Роль ACE2 в коронавирусной инфекции

Вирусная частица SARS-CoV-2 покрыта шипами. Коронавирусная инфекция возникает, когда вирусный белок-шип (S) взаимодействует с рецептором на поверхности клетки. В качестве рецептора для заражения клеток коронавирус SARS-CoV-2 использует человеческий ангиотензин-превращающий фермент 2 (hACE2, ACE2).

Белок ACE2 уменьшает активность ренин-ангиотензин-альдостероновой системы (РААС) – снижает артериальное давление. Он повсеместно экспрессируется в сердце, сосудах, кишечнике, легких, печени, почках, семенниках и мозге. Чтобы регулировать РААС, ACE2 разрушает белок ангиотензин II (Ang 2) до Ang 1-7. Результирующий Ang 1–7 обладает сосудорасширяющим, противовоспалительным, антифиброзным и антипролиферативным действием. Поскольку ACE2 является мощным регулятором патологических изменений в нескольких органах, включая легкие, сердце, семенники и почки, его экспрессия тесно связана с клиническими симптомами COVID-19.

Так как S-белок SARS-CoV-2 связывается с ACE2 через слияние мембран, инфекция SARS-CoV-2 подавляет ACE2. Это может привести к усилению воспаления, сужению сосудов и тромбозу. Пациенты с тяжелой формой COVID-19 и такими заболеваниями как гипертония, диабет и сердечно-сосудистые заболевания имеют дефицит ACE2. Это подтверждает ключевую роль ACE2 в COVID-19.

Исследования показали, что рекомбинантный ACE2 (rACE2) защищает легкие от повреждений, а человеческий рекомбинантный растворимый ACE2 (hrsACE2) ингибирует инфекцию SARS-CoV-2 в клетках Vero и в сконструированных органоидах кровеносных сосудов и почек человека. Это подтверждает, что ACE2 играет решающую роль в терапии COVID-19.

Организм защищается от вируса, вырабатывая интерферон

В ответ на вирусную инфекцию клетки организма вырабатывают интерферон I типа (ИФН). ИФН-I защищает организм от вирусов и стимулируют адаптивный иммунный ответ. ИФН-I запускает экспрессию генов ISG – стимулированных интерфероном генов, которые играют критическую роль в противовирусном ответе. Многие вирусы умеют уклоняться от интерферонового ответа. Поэтому введение ИФН-I или молекул, которые имитируют ответ ИФН, открывает новые возможности лечения.

Экзосомы – возможный инструмент лечения COVID-19

Экзосомы – пузырьки, которые выделяют клетки, чтобы воздействовать на внеклеточную среду. Внутри мембраны экзосом – белки и нуклеиновые кислоты. Другие клетки поглощают экзосомы и меняют свои свойства.

Экзосомы играют важную роль в лечении многих заболеваний, включая рак, сердечно-сосудистые заболевания, патогенные инфекции и мигрень. Экзосомы могут служить носителями вакцин и лекарств. Китайские ученые исследовали, можно ли использовать экзосомы для лечения COVID-19.

ACE2 экспрессируется на поверхности экзосом. Интерферон-альфа / бета увеличивают экспрессию ACE2

ИФН-I играет решающую роль во время начальной защиты организма от вирусной атаки. Исследования показали, что лечение ИФН-альфа / бета может подавлять репликацию SARS-CoV-2 in vitro и in vivo. Это указывает на критическую роль ИФН-I в лечении коронавируса SARS-CoV-2.

Ученые обнаружили, что ИФН-альфа и ИФН-бета стимулируют экспрессию ACE2 в эмбриональных клетках почек человека (HEK293T) и линиях клеток дыхательных путей человека, включая клетки бронхиального эпителия человека (16HBE) и клетки карциномы легкого (H1299).

С помощью серии экспериментов ученые показали, что ACE2 экспрессируется не только на клеточной поверхности, но и на поверхности экзосом из разных клеточных линий, включая HEK293T, 16HBE и H1299.

Обработка клеток ИФН-альфа и ИФН-бета приводила к увеличению как клеточного, так и экзосомного ACE2 из клеток HEK293T и 16HBE. ИФН-бета стимулировал экспрессию экзосомного ACE2 дозозависимым образом.

У клеток есть механизм, с помощью которого они сортируют содержимое экзосом, – белковый комплекс ESCRT. Один из белков ESCRT – Hrs. Истощение белка Hrs снижает выделение экзосом. Ученые показали, что усиление экспрессии экзосомного ACE2, вызванное ИФН-бета, снижается после истощения Hrs.

Увеличение ACE2 – противовирусный механизм

Увеличение экспрессии ACE2 под воздействием интерферона I типа кажется нелогичным, поскольку интерферон хорошо известен своей противовирусной активностью, и маловероятно, что ИФН способствует проникновению вируса, усиливая экспрессию вирусного рецептора ACE2 на поверхности клетки.

Ученые предположили, что увеличение ACE2 – противовирусный механизм. Они совместно культивировали экзосомы, у которых на поверхности экспрессировался ACE2, с вирусными частицами SARS-CoV-2-S / ВИЧ-1. Проникновение вирусных частиц в клетки значительно снизилось. Экзосомы, выделенные из клеток, стимулированных ИФН-альфа / бета, также снижали проникновение в клетки вирусных частиц SARS-CoV-2-S / ВИЧ-1. Данные экспериментов показали, что экзосомный ACE2 подавлял проникновение вирусных частиц в клетки, эффект был дозозависимым.

Ученые обнаружили, что зараженные коронавирусом клетки также секретируют экзосомы, содержащие ACE2. Этот механизм подавляет инфекцию SARS-CoV-2 in vitro.

Эксперимент на мышах. Трансгенные мыши с ACE2 человека (hACE2-мыши) очень восприимчивы к инфекции SARS-CoV-2. Ученые предварительно обрабатывали вирусные частицы SARS-CoV-2 пустыми экзосомами, либо экзосомами с ACE2, а затем интраназально инфицировали hACE2-мышей. На пятый день более низкая вирусная нагрузка в легких была у мышей, инфицированных SARS-CoV-2, предварительно обработанным экзосомами с ACE2. Инфекция SARS-CoV-2 может вызывать фатальные воспалительные реакции и острое повреждение легких. У мышей, инфицированных SARS-CoV-2, предварительно обработанным экзосомами с ACE2, были ниже экспрессия провоспалительных цитокинов и хемокинов и меньше воспаление легких.

Экзосомный ACE2 может взаимодействовать с S-белком на поверхности вирусных частиц SARS-CoV-2-S / ВИЧ-1 и с очищенным рецептор-связывающим доменом (RBD) S-белка. Примечательно, что репликация SARS-CoV-2 дикого типа также подавлялась in vitro и ex vivo после совместного культивирования с ACE2-экзосомами.

Ученые сделали вывод, что экзосомный ACE2 конкурирует с клеточным ACE2 за связывание с вирусной частицей и поэтому блокирует проникновение вируса в клетку. Экзосомный ACE2 подавляет инфекцию SARS-CoV-2 in vitro и ex vivo, а ACE2-экзосомы можно использовать для лечения COVID-19.

Выводы

Подавление инфекции SARS-CoV-2 с помощью экзосомного ACE2 может стать новым методом лечения коронавируса, поскольку блокирует проникновение SARS-CoV-2 в клетку, не снижая уровня ACE2.

Ингаляция с использованием природно секретируемых экзосом, полученных из сфероидных клеток легких (LSC-Exo), способствуют восстановлению легких при фиброзе. Поскольку ACE2 является ключевым регулятором патологии легких и защищает легкие от повреждений, результаты настоящего исследования могут частично объяснить механизм, с помощью которого LSC-Exo способствуют восстановлению легких.

Основываясь на результатах настоящего исследования, ученые предложили использовать для лечения коронавируса SARS-CoV-2 модифицированные экзосомы с увеличенной экспрессией ACE2 или экзосомы с содержащимися внутри экзогенными препаратами против коронавируса. Вдыхание LSC-Exo с ACE2 может быть безопасным и эффективным способом лечения коронавируса, поскольку SARS-CoV-2 в основном проникает в организм через систему дыхательных путей.

Интерфероны I типа одобрены для лечения многих заболеваний, включая вирусные инфекции (гепатит B и C), аутоиммунные заболевания и некоторые виды рака, и в настоящее время используются в клинических испытаниях для лечения MERS-CoV и SARS-CoV-2.

ACE2 – это стимулированный интерфероном ген. Его экспрессию в первичных базальных клетках верхних дыхательных путей человека запускают ИФН-I и ИФН-III. Данные настоящего исследования также показали, что экспрессию ACE2 в клеточных линиях дыхательных путей человека и эмбриональных клетках почек человека стимулирует ИФН-I.

ACE2 экспрессируется в экзосомах, его экспрессия увеличивается под воздействием интерферона I типа. Экзосомный ACE2 подавляет инфекцию SARS-CoV-2. Поэтому ACE2-экзосомы и экзосомы, стимулированные ИФН, могут стать эффективным инструментом для лечения инфекции SARS-CoV-2.

Источник

The interferon-stimulated exosomal hACE2 potently inhibits SARS-CoV-2 replication through competitively blocking the virus entry