Tiedeuutinen: Viruksen piikkiproteiini aiheuttaa tulehdusmuutoksia

SALK-instituutin tutkijat ovat selvittäneet SARS-CoV-2 koronaviruksen ulkokuorella sijaitsevan (viruksen isäntäsoluun pääsemisen kannalta tärkeän) piikkiproteiinin vaikutuksia laboratorio-olosuhteissa^1,2 ja julkaisseet tuloksensa vertaisarvioidussa, kovan tason (IF 14.5)³ Circulation Research lääketieteellisessä aikakausilehdessä.

Koronavirus tarvitsee ulkokalvollaan olevaa piikkiproteiinia päästäkseen lisääntymään ihmisen soluihin⁴

SARS-CoV-2 -lyhenne tulee englanninkielisistä sanoista ’Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus’ eli ’vakava akuutti hengitystieoireyhtymä – koronavirus’, jonka aiheuttamaa tautia kutsutaan COVID-19:sta. Kyseessä on RNA-virus, jonka uloin kerros koostuu lipidi- eli rasva-ainekalvosta ja sen pinnan piikkiproteiineista (spike-gykoproteiineista tai S proteiineista). Lisääntyäkseen viruksen on tunkeuduttava isäntäsoluun ja tämä tapahtuu, kun viruksen piikkiproteiini sitoutuu solukalvon ACE2- eli angiokonvertaasi 2-reseptoriin. Isäntäsoluun vapauduttuaan virus pystyy lisääntymään ja viruksen sisältämä perimä (RNA) koodaamaan tarvitsemiansa proteiineja, mm. edellä mainittuja ulkokuoren piikkiproteiineja.

Koronavirusinfektion taudinkuva vaihtelee lähes oireettomasta vakavaan tautiin^5,6.

Koronavirus voi aiheuttaa äkillisen hengitystieinfektion, jonka oireet voivat vaihdella taudin edetessä. Tyypillisiä oireita ovat päänsärky, haju- tai makuaistin häiriöt, nuha, nenän tukkoisuus, yskä, hengenahdistus, voimattomuus, väsymys, lihaskivut, kurkkukipu, kurkun karheus, kuume, pahoinvointi, oksentelu ja ripuli, joita voi esiintyä myös muiden virusten ja bakteerien aiheuttamissa infektioissa. Vakavissa tapauksissa voi kehittyä keuhkokuume, akuutti hengitysvaikeusoireyhtymä (acute respiratory distress syndrome, ARDS) ja muita komplikaatioita, jotka voivat johtaa kuolemaan. 

Toistaiseksi kuolleisuus COVID-19 tautiin on ollut onneksi vähäistä (0.68%)⁷; Suomessa tartuntatautirekisteriin on kertynyt tähän mennessä tietoa yhteensä 958 kuolleesta henkilöstä, joiden mediaani ikä on 82 vuotta⁸.

Pelkkä piikkiproteiini aiheuttaa tulehdusmuutoksia koe-eläinten keuhkoissa, verisuonissa ja verisuonten sisäpintaa verhoavissa endoteelisoluissa¹.

Aiempien tutkimusten perustella tiedettiin, että ACE2-reseptoreilla on tärkeä rooli sydän- ja verenkiertojärjestelmän säätelyssä sen lisäksi, että piikkiproteiini lisää koronaviruksen aiheuttamaa keuhkovauriota vaikuttamalla endoteelisolujen ACE2:n määrää vähentävästi.  Niinpä kansainvälinen tutkimusryhmä päätti selvittää pelkän piikkiproteiinin vaikutuksia koe-eläimillä ja tämän jälkeen vielä soluviljelmässä. Tätä tarkoitusta varten kehitettiin ns. ”pseudovirus”, joka sisälsi ainoastaan piikkiproteiinia mutta ei vSARS-CoV-2-virusta. 

Kun Syyrian hamsterit altistettiin hengitysteitse tälle (pelkästään piikkiproteiinia sisältävälle) pseudovirukselle, koe-eläinten keuhkoissa havaittiin vaurioita ja tulehdusmuutoksia keuhkovaltimoiden sisäpintaa verhoavissa endoteelisoluissa. Tutkimus toistettiin soluviljelmässä, jossa terveitä endoteelisoluja altistettiin piikkiproteiinille. Koe vahvisti hamstereilla tehdyt havainnot siitä, että piikkiproteiini vaurioittaa endoteelisoluja sitoutumalla niiden ACE2-reseptoreihin. Tämä sitoutuminen johti edelleen solun energialaitosten eli mitokondrioiden vaurioitumiseen.

Nämä havainnot osoittavat, että piikkiproteiini voi aiheuttaa tulehduksen yksin ilman SARS-CoV-2 virusta. Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet SARS-CoV-2-viruksen aiheuttavan samanlaisia vaikutuksia soluissa kuin millaisia tässä työssä havaittiin pelkällä piikkiproteiinilla olevan koe-eläimissä.

Piikkiproteiinilla voinee olla joku rooli myös ihmisten kokemissa vakavissa oireissa^1,2.

Tulosten mukaan siis pelkkä piikkiproteiini (ilman SARS-CoV-2-virusta) riittää vahingoittamaan koe-eläinten keuhkoja ja verisuonten seinämien endoteelisoluja johtaen kaskadiin biokemiallisia ja kliinisiä seuraamuksia. Tämän verisuoniin kohdistuvan vaikutuksen on arveltu selittävän koronavirusinfektion monimuotoisia ja myös muihin kuin keuhkoihin kohdistuvia oireita (esim. aivohalvauksia) ihmisillä². Kuten tutkimusartikkelin kirjoittajat toteavat niin löydöksen merkityksen selvittäminen vaatii kuitenkin vielä jatkotutkimuksia. 

Havainto siitä, että pelkällä viruksen pintaproteiinilla on näin merkittäviä vaikutuksia, herättää jo tässä vaiheessa monia kysymyksiä. Voisiko tämä vaikutusmekanismi selittää niitä veren hyytymiseen liittyviä haittoja, joita on raportoitu koronavirusrokotteen saaneilla henkilöillä⁹? Nimittäin koronavirusinfektiota vastaan suunnatut mRNA- ja adenovirusvektorirokotteet käynnistävät rokotettujen soluissa piikkiproteiinituotannon sekä sen jälkeen elimistön tuottamaan vasta-aineita sen vieraaksi tunnistamia piikkiproteiineja vastaan¹⁰. Rokotteiden tarkoituksenahan on estää koronavirusten lisääntyminen estämällä niiden pääsy ihmisen soluihin – sen jälkeen, kun ne ovat ensin itse päässeet ihmisen soluihin koodaamaan vasta-aineiden tuotannon käynnistäviä piikkiproteiineja. 

Toistaiseksi itse COVID-19 tautiin liittyvä verisuonitukoksen riski (tromboosiriski) on Oxfordin yliopiston tutkijoiden sähköisistä sairauskertomuksista keräämien lukujen perusteella arvioitu merkittävästi suuremmaksi kuin koronarokotuksiin liittyvä riski⁹. Huomioiden, että osa tartunnan saaneista sairastaa taudin vähäoireisena^5,6, niin läheskään kaikki koronavirusinfektion sairastaneet eivät todennäköisesti ole hakeutuneet lääkärin vastaanotolle eivätkä heidän lukunsa ole näin ollen näkyneet Oxfordin tutkimuksessa käytetyissä sähköisissä rekistereissä. Tutkimus ei siis välttämättä kerro, että kuinka suuri riski terveellä ihmisellä on sairastua vakavaan COVID-19 tautiin ja kehittää sen komplikaationa tromboosi. Tästä seuraa oleellinen kysymys. Aiheuttaako tauti vai koronavirusrokote terveelle henkilölle suuremman tromboosiriskin? 

Tulosten voidaan joka tapauksessa odottaa tuovan uusia kehityskohteita, jotka auttavat löytämään turvallisia hoitomahdollisuuksia vakavien COVID-19-infektioiden ja komplikaatioiden ennalta ehkäisyyn. Niille on selkeä tarve. FIMEA:lle vajaan 5 kuukauden aikana koronavirusrokotteista raportoitujen vakavien haittojen lukumäärä on jatkuvassa nousussa ollen tällä hetkellä jo 961¹¹, mikä ylittää THL:n tähän mennessä ilmoittaminen koronakuolemien kokonaismäärän (958) viimeisen vajaan 1.5 vuoden aikana⁸. Koronavirusrokotteisiin liittyviksi epäiltyjä kuolemiakin on raportoitu maamme viranomaisille jo yhteensä 64¹².  

Lopuksi

Nähtäväksi jää, että onko COVID-19 verisuonitauti ja että selittääkö koronarokotteiden koodaama piikkiproteiini rokotetuilla henkilöllä raportoituja veren hyytymishäiriöitä. 

Viitteet

1. https://www.ahajournals.org/doi/10.1161/CIRCRESAHA.121.318902 (*
2. https://www.salk.edu/news-release/the-novel-coronavirus-spike-protein-plays-additional-key-role-in-illness/
3. https://www.ahajournals.org/metrics
4. https://fi.wikipedia.org/wiki/SARS-CoV-2
5. https://thl.fi/fi/web/infektiotaudit-ja-rokotukset/ajankohtaista/ajankohtaista-koronaviruksesta-covid-19/oireet-ja-hoito-koronavirus
6. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7310678/
7. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7524446/
8. https://thl.fi/fi/web/infektiotaudit-ja-rokotukset/ajankohtaista/ajankohtaista-koronaviruksesta-covid-19/tilannekatsaus-koronaviruksesta#kuolemat
9. https://osf.io/a9jdq/
10. https://www.terveyskirjasto.fi/dlk01284 
11. https://www.fimea.fi/tietoa_fimeasta/koronavirus-covid-19-/koronarokotteiden-haittavaikutusilmoitukset 
12. https://www.fimea.fi/tietoa_fimeasta/koronavirus-covid-19-/koronarokotteiden-haittavaikutusilmoitukset/viikkoraportti

*) 

SARS-CoV-2 Spike Protein Impairs Endothelial Function via Downregulation of ACE 2

Yuyang Lei, Jiao Zhang et al.

Circulation Research 2021;128:1323–1326

SARS-CoV-2 (severe acute respiratory syndrome coronavirus 2) infection relies on the binding of S protein (Spike glycoprotein) to ACE (angiotensin-converting enzyme) 2 in the host cells. Vascular endothelium can be infected by SARS-CoV-2,¹ which triggers mitochondrial reactive oxygen species production and glycolytic shift.² Paradoxically, ACE2 is protective in the cardiovascular system, and SARS-CoV-1 S protein promotes lung injury by decreasing the level of ACE2 in the infected lungs.³In the current study, we show that S protein alone can damage vascular endothelial cells (ECs) by downregulating ACE2 and consequently inhibiting mitochondrial function.

We administered a pseudovirus expressing S protein (Pseu-Spike) to Syrian hamsters intratracheally. Lung damage was apparent in animals receiving Pseu-Spike, revealed by thickening of the alveolar septa and increased infiltration of mononuclear cells (Figure [A]). AMPK (AMP-activated protein kinase)phosphorylates ACE2 Ser-680, MDM2 (murine double minute 2) ubiquitinates ACE2 Lys-788, and crosstalk between AMPK and MDM2 determines the ACE2 level.⁴ In the damaged lungs, levels of pAMPK (phospho-AMPK), pACE2 (phospho-ACE2), and ACE2 decreased but those of MDM2 increased (Figure [B], i).Furthermore, complementary increased and decreased phosphorylation of eNOS (endothelial NO synthase) Thr-494 and Ser-1176 indicated impaired eNOS activity. These changes of pACE2, ACE2, MDM2 expression, and AMPK activity in endothelium were recapitulated by in vitro experiments using pulmonary arterial ECs infected with Pseu-Spike which was rescued by treatment with N-acetyl-L-cysteine, a reactive oxygen species inhibitor (Figure [B], ii).

We next studied the impact of S protein on mitochondrial function. Confocal images of ECs treated with S1 protein revealed increased mitochondrial fragmentation, indicating altered mitochondrial dynamics (Figure [C], i). To examine whether these mitochondrial changes were due, in part, to the decreased amount of ACE2, we overexpressed ACE2 S680D (ACE2-D, a phospho-mimetic ACE2 with increased stability) or S680L (ACE2-L, a dephospho-mimetic with decreased stability)⁴in ECs. As shown in Figure [C], ii, ECs with ACE2-L had a higher number of fragmented mitochondria when compared to thosewith ACE2-D. Performing oxygen consumption rate and extracellular acidification rate assays, we found that ECs overexpressing ACE2-L had reduced basal mitochondrial respiration, ATP production, and maximal respiration compared to ECs overexpressing ACE2-D (Figure [D], i). Moreover, ACE2-L overexpression caused increased basal acidification rate, glucose-induced glycolysis, maximal glycolytic capacity, and glycolytic reserve (Figure [D], ii). Also, ECs incubated with S1 protein had attenuated mitochondrial function but increased glycolysis, when compared with control cells treated with IgG (Figure [D], iii and iv). We also compared the expressions of mitochondria- and glycolysis-related genes in lung ECs isolated from ACE2-D or ACE2-L knock-in mice.⁴ Shown in Figure [E], the mRNA levels of NRF1, HO1, and TFAM (mitochondria biogenesis-related genes) were increased, whereas those of HK2, PFKFB3, and ENO2 (glycolysis-related genes) were decreased in lung ECs in ACE2-D mice, as compared to those in ACE2-L mice.

SARS-CoV-2 infection induces EC inflammation, leading to endotheliitis.^1,5 Because S protein decreased ACE2 level and impaired NO bioavailability, we examined whether S protein entry is indispensable for dysfunctional endothelium. As shown in Figure [F], i, the endothelium-dependent vasodilation induced by acetylcholine was impaired in pulmonary arteries isolated from Pseu-Spike-administered hamsters, whereas the endothelium-independent vasodilation induced by sodium nitroprusside was not affected. We also compared the acetylcholine- and sodium nitroprusside–induced vasodilation of pulmonary vessels from ACE2-D or ACE2-L mice. As anticipated, acetylcholine-induced vasodilation was hindered in pulmonary arteries isolated fromACE2-L mice in comparison to ACE2-D mice (Figure [F], ii). There was, however, little difference in sodium nitroprusside–induced vasodilation between ACE2-D and ACE-L animals.