Клинические наблюдения о связи сахарного диабета и COVID-19

Врачи разных стран уже с начала пандемии отмечали, что у некоторых пациентов с COVID-19 развивался сахарный диабет на фоне короноавирусной инфекции. Например, в апреле 2020 врачи Сингапура впервые диагностировали диабетический кетоацидоз и сахарный диабет у 37-летнего мужчины, инфицированного коронавирусом SARS-CoV-2. В октябре 2020 немецкие врачи сообщили о появлении у 19-летнего мужчины инсулинозависимого диабета через 7 недель после перенесенного COVID-19. В ноябре 2020 американские врачи опубликовали результаты лечения 8-летней пациентки, у которой в результате осложнений COVID-19 возник диабет: у ребенка развилась гипергликемия, кетоз, метаболический ацидоз, диабетический кетоацидоз.

Американская диабетическая ассоциация на основе данных Центров по контролю и профилактике заболеваний разъясняет, что люди с диабетом подвержены риску тяжелой формы COVID-19 из-за повышения уровня глюкозы в крови на фоне коронавирусной инфекции. Гипергликемия развивается у более 50% людей с диабетом I типа и диагностированным COVID-19. Диабетический кетоацидоз возникает еще почти у трети таких пациентов.

Международная группа ученых из университетов Стэнфорда (США), Базеля (Швейцария), Джикей (Япония) провела исследование, чтобы установить является ли тяжесть COVID-19 причиной или следствием диабета. Специалисты изучили механизм инфицирования коронавирусом SARS-CoV-2 эндокринных клеток поджелудочной железы, вырабатывающих инсулин. Ученые исследовали выработку инсулина инфицированными β-клетками и факторы их запрограммированной гибели при COVID-19.

Дизайн исследования

Ученые сравнили, как функционируют клетки поджелудочной железы людей, умерших от тяжелой формы COVID-19, и людей, не инфицированных коронавирусом и умерших от других причин: от рака, инсульта, травмы головы или остановки сердца. Специалисты заражали здоровые клетки коронавирусом SARS-CoV-2 и наблюдали, какие типы клеток поджелудочной железы наиболее подвержены инфицированию. Ученые исследовали механику проникновения коронавируса в клетки и факторы, способствующие заражению. Для экспериментов был использован клинический изолят SARS-CoV-2 пандемического варианта D614G.

Ученые акцентируют внимание на ожидаемых ограничениях, связанных с исследованием. Во-первых, все эксперименты проведены на тканях небольшого числа здоровых доноров и доноров, умерших от COVID-19. Во-вторых, гистологический анализ срезов этих тканей дает только приблизительную оценку факторов заражения и только общую характеристику восприимчивости клеток к инфекции. В-третьих, выработка инсулина зараженными клетками оценивалась в лабораторных условиях. Их невозможно соотнести с уровнями глюкозы и инсулина в крови доноров, поскольку этим людям не были проведены соответствующие анализы. Ученые подчеркивают, что дополнительные исследования корреляции между лабораторными и клиническими показателями помогут лучше понять воздействие SARSCoV-2 на людей с тяжелой коронавирусной инфекцией.

Результаты исследования

Клетки, вырабатывающие инсулин, имеют больше факторов заражения коронавирусом, чем другие типы клеток поджелудочной железы

Сначала ученые выяснили, какие именно типы клеток поджелудочной железы наиболее предрасположены к заражению. Самая большая популяция эндокринных клеток поджелудочной железы — β-клетки, которые вырабатывают инсулин. Примерно в два раза меньше клеток, вырабатывающих глюкагон (α-клетки) и соматостатин (δ-клетки).

В более ранних исследованиях было установлено, что коронавирусу SARS-CoV-2 для проникновения в клетку необходим не только клеточный рецептор ACE2, но и трансмебранная сериновая протеаза TMPRSS2, рецептор трансферрина TFRC, нейропилин NRP1. Причем коронавирус может проникнуть в клетку, минуя ACE2 и используя только TFRC и NRP1. Однако инфицирование клетки коронавирусом через ACE2 возможно только с участием TFRC и NRP1.

По количеству ACE2, TMPRSS2, TFRC и NRP1 в клетках ученые оценили восприимчивость клеток поджелудочной железы к инфицированию. Специалисты выполнили совместное окрашивание этих белков с инсулином — маркером β-клеток – или с глюкагоном — маркером α-клеток. Ученые использовали клетки здоровых доноров, не инфицированных коронавирусом.

В результате не было существенных различий в экспрессии белков ACE2 и TMPRSS2 между α-клетками и β-клетками. Однако в β-клетках было значительно больше белков NRP1 и TFRC, чем в α-клетках. Эта зависимость хорошо видна на графике В:

Для подтверждения результата по белку NRP1 ученые использовали против него специальное антитело, чтобы уточнить наличие белка в клетках. Результат был такой же: в β-клетках NRP1 было больше, чем в α-клетках.

На основе полученных данных ученые сделали вывод, что β-клетки поджелудочной железы, вырабатывающие инсулин, содержат больше факторов, способствующих заражению коронавирусом, чем α-клетки, синтезирующие глюкагон.

Коронавирус сильнее инфицирует клетки, вырабатывающие инсулин, чем клетки, вырабатывающие глюкагон или соматостатин

В следующем эксперименте ученые проверили свою гипотезу о повышенной восприимчивости β-клеток поджелудочной железы, вырабатывающих инсулин, к заражению коронавирусом SARS-CoV-2.

Для проведения эксперимента специалисты брали островковые скопления эндокринных клеток поджелудочной железы здоровых доноров. Эти скопления содержат:

  • α-клетки, которые вырабатывают глюкагон;

  • β-клетки, которые вырабатывают инсулин;

  • δ-клетки, которые вырабатывают соматостатин;

  • эндотелиальные клетки CD31, которые выстилают внутреннюю поверхность сосудов поджелудочной железы.

Клетки скоплений были инфицированы SARS-CoV-2. Через 2 дня и через 6 дней после заражения ученые оценили степень инфицирования клеток каждого типа. Исследователи окрасили специальным образом зараженные ткани, чтобы установить, в каких типах клеток выше концентрация коронавирусных белков. Одно окрашивание выявляло белок нуклеокапсида SARS-CoV-2 (NP), который содержит вирусный геном и его белковую оболочку. Другое окрашивание показывало наличие шиповидного белка SARS-CoV-2 (SP).

В результате было установлено, что коронавирус, в основном, заражает β-клетки поджелудочной железы, которые вырабатывают инсулин. В других типах клеток коронавирусных частиц было значительно меньше. Этот результат наблюдался как через 2 дня, так и через 6 дней после инфицирования. Ученые считают, что эти данные убедительно подтверждают повышенную чувствительность β-клеток поджелудочной железы человека к коронавирусу SARS-CoV-2.

Чтобы понять причину высокого уровня инфицирования β-клеток, исследователи использовали данные предыдущего эксперимента. Поскольку β-клетки содержат гораздо больше белка NRP1, через который коронавирус проникает в клетку, ученые предположили, что подавление активности этого белка будет способствовать блокированию инфекции.

В этом опыте использовалась молекула EG00229, которая является селективным антагонистом NRP1. Более раннее исследование, опубликованное в ноябре 2020 международной группой ученых, показало, что данная молекула связывается с NRP1 и этим препятствует проникновению коронавируса в клетку. В текущем исследовании этот результат был подтвержден: предварительная обработка молекулой EG00229 клеток поджелудочной железы перед заражением коронавирусом значительно снизила скорость распространения инфекции.

Таким образом, ученые подтвердили критическую роль белка NRP1 в восприимчивости β-клеток поджелудочной железы к коронавирусу SARS-CoV-2. Зависимости, выявленные в эксперименте, проиллюстрированы на графиках C, D, E:

Коронавирус проникает в поджелудочную железу пациентов с COVID-19 и стимулирует ее разрушение

Ученые исследовали образцы поджелудочной железы пациентов с COVID-19, умерших от тяжелых осложнений инфекции. Важно отметить, что ни хронического, ни острого панкреатита ни у кого из этих людей не было. Диабет был только у одного человека.

Гистологический анализ выявил процессы деградации поджелудочной железы у всех доноров с COVID-19. Признаки разрушения поджелудочной железы доноров варьировались от легкой формы до обширных поражений органа:

  • фиброз — разрастание соединительной ткани и появление рубцов;

  • липоматоз — разрастание жировой ткани;

  • аутолиз — саморазрушение клеток под воздействием собственных ферментов;

  • атрофия — уменьшение размеров поджелудочной железы.

ПЦР-анализ показал, что коронавирус SARS-CoV-2 обнаружился в поджелудочной железе у 7 из 9 доноров. Ученые с помощью специального окрашивания установили, что у 4 из 7 этих людей в β-клетках содержится нуклеокапсид коронавируса. У оставшихся 3 доноров окрашивание не выявило нуклеокапсида. Причину отсутствия ученые видят в обширном аутолизе и атрофии поджелудочной железы у этих трех человек.

Полученные результаты подтверждают предыдущие данные о том, что коронавирус преимущественно инфицирует β-клетки, вызывая дисфункцию поджелудочной железы, что приводит к гипергликемии и диабету.

Коронавирус подавляет выработку инсулина и убивает β-клетки поджелудочной железы

Ученые оценили количественное влияние коронавируса SARSCoV-2 на глюкозо-стимулированную выработку инсулина. Для этого они повели функциональный анализ выработки инсулина β-клетками в инфицированных тканях.

Полученные данные специалисты сравнили с выработкой инсулина в поджелудочной железе здоровых доноров. В результате было установлено, что инфицированные коронавирусом β-клетки вырабатывают приблизительно в 2 раза меньше инсулина, чем здоровые. Эффект снижения выработки инсулина частично нивелировался обработкой инфицированных клеток молекулой EG00229, которая препятствует проникновению коронавируса в клетки.

Затем ученые исследовали механизм запуска коронавирусом запрограммированной гибели клеток поджелудочной железы. Исследователи обнаружили, что в инфицированных клетках сигнал о запрограммированной гибели гораздо выше, чем в здоровых клетках. Причем сигнал был повышен инфицированных клетках всех типов. Ученые сделали вывод, что запрограммированная гибель, вызванная вирусной инфекцией, не зависит от типа клеток, хотя процент гибнущих β-клеток был самым большим.

Детальное исследование установило, что для запуска процесса запрограммированной гибели в здоровых клетках достаточно их обработать спайк-белком коронавируса. Специалисты наблюдали запуск этого процесса уже через 30 минут после инфицирования клеток. Ученые сообщают, что эти результаты подтверждают первоначальную гипотезу, что коронавирус SARS-CoV-2 является причиной гибели β-клеток поджелудочной железы, что приводит к нарушению регуляции и секреции инсулина.

Для уточнения механизма запуска запрограммированной гибели клеток ученые проанализировали активность регуляторных киназ – специальных белков, контролирующих этот процесс. Специалистов интересовал вопрос, достаточно ли связывания коронавируса с клеточным рецептором для активации путей запрограммированной гибели.

Ученые наблюдали, что в ответ на проникновение коронавируса в клетку активировались киназы JNK1 и PAK1, связанные с запрограммированной гибелью β-клеток. Для уточнения полученных данных специалисты окрашивали активированные киназы в сочетании со спайк-белком коронавируса в инфицированных клетках. Результат повторился.

Таким образом, найден механизм, с помощью которого коронавирус SARS-CoV-2 убивает клетки поджелудочной железы. Ученые считают, что эти данные открывают новую возможность лечения осложнений COVID-19.

Выводы

COVID-19 может повышать у пациентов уровень глюкозы, приводя к гипергликемии, диабетичеcкому кетоацидозу и диабету.

Механизм этого осложнения коронавирусной инфекции заключается в том, что коронавирус, проникая в поджелудочную железу, инфицирует, в первую очередь, β-клетки, которые вырабатывают инсулин. Зараженные клетки значительно снижают выработку инсулина, а спайк-белок коронавируса запускает в них процесс запрограммированной гибели. При тяжелом течении болезни в поджелудочной железе умерших пациентов обнаруживаются обширные участки мертвых эндокринных клеток и разросшаяся соединительная и жировая ткань.

Ученые обнаружили особые белки-киназы, которые запускают запрограммированную гибель инфицированных клеток поджелудочной железы. Это открытие поможет разработать новые способы лечения осложнений COVID-19.

Источник

SARS-CoV-2 infects human pancreatic β cells and elicits β cell impairment