¿Pueden los estudios con ratones transgénicos esclarecer las complicaciones neurológicas asociadas con el SARS-CoV-2 en humanos?


La enfermedad del coronavirus potencialmente mortal 2019 (COVID-19) que ha arrasado el mundo durante los últimos 12 meses no ha afectado a los animales con la gravedad correspondiente. Para comprender el mecanismo de la enfermedad grave, se han utilizado modelos animales. Esto incluye un modelo de ratón que expresa la enzima convertidora de angiotensina humana 2 (hACE2) bajo el promotor de citoqueratina 18 (K18-hACE2). Una nueva preimpresión que aparece en el bioRxiv* El servidor indica que este puede no ser un modelo fiel de la infección letal humana con el coronavirus 2 del síndrome respiratorio agudo severo (SARS-CoV-2).

Estudio: La neuroinvasión fatal de SARS-CoV-2 en ratones K18-hACE2 depende parcialmente de la expresión de hACE2.  Haber de imagen: Vasilii Koval / Shutterstock

En la mayoría de los casos, COVID-19 causa una enfermedad respiratoria con un amplio espectro de gravedad de los síntomas, de leve a grave. La enfermedad crítica generalmente termina en síndrome de dificultad respiratoria aguda (SDRA), a menudo con disfunción multiorgánica. Un subconjunto de pacientes infectados también presenta características neurológicas, que incluyen cefalea, anosmia y ageusia, mareos, delirio y accidente cerebrovascular isquémico. Se ha pensado que la mucosa olfativa es el puerto de entrada del virus al sistema nervioso central (SNC).

Los modelos animales que ayudan a estudiar el virus han sido pocos. Esto se debe principalmente a que el SARS-CoV-2 ingresa a las células humanas a través del receptor hACE2. Por otro lado, el virus tiene una afinidad mucho menor por la ACE2 murina, lo que hace que los ratones transgénicos sean una necesidad para la investigación preclínica.

Se ha observado que estos ratones transgénicos expresan una enfermedad 100% letal cuando se infectan. El mecanismo por el cual ocurre la muerte aún se desconoce, aunque hubo signos de inflamación pulmonar y función respiratoria reducida. Sin embargo, se ha informado que el virus invade el sistema nervioso central en estos ratones.

Por tanto, los investigadores del presente estudio analizaron el curso de la infección durante las dos semanas posteriores a la infección. La expresión de hACE2 se encuentra principalmente en las células epiteliales del tracto respiratorio e intestinal, con un bajo nivel de expresión en el cerebro. Por lo tanto, los científicos se propusieron explorar la relación entre la naturaleza, la gravedad y el resultado de esta infección en estos ratones transgénicos y los patrones de expresión de hACE2, con el fin de averiguar si la neuroinvasión estaba relacionada con la naturaleza letal de la infección.

La infección por SARS-CoV-2 siempre es fatal en estos ratones

Los investigadores encontraron que estos ratones siempre desarrollaron una infección letal después del SARS-CoV-2. Antes de la muerte presentaban signos neurológicos. Solo dos ratones estaban vivos al final de los 14 días, ninguno de los cuales estaba gravemente enfermo.

Se observó que estos ratones tenían pulmones inflamados, con altas cargas virales tanto en los pulmones como en el cerebro. los la carga viral en los pulmones alcanzó su punto máximo 2 días después de la infección (dpi), pero a 4 dpi en el cerebro. La viremia fue insignificante.

El SARS-CoV-2 provocó una enfermedad letal en ratones K18-hACE2 (n = 33) inoculados por vía intranasal con 1 x 106 unidades formadoras de placa (PFU).  Se controlaron diariamente el peso corporal (A), los signos clínicos (B), la temperatura (C) y la mortalidad (D).  Las cargas virales (número de copias del genoma / mg o ml) se controlaron en el cerebro, los pulmones (E) y el suero (F) durante todo el estudio.  Se representan los números medios de copias del genoma.  El límite de detección (LOD) se muestra con una línea discontinua.

El SARS-CoV-2 provocó una enfermedad letal en ratones K18-hACE2 (n = 33) inoculados por vía intranasal con 1 x 106 unidades formadoras de placa (PFU). Se controlaron diariamente el peso corporal (A), los signos clínicos (B), la temperatura (C) y la mortalidad (D). Las cargas virales (número de copias del genoma / mg o ml) se controlaron en el cerebro, los pulmones (E) y el suero (F) durante todo el estudio. Se representan los números medios de copias del genoma. El límite de detección (LOD) se muestra con una línea discontinua.

Infección nasal transitoria

Se encontró que el tracto respiratorio superior tenía signos de inflamación leve y transitoria, volviendo a la normalidad a los 7 dpi. El neuroepitelio olfatorio no mostró ningún signo de inflamación en ningún momento, a pesar de la presencia de abundante carga antigénica viral y ARN. Sin embargo, ambos se redujeron a niveles indetectables en 14 ppp.

Neumonía intersticial moderada

El estudio también mostró cierto grado de neumonía intersticial, tanto con virus antígenos y el ARN se encuentra en el parénquima pulmonar, dentro de las células pulmonares alveolares de tipo I en su mayor parte. También participaron algunas células alveolares de tipo II. El pico se alcanzó a 4 dpi. La gravedad de la neumonía alcanzó un máximo de 7 dpi, afectando aproximadamente a un tercio de los pulmones.

En las dos ratas macho que sobrevivieron a los 14 días, había áreas dispersas de neumonía intersticial, pero no había antígeno o ARN viral detectable.

El epitelio bronquial y la vasculatura pulmonar permanecieron intactos en todo momento, sin formación de membranas hialinas en los pulmones, ni coágulos vasculares ni formación de sincitios. Sin embargo, estos son característicos de la infección humana. Las características de la afectación pulmonar observadas en estos animales contrastan con las características de la enfermedad del COVID-19 grave. Esto sugiere que “la letalidad observada en este modelo podría ser independiente de los mecanismos inflamatorios pulmonares”. De hecho, la fuerte respuesta infiltrante de los linfocitos y los histiocitos se asoció con un control rápido y eficaz de la infección en los pulmones.

Letalidad asociada con neuroinvasión

Los investigadores encontraron que la letalidad del SARS-CoV-2 está potencialmente mediada por neuroinvasión, en aproximadamente el 85% de los ratones infectados, a 7 dpi. La ruta probable de invasión es el transporte retrógrado a través del bulbo olfatorio, a través de los procesos axonales que pasan por el neuroepitelio olfatorio. Las neuronas afectadas mostraron un efecto citopático generalizado tanto en el cerebro como en la médula espinal.

La infección por SARS-CoV-2 no refleja la distribución de ACE2

El estudio también muestra que los pulmones expresan pobremente hACE2 en estos ratones transgénicos, lo que indica que este no es el único factor que determina la susceptibilidad al virus. Por el contrario, otros tipos de células que no expresan este receptor, como las células alveolares de tipo I, se infectaron ampliamente, pero las células epiteliales bronquiales hACE2 + permanecieron sin infectar en todo momento. Esto sugiere que la entrada viral en las células pulmonares no depende de la expresión de ACE2 en estos ratones.

Los investigadores también encontraron que, si bien se encontró ARNm de hACE2 en grupos de neuronas corticales y otras partes del cerebro, la ACE2 murina se expresó en el endotelio de los vasos sanguíneos del cerebro. Esto sugiere que ACE2 puede no traducirse en neuronas en ratones. Las células de Purkinje del cerebelo tampoco están infectadas por SARS-CoV-2, aunque expresan ARNm de hACE2. Esto confirma la hipótesis de que “ACE2 probablemente no es el único factor del huésped asociado con la neuroinvasión y que otros mecanismos de entrada independientes de ACE2 contribuyen a la neuroinvasión y la propagación por el SARS-CoV-2 en este modelo murino”.

¿Cuáles son las implicaciones?

El estudio arroja algunos hallazgos importantes. En primer lugar, el modelo de ratón transgénico K18-hACE2 se usa ampliamente para el estudio del SARS-CoV-2 y para posibles medidas terapéuticas. La base para tal uso es el receptor hACE2 común compartido por las células de este ratón y los humanos, así como la expresión letal de SARS-CoV-2. También ayudó a comprender cómo se produjo la lesión pulmonar en COVID-19.

Sin embargo, también difiere del proceso de la enfermedad humana COVID-19 de varias formas importantes. No muestra el desarrollo de daño alveolar difuso (DAD), formación de membranas hialinas, activación del sistema de coagulación con microtrombosis extensa, resultando en daño multisistémico.

En el modelo de ratón, en cambio, hACE2 se asocia solo parcialmente con el tropismo del virus y los resultados de la enfermedad. La causa real de los resultados letales es la neuroinvasión que daña las neuronas, que es independiente de la expresión de hACE2. Esto contrasta con los hámsteres sirios dorados, que sufren principalmente lesiones pulmonares pero sobreviven invariablemente.

El estudio también apunta a la necesidad de seleccionar los puntos finales correctos para comprender las características neurológicas del SARS-CoV-2 en ratones, en lugar de las características convencionales como la pérdida de peso y el pelaje erizado que sugiere animales enfermos. Si no, la eficacia de Los fármacos terapéuticos y las vacunas basadas en células T podrían subestimarse falsamente en este modelo.

Finalmente, el estudio apunta a la existencia de otros receptores que median la neuroinvasión, los cuales no pueden ser identificados por in vitro experimentos. Uno de ellos es la neuropilina-1, que se encuentra en la nariz, el cerebro, los pulmones, el hígado y los riñones. Dado que los ratones K18-hACE2 se encuentran entre los dos únicos modelos animales que muestran esta neuroinvasión, es útil para el estudio de los procesos de enfermedades neurológicas posteriores a la infección por este virus, incluidos los otros mecanismos mediante los cuales logra la entrada celular y para estimar la eficacia de Medidas terapéuticas y preventivas.

*Noticia importante

bioRxiv publica informes científicos preliminares que no son revisados ​​por pares y, por lo tanto, no deben considerarse concluyentes, guiar la práctica clínica / comportamiento relacionado con la salud o tratarse como información establecida.

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