پاتوژنز کرونا ویروس (covid-19) و مکانیسم سیستم ایمنی

علوم آزمایشگاهی, عمومی, محیط کشت

پاتوژنز کرونا ویروس (covid-19) و مکانیسم سیستم ایمنی

اولین موارد بیماری کرونا ویروس COVID-19 احتمالاً از انتقال بیماری مشترک انسان و حیوان در چین در دسامبر 2019 رخ داد که می تواند مربوط به تجارت حیوانات وحشی زنده باشد. ویروس مسبب سندرم حاد تنفسی شدید SARS-CoV-2 با قابلیت انتقال از انسان به انسان بود و به سرعت به سایر نقاط چین و سپس به نقاط دیگر دنیا گسترش یافت. تا 24 مارس 2020، SARS-CoV-2 بیش از 381000 نفر را در 195 کشور آلوده کرده و بیش از 16000 نفر را کشت. درمان و پیشگیری و غلبه بر ویروس به دلیل عدم آگاهی از چندین جنبه مهم عفونت SARS-CoV-2 از نظر بیولوژی پاتوژن گرفته تا پاسخ میزبان و گزینه‌های درمانی دشوار بوده است. در این مقاله مروری سعی می کنیم ویژگی‌های پاتوفیزیولوژی کرونا ویروس SARS-CoV-2 تعامل آن با سلول‌های هدف و پاسخ ایمنی به ویروس را مرور می کنیم.

پاتوژنز کرونا ویروس کووید-19

در میان تمام توالی‌های شناخته شده کروناویروس، SARS-CoV-2 با 98 درصد شباهت، بیشترین شباهت را به ویروس کرونای خفاش RaTG13 دارد و توالی‌های کروناویروس در پانگولین (یک مورچه‌خوار پوسته‌دار) نیز شباهت زیادی دارند؛ مانند سایر کرونا ویروس های تنفسی، SARS-CoV-2 عمدتاً از طریق قطرات تنفسی و همچنین با یک راه انتقال احتمالی، از طریق مدفوع و دهان منتقل می شود.

در عفونت، متوسط دوره کمون تقریباً 4-5 روز قبل از شروع علائم است. ٪97.5 از بیماران علامت‌دار، علائم را در 11.5 روز بروز می دهند. در زمان بستری در بیمارستان، بیماران مبتلا به COVID-19 معمولاً تب و سرفه خشک را نشان می دهند؛ به ندرت، بیماران دچار مشکل در تنفس، درد عضلات و یا مفاصل، سردرد و سرگیجه، اسهال، حالت تهوع و سرفه‌های خونی می شوند. موارد شدید COVID-19 به طور متوسط حدود 8 تا 9 روز پس از شروع علائم به سندرم زجر تنفسی حاد (ARDS) پیشرفت می کند.

کروناویروس‌ها به عنوان عامل بیماری در انسان و حیوانات شناخته شده اند. در این میان، چهار کرونا ویروس انسانی OC43 ،NL63 ،E229و HKU1 معمولاً تنها دستگاه تنفسی فوقانی را آلوده می کنند و علائم نسبتاً جزئی ایجاد می کنند. با این حال، سه کروناویروس؛ کروناویروس سندرم تنفسی حاد شدید ، ( SARS-CoV ) سندرم تنفسی خاورمیانه ( MERS-CoV ) و SARS-CoV-2 وجود دارند که می توانند در دستگاه تنفسی تحتانی تکثیر شوند و باعث ذات الریه کشنده شوند.

پاتوفیزیولوژی عفونت کرونا ویروس SARS-CoV-2 بسیار شبیه عفونت SARS-CoV است، با پاسخ‌های التهابی تهاجمی که به شدت در آسیب مجاری تنفسی نقش دارند؛ بنابراین شدت بیماری در بیماران نه تنها به دلیل عفونت ویروسی بلکه به دلیل پاسخ میزبان نیز هست. الگوی افزایش شدت با افزایش سن نیز به طور گسترده با اپیدمیولوژی SARS-CoV و MERS-CoV6,11,14 مطابقت دارد.

ARDS که در کرونا ویروس COVID-19 شدید مشاهده می شود با مشکل در تنفس و سطح پایین اکسیژن خون مشخص می شود، در نتیجه، برخی از بیماران ممکن است درگیر عفونت‌های باکتریایی و قارچی ثانویه شوند.

ARDS ممکن است مستقیماً منجر به نارسایی تنفسی شود که علت مرگ 70 درصد موارد کشنده کرونا ویروس COVID-19 است. علاوه بر این، انتشار وسیع سیتوکین‌ها توسط سیستم ایمنی در پاسخ به عفونت ویروسی و یا عفونت‌های ثانویه می تواند منجر به طوفان سیتوکین و علائم سپسیس شود که علت مرگ در 28 درصد موارد کشنده COVID-19 است. در این موارد، التهاب کنترل نشده باعث آسیب چند عضو می شود که منجر به نارسایی اندام‌ها، به‌ویژه سیستم‌های قلبی، کبدی و کلیوی می شود. اکثر بیماران مبتلا به عفونت SARS-CoV که به سمت نارسایی کلیوی پیشرفت کرده بودند در نهایت جان خود را از دست دادند.

مراحل درگیری سلول با کرونا ویروس

اولین مرحله عفونت، اتصال ویروس به سلول میزبان از طریق گیرنده هدف است. کار قبلی روی SARS-CoV نشان داد که این ویروس عمدتاً سلول های اپیتلیال مجاری تنفسی، سلول‌های اپیتلیال کیسه هوایی، سلول‌های اندوتلیال عروقی و ماکروفاژها در ریه را هدف قرار می دهد که همگی گیرنده میزبان آنزیم مبدل آنژیوتانسین (ACE2) 2 مورد استفاده توسط SARS-CoV24 را بیان می کنند. از آنجایی که SARS-CoV-2 از همان گیرنده ورودی استفاده می کند، این زیرمجموعه‌های سلولی احتمالاً توسط این ویروس هدف قرار می گیرند. عفونت SARS-CoV بیان ACE2 را در سلول‌های ریه کاهش می دهد. از آنجایی که از دست دادن عملکرد ACE2 ریوی با آسیب حاد ریه مرتبط است، کاهش ACE2 ناشی از ویروس ممکن است برای پاتولوژی بیماری مهم باشد. نشان داده شده است که ACE2 سیستم رنین-آنژیوتانسین (RAS)32 را تنظیم می کند؛ بنابراین، کاهش عملکرد ACE2 پس از عفونت ویروسی می تواند منجر به اختلال عملکرد RAS شود که بر فشار خون و تعادل مایع/الکترولیت تأثیر می گذارد و التهاب و نفوذپذیری عروق را در مجاری هوایی افزایش می دهد.

مطالعه مقاله ی سلول اپیتلیال و مزانشیال در سلول های بنیادین

COVID-19 تفاوتی را در میزان مرگ و میر بین مردان %2.8 و زنان %1.7 نشان می دهد. از آنجایی که ACE2 روی کروموزوم X قرار دارد، ممکن است آلل‌هایی وجود داشته باشند که در برابر کووید-19 مقاومت ایجاد کنند و میزان مرگ و میر کمتری را در زنان توضیح می دهد. از طرف دیگر، هورمون‌های جنسی استروژن و تستوسترون، عملکردهای تنظیم کننده ایمنی متفاوتی دارند که می تواند بر محافظت ایمنی یا شدت بیماری تأثیر بگذارد. SARS-CoV-2 دارای ٪79 هویت توالی ژنومی با SARS-CoV4 است. پروتئین سنبله (S) بر روی سطح ذرات ویروس بیان می شود و ظاهر مشخصه “تاج” را می دهد. پروتئین S شامل دو زیر واحد است:

S1 . S2

زیرواحد S1 از یک دامنه N-terminal و یک دامنه اتصال گیرنده (RBD) تشکیل شده است که در SARS-CoV از باقیمانده اسید آمینه 318 تا باقی مانده اسید آمینه (reFs35-37) 510 گستره دارد. RBD به عنوان گیرنده هدف سلول میزبان خود به ACE2 متصل می شود که فرآیند عفونت را آغاز می کند. اتصال RBD به ACE2 باعث ایجاد اندوسیتوز ویریون SARS-CoV-2 می شود و آن را در معرض پروتئازهای اندوزومی قرار می دهد. زیرواحد S2 از یک ناحیه پپتید (FP) و دو ناحیه تکرار تشکیل شده است:

HR1 و HR2 (reFs39,40)

در درون اندوزوم، زیرواحد S1 جدا می شود و پپتید FP را که به غشای میزبان وارد می شود، آشکار می کند، سپس ناحیه S2 روی خود جمع می شود تا نواحی HR1 و HR2 را به هم نزدیک کند. این عمل منجر به همجوشی غشاء می شود و ذره ویروسی را در سیتوپلاسم میزبان آزاد می کند. RBDهای SARS-CoV و SARS-CoV-2 ، ساختارهای سه بعدی بسیار مشابه دارند.

مدل سازی محاسباتی و اندازه‌گیری‌های بیوفیزیکی نشان میدهد که SARS-CoV-2 RBD با میل ترکیبی بالاتری نسبت به SARS-CoV-41 به ACE2 متصل می شود. این ویژگی‌ها می تواند به افزایش عفونت SARS-CoV-2 نسبت به SARS-CoV کمک کند. علاوه بر این، سرین پروتئاز سلولی TMPRSS2 نیز برای پردازش صحیح پروتئین اسپایک SARS-CoV-2 و تسهیل ورود به سلول میزبان مورد نیاز است. یکی از مسیرهای توسعه درمان در برابر SARS-CoV-2 مسدود کردن گیرنده ACE2 یا TMPRSS2 میزبان است.

در حال حاضر، ترکیباتی وجود دارند که این مولکول‌ها را هدف قرار می دهند که از نظر بالینی برای نشانه‌های دیگر تأیید شده اند. برای مثال، الگوریتم‌های یادگیری ماشینی پیش بینی کردند که بارسیتینیب، یک مهارکننده ژانوس کیناز (JAK) که برای درمان آرتریت روماتوئید تأیید شده است، می تواند اندوسیتوز با واسطه ACE2 را مهار کند. یکی دیگر از مهارکننده‌های JAK ، روکسولیتینیب، در کارآزمایی‌های بالینی برای درمان کووید-19 مورد آزمایش قرار خواهد گرفت.

یک استراتژی جایگزین، ارائه غلظت‌های بالایی از شکل محلول ACE2 است که به طور بالقوه می تواند ورود ویروس را به سلول‌های میزبان هدف کاهش دهد. پروتئین S همچنین ممکن است ورود یا همجوشی ویروس را مهار کند و بیشتر در بخشی با عنوان ایمنی سلول B مورد بحث قرار می گیرد. TMPRSS2 مهارکننده‌های شناخته شده camostat mesylate و Nafamostat mesylate هستند و در حال حاضر در چندین کشور برای درمان سایر بیماری‌ها تأیید شده اند. زمانی که کاموستات مزیلات بر روی SARS-CoV-2 جدا شده از یک بیمار آزمایش شد، از ورود ویروس به سلول‌های ریه جلوگیری کرد. اگر این رویکرد تأیید شود، استفاده مجدد سریع از این داروها در مبارزه با COVID-19 مؤثر و به موقع خواهد بود.

ایمونوپاتوژنز التهابی کرونا ویروس

ایمنی التهابی عفونت SARS-CoV-2 و تخریب سلول‌های ریه باعث ایجاد یک پاسخ ایمنی موضعی میشود، ماکروفاژها و مونوسیت‌هایی را که به عفونت پاسخ می دهند، آزاد می کنند و پاسخ‌های ایمنی سلول‌های Tو B تطبیقی اولیه را ایجاد می کنند. در بیشتر موارد، این فرآیند قادر به رفع عفونت است. با این حال، در برخی موارد، یک پاسخ ایمنی ناکارآمد رخ می دهد که می تواند باعث آسیب شدید ریه و حتی سیستمیک شود.

ویروس‌های سیتوپاتیک، از جمله SARS-CoV-2 ، به عنوان بخشی از چرخه تکثیر ویروس، باعث مرگ و آسیب سلول‌ها و بافت‌های آلوده به ویروس می شوند. همانطور که در بیماران مبتلا به SARSCoV دیده می شود، عفونت ویروسی و تکثیر در سلول‌های اپیتلیال مجاری تنفسی می تواند باعث ایجاد سطوح بالایی از پیروپتوز مرتبط با ویروس همراه با نشت عروقی شود. پیروپتوز یک شکل بسیار التهابی مرگ برنامه ریزی شده سلولی است که معمولاً با ویروس‌های سیتوپاتیک دیده می شود. این یک محرک احتمالی برای پاسخ التهابی بعدی است. ، IL-1β یک سایتوکین مهم آزاد شده در طی پیروپتوز، در طول عفونت SARS-CoV-2 افزایش می‌یابد.

با استفاده از انواع گیرنده های تشخیص الگو (PRR) ، سلول‌های اپیتلیال آلوئولی و ماکروفاژهای آلوئولی، الگوهای مولکولی مرتبط با پاتوژن (PAMPs)، مانند RNA ویروسی و الگوهای مولکولی مرتبط با آسیب (DAMPs) از جمله DNA ،ATP و الیگومرهای ASC موجی از التهاب موضعی به وجود می آید که شامل افزایش ترشح سیتوکین های پیش التهابی و کموکاین های MCP1 ،IFNγ ،IL-6 و IP-10 در خون بیماران مبتلا می شود. این سیتوکین ها نشانگر پاسخ قطبی شده سلولی T helper 1 (TH1) هستند که به موازات مشاهدات انجام شده برای SARS-CoV و MERS-CoV است.

ترشح چنین سیتوکین‌ها و کموکاین‌ها، سلول‌های ایمنی به ویژه مونوسیت‌ها و لنفوسیت‌های T ، اما نه نوتروفیل‌ها را از خون به سمت محل آلوده جذب می کند. جذب ریوی سلول های ایمنی از خون و نفوذ لنفوسیت ها به مجاری هوایی ممکن است لنفوپنی و افزایش نسبت نوتروفیل به لنفوسیت را توضیح دهد که در حدود 80 درصد از بیماران مبتلا به عفونت SARS-CoV-2 مشاهده می شود. در اکثر افراد، سلول‌های جذب شده، عفونت ریه را پاک می کنند، پاسخ ایمنی کاهش می‌یابد و بیماران بهبود می یابند. با این حال، در برخی از بیماران، یک پاسخ ایمنی ناکارآمد رخ می دهد که باعث ایجاد طوفان سیتوکین می شود که واسطه التهاب گسترده ریه است.

مشاهده شد که بیماران مبتلا به کووید-19 شدید که نیاز به مراقبت‌های ویژه در بیمارستان دارند، سطوح پلاسمایی خون بالاتری از IL-10 ،IL-7 ،IL-2 ، فاکتور تحریک کننده کلنی گرانولوسیت (G-CSF) ، MCP1 ،IP-10 ، پروتئین التهابی ماکروفاژ 1α (MIP1α) و فاکتور نکروز تومور (TNF) را نشان می دهند. سطح IL-6 در این بیماران با گذشت زمان همچنان افزایش می یابد.

همچنین، بیماران مبتلا به بیماری شدید درصد بیشتری از مونوسیت‌های التهابی +CD14 +CD16 را در خون محیطی نسبت به بیماران با بیماری خفیف نشان می دهند. این سلول‌ها سیتوکین‌های التهابی ترشح می کنند که به طوفان سیتوکین کمک می کنند، از جمله IP-10 ،MCP1 و MIP1α مکانیسم هایی که SARS-CoV-2 پاسخ‌های سیتوکین ضد ویروسی ذاتی بدن را زیر و رو می کند هنوز مورد مطالعه قرار نگرفته است، اما تحقیقات روی SARS-CoV نشان می دهد که چندین پروتئین ساختاری و غیرساختاری ویروسی با پاسخ‌های اینترفرون تداخل دارند. آنتاگونیسم در مراحل مختلف مسیر سیگنال‌دهی اینترفرون رخ می دهد، از جمله با جلوگیری از شناسایی PRR RNA63-65 ویروسی، با جلوگیری از سیگنال‌دهی PRR از طریق /TBK1 مهارکننده زیرواحد فاکتور هسته ای- κBکیناز- TRAF3 – (IKKε) ε – و(IRF3 (reFs63,66 با جلوگیری از سیگنال‌دهی اینترفرون پایین دست از طریق (STAT1 (reF.67 و با ترویج تخریب mRNA میزبان و مهار ترجمه پروتئین میزبان. بسیار محتمل است که حداقل برخی از این مسیرها در SARS-CoV-2 حفظ شده باشند.

تضاد پاسخ اینترفرون به تکثیر ویروسی کمک می کند و منجر به افزایش انتشار محصولات پیروپتوز می شود که میتواند پاسخ های التهابی نا به هنجار را القا کند. انفیلتراسیون سلول‌های التهابی مهار نشده می تواند خود از طریق ترشح بیش از حد پروتئازها و گونه‌های فعال اکسیژن، علاوه بر آسیب مستقیم ناشی از ویروس، باعث آسیب به ریه شود. این‌ها با هم منجر به آسیب منتشر آلوئولی از جمله لایه برداری سلول‌های آلوئولی، تشکیل غشای هیالین و ادم ریوی می شوند. این امر کارایی تبادل گاز در ریه را محدود می کند و باعث مشکل در تنفس و کاهش سطح اکسیژن خون می شود. ریه نیز در برابر عفونت‌های ثانویه آسیب پذیرتر می شود.

علاوه بر آسیب موضعی، طوفان سیتوکین اثرات موجی نیز در سراسر بدن دارد. سطوح بالا از سیتوکین‌ها مانند TNF می تواند باعث شوک سپتیک و نارسایی چند اندام شود. همچنین ممکن است منجر به آسیب میوکارد و نارسایی گردش خون در برخی از بیماران شود. در بین تمام گروه‌های سنی کمتر از 18 سال، بیش از 50 درصد از کودکان علائم خفیف را تجربه کردند یا بدون علامت بودند و کمتر از 6 درصد از کودکان علائم شدید داشتند؛ بنابراین، در حالی که مطالعات فوق‌الذکر نشان‌دهنده هجوم‌های مهم است، تصویر کاملی از عوامل ایمنی حیاتی میزبان که زمینه‌ساز ایجاد پاسخ‌های التهابی شدیدتر در برخی از بیماران است، به خوبی تعریف نشده است.

این موضوع بحث برانگیز است که آیا ماندگاری ویروس برای ایجاد آسیب مداوم ضروری است یا خیر. اوج تیترهای ویروسی در نمونه‌های دستگاه تنفسی ممکن است حتی قبل از شروع علائم ذات‌الریه در عفونت‌های SARS-CoV و SARS-CoV-2 رخ دهد. مطالعات قبلی درباره SARS-CoV نشان داد که این ویروس ممکن است اهداف دیگری را علاوه بر سلول‌های ریه آلوده کند. قابل توجه اینکه ویروس در لنفوسیت‌هایT ، ماکروفاژها و سلول‌های دندریتیک مشتق از مونوسیت نیز یافت شد. کشتن مستقیم لنفوسیت ها می تواند به لنفوپنی مشاهده شده در بیماران کمک کند.

عفونت ویروسی در سلول‌های ایمنی مانند مونوسیت‌ها و ماکروفاژها میتواند منجر به تولید نابجای سیتوکین شود. درجه ای که SARS-CoV-2 این سلول ها را مورد هدف قرار می دهد به خوبی تعریف نشده است. درک محرک های دقیق اختلال عملکرد سیستم ایمنی برای هدایت استفاده از درمان های تعدیل کننده ایمنی مناسب بسیار مهم است. در حال حاضر، آزمایش های کورتیکواستروئیدها برای درمان کووید- 19در حال انجام است، اگرچه این دسته از درمان در طول اپیدمی سارس در سال 2003 توصیه نشد.

سخن پایانی

کرونا ویروس COVID-19 همچنان یک تهدید مداوم برای سلامت عمومی است. با این حال، سطوح بالای ایمنی ناشی از واکسن و عفونت و در دسترس بودن مداخلات پزشکی و غیردارویی، خطر ابتلا به بیماری مهم پزشکی، بستری شدن در بیمارستان و مرگ ناشی از کرونا ویروس COVID-19 را به میزان قابل توجهی کاهش داده است. درمان‌های مهارکننده عفونت ویروسی و تنظیم پاسخ‌های ایمنی ناکارآمد ممکن است برای مسدود‌کردن پاتولوژی‌ها در چند مرحله همکاری کنند. در‌عین‌حال، ارتباط بین اختلال عملکرد سیستم ایمنی و پیامد شدت بیماری در بیماران مبتلا به کرونا ویروس کووید-19 باید به عنوان یک نکته احتیاط در ساخت و ارزیابی واکسن عمل می کند. چندین مطالعه درصد بیشتری از بستری‌شدن، عوارض و مرگ و میر در مردان مبتلا به کرونا ویروس COVID-19 را در مقایسه با زنان گزارش کرده اند. مکانیسم‌های بیولوژیکی مختلفی مانند پاسخ ایمنی، ورود ویروسی یا هورمون‌های جنسی برای توضیح سوگیری جنسی در شدت و مرگ و میر کرونا ویروس COVID-19 پیشنهاد شده اند.