Los científicos muestran la replicación viral del SARS-CoV-2 con imágenes integradoras 3D

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A medida que continúa la pandemia de la enfermedad mundial del coronavirus 2019 (COVID-19), los científicos se apresuran a desarrollar vacunas inmunizantes y medicamentos terapéuticos para luchar contra ella. Para hacer esto, los investigadores están continuamente tratando de comprender mejor este nuevo virus, cómo se replica y su mecanismo de infección.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Heidelberg en Alemania ha realizado un análisis de imágenes detallado de la infección por coronavirus 2 (SARS-CoV-2) del síndrome respiratorio agudo severo para determinar cómo el virus reprograma las células infectadas.

Entrada de SARS-CoV-2 en las células

El patógeno SARS-CoV-2, que causa COVID-19, contiene proteínas Spike (Proteína S) que se unen a los receptores de la superficie de la célula huésped para ganar la entrada.

La proteína S se une a los receptores de la enzima convertidora de angiotensina 2 (ACE2) para ingresar a la célula y secuestrar sus funciones metabólicas para replicarse. Estos receptores actúan así como un bloqueo y un tándem crítico en la infección por SARS-CoV-2.

Las células que se infectan por el SARS-CoV-2 mueren rápidamente, en 24 a 48 horas. Esto significa que el virus daña la célula humana de tal manera que se vuelve a cablear y se fuerza a producir progenie viral.

Cinética de infección por SARS-CoV2 en células epiteliales pulmonares.  (A) Transcurso de tiempo de la replicación del SARS-CoV-2 en células Calu-3 infectadas (MOI = 5) según se detecta por inmunofluorescencia usando un anticuerpo dsRNA (blanco).  El ADN nuclear se tiñó con DAPI (azul).  Barra de escala: 40 µm.  (B) Porcentaje de células positivas de dsRNA cuantificadas del panel (A).  (C y D) Niveles de ARN viral intra y extracelular medidos por RT-qPCR.  (E) Infecciosidad extracelular medida por ensayo de placa.  Las medias y las DE de tres experimentos independientes se muestran en los paneles BE.  (F) Imágenes de microscopía electrónica de transmisión de secciones delgadas de 70 nm de células Calu-3 incrustadas en resina infectadas con SARS-CoV-2 (MOI = 5) y obtenidas en los puntos de tiempo indicados después de la infección.  DMV, vesículas de doble membrana;  C, conectores;  LD, gotita de lípidos;  Gg, gránulos de glucógeno;  puntas de flecha anaranjadas, viriones completos;  punta de flecha amarilla, virión en ciernes.  Las áreas en rectángulos amarillos se amplían en los paneles correspondientes marcados con letras romanas.  Las líneas de puntos rojos indican regiones con acumulaciones de DMV.  (G) Distribución de frecuencia relativa de los diámetros del DMV determinados en los diferentes puntos de tiempo después de la infección.  Los ajustes gaussianos se muestran superpuestos.  N = 43, 40 y 48 DMV durante 6 h, 12 hy 48 h después de la infección, respectivamente.

Cinética de infección por SARS-CoV2 en células epiteliales pulmonares. (A) Transcurso de tiempo de la replicación del SARS-CoV-2 en células Calu-3 infectadas (MOI = 5) según se detecta por inmunofluorescencia usando un anticuerpo dsRNA (blanco). El ADN nuclear se tiñó con DAPI (azul). Barra de escala: 40 µm. (B) Porcentaje de células positivas de dsRNA cuantificadas del panel (A). (C y D) Niveles de ARN viral intra y extracelular medidos por RT-qPCR. (E) Infecciosidad extracelular medida por ensayo de placa. Las medias y las DE de tres experimentos independientes se muestran en los paneles BE. (F) Imágenes de microscopía electrónica de transmisión de secciones delgadas de 70 nm de células Calu-3 incrustadas en resina infectadas con SARS-CoV-2 (MOI = 5) y obtenidas en los puntos de tiempo indicados después de la infección. DMV, vesículas de doble membrana; C, conectores; LD, gotita de lípidos; Gg, gránulos de glucógeno; puntas de flecha anaranjadas, viriones completos; punta de flecha amarilla, virión en ciernes. Las áreas en rectángulos amarillos se amplían en los paneles correspondientes marcados con letras romanas. Las líneas de puntos rojos indican regiones con acumulaciones de DMV. (G) Distribución de frecuencia relativa de los diámetros del DMV determinados en los diferentes puntos de tiempo después de la infección. Los ajustes gaussianos se muestran superpuestos. N = 43, 40 y 48 DMV durante 6 h, 12 hy 48 h después de la infección, respectivamente.

El estudio, que fue publicado en la revista Anfitrión celular y microbio, tiene como objetivo identificar los cambios morfológicos dentro de una célula que son inherentes a esta reprogramación. De esta forma, los científicos pueden estar mejor equipados para desarrollar fármacos que supriman la replicación viral y eviten la muerte celular inducida por virus.

Análisis integrativo de imágenes

Para llegar a los hallazgos del estudio, los investigadores utilizaron una combinación de métodos de microscopía óptica y electrónica para obtener una visión integradora de la arquitectura 3D de los orgánulos de replicación viral inducidos por el SARS-CoV-2 (vRO), su relación con los compartimentos subcelulares y el impacto de infección viral en orgánulos celulares.

El equipo demostró reconstrucciones 3D de células enteras, que muestran una marcada remodelación morfológica de muchos orgánulos membranosos, como la fragmentación del aparato de Golgi y el deterioro de los peroxisomas en los orgánulos de replicación viral, que están formados por grupos de vesículas de doble membrana (DMV).

El análisis FIB-SEM del volumen celular completo de una célula infectada con SARS-CoV-2 revela una red de DMV y ER.  Las células Calu-3 se infectaron con SARS-CoV-2 (MOI = 5) durante 24 h antes de ser fijadas y preparadas para el análisis FIB-SEM.  (A) Dos cortes diferentes a través del volumen celular.  Tenga en cuenta la estrecha asociación de la célula infectada en el medio con las células vecinas, dando a la célula infectada una forma de reloj de arena en el panel superior.  (B) Representación 3D de la célula infectada.  El código de color de las estructuras subcelulares se muestra en la parte inferior de la figura.  (C) Amplíe el área indicada con un rectángulo en (B) que muestra un grupo de DMV.  (D) Detalle de conexiones DMV - ER (i).  Los DMV se muestran en rojo, los conectores de membrana se muestran en cítricos.  (ii) Igual que en (i) pero con transparencias de alto nivel para las regiones de DMV y ER, excepto las áreas en contacto con los conectores ER.  (iii y iv) Dos cortes ortogonales que muestran los datos brutos de la misma región del panel izquierdo respectivo.  Barras de escala: 2 µm en los paneles A y B, 500 nm en los paneles C y D.

El análisis FIB-SEM del volumen celular completo de una célula infectada con SARS-CoV-2 revela una red de DMV y ER. Las células Calu-3 se infectaron con SARS-CoV-2 (MOI = 5) durante 24 h antes de ser fijadas y preparadas para el análisis FIB-SEM. (A) Dos cortes diferentes a través del volumen celular. Tenga en cuenta la estrecha asociación de la célula infectada en el medio con las células vecinas, dando a la célula infectada una forma de reloj de arena en el panel superior. (B) Representación 3D de la célula infectada. El código de color de las estructuras subcelulares se muestra en la parte inferior de la figura. (C) Amplíe el área indicada con un rectángulo en (B) que muestra un grupo de DMV. (D) Detalle de conexiones DMV – ER (i). Los DMV se muestran en rojo, los conectores de membrana se muestran en cítricos. (ii) Igual que en (i) pero con transparencias de alto nivel para las regiones de DMV y ER, excepto las áreas en contacto con los conectores ER. (iii y iv) Dos cortes ortogonales que muestran los datos brutos de la misma región del panel izquierdo respectivo. Barras de escala: 2 µm en los paneles A y B, 500 nm en los paneles C y D.

Además, basándose en los resultados de las imágenes de células vivas y el sensor de infección, el equipo descubrió que hay una intensa remodelación de los elementos del citoesqueleto.

Mientras tanto, el equipo descubrió que la inhibición farmacológica de estas dinámicas suprime la replicación del SARS-CoV-2.

Explotación de un sistema de membrana celular

El virus también desencadena cambios de membrana en los que produce sus orgánulos de replicación. Ocurre en mini compartimentos de replicación donde el genoma viral aumenta enormemente.

Para hacer esto, el virus explota un sistema de membrana celular y crea un orgánulo. Los científicos lo describieron como una acumulación enorme y masiva de burbujas, que se convierte en un compartimento protegido donde los genomas virales se replican y se liberan para incorporarse a nuevas partículas de virus.

Un par de horas después de la infección, el equipo observó cómo y dónde prolifera el virus dentro de la célula. Además, observaron cómo el virus secuestra la maquinaria del anfitrión para ser liberado después de la replicación.

Los investigadores compartieron sus resultados públicamente para que la comunidad científica pueda usarlos para informar sus estudios sobre el SARS-CoV-2. Los datos se pueden utilizar para desarrollar nuevos medicamentos y vacunas para combatir la pandemia de COVID-19.

“Creo que estamos sentando un precedente en el hecho de que estamos compartiendo todos los datos que producimos con la comunidad científica. Representa un recurso impresionante para la comunidad”, explicó Yannick Schwab, coautor del estudio.

“De esta manera, podemos apoyar el esfuerzo global para estudiar cómo el SARS-CoV-2 interactúa con su anfitrión. El equipo espera que la información recopilada ayude en el desarrollo de medicamentos antivirales”, agregó.

Situación global de COVID-19

Hasta la fecha, el virus se ha extendido a 191 países, infectando a más de 59,22 millones de personas. El SARS-CoV-2 se ha cobrado más de 1,39 millones de vidas.

Muchos países reportan casos en aumento, incluidos Estados Unidos, India, Brasil y Francia, entre otros. Estados Unidos tiene el mayor número de casos de COVID-19, superando los 12,42 millones de casos, seguido de India, con más de 9,17 millones de casos, Brasil con más de 6,08 millones de casos y Francia, con más de 2,19 millones de casos.

Conocer cómo el virus interactúa con las células humanas y cómo las afecta es vital para desarrollar nuevas terapias, medicamentos y vacunas. A través del análisis de imágenes integradoras en 3D, este estudio ha arrojado luz sobre el proceso de replicación viral del SARS-CoV-2.

Fuente:

  • Panel COVID-19 del Centro de Ciencia e Ingeniería de Sistemas (CSSE) de la Universidad Johns Hopkins (JHU) – https://gisanddata.maps.arcgis.com/apps/opsdashboard/index.html#/bda7594740fd40299423467b48e9ecf6

Referencia de la revista:

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