Ученые выяснили, как COVID влияет на здоровье кишечника

Большинство из нас знакомы с характерными симптомами COVID-19, такими как потеря вкуса или обоняния и затрудненное дыхание, но 60% пациентов, инфицированных SARS-CoV-2, также сообщают о желудочно-кишечных симптомах, таких как тошнота, диарея и боль в животе.

Материалы и методы исследования

Исследования на животных в полной мере не отражают реакцию органов человека на инфекцию патогенами, что ограничивает нынешнее понимание того, как коронавирусы, такие как SARS-CoV-2, влияют на кишечник.

Чтобы решить эту проблему, группа ученых из Института биологической инженерии при Гарвардском университете (Harvard University) использовали ранее разработанный чип кишечника человека для изучения коронавирусной инфекции и потенциальных методов лечения в среде, которая имитирует кишечник человека более эффективно, чем клетки, выращенные в чашке. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Frontiers in Pharmacology.

Ученые инфицировали кишечный чип коронавирусом под названием NL63, который вызывает ОРВИ и, подобно SARS-CoV-2, использует рецептор ACE2 для проникновения в клетки, а затем протестировали действие различных препаратов, которые были предложены для лечения инфекции SARS-CoV-2.

Большинство исследований коронавирусной инфекции in vitro проводятся в органоидах (сгустках клеток человеческих органов, выращенных в чашке), в которых отсутствуют многие особенности живых тканей в органах человека. Чипы органов решают эту проблему, обеспечивая физиологическую среду, которая воссоздает контакт ткани с тканью и другие физические условия, которые испытывают клетки органов в организме человека. Кишечный чип представляет собой устройство размером с USB-накопитель, изготовленное из прозрачного гибкого полимера, через который проходят два параллельных канала: один выстлан клетками кровеносных сосудов человека, другой – клетками слизистой оболочки кишечника человека.

Проницаемая мембрана между двумя каналами гарантирует, что клетки могут обмениваться молекулярными посланниками и что вещества могут поступать в кровь через кишечник, имитируя пищеварение. Ткани в чипе кишечника непрерывно растягиваются и высвобождаются, чтобы воссоздать ритмичные движения, вызванные сокращениями мышц в желудочно-кишечном тракте.

Результаты научной работы

Исследователи обнаружили, что препарат под названием нафамостат уменьшал инфекцию, в то время как препарат ремдесивир, который использовался для лечения пациентов с COVID-19, не уменьшал инфекцию и фактически повреждал ткани кишечника. 

В дополнение к ACE2, другой мембранный белок, называемый TMPRSS2, участвует в коронавирусной инфекции. Исследователи изучили, сколько мРНК, кодирующей каждый белок, было произведено клетками в чипе кишечника, и обнаружили, что и то, и другое было намного выше, чем в культивируемых органоидах кишечника человека. Ученые также проанализировали репертуар отдельных клеток молекул РНК и подтвердили, что кишечный чип содержит множество типов клеток, обнаруженных в кишечнике человека, включая стволовые клетки, бокаловидные клетки и поглощающие клетки кишечника.

Затем команда ввела коронавирус NL63 в канал, выстланный клетками кишечника, и наблюдала за тем, что произошло. Чип кишечника действительно показал признаки инфекции: слой клеток кишечника стал “дырявым”, поскольку связи между ними были нарушены вирусом. Чтобы вылечить инфекцию, исследователи ввели нафамостат, антикоагулянт короткого действия, в канал, выстланный клетками кровеносных сосудов, чтобы имитировать человека, которому вводили препарат. Нафамостат является известным ингибитором протеаз, класса белков, который включает TMPRSS2. Как и следовало ожидать, введение нафамостата значительно уменьшило количество вируса, присутствующего в чипе кишечника через 24 часа после инфицирования, хотя и не восстановило целостность связей между клетками.

Затем команда провела тот же эксперимент с использованием ремдесивира, противовирусного препарата, который получил разрешение на экстренное применение для использования при лечении COVID-19. К их удивлению, они обнаружили, что ремдесивир не уменьшал количество вируса в чипе кишечника, а также повреждал клетки в канале кровеносных сосудов, заставляя их почти полностью отделяться от стенки канала.

Обсуждение результатов исследования

«Мы были удивлены, что ремдесивир проявил такую явную токсичность для сосудистой ткани в чипе кишечника. Симптомы желудочно-кишечного тракта ранее отмечались в клинических испытаниях ремдесивира, и теперь эта модель дает нам представление об основных причинах этих симптомов. Это также могло бы помочь нам лучше понять эффективность и токсичность других подобных препаратов», – заявил соавтор исследования Гириджа Гоял (Girija Goyal), старший научный сотрудник.

Установив, что кишечный чип может успешно моделировать взаимодействие между вирусами, лекарственными средствами и кишечником, команда протестировала множество других препаратов, которые принимаются перорально, включая торемифен, нелфинавир, клофазимин и фенофибрат, все из которых подавляют инфекцию SARS-CoV-2 и другими вирусами in vitro. Из них только торемифен показал аналогичную эффективность нафамостату в снижении вирусной нагрузки NL63.

Поскольку иммунная система взаимодействует как с патогенами, так и с препаратами посредством воспалительной реакции, исследователи ввели смесь иммунных клеток человека, называемых мононуклеарными клетками периферической крови, в канал кровеносных сосудов чипа кишечника, чтобы изучить этот процесс. Ученые обнаружили, что больше мононуклеарных клеток прикрепилось к стенке кровеносного сосуда в чипах, которые были заражены NL63, чем в неинфицированных чипах, и что клетки кровеносных сосудов были повреждены. Исследователи также заметили, что инфекция NL63 вызвала секрецию множества воспалительных цитокинов, которые сигнализируют организму о привлечении иммунных клеток в очаг инфекции.

Предварительная обработка чипа кишечника нафамостатом до введения вируса действительно уменьшает секрецию некоторых цитокинов, но не уменьшало повреждение кровеносных сосудов и не подавляло воспалительную реакцию полностью. Однако предварительное введение нафамостата увеличило выработку антимикробного белка под названием Липокалин-2, подразумевая, что этот тип белка может играть определенную роль в клеточном ответе на коронавирусные инфекции.

«Это исследование демонстрирует, что мы можем изучать сложные взаимодействия между клетками, патогенами и лекарственными средствами в кишечнике человека, используя кишечный чип в качестве доклинической модели. Мы надеемся, что это окажется полезным в продолжающихся усилиях по лучшему пониманию последствий SARS-CoV-2 и выявлению препаратов, которые могут быть использованы для борьбы с будущими вирусными пандемиями», – заключил автор исследования Дон Ингбер (Don Ingber).

Авторы другого исследования выяснили, как COVID-19 влияет на иммунную систему.