W najnowszym badaniu zamieszczonym na serwerze preprintów bioRxiv*, naukowcy wykorzystali przedkliniczne modele mysie i ludzkie próbki pośmiertne do zbadania obecności i wzoru dystrybucji białka kolca (S) ciężkiego ostrego zespołu oddechowego koronawirusa 2 (SARS-CoV-2) w osi czaszka- opon mózgowych (SMB), w tym niedawno odkrytego połączenia czaszka- opony mózgowe (SMC). Pomimo wielu wyzwań technicznych, w kilku badaniach zbadano, jak ośrodkowy układ nerwowy (OUN) pozostaje zaangażowany w objawy związane z chorobą koronawirusową 2019 (COVID-19). W kilku badaniach wykryto nawet SARS-CoV-2 w tkankach mózgu i szeroko rozpowszechnione sygnały aktywacji immunologicznej w mózgu. Doprowadziło to naukowców do przekonania, że białka pochodzące z wirusa krążyły w krwiobiegu i promowały odpowiedź zapalną. Jednak wysoce immunogenne białko SARS-CoV-2 S, stosowane również w szczepionkach COVID-19, pojawiło się jako idealny kandydat do zbadania efektów zależnych i niezależnych od COVID-19 w ludzkim mózgu. W obecnym badaniu naukowcy wykorzystali optyczną technologię oczyszczania tkanek, aby zidentyfikować wszystkie cele tkankowe, które gromadziły białko S1 SARS-CoV-2 u myszy i zbadali dystrybucję S1 w próbkach pośmiertnych od pacjentów COVID-19. Dodatkowo zespół ocenił, czy samo S1 indukowało patologie mózgu przy braku innych białek wirusowych. (Należy pamiętać, że białko S1 z mutacją N501Y zakaża myszy typu dzikiego (WT) poprzez wiązanie się z mysim enzymem konwertującym angiotensynę 2 (ACE2)). Dla eksperymentów zwierzęcych, oni użyli dwumiesięcznych dzikich myszy C57Bl6/J mixed-sex trzymanych na 12/12 godzin światła i ciemnych cykli z losowym dostępem do jedzenia i wody. Uzyskali białka S1 z mutacją N501Y i oznakowali je barwnikiem fluorescencyjnym Alexa Fluor 647. Następnie mikroiniekcje spike S1 (N501Y) wykonywali bezpośrednio dożylnie do szpiku czaszki badanych zwierząt w znieczuleniu ogólnym przy użyciu strzykawki o pojemności 1 mL z igłą 28-gauge. Po trzech dniach podawania zastrzyków dożylnych, zespół pobrał tkanki czaszki, opon mózgowych i mózgu każdego zwierzęcia do analizy proteomicznej i zmapował rozmieszczenie fluorescencyjnie znakowanego kolca S1. Następnie pobrano tkankę kory mózgowej myszy w dniach i 28 dniach, aby ocenić śmierć komórek i uszkodzenia neuronów. Badacze przeprowadzili również opartą na spektrometrii mas (MS) bezetykietową analizę proteomiki ilościowej dopasowanych do regionu mózgu tkanek ludzkich pochodzących od pacjentów niebędących nosicielami COVID-19 (kontrole). Pomogło im to wykryć, czy białko S było trwale obecne w czaszkach pacjentów, którzy zmarli z przyczyn niezwiązanych z COVID w ciągu pierwszych dwóch lat pandemii. Ponadto zespół scharakteryzował ekspresję białek w zakażonych SARS-CoV-2 tkankach czaszki pochodzących z pośmiertnych próbek ludzkich za pomocą proteomiki opartej na MS. Protokół optycznego oczyszczania SHANEL pomógł im przeanalizować profil histopatologiczny próbek ludzkiej czaszki z oponą twardą. Badacze zaobserwowali znaczne nagromadzenie białka SARS-CoV-2 S w niszach szpiku czaszki, oponach mózgowych, SMC i miąższu mózgu zarówno w próbkach pochodzących od myszy, jak i od ludzi. U zdrowych myszy, bezpośrednie mikroiniekcje S do nisz szpiku czaszki wywołały zmiany proteomu mózgu i śmierć komórek miąższowych. Wykazano również immunogenność SARS-CoV-2 S przy braku innych składników wirusowych. Potrzebne są jednak dodatkowe dane, aby wykazać aktywną replikację SARS-CoV-2 w tych tkankach. Niemniej jednak obserwowane nagromadzenie SARS-CoV-2 i jego glikoproteiny S na obrzeżach OUN w próbkach czaszki niektórych osób sugerowało prawdopodobny mechanizm neurologicznych skutków zakażenia SARS-CoV-2. Występowało to nawet u osób, które wyzdrowiały z choroby, ale zmarły później z przyczyn niezwiązanych z SARS-CoV-19. Analiza proteomiczna kory mózgowej ośmiu pacjentów COVID-19 i 11 osób z grupy kontrolnej pomogła badaczom zidentyfikować 7 138 białek, których analiza wzbogacenia zestawu genów (GSEA) skorelowała te dysregulowane białka z procesami biologicznymi modulowanymi w odpowiedzi na zakażenie SARS-CoV-2. Ponadto, dane proteomiczne wykazały zaburzenia w kaskadach dopełniacza i krzepnięcia krwi, szlakach związanych z neutrofilami, w tym tworzenie pułapek zewnątrzkomórkowych (NETs), oraz wzrost stężenia białek prozapalnych, takich jak interferon alfa/beta (IFN-α/β). GSEA ujawniła zróżnicowaną ekspresję 76 białek, przy czym wzrost i spadek ekspresji dotyczył odpowiednio 49 i 27 białek. Badacze stwierdzili wzrost ekspresji domeny piryny i domeny rekrutacyjnej kaspaz (PYCARD) oraz domeny NOD-like receptor family CARD domain containing 3 (NLRC3), które są zaangażowane w składanie inflammasomów. Zidentyfikowali między innymi szlak BST2 (Bone Marrow Stromal Cell Antigen 2), który ograniczał wirusy przed infekowaniem pobliskich komórek. Ponadto w tkankach mózgu przypadków COVID-19 znaleźli aktywowane komórki mieloidalne o powiększonej morfologii ciała komórkowego. Badania wykryły SARS-CoV-2 S w komórkach odpornościowych pacjentów ponad 12 miesięcy po zakażeniu oraz w ich osoczu do roku po wyzdrowieniu. Rzeczywiście, wdziera się on do mózgu z krążenia mózgowego i utrzymuje się w organizmie człowieka. Jednak tylko kilka badań wykazało związek między patologiami związanymi z mózgiem widocznymi w ciężkim COVID-19 a proteomem mózgu gospodarza. Badania donoszą jednak, że S wyzwala ekspresję cytokin zapalnych i chemokin w makrofagach i komórkach nabłonka płuc, upośledzając w ten sposób funkcje śródbłonka. W tym badaniu, aktywował również odpowiedź immunologiczną w osi SMB, potencjalnie poprzez rekrutację i więcej neutrofili. Choć badacze nie potrafili odróżnić bezpośredniego wpływu S od ogólnoustrojowego działania COVID-19. Działał on jako bodziec zapalny, który prowadził do rozwoju odpowiedzi immunologicznej w mózgu i zwiększał ekspresję białek prozapalnych, np. kalprotektyny i białka pro-platelet basic (PPBP), białka związanego z zakrzepami. W oponach mózgowych ten stan zapalny prowadził do upregulacji białek degranulacji neutrofilów, np. PDGFA-associated protein 1 (PDAP1), które mogą być związane z wyższym poziomem NETs w osi SMB i inwazją neutrofilów do opon mózgowych. NETs wyzwalały również uszkodzenia tkanek, w tym uszkodzenia śródbłonka, zmieniając w ten sposób procesy krzepnięcia i racjonalizując, dlaczego u niektórych pacjentów COVID-19 rozwijają się mini-zawałki w miąższu mózgu. W rzeczywistości, w mózgu białka zaangażowane w szlaki neurodegeneracji były wysoce dysregulowane.