Cytokiny kluczem do zrozumienia uszkodzeń naczyniowych w COVID-19

Czy cytokiny odgrywają kluczową rolę w uszkodzeniach naczyniowych?

Cytokiny uwalniane przez makrofagi aktywowane białkiem Spike SARS-CoV-2 mogą indukować transformację śródbłonkowo-mezenchymalną, która przyczynia się do uszkodzeń naczyniowych w przebiegu COVID-19. To kluczowe odkrycie przedstawione w najnowszych badaniach może wyjaśniać mechanizmy leżące u podstaw długotrwałych powikłań naczyniowych obserwowanych u pacjentów z long COVID.

Choć obecnie ogólna ciężkość przebiegu i śmiertelność COVID-19 znacząco się zmniejszyły dzięki szczepionkom i skutecznym terapiom, długotrwałe powikłania po przebytym zakażeniu, określane jako long COVID, post-acute sequelae of COVID-19 lub post-COVID-19 syndrome, pozostają poważnym problemem zdrowotnym. Obejmują one szerokie spektrum objawów neurologicznych, żołądkowo-jelitowych, płucnych i sercowo-naczyniowych.

Mechanizmy patofizjologiczne leżące u podstaw long COVID pozostają nie w pełni wyjaśnione, jednak obecne hipotezy wskazują na kluczową rolę przetrwałej obecności wirusa oraz dysfunkcji immunologicznej. Konsekwencje tych procesów obejmują burzę cytokinową, uszkodzenia narządów, przewlekły stan zapalny oraz zaburzenia immunologiczne, które łącznie przyczyniają się do długotrwałych objawów obserwowanych w tym stanie. Szczególnie istotna jest nadmierna ekspresja cytokin prozapalnych, takich jak interleukina-6 (IL-6), czynnik martwicy nowotworów alfa (TNFα), interleukina-1β (IL-1β) i interferon gamma (IFNγ). Wśród tych mediatorów, IFNγ i kanoniczny szlak NF-κB związany z TNFα wydają się dominować.

Cytokiny odpowiadają również za aktywację i uszkodzenie śródbłonka, co prawdopodobnie leży u podstaw utrzymującej się dysfunkcji śródbłonka, odpowiedzialnej za pozaodechowe objawy long COVID. Co więcej, cytokiny mogą inicjować i napędzać proces transformacji śródbłonkowo-mezenchymalnej (EndMT), zjawisko, w którym komórki śródbłonka stopniowo tracą swoje typowe cechy i nabywają charakterystykę podobną do fibroblastów mezenchymalnych, przechodząc ze stanu zróżnicowanego do niezróżnicowanego.

“Nasze badania wskazują, że cytokiny uwalniane przez makrofagi aktywowane białkiem Spike S1 SARS-CoV-2 mogą indukować transformację śródbłonkowo-mezenchymalną (EndMT) w komórkach śródbłonka, co może być istotnym mechanizmem przyczyniającym się do mikronaczyniowych uszkodzeń w COVID-19” – piszą autorzy badania.

Jak zaobserwowano zmiany morfologiczne i molekularne?

W przeprowadzonym doświadczeniu naukowcy wykazali, że medium warunkowane z makrofagów eksponowanych na białko Spike S1 (CM_S1) powodowało głębokie zmiany morfologiczne w komórkach śródbłonka żyły pępowinowej człowieka (HUVECs) już po 24 godzinach ekspozycji. Komórki traciły swój typowy kształt przypominający bruk kamienny i stawały się wydłużone. Zmiany te były jeszcze bardziej widoczne po 48 i 72 godzinach, gdy zaobserwowano również wyraźne zahamowanie wzrostu komórek.

Na poziomie molekularnym, ekspozycja na CM_S1 powodowała znaczący spadek ekspresji markerów śródbłonka, takich jak czynnik von Willebranda (vWF), płytkowo-śródbłonkowa cząsteczka adhezyjna 1 (PECAM1/CD31) i kadheryna naczyniowo-śródbłonkowa (VE-kadheryna/CDH5), przy jednoczesnym wzroście ekspresji markerów mezenchymalnych, w tym kadheryny neuronalnej (N-kadheryny) i białka specyficznego dla fibroblastów-1 (FSP-1). Nie zaobserwowano natomiast zmian w ekspresji innych specyficznych markerów fibroblastycznych, takich jak α-aktyna mięśni gładkich (α-SMA) i wimentyna.

Na poziomie białkowym, całkowity zanik vWF obserwowano już po 24 godzinach inkubacji. Podobnie, CD31/PECAM, którego poziom obniżał się już po 24 godzinach, stopniowo zanikał w dłuższych okresach. Ekspresja VE-kadheryny ulegała bardziej umiarkowanej, ale wciąż znaczącej redukcji. Białka N-kadheryna i FSP1 wykazywały spójną modulację z poziomami mRNA, z wyraźną indukcją N-kadheryny i umiarkowanym wzrostem FSP1. Brak zmian w ekspresji wimentyny i fibronektyny został potwierdzony również na poziomie białkowym.

Co ciekawe, badacze zaobserwowali aktywację szlaków sygnałowych NF-κB i JAK/STAT w komórkach traktowanych CM_S1, co sugeruje udział procesów zapalnych w indukcji EndMT. Traktowanie CM_S1 stopniowo i znacząco indukowało fosforylację zarówno p65, jak i IκBα (odpowiednio podjednostki i inhibitora NF-κB), a także STAT1, potwierdzając aktywację obu czynników transkrypcyjnych.

Czy terapia może odwrócić EndMT?

Podanie infliksymabu (przeciwciała monoklonalnego anty-TNFα) lub baricitinibu (inhibitora JAK/STAT) częściowo chroniło komórki przed tymi zmianami. Baricitinib selektywnie hamował fosforylację STAT1, podczas gdy infliksymab ograniczał sygnalizację NF-κB poprzez całkowite zapobieganie aktywacji p65 i znaczące zmniejszenie fosforylacji IκBα. Kombinacja obu leków całkowicie hamowała aktywację obu szlaków zapalnych indukowanych przez CM_S1.

Zgodnie z tymi odkryciami, dodanie infliksymabu lub baricitinibu do komórek traktowanych CM_S1 tylko częściowo przywracało typową morfologię komórek śródbłonka. Natomiast znacznie wyraźniejsze zachowanie morfologii wielokątnej obserwowano, gdy oba leki były dodawane jednocześnie. W tych samych warunkach eksperymentalnych, wzorzec ekspresji markerów śródbłonkowych i mezenchymalnych również potwierdzał ochronne działanie infliksymabu i baricitinibu na indukcję EndMT.

Czy możliwe jest odwrócenie już rozpoczętego procesu transformacji śródbłonkowo-mezenchymalnej? Wyniki badania są obiecujące – kombinacja infliksymabu i baricitinibu była w stanie całkowicie odwrócić transformację, gdy leki podano po 24 godzinach od rozpoczęcia ekspozycji na CM_S1. Efekt terapeutyczny był również widoczny, choć mniej wyraźny, gdy leki dodano po 48 lub 72 godzinach. W warunkach, gdy leki dodawano do komórek traktowanych CM_S1 przez 48 godzin, oceniano wzorzec ekspresji markerów EndMT w czasie. Uzyskane wyniki wykazały, że po 72 godzinach VE-kadheryna i CD31 zostały całkowicie przywrócone przez dodanie infliksymabu i baricitinibu, podczas gdy wzrost N-kadheryny zmniejszał się. Zaobserwowano również odzyskanie białka vWF, choć mniej wyraźne.

Jakie znaczenie mają te odkrycia dla praktyki klinicznej?

Analizując mechanizmy komórkowe, badacze wykazali, że spośród cytokin uwalnianych przez makrofagi w odpowiedzi na białko Spike S1 (TNFα, IL-6, IFNγ, IL-1β i TGF-β), to właśnie TNFα i IFNγ odgrywają kluczową rolę w indukcji EndMT. Większe ilości zarówno TNFα, jak i IL-6 były obecne w CM_S1 niż w CM_cont (czyli w medium warunkowanym z nietraktowanych makrofagów). Poziomy IFNγ i IL-1β również były zwiększone w CM_S1, choć w niższych stężeniach niż TNFα i IL-6. Natomiast wydzielanie TGF-β, które było bardzo niskie w CM_cont, nie ulegało modyfikacji w CM_S1.

Co zaskakujące, TGF-β, powszechnie uznawany za główny induktor EndMT, nie wywoływał żadnych zmian fenotypowych w komórkach HUVECs w badanym modelu. Tylko cytomiks (mieszanina czterech cytokin TNFα, IL-6, IFNγ i IL-1β) oraz TNFα + IFNγ były w stanie indukować wydłużony kształt w komórkach śródbłonka. Podobnie, cytomiks i TNFα + IFNγ, ale nie TGF-β, powodowały utratę białek śródbłonkowych vWF, CD31 i VE-kadheryny, wraz z jednoczesnym wzrostem markerów N-kadheryny i FSP1, przypisując tym cytokinom rolę wyzwalaczy zmian indukowanych w HUVEC przez CM_S1.

Odkrycia te mają istotne implikacje dla zrozumienia patofizjologii COVID-19. Coraz więcej dowodów wskazuje, że EndMT jest związana z różnymi patologiami, w tym chorobami sercowo-naczyniowymi, zapalnymi i zwłóknieniowymi, a także nowotworami. W odniesieniu do COVID-19, wcześniejsze badanie wykazało, że fragmenty peptydowe SARS-CoV-2 indukują EndMT w pierwotnych komórkach śródbłonka mikronaczyń, potwierdzając hipotezę o roli uszkodzenia mikronaczyń wywołanego przez SARS-CoV-2 w powstawaniu dysfunkcji wielu narządów typowych dla tej choroby i zespołu long COVID.

“Nasze dane wskazują, że kombinacja infliksymabu i baricitinibu może być skuteczną strategią terapeutyczną w zapobieganiu i leczeniu uszkodzeń naczyniowych związanych z COVID-19, szczególnie w kontekście long COVID” – podsumowują autorzy badania.

Wyniki te mają istotne implikacje kliniczne, sugerując, że terapia ukierunkowana na hamowanie specyficznych szlaków zapalnych może zmniejszyć ryzyko długotrwałych powikłań naczyniowych u pacjentów po przebytym COVID-19. Jakie wyzwania mogą pojawić się przy implementacji takiej terapii w praktyce klinicznej? Czy podobne mechanizmy mogą być istotne w innych chorobach, w których dysfunkcja śródbłonka odgrywa kluczową rolę?

Korelacja między infliksymabem i baricitinibem a EndMT nie została dotychczas właściwie udokumentowana. Jeśli chodzi o infliksymab, ten antagonista TNFα był wcześniej opisywany jako poprawiający dysfunkcję śródbłonka w różnych chorobach. Jest szeroko stosowany w praktyce klinicznej u pacjentów z chorobą Leśniowskiego-Crohna oraz w celu poprawy mikronaczyniowej dysfunkcji śródbłonka w reumatoidalnym zapaleniu stawów. Ponadto, podawanie infliksymabu pacjentom z aktywnym AASV (układowym zapaleniem naczyń związanym z przeciwciałami przeciw cytoplazmie neutrofili) zmniejsza ogólnoustrojowy stan zapalny i poprawia funkcję śródbłonka. Ten sam lek okazał się również zdolny do łagodzenia zapalenia ściany tętnic u pacjentów z chorobą Kawasakiego.

Baricitinib, zaliczany do inhibitorów JAK stosowanych w terapii reumatoidalnego zapalenia stawów, pojawił się również jako obiecująca terapia w leczeniu zwłóknienia skóry w rozlanym skórnym twardzinie układowej i owrzodzeniach palców. W COVID-19 baricitinib został uznany za jeden z immunomodulatorów pierwszego wyboru w leczeniu pacjentów z ciężkim przebiegiem choroby.

Badanie to rzuca nowe światło na patogenezę uszkodzeń naczyniowych w COVID-19 i otwiera drogę do opracowania ukierunkowanych terapii, które mogą zmniejszyć obciążenie związane z długotrwałymi powikłaniami tej choroby. Potrzebne są jednak dalsze badania, aby w pełni ocenić skuteczność i bezpieczeństwo kombinowanej terapii infliksymabem i baricitinibem w warunkach klinicznych.

Podsumowanie

Najnowsze badania wykazały, że cytokiny uwalniane przez makrofagi aktywowane białkiem Spike SARS-CoV-2 mogą powodować transformację śródbłonkowo-mezenchymalną (EndMT), przyczyniając się do uszkodzeń naczyniowych w COVID-19. Szczególnie istotną rolę odgrywają TNFα i IFNγ, które poprzez aktywację szlaków NF-κB i JAK/STAT indukują zmiany w komórkach śródbłonka. Badania laboratoryjne wykazały, że kombinacja infliksymabu (przeciwciała anty-TNFα) i baricitinibu (inhibitora JAK/STAT) może nie tylko zapobiegać tym zmianom, ale także odwracać już rozpoczęty proces transformacji. To odkrycie ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia mechanizmów powikłań naczyniowych w long COVID i może prowadzić do opracowania skutecznych terapii ukierunkowanych na zapobieganie długotrwałym następstwom choroby.