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Une étude brésilienne révèle les effets de l’infection par le SRAS-CoV-2 sur le système nerveux central

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Une étude brésilienne publiée dans la revue PNAS décrit certains des effets que l’infection par le SRAS-CoV-2 peut avoir sur le système nerveux central. Une version préliminaire (qui n’a pas encore fait l’objet d’un examen par les pairs) publiée en 2020 a été l’une des premières à montrer que le virus responsable du COVID-19 peut infecter les cellules du cerveau, en particulier les astrocytes. Elle a également innové en décrivant des altérations de la structure du cortex, la région du cerveau la plus riche en neurones, même dans les cas de COVID-19 bénins.

Le cortex cérébral est la couche externe de matière grise située au-dessus des hémisphères. Il constitue le plus grand site d’intégration neuronale du système nerveux central et joue un rôle clé dans des fonctions complexes telles que la mémoire, l’attention, la conscience et le langage.

L’enquête a été menée par plusieurs groupes de l’Université d’État de Campinas (UNICAMP) et de l’Université de São Paulo (USP), tous financés par la FAPESP. Des chercheurs du Laboratoire national brésilien des biosciences (LNBio), de l’Institut D’Or (IDOR) et de l’Université fédérale de Rio de Janeiro (UFRJ) ont également contribué à l’étude.

« Deux études antérieures ont détecté la présence du nouveau coronavirus dans le cerveau, mais personne ne savait avec certitude s’il se trouvait dans la circulation sanguine, dans les cellules endothéliales, dans le système nerveux central et dans le cerveau. [lining the blood vessels] ou les cellules nerveuses. Nous avons montré pour la première fois qu’il infecte et se réplique effectivement dans les astrocytes, et que cela peut réduire la viabilité des neurones », a déclaré à Agência FAPESP Daniel Martins-de-Souza, l’un des responsables de l’étude. Martins-de-Souza est professeur à l’Institut de biologie de l’UNICAMP et chercheur affilié à l’IDOR.

Les astrocytes sont les cellules les plus abondantes du système nerveux central. Leurs fonctions consistent à fournir un soutien biochimique et des nutriments aux neurones, à réguler les niveaux de neurotransmetteurs et d’autres substances susceptibles d’interférer avec le fonctionnement des neurones, comme le potassium, à maintenir la barrière hémato-encéphalique qui protège le cerveau des agents pathogènes et des toxines, et à contribuer au maintien de l’homéostasie du cerveau.

L’infection des astrocytes a été confirmée par des expériences utilisant le tissu cérébral de 26 patients décédés de COVID-19. Les échantillons de tissus ont été prélevés lors d’autopsies réalisées selon des procédures peu invasives par Alexandre Fabro, pathologiste et professeur à la faculté de médecine de Ribeirão Preto de l’Université de São Paulo (FMRP-USP). L’analyse a été coordonnée par Thiago Cunha, également professeur à la FMRP-USP et membre du Centre de recherche sur les maladies inflammatoires (CRID).

Les chercheurs ont utilisé une technique connue sous le nom d’immunohistochimie, un processus de coloration dans lequel les anticorps agissent comme des marqueurs d’antigènes viraux ou d’autres composants du tissu analysé. « Par exemple, nous pouvons insérer un anticorps dans l’échantillon pour colorer les astrocytes en rouge lorsqu’il se lie à eux, un autre pour marquer la protéine de pointe du SRAS-CoV-2 en la rendant verte, et un troisième pour mettre en évidence l’ARN double brin du virus, qui n’apparaît que pendant la réplication, en le colorant en magenta », explique Martins-de-Souza. « Lorsque les images produites au cours de l’expérience ont été superposées, les trois couleurs sont apparues simultanément uniquement dans les astrocytes. »

Selon Cunha, la présence du virus a été confirmée dans cinq des 26 échantillons analysés. Des altérations suggérant de possibles dommages au système nerveux central ont également été trouvées dans ces cinq échantillons.

« Nous avons observé des signes de nécrose et d’inflammation, tels que l’œdème. [swelling caused by a buildup of fluid]des lésions neuronales et des infiltrats de cellules inflammatoires », a-t-il déclaré.

La capacité du SRAS-CoV-2 à infecter le tissu cérébral et sa préférence pour les astrocytes ont été confirmées par Adriano Sebolella et son groupe au FMRP-USP en utilisant la méthode des cultures de tranches dérivées du cerveau, un modèle expérimental dans lequel le tissu cérébral humain obtenu lors d’une intervention chirurgicale pour traiter des maladies neurologiques telles que l’épilepsie réfractaire aux médicaments, par exemple, est cultivé in vitro et infecté par le virus.

Symptômes persistants

Dans une autre partie de la recherche, menée à l’école des sciences médicales (FCM) d’UNICAMP, 81 volontaires qui s’étaient rétablis d’un COVID-19 léger ont été soumis à des scans d’imagerie par résonance magnétique (IRM) de leur cerveau. Ces scans ont été réalisés en moyenne 60 jours après les tests de diagnostic. Un tiers des participants présentaient encore des symptômes neurologiques ou neuropsychiatriques à ce moment-là. Ils se plaignaient surtout de maux de tête (40 %), de fatigue (40 %), d’altérations de la mémoire (30 %), d’anxiété (28 %), de perte d’odorat (28 %), de dépression (20 %), de somnolence diurne (25 %), de perte de goût (16 %) et de faible libido (14 %).

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« Nous avons posté un lien pour que les personnes intéressées à participer à l’essai puissent s’inscrire, et nous avons été surpris de recevoir plus de 200 volontaires en seulement quelques jours. Beaucoup étaient polysymptomatiques, avec des plaintes très variées. En plus de l’examen de neuro-imagerie, ils font l’objet d’une évaluation neurologique et passent des tests standardisés pour mesurer les performances des fonctions cognitives telles que la mémoire, l’attention et la flexibilité mentale. Dans cet article, nous présentons les premiers résultats », a déclaré Clarissa Yasuda, professeur et membre de l’Institut brésilien de recherche en neurosciences et neurotechnologie (BRAINN).

Seuls les volontaires diagnostiqués avec COVID-19 par RT-PCR et non hospitalisés ont été inclus dans l’étude. Les évaluations ont été réalisées après la fin de la phase aiguë, et les résultats ont été comparés aux données de 145 sujets sains non infectés.

Les examens IRM ont montré que certains volontaires présentaient une diminution de l’épaisseur corticale dans certaines régions du cerveau par rapport à la moyenne des témoins.

« Nous avons observé une atrophie dans les zones associées, par exemple, à l’anxiété, l’un des symptômes les plus fréquents dans le groupe d’étude », a déclaré Yasuda. « Si l’on considère que la prévalence des troubles anxieux dans la population brésilienne est de 9%, les 28% que nous avons trouvés sont un chiffre alarmant. Nous ne nous attendions pas à ces résultats chez des patients qui avaient eu la forme légère de la maladie. »

Lors des tests neuropsychologiques destinés à évaluer le fonctionnement cognitif, les volontaires ont également obtenu des résultats inférieurs à la moyenne nationale dans certaines tâches. Les résultats ont été ajustés en fonction de l’âge, du sexe et du niveau d’éducation, ainsi que du degré de fatigue déclaré par chaque participant.

« La question qui se pose à nous est la suivante : Ces symptômes sont-ils temporaires ou permanents ? Jusqu’à présent, nous avons constaté que certains sujets s’améliorent, mais malheureusement, beaucoup continuent à subir des altérations », a déclaré Yasuda. « Ce qui est surprenant, c’est que de nombreuses personnes ont été réinfectées par les nouvelles variantes, et certaines signalent des symptômes pires que ceux qu’elles avaient depuis la première infection. Compte tenu de la nouveauté du virus, nous considérons qu’un suivi longitudinal est crucial pour comprendre l’évolution des altérations neuropsychiatriques dans le temps et pour que cette compréhension serve de base au développement de thérapies ciblées. »

Métabolisme énergétique affecté

Dans le laboratoire de neuroprotéomique de l’IB-UNICAMP, dirigé par M. Martins-de-Souza, des expériences ont été réalisées sur des cellules de tissu cérébral provenant de personnes décédées du COVID-19 et sur des astrocytes cultivés in vitro afin de déterminer comment l’infection par le SRAS-CoV-2 affecte les cellules du système nerveux d’un point de vue biochimique.

Les échantillons d’autopsie ont été obtenus grâce à une collaboration avec le groupe dirigé par Paulo Saldiva, professeur à la faculté de médecine de l’Université de São Paulo (FM-USP). Le protéome (toutes les protéines présentes dans le tissu) a été cartographié à l’aide de la spectrométrie de masse, une technique utilisée pour identifier différentes substances dans les échantillons biologiques en fonction de leur masse moléculaire.

« Lorsque les résultats ont été comparés à ceux de sujets non infectés, on a constaté que plusieurs protéines dont l’expression était altérée étaient abondantes dans les astrocytes, ce qui a validé les résultats obtenus par immunohistochimie », a déclaré Martins-de-Souza. « Nous avons observé des altérations dans diverses voies biochimiques dans les astrocytes, notamment les voies associées au métabolisme énergétique. »

L’étape suivante a consisté à répéter l’analyse protéomique dans des astrocytes cultivés et infectés en laboratoire. Les astrocytes ont été obtenus à partir de cellules souches pluripotentes induites (iPSC). La méthode consiste à reprogrammer des cellules adultes (provenant de la peau ou d’autres tissus facilement accessibles) pour qu’elles atteignent un stade de pluripotence similaire à celui des cellules souches embryonnaires. Cette première partie a été réalisée dans le laboratoire IDOR de Stevens Rehen, professeur à l’UFRJ. L’équipe de Martins-de-Souza a ensuite utilisé des stimuli chimiques pour que les iPSC se différencient en cellules souches neurales et finalement en astrocytes.

« Les résultats étaient similaires à ceux de l’analyse des échantillons de tissus obtenus par autopsie, en ce sens qu’ils présentaient un dysfonctionnement du métabolisme énergétique », a déclaré Martins-de-Souza. « Nous avons alors effectué une analyse métabolomique [focusing on the metabolites produced by the cultured astrocytes]qui a mis en évidence des altérations du métabolisme du glucose. Pour une raison quelconque, les astrocytes infectés consomment plus de glucose que d’habitude, et pourtant les niveaux cellulaires de pyruvate et de lactate, les principaux substrats énergétiques, ont diminué de manière significative. »

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Le lactate est l’un des produits du métabolisme du glucose, et les astrocytes exportent ce métabolite vers les neurones, qui l’utilisent comme source d’énergie. L’analyse in vitro des chercheurs a montré que les niveaux de lactate dans le milieu de culture cellulaire étaient normaux, mais diminuaient à l’intérieur des cellules. « Les astrocytes semblent s’efforcer de maintenir l’approvisionnement énergétique des neurones même si cet effort affaiblit leur propre fonctionnement », a déclaré Martins-de-Souza.

Ce processus a en effet modifié le fonctionnement des mitochondries des astrocytes (organites produisant de l’énergie), ce qui a pu influencer les niveaux cérébraux de neurotransmetteurs tels que le glutamate, qui excite les neurones et est associé à la mémoire et à l’apprentissage, ou l’acide gamma-aminobutyrique (GABA), qui inhibe la mise à feu excessive des neurones et peut favoriser les sentiments de calme et de relaxation.

« Dans une autre expérience, nous avons tenté de cultiver des neurones dans le milieu où les astrocytes infectés s’étaient développés auparavant et nous avons mesuré un taux de mort cellulaire plus élevé que prévu. En d’autres termes, ce milieu de culture « conditionné par des astrocytes infectés » a affaibli la viabilité des neurones », a déclaré Martins-de-Souza.

Les résultats décrits dans l’article confirment ceux de plusieurs études publiées antérieurement et indiquant de possibles manifestations neurologiques et neuropsychiatriques du COVID-19.

Les résultats d’expériences menées sur des hamsters à l’Institut des Biosciences (IB-USP), par exemple, renforcent l’hypothèse selon laquelle l’infection par le SRAS-CoV-2 accélère le métabolisme des astrocytes et augmente la consommation de molécules utilisées pour générer de l’énergie, comme le glucose et l’acide aminé glutamine. Les résultats obtenus par le groupe dirigé par Jean Pierre Peron indiquent que cette altération métabolique altère la synthèse d’un neurotransmetteur qui joue un rôle clé dans la communication entre les neurones (Pour en savoir plus : agencia.fapesp.br/37383/).

Questions sans réponse

Selon Martins-de-Souza, il n’y a pas de consensus dans la littérature scientifique sur la façon dont le SRAS-CoV-2 atteint le cerveau. « Certaines expériences animales suggèrent que le virus peut traverser la barrière hémato-encéphalique. On soupçonne également qu’il infecte le nerf olfactif et que, de là, il envahisse le système nerveux central. Mais ce ne sont que des hypothèses pour l’instant », a-t-il déclaré.

L’une des découvertes révélées par l’article des PNAS est que le virus n’utilise pas la protéine ACE-2 pour envahir les cellules du système nerveux central, comme il le fait dans les poumons. « Les astrocytes n’ont pas la protéine dans leurs membranes. Recherche par Flávio Veras [FMRP-USP] et son groupe montrent que le SRAS-CoV-2 se lie à la protéine neuropiline dans ce cas, ce qui illustre sa polyvalence dans l’infection de différents tissus », a déclaré M. Martins-de-Souza.

Au laboratoire de neuroprotéomique d’UNICAMP, Martins-de-Souza a analysé les cellules nerveuses et d’autres cellules affectées par le COVID-19, comme les adipocytes, les cellules du système immunitaire et les cellules gastro-intestinales, pour voir comment l’infection modifie le protéome.

« Nous compilons maintenant les données pour rechercher les particularités et les différences dans les altérations causées par le virus dans ces différents tissus. Des milliers de protéines et des centaines de voies biochimiques peuvent être altérées, avec des variations dans chaque cas. Ces connaissances permettront d’orienter la recherche de thérapies spécifiques pour chaque système altéré par le COVID-19 », a-t-il déclaré.

« Nous comparons également les différences protéomiques observées dans les tissus cérébraux des patients décédés du COVID-19 avec les différences protéomiques que nous avons trouvées au fil des ans chez les patients atteints de schizophrénie. Les symptômes des deux maladies sont assez similaires. La psychose, le signe le plus classique de la schizophrénie, apparaît également chez les personnes atteintes de COVID-19. »

L’objectif de l’étude est de savoir si l’infection par le SRAS-CoV-2 peut entraîner une dégénérescence de la matière blanche du cerveau, constituée principalement de cellules gliales (astrocytes et microglie) et d’axones (prolongements des neurones). « Nous avons observé une correspondance significative [in the pattern of proteomic alterations] associée au métabolisme énergétique et aux protéines gliales qui semblent importantes à la fois dans la COVID-19 et dans la schizophrénie. Ces résultats pourraient peut-être fournir un raccourci vers des traitements pour les symptômes psychiatriques de COVID-19 », a réfléchi Martins-de-Souza.

Selon Marcelo Mori, professeur à l’IB-UNICAMP et membre du Centre de recherche sur l’obésité et les comorbidités (OCRC), l’étude n’a été possible que grâce à la collaboration de chercheurs aux parcours et aux expertises variés et complémentaires. « Elle démontre que la science compétitive de premier ordre est toujours interdisciplinaire », a-t-il déclaré. « Il est difficile d’être compétitif au niveau international si l’on reste dans son propre laboratoire, en se limitant aux techniques que l’on connaît bien et aux équipements auxquels on a accès. »

Source :

Fondation pour la recherche de São Paulo (FAPESP)

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