Проникнув в организм, коронавирус SARS-CoV-2 сначала воспроизводится в верхних дыхательных путях. Обычно количество вирусных частиц возрастает до максимума в течение первой недели после заражения. Чем выше уровень репликации вируса в носоглотке, тем больше вероятность заразить другого человека. Таким образом, в первую неделю больной коронавирусом наиболее заразен. Кроме того, при высоком уровне вирусной репликации вероятность тяжелого COVID-19 – выше. Поэтому эффективный противовирусный ответ организма на ранней стадии заболевания может снизить передачу вируса и прогрессирование заболевания COVID-19.

В ответ на вторжение в организм вируса дендритные клетки врожденной иммунной системы вырабатывают противовирусный интерферон (ИФН). Интерфероновый ответ ограничивает раннюю репликацию вируса на слизистых оболочках. Однако коронавирус SARS-CoV-2 подавляет и задерживает этот ответ. Исследования показали, что интерферон защищает от тяжелого COVID-19. Однако неясно, когда именно на ранней стадии заражения включается этот защитный механизм.

Интерфероновый ответ слизистой оболочки запускается, когда рецепторы распознавания образов эпителиальных и иммунных клеток определяют вирусную РНК. Это событие запускает экспрессию ИФН I и III типов, а также стимулированных интерфероном генов (ISG). Секретируемые ИФН, в свою очередь, связываются с рецепторами клеточной поверхности на соседних клетках, усиливая экспрессию ISG и создавая антивирусную защиту слизистой оболочки.

Большинство респираторных вирусов вызывают ответ ИФН в дыхательных путях. Коронавирус SARS-CoV-2 может запускать экспрессию ИФН и ISG в эпителии дыхательных путей, но ответ ИФН будет замедлен. Поэтому в некоторых случаях репликация вируса будет подавляться неэффективно. Исследования показали, что в то время как предварительная обработка экзогенным ИФН блокирует SARS-CoV-2, ИФН намного менее эффективен при введении после установления инфекции. Анализ эпителиальных клеток из носоглотки пациентов с COVID-19 показал, что ISG присутствуют только у пациентов с легким или умеренным, но не тяжелым заболеванием. Это согласуется с наблюдением, что у пациентов с тяжелым COVID-19 чаще есть дефекты сигнальных путей интерферона. В совокупности эти результаты показывают, что эпителиальные клетки могут запускать ответ ИФН при проникновении в организм SARS-CoV-2, но решающее значение в подавлении инфекции играют время и величина интерферонового ответа.

Ученые Йельского университета (США) исследовали образцы мазков из носоглотки (NP) пациентов с коронавирусом, полученные в разные периоды после заражения, в том числе образцы, собранные близко к началу инфекции у бессимптомных субъектов. Ученые проанализировали экспрессию ISG в слизистой оболочке дыхательных путей пациентов с COVID-19. Рост и падение экспрессии ISG коррелировало с ростом и падением вирусной нагрузки. Ученые обнаружили, что предшествующее инфицирование риновирусом усиливало активность ISG на ранней стадии заражения SARS-CoV-2 и полностью предотвращало репликацию SARS-CoV-2. Причем при блокировании экспрессии ISG такого эффекта не было. Блокирование экспрессии ISG во время SARS-CoV-2 увеличивало скорость репликации вируса в условиях низкой инфекционной дозы.

Результаты исследования

  • SARS-CoV-2 вызывает ответ ИФН в носоглотке. Все образцы NP, положительные по SARS-CoV-2, показали повышение экспрессии ISG по сравнению со здоровой контрольной группой. Уровни ИФН-λ1и ИФН-γ, но не других подтипов ИФН, были значительно выше у пациентов с COVID-19 по сравнению с контрольной группой.
  • Уровень белка NP CXCL10 коррелирует с экспрессией ISG на уровне РНК.
  • Уровень CXCL10 коррелирует с вирусной нагрузкой.
  • CXCL10 показывает кинетику ответа организма на SARS-CoV-2 в начале инфекции.
  • РНК SARS-CoV-2 увеличивается экспоненциально, время удвоения составляет около 6 часов, инфекция вызывает устойчивый ответ ISG на 4-й день после заражения.
  • Риновирусная инфекция (RV) увеличивает уровень мРНК dACE2, но не полноразмерного ACE2, зависимым от IRF3 образом.
    В культурах органоидов SARS-CoV-2 вызывает экспрессию ISG с задержкой по времени относительно вирусной репликации. Предшествующее заражение другим вирусом может ускорить эти реакции ISG. RV вызывает простуду. Это наиболее часто обнаруживаемый в верхних дыхательных путях человека вирус. Ученые предположили, что RV может ограничить инфекцию SARS-CoV-2 за счет усиления противовирусного ответа. Но он же может способствовать инфекции за счет увеличения экспрессии рецепторов входа SARS-CoV-2. Ученые обнаружили, что риновирусная инфекция увеличивает уровень мРНК dACE2, но не полноразмерного ACE2, зависимым от IRF3 образом. При заражении риновирусом значительно увеличивается экспрессия укороченной формы рецептора ACE2 – dACE2, которая не является функциональным рецептором входа коронавируса в клетку. Экспрессия полноразмерного рецептора ACE2 также увеличивается, но в меньшей степени – примерно в 2 раза меньше, чем dACE2. На экспрессию TMPRSS2 заражение риновирусом не влияет.
  • Предшествующая инфекция RV блокирует репликацию SARS-CoV-2.
    RV запускает экспрессию ISG на 3-й день после заражения. Органоиды, инфицированные RV, оказались здоровыми через 3 дня после заражения коронавирусом. Вирусная нагрузка SARS-CoV-2 экспоненциально увеличивалась в инфицированных культурах без предшествующей инфекции RV, но практически не увеличивалась между 24 и 72 часами, когда культуры подвергались воздействию RV за 3 дня до этого. Несмотря на вызванное RV небольшое увеличение мРНК полноразмерного ACE2, результат инфицирования RV за 3 дня до заражения SARS-CoV-2 – блокировка репликации коронавируса. Оценка экспрессии ISG в ходе инфекции показала, что на ранних этапах инфицирования SARS-CoV-2 экспрессия ISG была значительно выше в культурах, предварительно инфицированных RV, чем в культурах, инфицированных SARS-CoV-2 без предварительного воздействия RV.
  • RV вызывает ответ ИФН в клетках-свидетелях.
    Ученые оценили экспрессию ISG в течение 5 дней. После инфицирования RV реплицировался устойчиво, достигая пика через 24 часа после заражения, а затем репликация значительно снижалась, но RV все еще обнаруживался на 5 день – момент времени, соответствующий 48 часам после заражения SARS-CoV-2 в эксперименте с последовательным заражением. Экспрессия ISG увеличивалась и снижалась параллельно с репликацией вируса, но все еще была значительно выше, чем в клетках, подвергнутых ложной обработке, на 5 день после инфицирования RV. На 5 день после инфицирования RV в культурах клеток был обнаружен высокий уровень белка ИФН-λ1. Хотя РНК RV была обнаружена только в небольшом подмножестве клеток в инфицированных культурах на 5 день (1,67%), ISG были повышены во всех клетках по сравнению с культурами, подвергнутыми ложной обработке. Это указывает на то, что RV вызывает надежный противовирусный ответ в неинфицированных клетках и согласуется с обнаружением высокого уровня ИФН-λ1. В совокупности эти данные указывают на то, что инфекция RV запускает устойчивую экспрессию ISG во всех клетках инфицированных культур, многие из которых являются клетками-свидетелями.
  • RV блокирует репликацию SARS-CoV-2 за счет экспрессии ISG.
    Ученые заблокировали экспрессию ISG с помощью ингибитора передачи сигналов BX795. В этих условиях ответ ISG на SARS-CoV-2 не ограничивал репликацию вируса, поскольку BX795 подавлял экспрессию ISG SARS-CoV-2, но не изменял вирусную нагрузку. Однако BX795 резко изменил репликацию SARS-CoV-2 в контексте инфекции RV. Предшествующее инфицирование RV подавляло репликацию SARS-CoV-2 более чем в 1000 раз. Однако после предварительной обработки BX795 репликация SARS-CoV-2 была восстановлена. Эти результаты показывают, что экспрессия ISG необходима для подавления репликации SARS-CoV-2 предшествующей инфекцией RV.
    Через 72 часа после заражения SARS-CoV-2 и через 6 дней после заражения RV РНК RV была обнаружена на гораздо более низких уровнях, чем РНК SARS-CoV-2 и показала небольшое снижение во время коинфекции SARS-CoV-2 без BX795, но значительно более высокие уровни, когда оба вируса обнаруживались в присутствии BX795. Этот результат указывает на то, что противовирусный ответ также ограничивает репликацию RV в условиях коинфекции SARS-CoV-2 в этот момент времени. Другими словами, при наличии естественного противовирусного ответа вирусная нагрузка обоих вирусов снижалась, но если экспрессия ISG подавлялась, вирусная нагрузка была равной (для SARS-CoV-2) или выше (для RV) во время коинфекции.
  • Ответ ISG ограничивает репликацию SARS-CoV-2 в условиях низкой инфекционной дозы.

Выводы

В начале инфекции репликация SARS-CoV-2 происходит по экспоненте. Коронавирус запускает ответ ISG, причем наивысшего уровня ISG достигают непосредственно перед падением вирусной нагрузки в эпителии дыхательных путей. Ответ организма не предшествующую инфекцию риновирусом ускоряет экспрессию ISG и подавляет репликацию SARS-CoV-2 в эпителии дыхательных путей. Ответ ISG, запущенный коронавирусом, значительно сокращает репликацию вируса из-за низкой исходной вирусной нагрузки. Эти результаты показывают, что защитный ответ ISG в эпителии дыхательных путей является динамичным и в определенных случаях существенно ограничивает репликацию SARS-CoV-2 в начале инфекции.

Источник

Dynamic innate immune response determines susceptibility to SARS-CoV-2 infection and early replication kinetics