La médecine de Stanford démasque les instigateurs surprenants d’un COVID grave dans les poumons

Un type de cellule immunitaire jusqu’alors négligé permet SRAS-CoV-2 de proliférer, ont découvert les scientifiques de Stanford Medicine. La découverte a des implications importantes pour prévenir les maladies graves COVID 19.

Le type de cellule pulmonaire le plus susceptible à l'infection par le SRAS-CoV-2, le virus qui cause le COVID-19, n’est pas celle considérée auparavant comme la plus vulnérable. De plus, le virus pénètre dans cette cellule sensible par une voie inattendue. Les conséquences médicales peuvent être importantes.

Les enquêteurs de Stanford Medicine ont impliqué un type de cellule immunitaire connue sous le nom de macrophage interstitiel dans la transition critique d’un cas de COVID-19 simplement gênant à un cas potentiellement mortel. Les macrophages interstitiels sont situés profondément dans les poumons et protègent généralement ce précieux organe en engorgeant, entre autres choses, les virus, les bactéries, les champignons et les particules de poussière qui pénètrent dans nos voies respiratoires. Mais ce sont précisément ces cellules, ont montré les chercheurs dans une étude publiée le 10 avril dans le Journal de médecine expérimentalecelui de tous les types connus de cellules composant le tissu pulmonaire est le plus susceptible à l’infection par le SRAS-CoV-2.

Les macrophages interstitiels infectés par le SRAS-CoV-2, ont appris les scientifiques, se transforment en producteurs de virus et émettent des signaux chimiques inflammatoires et induisant des tissus cicatriciels, ouvrant potentiellement la voie à la pneumonie et endommageant les poumons au point où le virus, ainsi avec ces puissantes substances sécrétées, peut sortir des poumons et faire des ravages dans tout le corps.

Ces découvertes surprenantes suggèrent de nouvelles approches pour empêcher une infection par le SRAS-CoV-2 de devenir une maladie potentiellement mortelle. En effet, ils peuvent expliquer pourquoi les anticorps monoclonaux destinés à lutter contre les formes graves de COVID n’ont pas bien fonctionné, voire pas du tout – et lorsqu’ils ont fonctionné, ce n’est que lorsqu’ils ont été administrés au début de l’infection, lorsque le virus infectait les cellules de les voies respiratoires supérieures menant aux poumons, mais ne s'était pas encore ancré dans le tissu pulmonaire.

Dans un macrophage interstitiel non infecté, le noyau (violet) et la membrane cellulaire externe (bleue) sont intacts. Dans un macrophage interstitiel infecté, le noyau est brisé, de nombreux composants viraux nouvellement fabriqués (rouge) s'agglutinent et la cellule diffuse des signaux chimiques inflammatoires et induisant des tissus cicatriciels (jaune). Crédit : Emily Moskal

Les surprises du virus

« Nous avons renversé un certain nombre de fausses hypothèses sur la manière dont le virus se réplique réellement dans les poumons humains », a déclaré Catherine Blish, MD, PhD, professeur de maladies infectieuses, de microbiologie et d'immunologie et professeur George E. et Lucy Becker à Médecine et vice-doyenne à la recherche fondamentale et translationnelle.

Blish est le co-auteur principal de l'étude, avec Mark Krasnow, MD, PhD, professeur de biochimie Paul et Mildred Berg et directeur exécutif du Vera Moulton Wall Center for Pulmonary Vascular Disease.

« L'étape critique, à notre avis, se produit lorsque le virus infecte les macrophages interstitiels, déclenchant une réaction inflammatoire massive qui peut inonder les poumons et propager l'infection et l'inflammation à d'autres organes », a déclaré Krasnow. Bloquer cette étape, dit-il, pourrait s’avérer être une avancée thérapeutique majeure. Mais il y a un rebondissement : le virus a une manière inhabituelle de pénétrer à l'intérieur de ces cellules – une voie que les développeurs de médicaments n'ont pas encore appris à bloquer efficacement – ​​ce qui nécessite de se concentrer à nouveau sur ce mécanisme alternatif, a-t-il ajouté.

Dans un article publié dans Nature début 2020, Krasnow et ses collègues, dont Kyle Travaglini, PhD, alors étudiant diplômé – qui est également l'un des co-auteurs principaux de la nouvelle étude avec Timothy Wu, étudiant en médecine et doctorat – ont décrit une technique qu'ils avaient mise au point pour isoler des produits frais. poumons humains; dissocier les cellules les unes des autres ; et les caractériser, un par un, sur la base de quels gènes au sein de chaque cellule étaient actifs et dans quelle mesure. Grâce à cette technique, le laboratoire de Krasnow et ses collaborateurs ont pu discerner plus de 50 types de cellules distincts, assemblant ainsi un atlas de cellules pulmonaires saines.

« Nous venions de compiler cet atlas lorsque la pandémie de COVID-19 a frappé », a déclaré Krasnow. Peu de temps après, il a appris que Blish et Arjun Rustagi, MD, PhD, instructeur en maladies infectieuses et autre co-auteur principal de l'étude, construisaient une installation ultra-sûre où ils pourraient cultiver en toute sécurité le SRAS-CoV-2 et infecter des cellules avec il.

Une collaboration s’ensuit. Krasnow et Blish et leurs associés ont obtenu du tissu pulmonaire frais et sain, prélevé sur sept patients chirurgicaux et cinq donneurs de poumons décédés dont les poumons étaient exempts de virus mais qui, pour une raison ou une autre, n'étaient pas utilisés dans les transplantations. Après avoir infecté le tissu pulmonaire avec le SRAS-CoV-2 et attendu un à trois jours pour que l'infection se propage, ils ont séparé et typé les cellules pour générer un atlas de cellules pulmonaires infectées, analogue à celui que l'équipe de Krasnow avait créé avec des poumons sains. cellules. Ils ont vu la plupart des types de cellules identifiés par l’équipe de Krasnow dans les tissus pulmonaires sains.

Les scientifiques pouvaient désormais comparer les cellules pulmonaires vierges et infectées par le SRAS-CoV-2 du même type de cellule et voir en quoi elles différaient : ils voulaient savoir quelles cellules le virus infectait, avec quelle facilité le SRAS-CoV-2 se répliquait dans les cellules infectées, et quels gènes les cellules infectées ont augmenté ou diminué par rapport aux niveaux d'activité de leurs homologues sains. Ils ont pu le faire pour chacun des dizaines de types de cellules différents qu’ils avaient identifiés dans les poumons sains et infectés.

« C'était une expérience simple et les questions que nous posions étaient évidentes », a déclaré Krasnow. « C'était le réponses nous n’étions pas préparés.

On suppose que les cellules des poumons les plus vulnérables à l’infection par le SRAS-CoV-2 sont celles connues sous le nom de cellules alvéolaires de type 2. En effet, les surfaces de ces cellules, ainsi que celles de nombreux autres types de cellules du cœur, de l’intestin et d’autres organes, comportent de nombreuses copies d’une molécule connue sous le nom d’ACE2. Il a été démontré que le SRAS-CoV-2 est capable de s’emparer de l’ACE2 et de le manipuler de manière à permettre au virus de se frayer un chemin dans les cellules.

Les cellules alvéolaires de type 2 sont quelque peu vulnérables au SRAS-CoV-2, ont découvert les scientifiques. Mais les types de cellules qui étaient de loin les plus fréquemment infectés se sont avérés être deux variétés d’un type cellulaire appelé macrophage.

Usines à virus

Le mot « macrophage » vient de deux termes grecs signifiant grossièrement « gros mangeur ». Ce nom n’est pas gagné. L’air que nous respirons transporte non seulement de l’oxygène, mais aussi, malheureusement, de minuscules particules de saleté en suspension, des spores fongiques, des bactéries et des virus. Un macrophage gagne sa vie, entre autres, en engloutissant ces corps étrangers.

Les voies respiratoires menant à nos poumons se terminent par une myriade d’alvéoles, de minuscules sacs aériens d’une seule cellule d’épaisseur, qui sont aboutés par d’abondants capillaires. Cette interface, appelée interstitium, est l’endroit où l’oxygène de l’air que nous respirons entre dans la circulation sanguine et est ensuite distribué au reste du corps par le système circulatoire.

Les deux types de macrophages pulmonaires associés au SRAS-CoV-2-sensibles sont positionnés à deux endroits différents. Les macrophages dits alvéolaires traînent dans les espaces aériens des alvéoles. Une fois infectées, ces cellules couvent, produisant et évacuant une descendance virale à un rythme décontracté, tout en gardant plus ou moins une lèvre supérieure raide et en maintenant leur fonction normale. Ce comportement peut leur permettre d'alimenter la progression du SRAS-CoV-2 en incubant et en générant un approvisionnement constant de nouvelles particules virales qui s'échappent furtivement et pénètrent dans la couche de cellules entourant les alvéoles.

Les macrophages interstitiels, l'autre type de cellule révélé être facilement et profondément infecté par le SRAS-CoV-2, patrouillent de l'autre côté des alvéoles, là où le caoutchouc de l'oxygène rencontre la route des globules rouges. Si une particule virale envahissante ou un autre microbe parvient à échapper à la vigilance des macrophages alvéolaires, à infecter et à percer la couche de cellules entourant les alvéoles, mettant en danger non seulement les poumons mais aussi le reste du corps, les macrophages interstitiels sont prêts à intervenir et à protéger le corps. quartier.

Du moins, habituellement. Mais lorsqu’un macrophage interstitiel rencontre le SARS-CoV-2, c’est une autre histoire. Plutôt que d’être mangé par la cellule immunitaire omnivore, le virus l’infecte.

Et un macrophage interstitiel infecté ne se contente pas de couver ; il prend feu. L'enfer se déchaîne alors que le virus s'empare littéralement des contrôles et prend le relais, détournant les protéines et les noyaux d'une cellule.acide-faire des machines. En produisant un nombre massif de copies de lui-même, le SRAS-CoV-2 détruit les frontières séparant le noyau cellulaire du reste de la cellule comme une spatule brisant et dispersant le jaune d’un œuf cru. La descendance virale quitte le macrophage épuisé et infecte d’autres cellules.

Mais ce n'est pas tout. Contrairement aux macrophages alvéolaires, les macrophages interstitiels infectés pompent des substances qui signalent à d'autres cellules immunitaires ailleurs dans le corps de se diriger vers les poumons. Chez un patient, a suggéré Krasnow, cela déclencherait un afflux inflammatoire de ces cellules. À mesure que les poumons se remplissent de cellules et de liquide qui les accompagne, l’échange d’oxygène devient impossible. La barrière qui maintient l’intégrité alvéolaire s’endommage progressivement. Les fuites de liquides infectés provenant d’alvéoles endommagées propulsent la descendance virale dans la circulation sanguine, propulsant l’infection et l’inflammation vers des organes distants.

Pourtant, d’autres substances libérées par les macrophages interstitiels infectés par le SRAS-CoV-2 stimulent la production de matière fibreuse dans le tissu conjonctif, entraînant des cicatrices dans les poumons. Chez un patient vivant, le remplacement des cellules perméables à l’oxygène par du tissu cicatriciel rendrait encore plus les poumons incapables d’effectuer l’échange d’oxygène.

« Nous ne pouvons pas dire qu'une cellule pulmonaire placée dans une assiette va contracter le COVID », a déclaré Blish. « Mais nous pensons que c'est peut-être le moment où, chez un patient réel, l'infection passe de gérable à grave. »

Un autre point d'entrée

À cette découverte inattendue s’ajoute la découverte que le SRAS-CoV-2 utilise une voie différente pour infecter les macrophages interstitiels que celle qu’il utilise pour infecter les autres types.

Contrairement aux cellules alvéolaires de type 2 et aux macrophages alvéolaires, auxquels le virus accède en s’accrochant à l’ACE2 à leur surface, le SRAS-CoV-2 se divise en macrophages interstitiels en utilisant un récepteur différent que ces cellules affichent. Dans l'étude, le blocage de la liaison du SRAS-CoV-2 à l'ACE2 a protégé les premières cellules, mais n'a pas réussi à réduire la sensibilité des dernières cellules à l'infection par le SRAS-CoV-2.

« Le SRAS-CoV2 n'utilisait pas l'ACE2 pour pénétrer dans les macrophages interstitiels », a déclaré Krasnow. « Il entre via un autre récepteur appelé CD209. »

Cela semblerait expliquer pourquoi les anticorps monoclonaux développés spécifiquement pour bloquer l’interaction SARS-CoV-2/ACE2 n’ont pas réussi à atténuer ou à prévenir les cas graves de COVID-19.

Il est temps de trouver un tout nouvel ensemble de médicaments capables d’empêcher la liaison du SRAS-CoV-2/CD209. Maintenant, dit Krasnow.

L'étude a été financée par le Instituts nationaux de la santé (subventions K08AI163369, T32AI007502 et T32DK007217), la Fondation Bill & Melinda Gates, Chan Zuckerberg Biohub, le Burroughs Wellcome Fund, Stanford Chem-H, le Stanford Innovative Medicine Accelerator et le Howard Hughes Medical Institute.