Miniorganid Paljastavad, Kuidas Koronaviirus Keha Hävitab

Viirus võib kahjustada laboris kasvatatud kopsu-, maksa- ja neerukude, mis võib seletada raskeid COVID-19 tüsistusi.

Teadlased kasvatavad laboris miniatuurseid elundeid, et uurida, kuidas uus koronaviirus keha hävitab. Nende organoidide uuringud paljastavad viiruse mitmekülgsuse sissetungivate organite puhul alates kopsudest kuni maksa, neerude ja sooleni. Teadlased katsetavad nendes minikudedes ka ravimeid, et teada saada, kas sellised ravimeetodid võivad kandideerida inimeste raviks.

Arstid teavad haiglaravil olevate patsientide ja lahangute põhjal, et SARS-CoV-2 võib elunditele hävitavalt mõjuda. Kuid pole selge, kas osa sellest kahjustusest on otseselt põhjustatud viirusest või infektsiooni sekundaarsetest tüsistustest. Mitu rühma kasutavad organoidide uuringuid, et näidata, kuhu kehas viirus liigub, milliseid rakke see nakatab ja milliseid kahjustusi teeb.

"Organoidide ilu on see, et need sarnanevad kudede tõelise morfoloogiaga," ütleb Thomas Efferth, Saksamaa Mainzi Johannes Gutenbergi ülikooli rakubioloog.

Viroloogid uurivad viirusi tavaliselt rakuliinide või anumas kasvatatud loomarakkude abil. Kuid need ei modelleeri SARS-CoV-2 infektsiooni hästi, sest nad ei jäljendavad kehas toimuvat, ütlevad teadlased.

Organoidid demonstreerivad paremini, mida SARS-CoV-2 inimkudele teeb, ütleb Hispaanias Barcelonas Kataloonia bioinseneride instituudi tüvirakkude bioloog Núria Montserrat. Neid saab kasvatada nii, et need hõlmaksid mitut rakutüüpi ja võtaksid algse elundi kuju nädalate jooksul, ütleb Montserrat. Need on ka odavamad kui loomamudelid ja väldivad eetilisi probleeme.

Kuid organoidide SARS-CoV-2 uuringutel on piiranguid, kuna need ei kajasta organismis toimuvat elundite vahelist läbikäimist, mis tähendab, et loomamudelites ja kliinilistes uuringutes tuleb leiud ikkagi kinnitada, ütleb viroloog Bart Haagmans. Erasmus MC-s Rotterdamis, Hollandis.

Hingas sisse

Organoidide üks põhilisi teadmisi on see, mida SARS-CoV-2 teeb hingamissüsteemi rakkudega ülemisest hingamisteedest kopsudeni.

Jaapanis Kyoto ülikooli tüvirakkude bioloog Kazuo Takayama ja tema kolleegid on välja töötanud nelja erineva rakutüübiga bronhide organoidid, mis on valmistatud külmunud rakkudest välisest bronhikihist ehk epiteelist. Kui tema meeskond nakatas organoidid SARS-CoV-2-ga, leidsid nad, et viirus on suunatud peamiselt tüvirakkudele, mis täiendavad epiteeli rakke, mida nimetatakse basaalrakkudeks, kuid ei sattunud kergesti kaitsvatesse sekretoorsetesse „klubirakkudesse“. BioRxivile oma töö postitanud meeskond kavatseb nüüd uurida, kas viirus võib levida basaalrakkudest teistesse rakkudesse.

Ülemistest hingamisteedest võib viirus tungida kopsudesse ja põhjustada hingamispuudulikkust, mis on COVID-19 raske komplikatsioon. Kasutades tassis mini kopse, on New Yorgi Weill Cornelli meditsiini tüvirakkude bioloog Shuibing Chen näidanud, et mõned rakud surevad pärast nakatumist ja viirus kutsub esile kemokiinide ja tsütokiinidena tuntud valkude tootmise, mis võib vallandada tohutu immuunvastuse. Paljudel raske COVID-19-ga inimestel tekib immuunreaktsioon, mida nimetatakse tsütokiinide tormiks, mis võib olla surmav.

Kuid Chen, kes postitas oma tulemused ka bioRxivile, ütleb, miks kopsurakud patsientidel surevad, endiselt saladuseks - kas viiruse põhjustatud kahjustuste, enda põhjustatud hävitamise või immuunrakkude poolt ahmimise tõttu. "Me teame, et rakud surevad, kuid me ei tea, kuidas," ütleb Chen, kelle lähenemisviis organoidide loomisel erines Takayama omast. Selle asemel, et neid täiskasvanute rakkudest luua, kasutas ta pluripotentseid tüvirakke, mis võivad areneda keha mis tahes rakutüübiks. Sel viisil kasvatatud organoidid võivad hõlmata rohkem rakutüüpe, kuid lõpptulemus on vähem küps ja seega ei pruugi see esindada täiskasvanud kudesid, ütleb Chen, kes kasvatab nüüd immuunrakkudega kopsuorganoide.

Verevool

Kopsudest võib SARS-CoV-2 levida teistesse elunditesse, kuid teadlased polnud kindlad, kuidas viirus täpselt liigub, kuni Montserrat ja tema kolleegid avaldasid mais Celli uuringu. Organoidide katsetel, mis on samuti valmistatud pluripotentsetest tüvirakkudest, näitasid nad, et SARS-CoV-2 võib nakatada endoteeli - veresooni vooderdavaid rakke -, mis võimaldab viirusosakestel verre lekkida ja keha ümber ringelda. COVID-19-ga inimeste kahjustatud veresoonte patoloogilised aruanded toetavad seda hüpoteesi, ütleb Josef Penninger, Kanada Vancouveris asuva Briti Columbia ülikooli geeniinsener ja uuringu kaasautor.

Organoidide uuringud näitavad, et viirus võib verre sattudes otseselt nakatada mitut organit, sealhulgas neeru, ütlevad Penninger ja Montserrat. Kuigi viirus nakatas neeruorganoide ja mõned rakud surid, pole teadlased kindlad, kas see on mõnel patsiendil täheldatud neerufunktsiooni häire otsene põhjus.

Teises maksaorganoidide uuringus leiti, et viirus võib nakatada ja hävitada sapi tootmist soodustavaid rakke, mida nimetatakse kolangiotsüütideks. Paljud teadlased arvasid, et COVID-19-ga inimestel täheldatud maksakahjustused on põhjustatud üliaktiivsest immuunvastusest või ravimite kõrvaltoimetest, ütleb Hiina Shanghai Fudani ülikooli rakubioloog Bing Zhao, kes avaldas oma tulemused ajakirjas Protein & Cell. Tema töö "viitab sellele, et viirus võib otseselt rünnata maksakudet, mis võib põhjustada maksakahjustusi", ütleb Zhao.

Vastavalt teaduse uuringule, milles kasutati sooleorganoide, võib viirus paljuneda ka rakkudes, mis vooderdavad peensoole ja jämesoole, mida nimetatakse enterotsüütideks.

Ehkki sellised leiud on valgustavad, on organoidide kasutamine viiruse ja peremeesorganismi koostoime uurimiseks alles lapsekingades, ütleb soolestiku organoidid välja töötanud Haagmans. "On liiga vara öelda, kui asjakohased need on," ütleb ta. Teadlaste sõnul on vaja keerukamaid organoidseid süsteeme, et paremini mõista, kuidas viirus reageerib keha immuunsüsteemile, et kahjustada.

"Oleme praegu üsna kindlad, et COVID-19 põhjustav viirus võib nakatada koe väljaspool kopsu ja soodustada märkimisväärselt haigusi," ütleb Penninger. Kuid raskemad tagajärjed, nagu neeru- ja südamekahjustused, on tõenäoliselt tingitud viirusnakkuse ja liigse immuunvastuse kombinatsioonist, ütleb ta.

Narkootikumide testvoodi

Teadlased uurivad ka seda, kas organoidide abil saab modelleerida, kuidas ravimid kehas reageerivad. Lootus on, et organoide saab kasutada võimalike COVID-19 ravimeetodite testimiseks, millest mõned on juba läbi viidud kliinilistesse uuringutesse ilma ulatuslike katseteta raku- ja loomamudelites.

Uuringud kavandati teiste koronaviiruste varasematele teadmistele tuginedes ja käivitati ilma hoolikat hindamist mudelsüsteemides,”ütleb Chen. "Selle tulemusena on paljud neist ebaõnnestunud."

Chen sõelus umbes 1 200 USA toidu- ja ravimiameti heaks kiidetud ravimit muude haiguste suhtes ja leidis, et vähiravim imatiniib pärsib SARS-CoV-2 kopsuorganoidides. Pärast seda on alustatud mitmeid inimese kliinilisi uuringuid selle ravimi kui COVID-19 raviks.

Teised rühmad katsetavad olemasolevaid ravimeid ka koroonaviiruse vastu organoidides, mõningase eduga. "Me teame alles selle protsessi lõpus, milline on nende süsteemide prognoositav väärtus ravimi efektiivsuse testimisel," ütleb Haagmans. "See on pikaajaline protsess."

Koroonaviiruse puhangu kohta lugege lähemalt siit Scientific American. Ja lugege meie rahvusvahelise ajakirjade võrgustiku kajastusi siit.