Сердечно-сосудистые осложнения COVID-19
Обычно коронавирусы вызывают симптомы со стороны дыхательной системы. Но часто вирусы повреждают и другие органы. Главная мишень коронавируса SARS-CoV-2 – легкие. Однако и сердечно-сосудистые осложнения, включая прогрессирование ранее существовавших и появление новых заболеваний, увеличили число погибших от коронавирусной болезни COVID-19.
Наиболее частые сердечно-сосудистые осложнения после инфекции SARS-CoV-2 – повреждение миокарда, аритмии и сердечная недостаточность.
Тропонин I – белок, регулирующий сердечные сокращения. Он высвобождается в кровь при инфаркте миокарда. Повреждение миокарда, характеризующееся повышенными уровнями сердечного тропонина I в сыворотке и / или аномалиями электрокардиограммы, было связано с повышенной смертностью у пациентов с COVID-19.
Коронавирус SARS-CoV-2 может вызвать острый коронарный синдром даже при отсутствии системного воспаления. У госпитализированных пациентов с COVID-19 развиваются сердечные аритмии, включая желудочковую тахикардию и фибрилляцию предсердий. Прогрессирующая дисфункция левого желудочка и общие симптомы, напоминающие сердечную недостаточность, также наблюдались у значительного числа пациентов. В начале вспышки эти симптомы в основном наблюдалась у тяжелобольных пациентов с COVID-19. Однако недавние исследования сообщают, что сердечные симптомы наблюдаются также при легких и даже бессимптомных случаях COVID-19.
Механизмы сердечно-сосудистых осложнений COVID-19 до сих пор не ясны. При инфекции легких неконтролируемое высвобождение воспалительных цитокинов, называемое цитокиновым штормом, может вызвать повреждение нескольких органов, что приведет к органной недостаточности и прогрессированию ранее существовавших сердечно-сосудистых заболеваний. Более того, COVID-19 изменяет свертываемость крови, что также может вызывать ишемическое поражение сердца. Наконец, SARS-CoV-2 может напрямую заражать клетки сердца, проникая в них через белок ACE2. Этот белок экспрессируется в различных тканях человеческого тела, включая клетки сердца кардиомиоциты и перициты.
Несколько исследований выявили геном SARS-CoV-2 в сердце и сообщили о признаках вирусного миокардита у пациентов с COVID-19, включая бессимптомные случаи. Исследования in vivo и in vitro с использованием как взрослых кардиомиоцитов человека, так и кардиомиоцитов, полученных из плюрипотентных стволовых клеток человека (hPSC-CM), показали, что SARS-CoV-2 может инфицировать кардиомиоциты.
Ученые Вашингтонского университета в Сиэтле, США, исследовали, приводит ли заражение кардиомиоцитов человека коронавирусом SARS-CoV-2 к нарушению сердечной функции и восприимчивы ли другие типы сердечных клеток к SARS-CoV-2. Для исследования ученые использовали кардиомиоциты, полученные из плюрипотентных стволовых клеток человека (hPSC-CM) и гладкомышечных клеток (hPSC-SMC).
В мышечных клетках сердца обнаружены белки, способствующие проникновению коронавируса
Восприимчивость к инфекции SARS-CoV-2 зависит от экспрессии как рецептора ACE2, так и различных протеаз – ферментов, расщепляющих белки. Протеазы могут расщеплять стыковочный белок-шип коронавируса, что приводит к высвобождению генома SARS-CoV-2 во внутреннюю среду клетки.
Белок ACE2 был обнаружен в 9% кардиомиоцитов, полученных из эмбриональных стволовых клеток (hESC-CM). Это указывает на низкую и / или временную экспрессию ACE2. Зато большая часть клеток экспрессировала от умеренных до высоких уровней протеаз: CTSB – 71%, CTSL – 46%. Эти протеазы часто экспрессируются совместно с ACE2. Хотя проникновение вируса также может быть опосредовано протеазой TMPRSS2, ни в hESC-CM, ни в клетках сердца взрослого человека эта протеаза не была обнаружена. Зато в hESC-CM широко экспрессировались протеазы PIKFYVE и FURIN. Это указывает на то, что механизм проникновения SARS-CoV-2 в кардиомиоциты может отличаться от TMPRSS2-зависимого механизма проникновения в эпителиальные клетки легких.
Белок ACE2 был четко обнаружен в hPSC-CM. Уровни ACE2 были сравнимы с уровнями в эпителиальных клетках почек приматов, для которых доказана возможность заражения коронавирусом SARS-COV-2.
Эти результаты показывают, что кардиомиоциты, полученные из стволовых клеток человека (hPSC-CM), экспрессируют белки, которые могут сделать их восприимчивыми к инфекции SARS-CoV-2.
Коронавирус SARS-CoV-2 может заражать мышечные клетки сердца и размножаться в них, используя рецептор ACE2
Самые высокие уровни ACE2 были обнаружены в кардиомиоцитах hPSC-CM. Ученые проверили, может ли SARS-CoV-2 заражать hPSC-CM и размножаться в них.
Заражение кардиомиоцитов
Ученые инкубировали высокочистые hPSC-CM с коронавирусом SARS-CoV-2 и проверяли результаты при разном количестве вирусных частиц на клетку (MOI):
- 0,1 MOI – распространение вируса внутри клеток и вторичное заражение других.
- 5 MOI – инфицирование всех восприимчивых клеток.
В обоих случаях коронавирус поражал кардиомиоциты hPSC-CM. Как и ожидалось, при 5 MOI эффект наступал быстрее. Самое высокое MOI привело к прекращению биений и появлению признаков гибели мышечных клеток сердца уже через 48 часов после инфицирования. Эффекты были более выражены для женской клеточной линии кардиомиоцитов.
Репликация SARS-CoV-2 в кардиомиоцитах
Чтобы выяснить, может ли SARS-CoV-2 размножаться в кардиомиоцитах, ученые количественно оценили внеклеточные вирусные частицы и внутриклеточную вирусную РНК:
- При 5 MOI репликация вируса происходила стабильно от 24 до 72 часов после инфицирования, с последующим резким снижением по мере гибели клеток.
- При 0,1 MOI репликация вируса происходила с заметным увеличением вирусных частиц и РНК от 48 до 72 часов после инфицирования.
Кардиомиоциты женской клеточной линии были более восприимчивы к репликации SARS-CoV-2, чем кардиомиоциты мужской линии.
В отличие от кардиомиоцитов, полученных из плюрипотентных стволовых клеток человека (hPSC-CM), SARS-CoV-2 не поражал кардиомиоциты, полученные из гладкомышечных клеток (hESC-SMC) даже при самом высоком MOI через 72 часа после инфицирования. Количество внеклеточных вирусных частиц и внутриклеточной вирусной РНК в hPSC-SMC было более чем на два порядка ниже, чем наблюдаемое для hPSC-CM. Это подчеркивает то, что коронавирус SARS-CoV-2 заражает и реплицируется именно в кардиомиоцитах, полученных из плюрипотентных стволовых клеток человека.
Роль ACE2 во время инфицирования кардиомиоцитов SARS-CoV-2
Ученые проверили, что будет происходить под воздействием SARS-CoV-2 с кардиомиоцитами без белка ACE2. Даже при 5 MOI отсутствие ACE2 предотвращало гибель клеток. Коронавирус обнаруживался через 48 часов после инфицирования при 0,1 MOI только в кардиомиоцитах дикого типа, но не в кардиомиоцитах без ACE2. Эти результаты показывают, что заражение кардиомиоцитов SARS-CoV-2 в значительной степени зависит от экспрессии ACE2.
Вход, репликация и выход вируса SARS-CoV-2
Электронно-микроскопические исследования продемонстрировали проникновение вируса как через прямое слияние вирусной оболочки с клеточной мембраной, так и через эндоцитоз – захват вирусной частицы клеткой, в процессе которого клетка обволакивает вирусную частицу мембраной и заглатывает её.
После входа вируса в клетку наблюдалась его репликация в двухмембранных структурах внутри клетки. Для массового высвобождения зрелых вирусных частиц вирус захватывал лизосому – часть клетки, которая умеет выделять свое содержимое во внеклеточную среду.
SARS-CoV-2 перепрограммирует клеточные процессы
Ученые исследовали, какие изменения вызывает коронавирус в клетках. SARS-CoV-2 может перепрограммировать клеточную экспрессию генов, чтобы способствовать его собственной репликации.
Коронавирус подавляет гены, отвечающие за митохондриальную функцию и производство энергии. Митохондрии – части клетки, которые отвечают за преобразование питательных веществ в энергию – АТФ. АТФ необходим для передачи нервных импульсов, мышечного сокращения, образование тепла и поддержания процессов метаболизма. SARS-CoV-2 может подавлять процесс накопления АТФ в митохондриях и сдвигать метаболизм от окислительного в сторону гликолитического, что также может способствовать репликации вируса.
Врожденная иммунная система распознает проникнувшие в организм патогенные микроорганизмы с помощью рецепторов распознавания образов (PRR). PRR распознают набор нуклеиновых кислот и продукты репликации вируса, которых нет в исходных клетках организма, и запускают ранний иммунный ответ. Активация врожденного иммунитета приводит к продукции интерферонов I и III типа, а интерферон запускает противовирусную защиту.
Ученые проанализировали интерфероновый ответ после заражения коронавирусом клеток hPSC-CM. Через 48 и 72 часа после инфицирования в клетках усиливалась экспрессия генов, кодирующих сигнальный белок интерферон. Более сильный эффект наблюдался в женской клеточной линии кардиомиоцитов. Эти результаты показывают, что SARS-CoV-2 активирует врожденный иммунитет и интерфероновый ответ в кардиомиоцитах hPSC-CM.
Инфекция SARS-CoV-2 в мышечных клетках сердца создает риск аритмий
Ученые исследовали, нарушает ли инфекция SARS-CoV-2 функцию hPSC-CM. В отличие от предыдущего эксперимента по заражению коронавирусом разреженных культур кардиомиоцитов, в текущем эксперименте клетки hPSC-CM были посеяны с высокой плотностью, чтобы надежно оценить электрофизиологические свойства. В этом эксперименте глубоких цитопатических эффектов не было. Тем не менее, вирусная РНК и вирусные частицы все еще обнаруживались, показывая, что заражение произошло также и в высокоплотных культурах.
Заражение SARS-CoV-2 быстро привело к снижению частоты пульсаций, уменьшению амплитуды всплеска деполяризации и уменьшению скорости электропроводности. В женской линии кардиомиоцитов также наблюдалось увеличение интервала между деполяризацией и реполяризацией мембраны (FPD) как в культурах со спонтанным биением, так и в культурах с электростимуляцией. Интервал между деполяризацией и реполяризацией представляет собой in vitro суррогат интервала QT, измеренного с помощью электрокардиограммы.
В целом, нарушения генерации и распространения электрических сигналов были значительными даже при отсутствии обширной гибели клеток. Это позволяет предположить, что инфекция SARS-CoV-2 в кардиомиоцитах может провоцировать аритмии, наблюдаемые у 20% пациентов с COVID-19.
Инфекция SARS-CoV-2 снижает силу сокращений в тканях искусственного сердца
Ученые оценили сократительные свойства hPSC-CM с использованием трехмерных инженерных тканей сердца 3D-EHT, отслеживая их сократительное поведение с помощью измерения магнитного поля. Кардиомиоциты в 3D-EHT инфицировали при 10 MOI SARS-CoV-2 и анализировали их сокращение в течение недели.
Вирусная репликация была сравнима с репликацией в двумерных структурах из предыдущих экспериментов, что подчеркивает возможность заражения мышечных клеток сердца коронавирусом.
Максимальная сила сокращений в инфицированных тканях снизилась уже через 72 часа после заражения. В течение 144 часов после заражения сокращения продолжали уменьшаться до менее чем 25% от исходной силы. Плотность кардиомиоцитов прогрессивно снижалась, в то время как клетки становились более округлыми и менее выровненными по продольной оси 3D-EHT. В совокупности это может способствовать уменьшению силы сердечных сокращений.
В зараженных клетках 3D-EHT была снижена экспрессия саркомерных генов MYL2 и MYH6. Саркомер – сократительная единица мышцы. Сниженная экспрессия саркомерных генов может коррелировать с изменением структуры саркомера.
Значительное нарушение сократительных свойств 3D-EHT демонстрирует, что инфекция SARS-CoV-2 влияет на механическую функцию кардиомиоцитов in vitro. Аналогичные механизмы могут способствовать дисфункции сердца у пациентов с COVID-19.
Выводы
SARS-CoV-2 может напрямую инфицировать кадиомиоциты. Независимо от воспаления или изменения свертываемости крови, он может нарушать электрофизиологические и сократительные свойства кардиомиоцитов и вызывать их гибель. Кардиомиоциты, но не клетки гладких мышц, экспрессируют ACE2, что делает их восприимчивыми к инфекции SARS-CoV-2. ACE2 – ключевой фактор для входа SARS-CoV-2 в кардиомиоциты.
Интерфероновый ответ, являющийся частью активации врожденного иммунного ответа, обычно происходит в течение нескольких часов после вирусной инфекции. Чтобы эффективно реплицироваться и скрыться от иммунной системы, после проникновения в клетку коронавирус находится в двухмембранных везикулах. Поэтому активация генов, отвечающих за выработку интерферона, наблюдалась только на поздних сроках заражения SARS-CoV-2. Тот факт, что кардиомиоциты, инфицированные SARS-CoV-2, демонстрируют замедленный интерфероновый ответ, может способствовать репликации вируса до высоких уровней.
Для предотвращения системного воспаления пациентов с COVID-19 обычно лечат стероидами. Однако лечение, направленное на предотвращение заражения, вирусной репликации и прямого повреждения клеток сердца коронавирусом SARS-CoV-2, а также на восстановление сердечной функции может предотвратить долгосрочные сердечно-сосудистые осложнения.
