti kiekvieną ląstelių tipą atskirai specialiai tam pritaikytoje terpėje, nei rasti mišinį, kuris tinka visoms trims.
Paprastai, aiškina Richardsas, virusologai sukurs norimą ląstelių tipą naudodami lengviausią metodą, o tai reiškia, kad kiekvieną ląstelių tipą išaugins ir paskui stebės virusinės infekcijos poveikį jai atskirai. Tačiau šis metodas gali apriboti rezultatus keliais būdais. Pirma, gali būti sudėtinga atskirti ląstelių tipų reakcijos į virusą skirtumus nuo skirtumų, kuriuos sukelia ląstelės, auginamos skirtingose terpėse.
„Pagamindami šias ląsteles identiškomis sąlygomis, galėjome daug didesne skiriamąja geba pamatyti viruso poveikį šioms skirtingoms ląstelių populiacijoms, o tai buvo būtina norint suformuoti tvirtą kraujagyslių simptomų rizikos ir progresavimo mechanizmų hipotezę“, – sako Khalil. sako.
Antra, izoliuotų ląstelių tipų užkrėtimas virusu tiksliai neatspindi to, kas vyksta organizme, kur ląstelės nuolat bendrauja reaguodamos į viruso poveikį. Iš tiesų, Richardso ir Khalilo darbas galiausiai atskleidė, kad užkrėstų ir neužkrėstų ląstelių tipų ryšys vaidina lemiamą vaidmenį COVID-19 kraujagyslėms.
„Virusologijos srityje dažnai neatsižvelgiama į tai, kaip svarbu apsvarstyti, kaip ląstelės veikia kitas ląsteles, ir kurti modelius, kad tai atspindėtų“, – sako Richardsas. „Ląstelės neužsikrečiamos atskirai, o mūsų modelio vertė yra ta, kad jis leidžia stebėti, kas vyksta tarp ląstelių infekcijos metu.
Virusinė lygiųjų raumenų ląstelių infekcija turi platesnį, netiesioginį poveikį
Kai tyrėjai paveikė savo ląsteles SARS-CoV-2, lygiųjų raumenų ląstelės ir pericitai buvo užkrėsti – pirmieji buvo ypač dideli, ir ši infekcija sukėlė stiprią uždegiminio geno ekspresiją, tačiau endotelio ląstelės priešinosi infekcijai. Endotelio ląstelės šiek tiek reagavo į viruso poveikį, greičiausiai dėl sąveikos su baltymais viruso paviršiuje. Paprastai endotelio ląstelės stipriai susispaudžia, kad sudarytų tvirtą barjerą, kuris išlaiko kraują kraujagyslėse ir neleidžia virusams išeiti.
Kai buvo paveiktas SARS-CoV-2, endotelio ląstelių jungtys šiek tiek susilpnėjo. Ląstelėse taip pat buvo padidėjęs reaktyviųjų deguonies rūšių kiekis, kuris kenkia tam tikrų ląstelių procesų šalutiniams produktams.
Tačiau dideli endotelio ląstelių pokyčiai įvyko tik po to, kai ląstelės buvo paveiktos užkrėstomis lygiųjų raumenų ląstelėmis. Tai sukėlė aukštą uždegiminių signalų kiekį endotelio ląstelėse. Dėl to pasikeitė daugelio imuniniam atsakui svarbių genų ekspresija. Kai kurie paveikti genai dalyvavo krešėjimo keliuose, kurie sutirština kraują ir todėl gali sukelti kraujo krešulius ir susijusius kraujagyslių reiškinius.
Endotelio ląstelių jungtys patyrė daug didesnį susilpnėjimą po infekuotų lygiųjų raumenų ląstelių poveikio, o tai sukeltų kraujo nutekėjimą ir viruso plitimą. Visi šie pokyčiai įvyko SARS-CoV-2 neužkrėtus endotelio ląstelių.
Šis darbas rodo, kad virusinė lygiųjų raumenų ląstelių infekcija ir jų signalizacija endotelio ląstelėms yra SARS-CoV-2 sukelto kraujagyslių pažeidimo pagrindas. Tai nebūtų buvę akivaizdu, jei mokslininkai nebūtų galėję stebėti, kaip ląstelės sąveikauja viena su kita.
Klinikinė kamieninių ląstelių rezultatų svarba
Tyrėjų pastebėtas poveikis atitiko pacientų duomenis. Kai kurie genai, kurių ekspresija pasikeitė jų kamieninių ląstelių modelyje, buvo nustatyti kaip didelės kraujagyslių komplikacijų rizikos žymenys COVID-19 pacientams, sergantiems sunkiomis infekcijomis.
Be to, mokslininkai nustatė, kad vėlesnė SARS-CoV-2 padermė, omikroninis variantas, turėjo daug silpnesnį poveikį kraujagyslių ir perivaskulinėms ląstelėms nei pradinė viruso padermė. Tai atitinka sumažėjusį kraujagyslių komplikacijų lygį COVID-19 pacientams, užsikrėtusiems naujausiomis padermėmis.
Nustačius lygiųjų raumenų ląsteles kaip pagrindinę SARS-Cov-2 infekcijos vietą kraujagyslių sistemoje, mokslininkai vėliau panaudojo savo modelio sistemą, kad išbandytų vieno vaisto gebėjimą užkirsti kelią lygiųjų raumenų ląstelių infekcijai. Jie nustatė, kad vaistas, N, N-dimetil-D-eritro-sfingozinas, gali sumažinti ląstelių tipo infekciją, nepažeisdamas lygiųjų raumenų ar endotelio ląstelių.
Nors COVID-19 kraujagyslių komplikacijų prevencija nėra tokia aktuali dabartinių virusų padermių atveju, mokslininkai šį eksperimentą laiko įrodymu, kad jų kamieninių ląstelių modelis gali būti panaudotas kuriant vaistus ateityje.
Nauji koronavirusai ir kiti patogenai dažnai vystosi, o kai būsimas virusas sukelia kraujagyslių komplikacijas, šis modelis gali būti naudojamas greitai išbandyti vaistus ir rasti galimų gydymo būdų, kol jų poreikis vis dar yra didelis. Modelio sistema taip pat galėtų būti naudojama atsakant į kitus klausimus apie kraujagyslių ląsteles, kaip šios ląstelės sąveikauja ir kaip jos reaguoja į virusus.
„Integruodami bioinžinerijos strategijas į pagrindinio virusinės patologijos klausimo analizę, mes sprendėme svarbius praktinius iššūkius modeliuojant žmonių ligas kultūroje ir įgijome naujų įžvalgų apie SARS-CoV-2 infekciją”, – sako Mooney.
„Mūsų tarpdisciplininis požiūris leido mums sukurti patobulintą kamieninių ląstelių modelį, skirtą kraujagyslių infekcijai”, – sako Jaenisch, kuris taip pat yra Masačusetso technologijos instituto biologijos profesorius. „Mūsų laboratorija jau taiko šį modelį kitiems dominantiems klausimams, ir tikimės, kad tai gali būti vertinga priemonė kitiems tyrėjams.