RSV przeprogramowuje komórki dróg oddechowych i osłabia odpowiedź przeciwwirusową

RSV nie tylko zakaża nabłonek dróg oddechowych, ale aktywnie przeprogramowuje odpowiedź komórkową gospodarza. Nowe badanie opublikowane w Science Advances pokazuje, że wirus hamuje mechanizmy interferonowe, zaburza funkcję komórek rzęskowych i może prowadzić do utraty ich wyspecjalizowanego fenotypu.

W artykule:

• Dlaczego RSV jest szczególnie groźny dla noworodków i osób starszych
• Jak badacze odtworzyli nabłonek oddechowy w modelu laboratoryjnym
• Co ujawniło sekwencjonowanie RNA pojedynczych komórek
• Dlaczego część komórek nie rozpoznaje zakażenia RSV
• Jak RSV osłabia odpowiedź interferonową
• Jaką rolę może odgrywać czynnik IRF1

Respiratory syncytial virus, czyli RSV, może powodować ciężkie choroby dolnych dróg oddechowych, zwłaszcza u noworodków, niemowląt, osób starszych oraz pacjentów z obniżoną rezerwą oddechową. Dotychczas nie było w pełni jasne, w jaki sposób wirus unika odpowiedzi immunologicznej i jakie zmiany wywołuje w zakażonych komórkach nabłonka dróg oddechowych.

Naukowcy z TWINCORE, Zentrum für Experimentelle und Klinische Infektionsforschung, we współpracy z interdyscyplinarnymi zespołami z Würzburga, Regensburga, Braunschweigu i Hanoweru, wykazali, że RSV ingeruje w program genetyczny komórek oddechowych, hamuje przeciwwirusową odpowiedź immunologiczną i zaburza funkcjonowanie nabłonka rzęskowego. Wyniki pracy opublikowano w czasopiśmie Science Advances.

RSV jako istotna przyczyna hospitalizacji dzieci

Według szacunków World Health Organization każdego roku na świecie około 3,6 mln dzieci wymaga hospitalizacji z powodu zakażenia RSV, a u około 100 tys. infekcja kończy się zgonem. Jak podkreśla prof. Thomas Pietschmann, dyrektor Institute for Experimental Virology w TWINCORE w Hanowerze i kierownik badania, dotąd nie było jasne, w jaki sposób RSV uszkadza komórki nabłonka dróg oddechowych oraz dlaczego odpowiedź immunologiczna gospodarza nie jest w stanie skuteczniej ograniczyć zakażenia.

Model nabłonka oddechowego z komórek ludzkich dawców

Aby odpowiedzieć na to pytanie, badacze wykorzystali szczególny model hodowli komórkowej. Hodowali komórki dróg oddechowych pochodzące od ludzkich dawców, zwykle pacjentów otrzymujących przeszczepione płuco. W warunkach laboratoryjnych komórki te tworzyły strukturę przypominającą nabłonek oddechowy płuc, z ruchem rzęsek oraz produkcją śluzu.

Jak wyjaśnia prof. Bettina Wiegmann z Department of Cardiothoracic, Transplantation and Vascular Surgery w Hannover Medical School, współautorka badania, taki model pozwala analizować zakażenie RSV w układzie znacznie bliższym fizjologii ludzkiego nabłonka oddechowego niż klasyczne, uproszczone hodowle komórkowe.

Następnie badacze zakażali tę kulturę tkankową RSV i analizowali aktywność genów w pojedynczych komórkach za pomocą sekwencjonowania RNA. Porównanie z komórkami niezakażonymi pozwoliło określić, w jaki sposób infekcja reguluje ekspresję tysięcy genów.

Tylko część komórek rozpoznaje zakażenie

Jednym z najważniejszych ustaleń było to, że tylko niewielka część zakażonych komórek „zauważa”, że została zainfekowana. Jak tłumaczy dr Sibylle Haid, badaczka z zespołu prof. Pietschmanna i współpierwsza autorka pracy wraz z Kevinem Bergiem z Universität Regensburg, prawdopodobnie wynika to z faktu, że jedynie niektóre komórki płuc wytwarzają wystarczające ilości detektorów wirusowych.

To właśnie te czujniki umożliwiają szybkie uruchomienie produkcji cząsteczek sygnałowych, które chronią zarówno samą zakażoną komórkę, jak i komórki sąsiednie. Jeżeli takich sensorów jest zbyt mało, RSV zyskuje przewagę, namnaża się i zaczyna aktywnie tłumić mechanizmy obronne gospodarza.

Interferon nie wystarcza, gdy RSV przejmuje kontrolę

Centralnym elementem przeciwwirusowej odpowiedzi immunologicznej jest interferon. Działa on bezpośrednio przeciwwirusowo i aktywuje tzw. geny stymulowane interferonem, czyli ISGs. W badaniu wykazano jednak, że po ustaleniu zakażenia RSV nawet podanie interferonu nie było w stanie skutecznie wyeliminować wirusa z komórek.

Badacze zidentyfikowali jednak istotny wyjątek. Antywirusowy czynnik transkrypcyjny IRF1 nie był tłumiony przez RSV. Co więcej, sztuczne włączenie tego czynnika pozwalało ograniczyć zakażenie RSV, przynajmniej w uproszczonym modelu laboratoryjnym. Autorzy wskazują, że IRF1 może być potencjalnym kandydatem do dalszych badań nad farmakologiczną modulacją odpowiedzi przeciwwirusowej.

RSV uszkadza funkcję komórek rzęskowych

Naukowcy znaleźli również możliwe wyjaśnienie uszkodzenia komórek wywoływanego przez RSV. W zakażonych komórkach nabłonkowych zahamowane były geny odpowiedzialne za powstawanie rzęsek. Rzęski, czyli mikroskopijne struktury na powierzchni komórek nabłonka oddechowego, odpowiadają między innymi za transport śluzu i oczyszczanie dróg oddechowych.

Jeżeli infekcja zaburza ich funkcję, dochodzi do upośledzenia mechanizmów oczyszczania śluzowo-rzęskowego. Może to sprzyjać zaleganiu wydzieliny, nasileniu objawów ze strony dolnych dróg oddechowych i pogorszeniu przebiegu choroby.

Znaczenie badania dla zrozumienia patogenezy RSV

Zdaniem prof. Thomasa Pietschmanna praca dostarcza ważnych informacji o patologii zakażenia RSV na poziomie komórkowym. Jednocześnie wskazuje IRF1 jako potencjalnie obiecujący cel dla przyszłych interwencji farmakologicznych. Autorzy podkreślają, że uzyskanie tych wyników było możliwe dzięki współpracy zespołów zajmujących się wirusologią eksperymentalną, analizą pojedynczych komórek, biologią RNA, chirurgią transplantacyjną i bioinformatyką.

W badaniu uczestniczyły zespoły Thomasa Pietschmanna, Antoine-Emmanuela Saliby i Floriana Erharda, a także Helmholtz Centre for Infection Research w Braunschweigu oraz Hannover Medical School. Projekt był finansowany przez Cluster of Excellence RESIST.

Źródło: Science Advances, Respiratory syncytial viral load drives ciliated cell dedifferentiation and suppresses antiviral immunity.
DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.aed4499