新研究揭示新冠病毒刺突蛋白驅動肺血管內皮損傷的分子機制

自2019年底以來，SARS-CoV-2感染引發的新冠肺炎疫情給缺乏有效治療手段的世界帶來了巨大負擔。SARS-CoV-2感染誘導嚴重的內皮病變，其特征是肺血管系統中大量內皮細胞損傷和微血栓聚集。此外，在患有嚴重新冠肺炎的人群中，廣泛的微血栓和高凝狀態更為常見，這表明肺內皮病是常見的新冠肺炎并發癥。嚴重的新冠肺炎患者更容易出現肺血管內皮細胞損傷，如細胞凋亡和緊密連接丟失，以及精心策劃的血管內凝血病，這增加了早期診斷這些綜合征可能對這些患者大有裨益的可能性。然而，在死后肺中觀察到的內皮病變是否是通過直接的病毒結合介導的仍然存在爭議。

7月14日，廣州醫科大學呼吸疾病全國重點實驗室、廣州實驗室鐘南山院士和王健教授團隊在Nature旗下刊物Signal Transduction and Targeted Therapy（中國科學院醫學1區Top期刊，IF=39.3）在線發表了題為“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刺突蛋白受體結合域干擾細胞內鈣穩態并損害肺血管內皮細胞。暴露于SARS-CoV-2的刺突蛋白或受體結合域（S-RBD）顯著影響內皮細胞并誘導肺血管內皮病變。在本研究中，使用血管緊張素轉換酶2人源化近交系（hACE2 Tg）小鼠和培養的肺血管內皮細胞來研究刺突蛋白/S-RBD如何影響肺血管內皮。

結果表明，S-RBD通過TRPV4的急性激活導致細胞內游離鈣濃度（[Ca2+]i）的急性到延長誘導，并導致培養的人肺動脈內皮細胞（PAEC）中機械敏感通道Piezo1和儲存操作鈣通道（SOCC）關鍵組分Orai1的延長上調。在機制上，S-RBD與ACE2相互作用，誘導涉及Orai1、Piezo1和TRPC1的簇的形成，促進Piezo 1和SOCC的通道激活，并導致細胞凋亡升高。這些作用被抑制S-RBD和ACE2之間結合的Kobophenol A或細胞內鈣螯合劑BAPTA-AM阻斷。GsMTx4阻斷Piezo1和SOCC通過使升高的[Ca2+]i正常化，有效保護S-RBD誘導的hACE2-Tg小鼠肺微血管內皮損傷。與原型菌株相比，S-RBD的奧密克戎變異株（BA.5.2和XBB）誘導的細胞凋亡明顯減輕。轉錄組學分析表明，原型S-RBD比德爾塔或Lambda S-RBD產生更嚴重的急性影響。總之，該研究提供了令人信服的證據，證明S-RBD可以通過與ACE2結合并通過上調Piezo1和Orai1觸發[Ca2+]i來誘導持續的肺血管內皮損傷。靶向抑制ACE2-Piezo1/SOCC-[Ca2+]i軸是治療S-RBD誘導的肺血管疾病的有效策略。

據報道，在培養細胞模型和實驗動物模型中，暴露于促進與宿主細胞質膜上受體結合的刺突蛋白或受體結合結構域（S-RBD），如血管緊張素轉化酶2（ACE2），可以直接影響肺血管系統的內皮。在分子水平上，進行性血管內皮病是通過下調ACE2和線粒體損傷以及激活免疫反應（涉及血管內皮細胞和先天免疫細胞之間的串擾）等機制發展起來的。這些證據強烈表明，在沒有完全病毒感染和隨后誘導的微環境變化的情況下，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皮，并導致新冠肺炎的內皮病變和內皮功能障礙。然而，相關的潛在機制仍不清楚，需要進一步研究。

研究報告了SARS-CoV-2或新冠肺炎感染人群中肺動脈高壓（PH）的發生和發展。在感染SARS-CoV-2后，非重癥監護室（ICU）和ICU人群中預測的PH患病率應分別為12%和39%。這些臨床發現表明SARS-CoV-2、發育性肺血管損傷和肺動脈高壓之間存在關聯。與新冠肺炎相關的肺血管病與肺動脈高壓具有許多病理生理學和病理生物學特征，包括平滑肌肥大和重塑、內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導致慢性血栓栓塞性PH的進展。

在長期感染期間，持續的肺血管損傷和微血栓的積聚可能共同驅動長期的肺血管炎癥和重塑，這表明PH是一種長期的新冠肺炎并發癥，值得進一步評估和關注。先前的研究表明，內皮損傷在啟動肺血管重塑和PH中起著至關重要的作用。內皮細胞死亡導致細胞凋亡和增殖之間的失衡，從而出現并促進管腔閉塞病變的建立。此外，內皮細胞損傷通過旁分泌機制刺激平滑肌細胞增殖和內/外膜肥大。這些機制共同促進了PH相關肺血管重塑的發病機制，這也是S-RBD誘導的血管損傷的潛在機制。

在已有知識的基礎上，通過使用體內ACE2人源化近交系小鼠（hACE2 Tg）、體外培養的人和小鼠肺血管內皮細胞，本研究旨在系統地確定刺突蛋白/S-RBD對肺血管內皮和內皮細胞的作用，還探討了刺突蛋白/S-RBD如何影響細胞內鈣穩態并誘導血管內皮細胞損傷的潛在機制。這項研究**證明，刺突蛋白/S-RBD可以通過依賴于S-RBD-ACE2相互作用、細胞內鈣的存在和ACE2鈣通道簇的形成的機制，影響Piezo1和SOCC等鈣通道的激活和表達。

這些機制被針對S-RBD-ACE2相互作用的特異性抑制劑、細胞內鈣螯合劑或針對Piezo1和SOCC的抑制劑抑制。這些數據強調了鈣通道在刺突蛋白/S-RBD誘導的肺血管功能障礙和內皮細胞損傷中的潛在作用和貢獻。此外，通過使用特異性鈣通道抑制劑，該研究結果有力地表明，靶向抑制細胞內鈣調節可能是治療S-RBD誘導的肺血管損傷的有力策略，為新冠肺炎相關肺血管疾病的治療和長期新冠肺炎并發癥的管理提供了新的見解。

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