Во время репликации SARS-CoV-2 использует ферменты протеазы хозяина для ковалентного связывания сахаров с боковыми цепями аспарагина вблизи поверхности белка [268]. Субъединица S1 RBD связывается с ангиотензинпревращающим ферментом 2 (ACE2), чему способствует расщепление фурином [272, 273]. Протеолитическое расщепление S-гликопротеина также определяет возможность межвидового скрещивания вируса, например, от летучих мышей к человеку [276].
Белки коронавируса могут расщепляться одной или несколькими протеазами хозяева на основе штамма вируса и типов клеток, включая трипсин, катепсин, TMPRSS-2, TMPRSS-4 или трипсиноподобную протеазу дыхательных путей человека (HAT) [267, 269]. Было обнаружено, что TMPRSS2 является кофактором для проникновения SARS-CoV-2 в здоровые клетки. Протеаза TMPRSS2 способствует «ферментативному расщеплению» S1 и S2. Протеазы фурин и катепсин B и L способствуют высвобождению капсидных вирионов, проникших в клетку (Bergmann et al, 2020, [231]). Однако, специфические протеазы, которые способствуют проникновению вируса в SARS-CoV-2, остаются неустановленными [267, 269, 270].
Слияние SARS-CoV-2 с клетками легких в решающей степени зависит от сайта расщепления S1/S2 фуриновой протеазой [270], ферментом, принадлежащим к семейству субтилизин-подобных пропротеинконвертаз, и его мотивом RXXR, который тесно связан с последовательностью консенсуса фурина RX (K/R) R [621]. Фурин расщепляет белки-предшественники и способствует их переводу в биологически активное состояние [271]. Кроме того, добавление остатка аргинина к этому мотиву сильно усиливает образование синцития в клетках-хозяевах, что указывает на то, что вставка RRAR в эту область может усиливать клеточное распространение и патогенность SARS-CoV-2 [621, 622].
Когда геном вируса проникает в клетки, рибосомы хозяина переводят вирусную РНК в белки РНК-полимеразы. Затем эта РНК-полимераза повторно считывает положительную цепь для создания одноцепочечных цепей РНК с отрицательным смыслом (ssRNA-). Цепи ssRNA- затем используются РНК-полимеразой в качестве матрицы для создания дополнительных цепей ssRNA+. Небольшие нити РНК считываются рибосомами хозяина в эндоплазматическом ретикулуме для создания структурных компонентов вируса. Эти структурные компоненты затем переносятся из эндоплазматического ретикулума в аппарат Гольджи. В аппарате Гольджи геномы ssRNA+ упаковываются в нуклеокапсиды для создания новых частиц вирионов. [266] Эти дочерние вирусы затем высвобождаются из клетки-хозяина посредством экзоцитоза через секреторные везикулы. Репликация вируса в альвеолярных клетках опосредует повреждение и вызывает воспалительную реакцию в тканях. [266]
Цикл репликации вируса в клетках респираторного тракта: прикрепление вируса к клетке-хозяину и проникновение путем слияния мембран или эндоцитоза высвобождение вирусного генома в цитоплазму трансляция вирусных протеин-полимераз (pp1a и pp1b) репликация РНК субгеномная транскрипция трансляция структурных белков вируса белки S, E и M связываются с нуклеокапсидом образование зрелого вириона экзоцитоз. [232]
Схематический патогенез COVID-19
Существование вирусного генома в иммунных клетках было обнаружено у пациентов с COVID-19, что позволяет предположить, что иммунная система является биологической мишенью вируса, проявляющего необходимую «патогенную подпись» иммунной дисрегуляции. [389]
Иммунопатогенез COVID-19 предполагает модель межмолекулярной и межклеточной «иммунной асинхронии», основанную на нарушении регуляции времени, местоположения, качества и количества иммунного ответа. [390,391]
Ряд генов, сцепленных с Х-хромосомой (таких, как IL13, IL4, IL10, XIST, TLR7, FOXP3) и генов, сцепленных с Y (SRY, SOX9), могут лежать в основе иммунных реакций с половой диморфностью [916].
Иммунное обнаружение SARS-CoV-2
Было показано, что как отсутствие, так и вмешательство в работу toll-подобного рецептора 2 (TLR2) снижают провоспалительную реакцию на SARS-CoV-2, что позволяет предположить, что TLR2 является одним из модельных распознающих рецепторов (PRR), которые распознают вирус. Также было показано, что TLR7 активируется в ответ на SARS-CoV-2, а аномалии в гене TLR7 коррелируют с тяжелым течением COVID-19. [662, 663]
SARS-CoV-2 избегает врожденного иммунитета
У SARS-CoV-2 есть стратегии, позволяющие избежать обнаружения или воздействия иммунной системы. [665667]
Врожденный иммунный ответ играет важную роль в первичной защите и является одной из отправных точек иммунного уклонения от SARS-CoV-2. [448]
Предварительные данные свидетельствуют об очень значительном снижении инвариантных Т-клеток, ассоциированных со слизистой оболочкой (MAIT), у пациентов с COVID-19 [660]. Текущие наблюдения показывают, что SARS-CoV-2 особенно подходит для уклонения от иммунного ответа на ранней стадии инфекции. Большинство механизмов связаны с неадекватным ответом IFN 1 типа, массивной продукцией воспалительных цитокинов и, возможно, дефектом функций NK-клеток. Предварительные данные также свидетельствуют об уклонении от адаптивного иммунитета, на что указывает истощение Т-лимфоцитов [655].
Было показано, что белок Orf6 SARS-CoV нарушает транспорт кариоферина [656] и, следовательно, ингибирует импорт факторов транскрипции, таких как STAT1, в ядро, что приводит к ингибированию ответа IFN. Точно так же белок Orf3b SARS-CoV ингибирует фосфорилирование регуляторного фактора интерферона 3 (IRF3) [657], белка, участвующего в активации IFN-α/β.
Ответ CD8+, CD4+ Т-клеток и плазматических клеток. Роль IFN и интерлейкинов
CD4+ Т-клетки играли более важную роль в процессе «здоровье-болезнь», чем В-клетки и CD8+ Т-лимфоциты. Преобладающими субпопуляциями Т-хелперных (Th) лимфоцитов у пациентов в критическом состоянии являются Th1, Th2, Th17 и Т-регуляторные (Treg) клетки, тогда как в легких случаях наблюдается приток Th1, Th2, Th17 и фолликулярных Т-хелперных (Tfh) клеток. Эти клетки отвечают за секрецию цитокинов, включая интерлейкин (IL) -6, IL-4, IL-10, IL-7, IL-22, IL-21, IL-15, IL-1α, IL-23, IL-5, IL-13, IL-2, IL-17, фактор некроза опухоли-альфа (TNF-α), CXC-мотивирующий лиганд (CXCL) 8, CXCL9 и фактор роста опухоли бета (TGF-β); первые 8 упомянутых выше медиаторов воспаления коррелировали с клиническими преимуществами, в то время как другие с плохим прогнозом. Некоторые маркеры CD8+ Т-лимфоцитов связаны с тяжестью заболевания, например, человеческий лейкоцитарный антиген (HLA-DR) и белок 1 запрограммированной гибели клеток (PD-1). Среди антител, продуцируемых SARS-CoV-2, иммуноглобулин (Ig) A выделялся своим мощным высвобождением, связанным с более тяжелой клинической формой. [546]
Ответ IFN является важной первой линией защиты от вирусов. Для многих респираторных вирусов, включая SARS-CoV-1, IFN типов I и III (так называемые «врожденные» IFN), по-видимому, играют роль в ограничении инфекции [861], устанавливая клеточное состояние вирусной резистентности и активируя адаптивный иммунный ответ. [862]
Недавние данные также указывают на возможное нарушение регуляции IFN I и III типов в ответ на SARS-CoV-2. [863,864] Blanco-Melo et al. [864], анализируя профили транскриптома различных типов клеток, показали, что инфекция SARS-CoV-2 вызывает очень низкую экспрессию IFN I и IFN III и ограниченный ответ со стороны IFN-стимулированных генов, и индуцирует нормальную экспрессию хемокинов и генов провоспалительных цитокинов. Другое исследование выявило нарушение ответа IFN I типа у пациентов с COVID-19 в тяжелом или критическом состоянии, сопровождающееся высокой вирусной нагрузкой в крови и чрезмерной воспалительной реакцией, вызванной NF-kB (ядерным фактором kB), что связано с увеличением фактора некроза опухоли TNF-α и интерлейкина (IL) -6. [865]
IFN типа III лямбда (IFN-λ) (IL-28/IL-29), еще один член семейства IFN врожденного иммунитета, имеет сходство с IFN типа I и IL-10. Экспрессия IFN III типа более ограничена, чем экспрессия широко распространенных IFN I типа, и происходит в основном на слизистых (дыхательных и желудочно-кишечных) барьерах. Это говорит о том, что интерфероны III типа играют более специализированную роль в иммунном ответе слизистых оболочек и в регуляции адаптивного ответа. IFN типа III играют особую роль в легочных иммунных реакциях: они индуцируются раньше и при более низкой вирусной нагрузке (по сравнению с типом I), они также ограничивают начальное выделение вируса [866] и его передачу из верхних дыхательных путей в легкие. [867] Они не обладают провоспалительным потенциалом IFN I типа и могут фактически оказывать противовоспалительное и тканезащитное действие. [861, 868]
IL-1 еще один важный цитокин, связанный с воспалением и врожденным иммунитетом. Он в основном продуцируется активированными мононуклеарными фагоцитами и может индуцировать другие провоспалительные цитокины, такие как IL-6 и TNF.
У пациентов с COVID-19 были показаны изменения в циркулирующих субпопуляциях В-клеток. Многочисленные исследования показали, что тяжелое течение COVID-19 характеризуется увеличением пролиферирующих, метаболически гиперактивных плазмобластов (PB) и относительным снижением В-клеток памяти, причем было установлено, что эти изменения совпадали с тяжестью воспаления и исчезали по мере выздоровления. [870]
Активация комплемента
Система комплемента является критическим компонентом врожденного иммунного ответа на вирусы, но она также может запускать провоспалительные реакции. [850]
MBL (маннозосвязывающий лектин), один из компонентов системы комплемента при врожденном иммунитете, распознает остатки маннозы в мембранах различных микроорганизмов и действует как растворимый паттерн-распознающий рецептор (PRR). Это распознавание активирует систему комплемента, вызывая воспаление и усиливая фагоцитоз. Известно, что MBL может связывать SARS-CoV, что приводит к отложению С4 в вирусе и, в экспериментальных моделях, к снижению его способности инфицировать. [859] Присутствие богатых маннозой гликанов в области S1 SARS-CoV-2 породило гипотезу о том, что распознавание гликанов и связывание с MBL может ингибировать взаимодействие S1-ACE. [850] Некоторые генетические полиморфизмы MBL, связанные с более низкими уровнями MBL в сыворотке крови, также были связаны с восприимчивостью к SARS-CoV. [860]
Доказательства отложения C3a в образцах биопсии легких и повышенный уровень C5a в сыворотке наблюдались у пациентов с тяжелой формой COVID-19, которые умерли. [880] Необходимо контролировать активацию комплемента, поскольку она вызывает диссеминированное внутрисосудистое свертывание крови, воспаление, гибель клеток, полиорганную недостаточность и смерть. В заключение, активация системы комплемента может играть роль как на ранних, так и на поздних стадиях COVID-19. На начальной стадии она может быть вовлечена в первоначальный иммунный ответ, необходимый для элиминации возбудителя, а на второй стадии в воспалительное повреждение. [881]
Цитокиновый шторм (синдром цитокинового шторма) или синдром активации макрофагов (MAS) [872, 873]
Иммунная дисрегуляция, вызванная COVID-19, характеризуется замедленным и нарушенным ответом на интерферон, истощением лимфоцитов и цитокиновым штормом, что в конечном итоге приводит к обширному повреждению легочной ткани и поздним тромботическим явлениям. [697]
Тяжелая форма COVID-19 характеризуется значительно повышенным уровнем провоспалительных цитокинов и сниженным уровнем Т-лимфоцитов. (R Mulchandani, 2021) Каждый второй смертельный случай COVID-19 страдает от цитокинового шторма, 82% из которых старше 60 лет [658].
Проникновение вируса в клетки вызывает воспалительную реакцию путем рекрутирования Т-хелперных клеток, которые продуцируют IFN-γ, IL-2 и IL-12 [285]. Поврежденные альвеолярные клетки также выделяют интерфероны, цитокины и другие внутриклеточные компоненты. Последующее привлечение других воспалительных клеток приводит к развитию «цитокинового шторма», который может ускорить повреждение органов и полиорганную недостаточность, наблюдаемую при тяжелом заболевании [285]. В результате у пациентов с COVID-19 наблюдалось повышение уровня системного интерлейкина IL-2, IL-6 и IL-7, гранулоцитарного колониестимулирующего фактора, ФНО-α и др. [112] Цитокиновый ответ, вызванный SARS-CoV-2, отличается от других респираторных вирусов, вызывающих синдром высвобождения цитокинов. (M Olbei, 2021 г.)
Было высказано предположение, что взаимодействие между иммуностарением и воспалением способствует цитокиновому шторму у пожилых пациентов с COVID-19. [874]
Цитокиновый шторм был связан с ОРДС, основной причиной смертности у пациентов с COVID-19, и клиническая картина, сходная с MAS, может наблюдаться у части пациентов с тяжелым заболеванием. [873] В этом контексте некоторые авторы предположили, что COVID-19 может подпадать под спектр гиперферритинемических синдромов. Однако, не все пациенты с COVID-19 соответствуют диагностическим критериям гиперферритинемического синдрома, поскольку у них умеренно повышен уровень ферритина, и именно легкие являются органом-мишенью при тяжелом заболевании. [875] Пока неясно, является ли ферритин простым белком острой фазы или активным патогенным медиатором при COVID-19. [876]
Silvin et al. [877], в свою очередь, заметили, что тяжелая форма COVID-19 была специфически связана со всплеском циркулирующего кальпротектина, который предшествует синдрому высвобождения цитокинов; низкий уровень неклассических моноцитов в периферической крови; и экстренный миелопоэз, который стимулирует высвобождение незрелых и диспластических миелоидных клеток с иммуносупрессивным фенотипом.
Синдром высвобождения цитокинов имеет как системные, так и легочные эффекты в рамках этой гипервоспалительной реакции. Повышенные уровни провоспалительных цитокинов (IL-1/TNF/IL-6) связаны с полиорганной недостаточностью, которая может привести к повреждению миокарда, гипотензии и шоку, сочетание, которое получило название «синдром вирусного сепсиса» [871] и наблюдается у пациентов с тяжелой формой COVID-19. SARS-CoV-2 может достигать других органов, кроме легких, особенно, если они коэкспрессируют ACE-2 и связанные с ним протеазы. [878,879] Однако, относительный вклад вируса и цитокинового ответа хозяина в полиорганную недостаточность, наблюдаемую у некоторых пациентов, все еще неясен. [871]
Легкие
Siddiqi et al, 2020, выделяет следующие стадии заболевания [189]:
I раннее заражение: легкие симптомы, лихорадка, сухой кашель. Для этой стадии характерна лимфопения.
II легочная фаза: одышка без (IIA) и с гипоксией (IIB) PaO2/FiO2 <300 мм рт. ст. Эта стадия характеризуется изменениями в легких на КТ/рентгенограмме грудной клетки, нормальным или низким уровнем прокальцитонина.
III гипервоспалительная фаза: ОРДС, сепсис/шок, сердечная недостаточность. Эта фаза характеризуется увеличением СРБ, ЛДГ, IL-6, D-димера, NT-proBNP, ферритина и тропонина.
Патологические признаки ранней стадии включают: отек легких, экссудацию белка, застой сосудов, гиперплазию пневмоцитов, интерстициальное утолщение и воспалительную инфильтрацию фибриноидным материалом и многоядерными гигантскими клетками, сопровождающие некоторые похожие на вирус включения, незначительную нейтрофильную инфильтрацию и образование гиалиновой мембраны [637]. Патологические особенности поздней стадии включают: диффузное альвеолярное поражение с фиброзным слизеподобным экссудатом; отторжение пневмоцитов и образование гиалиновых мембран (указывает на ОРДС); отек правого легкого и образование прозрачной оболочки (признак ранней стадии ОРДС); двусторонние воспалительные интерстициальные мононуклеарные инфильтраты левого легкого без вирусных включений [638].