Еще в самом начале пандемии врачи установили, что в группу риска входят люди с сосудистыми заболеваниями, пожилые и диабетики.
Организм людей с ожирением и диабетом не справляется с переработкой поступающей глюкозы. В крови этих людей ее больше нормы. Когортное исследование 7000 человек выявило зависимость. Неконтролируемый уровень глюкозы в крови увеличивает смертность и тяжесть COVID-19.
Бразильские ученые изучили механизмы этой зависимости. Они установили, как уровень глюкозы влияет на размножение коронавируса.
Изменение энергетического метаболизма
Тяжелая форма COVID-19 связана с повреждением легких. В легких накапливаются клетки иммунной системы для борьбы с инфекцией. Моноциты – наиболее активные клетки иммунитета. Но вирус проникает в них, заражает и использует для своего размножения. Зараженные моноциты производят много сигнальных белков, усиливающих воспаление и повреждение тканей.
Ученые наблюдали зараженные коронавирусом моноциты в лабораторных условиях. Моноциты брали у людей с ожирением и диабетом. Исследователи использовали три уровня концентрации глюкозы, чтобы смоделировать разные физиологические состояния.
Ученые установили, что глюкоза напрямую способствует размножению вируса. Также глюкоза усиливает производство моноцитами провоспалительных сигнальных белков. Причем эти процессы усиливались по мере увеличения концентрации глюкозы.
Клетки используют окисление глюкозы – гликолиз – для получения энергии. Бразильские ученые проанализировали 144 белка, связанных с углеродным и энергетическим метаболизмом.
Исследователи наблюдали активацию ряда генов, связанных с гликолизом, в среде с максимальной концентрацией глюкозы. В результате установлено, что вирус стимулирует гликолиз в моноцитах и увеличивает их гликолитическую способность.
Для сравнения ученые провели аналогичные эксперименты с респираторно-синцитиальным вирусом (RSV) и вирусом гриппа А H1N1 (IAV). Для этих вирусов наращивание концентрации глюкозы не вызывало повышенного гликолиза. Поэтому ученые сделали вывод, что высокий гликолиз в моноцитах специфичен именно для SARS-CoV-2.
Важность окисления глюкозы для размножения коронавируса
Ученые продолжили изучать роль глюкозы в развитии болезни. Они использовали препарат, подавляющий усвоение глюкозы. В результате препарат полностью останавливал размножение вируса в инфицированных моноцитах. При этом моноциты переставали вырабатывать дополнительные провоспалительные белки в сравнении со здоровыми моноцитами.
В другой группе инфицированных моноцитов использовали препарат, стимулирующий усвоение глюкозы. В этом случае наблюдался обратный эффект: повышенное размножение вируса и выработка провоспалительных белков.
Этот эксперимент демонстрирует, что углерод необходим коронавирусу для размножения. Также углерод, не связанный с дыханием, нужен моноцитам для проявления реакции на коронавирус.
В следующем эксперименте исследователи наблюдали влияние других источников углерода на метаболизм инфицированных клеток. Кроме глюкозы, были использованы галактоза и пируват. Галактоза подавляет аэробный гликолиз – гликолиз с участием кислорода. В этом случае клеткам приходится полагаться на менее эффективный процесс получения энергии – окислительное фосфорилирование. Пируват – результат переработки глюкозы при гликолизе.
Коронавирус размножался только в присутствии глюкозы или глюкозы с пируватом. Однако вирусы RSV и IAV могли размножаться и в присутствии галактозы и препарата, блокирующего усвоение глюкозы.
Продолжая эксперимент, ученые использовали препарат, подавляющий активность митохондрий – энергетических центров клетки. Препарат не повлиял на размножение коронавируса в инфицированных моноцитах. Таким образом, ученые доказали, что для размножения вируса гликолитический поток не только необходим, но и достаточен.
Для уточнения выявленной зависимости был использован препарат, снижающий скорость гликолиза в моноцитах. В этом случае снизилась и скорость размножения вируса.
Завершая этот цикл экспериментов, ученые использовали препарат, блокирующий аэробный гликолиз. Препарат останавливал размножение вируса и снижал выработку провоспалительных белков.
Таким образом, ученые продемонстрировали, что размножение коронавируса происходит за счет аэробного гликолиза.
Влияние коронавируса на метаболизм моноцитов
В предыдущих экспериментах была установлена прямая зависимость между концентрацией глюкозы и скоростью размножения вируса. Причем размножение вируса требовало окисления глюкозы с участием кислорода.
Поэтому в следующем шаге ученые изучили дыхательную способность инфицированных моноцитов. А именно, как коронавирус изменяет метаболизм моноцитов, чтобы получить нужное количество кислорода. В серии экспериментов ученые сравнивали показатели инфицированных моноцитов с показателями здоровых.
Сначала было установлено, что в инфицированных моноцитах более активны гены, отвечающие за уровень кислорода. Чтобы получить более детальную информацию, ученые использовали препараты, влияющие на активность этих генов.
Препарат, подавляющий активность генов, приводил к уменьшению концентрации вируса. Также препарат предотвращал повышенный синтез провоспалительных белков.
Препарат, стабилизирующий активность генов, обладал обратным эффектом. Он увеличивал вирусную нагрузку. А инфицированные моноциты начинали активнее производить провоспалительные белки, усугубляя воспалительное состояние.
На следующем этапе ученые изучили механизмы активации этих генов. Известно, что их сильными индукторами являются активные формы кислорода. Источниками АФК являются митохондрии – в них происходят окислительные процессы, вырабатывается тепло и электрический потенциал.
Бразильские ученые установили, что в инфицированных моноцитах нарушена работа цепи переноса электронов на внутренней мембране митохондрий. Это нарушение уменьшило дыхательную способность моноцитов. Также ученые заметили, что в инфицированных моноцитах окислительный стресс сопровождался увеличенным производством активных форм кислорода.
На завершающем шаге ученые использовали митохондриальные антиоксидантные препараты. Задача была предотвратить окислительный стресс и не дать активным формам кислорода выйти из митохондрий в цитоплазму моноцитов. Использование препаратов остановило размножение вируса и предотвратило производство дополнительных провоспалительных белков.
Инфицированные моноциты снижают противовирусный иммунитет
Специальные клетки иммунной системы, Т-лимфоциты, обнаруживают и уничтожают вирус.
Т-лимфоциты – главная часть противовирусного иммунитета. Они очищают организм ото всех генетически чужеродных объектов. Собственные инфицированные клетки организма тоже уничтожаются Т-лимфоцитами.
Ученые изучили влияние инфицированных моноцитов на размножение Т-лимфоцитов. Для этого исследователи выращивали Т-лимфоциты совместно с моноцитами, инфицированными коронавирусом. Питательная среда для клеток содержала высокую концентрацию глюкозы.
В результате эксперимента ученые наблюдали пониженное размножение Т-лимфоцитов. Также повышался уровень маркера истощения Т-лимфоцитов. А сами Т-лимфоциты производили меньше иммуномодулирующих белков.
Затем ученые добавили к клеткам митохондриальный антиоксидантный препарат. Он восстановил размножение Т-лимфоцитов, уменьшил маркер истощения Т-лимфоцитов и повысил производство иммуномодулирующих белков.
Эти данные объясняют причину тяжелых форм COVID-19 у пациентов с высоким уровнем глюкозы в крови. У этих пациентов часто наблюдается повышенная вирусная нагрузка и лимфопения – уменьшение концентрации Т-лимфоцитов.
Инфицированные моноциты вызывают гибель эпителиальных клеток легких
Моноциты, зараженные коронавирусом, производят дополнительные провоспалительные белки.
Ученые изучили, как инфицированные моноциты влияют на клетки легких. Культуру легочных эпителиальных клеток обработали зараженными моноцитами. Результатом явилась гибель эпителиальных клеток.
Затем ученые добавили препарат, подавляющий активность генов, регулирующих уровень кислорода. Препарат остановил гибель клеток.
Ученые заключили, что высокий уровень глюкозы и производство митохондриями активных форм кислорода способствуют гибели эпителиальных клеток при коронавирусе.
Выводы
Повышенный уровень глюкозы напрямую усиливает вирусную нагрузку при COVID-19. Гликолитический поток необходим коронавирусу для размножения. Коронавирус влияет на производство митохондриями активных форм кислорода. Инфицированные моноциты способствуют гибели эпителиальных клеток легких и дисфункции Т-лимфоцитов.
Полученные данные демонстрируют, почему неконтролируемый диабет способствует тяжелой форме COVID-19. Актуальным может быть лечение, направленное на подавление гликолиза и производство АФК.
