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Stratégies rationnelles de traitement du SRAS-CoV-2 dérivées de modèles de cellules souches pluripotentes humaines

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Dans une étude récente publiée sur le site Web de l bioRxiv* des chercheurs australiens ont exploré les mécanismes moléculaires des complications pulmonaires et cardiaques causées par l’infection par le coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SRAS-CoV-2) en utilisant des cellules cardiaques et pulmonaires dérivées de cellules souches humaines.

Étude : L'utilisation parallèle de modèles pulmonaires et cardiaques de cellules souches humaines pluripotentes apporte de nouvelles perspectives pour le traitement du SRAS-CoV-2. Crédit image : Kateryna Kon / ShutterstockÉtude : L’utilisation parallèle de modèles de poumons et de cœurs de cellules souches humaines pluripotentes apporte de nouvelles perspectives pour le traitement du SRAS-CoV-2. Crédit image : Kateryna Kon / Shutterstock

Contexte

Bien que la maladie à coronavirus 2019 (COVID-19) ait principalement affecté les systèmes respiratoire et pulmonaire, des manifestations graves de COVID-19 ont également touché les systèmes cardiovasculaire, digestif, rénal et nerveux.

L’imagerie par résonance magnétique (IRM) et les électrocardiogrammes (ECG) ont permis de détecter des complications cardiaques telles que des lésions myocardiques, des arythmies et des thromboembolies chez un grand nombre de patients COVID-19 en voie de guérison. En outre, les autopsies ont également permis de détecter l’antigène de la protéine spike (S) et l’ARN du SRAS-CoV-2 dans le tissu cardiaque des patients ayant succombé au COVID-19.

La protéine S du SRAS-CoV-2 initie l’infection en se liant au récepteur de l’enzyme de conversion de l’angiotensine 2 (ACE2) à la surface de la cellule hôte. Les protéases de la cellule hôte, comme la furine, clivent la protéine S en deux sous-unités, S1 et S2. La fusion ultérieure des membranes du virus et de la cellule hôte nécessite le clivage de S1 et de S2 par des sérines protéases ou des cathepsines. Le tropisme tissulaire du virus est déterminé par l’expression soit de l’ACE2 et des sérine-protéases, soit de l’ACE2 et des cathepsines, qui diffère dans les systèmes respiratoire, pulmonaire, cardiaque, rénal et digestif.

A propos de l’étude

La présente étude a utilisé des cellules souches pluripotentes humaines (hPSC) pour générer des cellules pulmonaires et cardiaques fonctionnelles. Les cultures cardiaques dérivées des cellules souches et les cellules épithéliales alvéolaires de type II (AT2) du poumon ont pu être infectées par le SARS-CoV-2. Des cellules Vero ou des cellules épithéliales de rein de singe vert africain, largement utilisées dans la recherche sur le COVID-19, ont également été utilisées dans cette étude à des fins de comparaison.

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Ces cellules ont été utilisées dans des expériences appariées afin de déterminer les similitudes et les différences dans les mécanismes et les facteurs influençant les manifestations du COVID-19 dans les poumons et le cœur.

L’équipe a utilisé la protéine 9 associée à la CRISPR (Cas9) pour éliminer le récepteur ACE2 afin de comprendre son importance dans l’infection par le SRAS-CoV-2. En outre, des inhibiteurs à petites molécules ont été utilisés pour démêler les différents mécanismes d’entrée du virus. Ils ont également utilisé la phosphoprotéomique et le profilage du transcriptome pour comprendre les différences dans les réponses cellulaires au cours des infections par le SRAS-CoV-2.

Résultats

Les résultats significatifs de l’étude indiquent que si les trois types de cellules dépendent de la présence de récepteurs ACE2, le traitement en aval de la protéine S virale suit des voies différentes. Par exemple, dans les cellules AT2 des poumons, le clivage de la protéine S a été effectué par les sérine-protéases TMPRSS2 sur la membrane de la cellule hôte, tandis que l’entrée du virus dans les cellules cardiaques s’est faite par la voie endosomale, par le clivage des sous-unités S1 et S2 médié par la cathepsine.

Les essais d’inhibition de l’entrée réalisés avec le mésylate de Camostat, un inhibiteur de TMPRSS2, ont empêché l’infection par le SRAS-CoV-2 des cellules pulmonaires AT2, ce qui met en évidence le rôle des sérine-protéases dans l’entrée du virus dans les cellules pulmonaires. Des essais similaires avec le CA-074 Me, un inhibiteur des cathepsines B et L, ont bloqué l’entrée du virus dans les cellules cardiaques.

Une infection avortée de SARS-CoV-2 dans des cellules pulmonaires et cardiaques ACE2 knockout a démontré que les récepteurs ACE2 étaient essentiels pour l’infection virale. Cependant, l’utilisation d’une combinaison d’anticorps anti-ACE2 a bloqué l’infection par le SARS-CoV-2 dans les tissus pulmonaires et cardiaques, mais de faibles doses d’anticorps anti-ACE2 ont empêché l’infection virale uniquement dans les cellules cardiaques. Ces résultats, associés à des analyses de séquençage de l’acide ribonucléique (ARN) et de réaction en chaîne par polymérase quantitative (qPCR), ont montré que les cellules AT2 pulmonaires avaient une plus forte expression des récepteurs ACE2 que les cellules cardiaques.

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En outre, l’infection virale a entraîné une forte réponse à l’interféron dans les cellules cardiaques mais pas dans les cellules AT2 pulmonaires. Les résultats de l’analyse phosphoprotéomique ont également montré que l’infection a activé différentes voies dans les cellules AT2 pulmonaires et cardiaques.

Conclusions

Dans l’ensemble, les résultats ont révélé des différences significatives dans le mécanisme d’infection du SRAS-CoV-2 dans les cellules et tissus cardiaques et pulmonaires. Alors que l’entrée virale commence dans les deux cellules par la fixation du récepteur ACE2, les voies ultérieures de l’infection virale diffèrent considérablement, la protéine spike subissant un clivage par une sérine protéase dans les cellules AT2 pulmonaires et un clivage par une cathepsine endosomale dans les cellules cardiaques.

Les auteurs pensent que le clivage différentiel de la protéine spike et la variance de l’expression du récepteur ACE2 dans ces deux cellules indiquent la nécessité d’améliorer la thérapie antivirale et d’inclure des combinaisons de médicaments pour cibler les voies d’entrée virale endosomales et membranaires. Ils suggèrent d’utiliser des médicaments qui ciblent la protéine kinase-1 du facteur d’épissage riche en sérine/arginine (SRPK1) et les kinases cyclines-dépendantes (CDK).

L’étude a également souligné l’importance d’utiliser des modèles cellulaires dérivés de cellules souches autres que des lignées cellulaires immortalisées comme les cellules Vero pour tester l’efficacité antivirale et la cytotoxicité des thérapies COVID-19.

*Avis important

bioRxiv publie des rapports scientifiques préliminaires qui ne sont pas évalués par des pairs et qui, par conséquent, ne doivent pas être considérés comme concluants, guider la pratique clinique/le comportement en matière de santé ou être traités comme des informations établies.

Référence du journal :

  • L’utilisation parallèle de modèles de poumons et de cœurs de cellules souches humaines pluripotentes apporte de nouvelles perspectives pour le traitement du SRAS-CoV-2 : Rajeev Rudraraju, Matthew J Gartner, Jessica A Neil, Elizabeth S Stout, Joseph Chen, Elise J Needham, Michael See, Charley Mackenzie-Kludas, Leo Yi Yang, Mingyang Wang, Hayley Pointer, Kathy Karavendzas, Dad Abu-Bonsrah, Damien Drew, Yu Bo Yang Sun, Jia Ping Tan, Guizhi Sun, Abbas Salavaty, Natalie Charitakis, Hieu T Nim, Peter D Currie, Wai-Hong Tham, Enzo Porrello, Jose Polo, Sean J Humphrey, Mirana Ramialison, David A Elliott et Kanta Subbarao. bioRxiv. 2022. DOI: https://doi.org/10.1101/2022.09.20.508614, https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.09.20.508614v1