dushyant By Dushyant Kshatriya, Ph.D. .

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2019 新型冠状病毒肺炎(COVID-19)目前已导致全球数百万人死亡,并严重影响全球经济。鉴于 COVID-19 对生活影响之剧,Research Diets 营养科学家带来由加拿大两组团队 - Da Eira 与 Batchu 于 2021 年所发表的科研报导,并分享两者对代谢疾病与病毒感染宿主时所需蛋白的分析实验。
01
背景介绍

SARS-CoV-2 病毒会影响宿主的呼吸系统,在其刺突蛋白 (spike protein, S 蛋白) 帮助下附着进入宿主的细胞。目前已知 S 蛋白会与宿主细胞表面的血管紧张素转化酶 2 (ACE-2)结合并进入细胞,而此过程还需要 II 型跨膜丝氨酸蛋白酶 (TMPRSS - 2) 参与,对S蛋白进行分解并启动S蛋白触发感染(图 1)。 

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图 1. SARS-CoV-2 Spike Glycoprotein (S) 结合入侵宿主细胞的潜在机制1

此外,糖尿病和肥胖人群被认为患新冠病毒的高风险人群,然而其病理机制尚未明确。其中,老年患者经常服用的肾素-血管紧张素系统(RAS)阻滞剂被认为关键因素之一。RAS 阻滞剂,如血管紧张素转换酶抑制剂 (ACEIs) 和血管紧张素 II 受体阻滞剂 (ARB)等,主要的临床应用是治疗高血压和其他心血管疾病以预防心/肾衰竭或降低中风风险。而临床治疗糖尿病中对 ACE 抑制剂或 Ang II 型 1 受体阻滞剂 (ARB)的使用其实有一定的疑虑,一般普遍认为其可阻断 Ang I 转化成Ang II ,或阻挡与 Ang II 1 型受体结合,导致 ACE2 的自体补偿上调,从而提高患 COVID-19 的风险(图 2)。

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图 2. 肾素-血管紧张素系统(RAS)与 SARS-CoV-2 Spike Glycoprotein (S) 结合入侵宿主细胞的潜在机制示意图,禁止的标示为 ACEi 与 ARB 的作用点2。此图为 Silhol et al. 2020 的再编辑版,原图请参见下方文献连结。

02
Da Eira 团队

Da Eira 团队在实验中使用了高脂饲料 D12492(60 Kcal% 脂肪)与生酮饲料 D030221013。实验结果显示,在喂养十六周后,相对于对照组饲料和生酮饲料组,高脂饲料组小鼠的肺组织表现出更高水平的 ACE2 和 TMPRSS2 蛋白表达,而心脏组织并没有发现这点(图6)。同时,文章指出生酮饲料可以通过降低 TLR-4、IL-6 和 TNF-α 水平发挥其抗炎作用。然而,血管紧张素1和2受体的表达水平并不会受到此两种饲料影响(图7)。此外,增加的ACE2 蛋白表达被认为会抵消活跃的 ACE1/Ang II/AT1R 轴的作用。作者在高脂饲料组中观察到这一现象,而生酮饲料组并未出现。因此,ACE2 在高脂饲料组中的增加可以解释容易感染 COVID-19 的原因。

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图 4. Da Eira 报导的实验设计与方法,其使用极高脂饲料 D12492 (Research Diets, Inc.)与生酮饲料 D03022101 (Research Diets, Inc.) 作为实验组饲料。

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图 5. 对照组、极高脂饲料与生酮饲料组动物个体的表型。

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图 6. 肺部组织的 ACE2 与 TMPRSS2 的蛋白表达水平。

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图 7. 肺部组织炎症指标因子的水平。

03
Batchu 团队

为进一步了解上述药物在新冠疫情下对糖尿病患者使用的安全疑虑,位于加拿大多伦多市圣保罗医院 Batchu 团队对 7-8 周龄大的 C57BL/6N 小鼠连续喂饲 Research Diets 的高脂饲料 D124514,并于15周结束时施打链脲佐菌素 (Streptozotocin, STZ)以诱导糖尿病症状(图 8)。实验动物表型详见图 9。

其结果发现,相较于其年龄匹配对照组,高脂饲料组小鼠在经 STZ 诱导后,其肺部组织会有更高 ACE2 和 TMPRSS2 蛋白表达水平。RAS 阻断药物如雷米普利(Ramipril)或替米沙坦(Telmisartan)则不会影响年轻或老年糖尿病小鼠肺中 ACE2 或 TMPRSS2 的表达量(图 10)。这表明这些基因上调是由共病驱动,并且不会因使用 RAS 阻断药物而进一步增加。

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图 8. Batchu 报导的实验设计与方法,其使用高脂饲料 D12451 (Research Diets, Inc.)搭配STZ 试剂诱导出现临床糖尿病。

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图 9. 、高脂饲料跟各药物组动物个体的表型。

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图 10. 在高脂饲料喂养下,对照组和服用 Ramipril 与 Telmisartan 组别中肺部组织的 ACE2 与 TMPRSS2 的蛋白表达水平。

04
分析与结论

Research Diets 营养科学家为大家梳理这两个团队主要的研究发现。在 Da Eira 团队文章中,作者团队认为高脂饲料会使肺部组织提高病毒进入时蛋白的表达水平 ,但心脏组织未受影响。而作者在检视使用的两种纯化饲料配方设计时,他们认为相对于高脂饲料,生酮饲料本身也可作为一种新的治疗方式。

而根据 Batchu 团队的报导,糖尿病小鼠宿主本身状态驱动肺部组织 ACE2 或 TMPRSS2 的表达量上调,但这现象不会因使用 RAS 阻断药物而出现加成。作者团队也指出尽管这报导在临床上有其局限,但现有结果为糖尿病患者在继续使用 RAS 阻滞剂方面上提供生物学上保证,说明这些患者在新冠疫情出现前与后分别有着一样高程度的病毒感染风险。

Reference:

  1. Costa LB, Perez LG, Palmeira VA, Macedo E Cordeiro T, Ribeiro VT, Lanza K, Simões E Silva AC. Insights on SARS-CoV-2 Molecular Interactions With the Renin-Angiotensin System. Front Cell Dev Biol. 2020 Sep 16;8:559841. doi: 10.3389/fcell.2020.559841. PMID: 33042994; PMCID: PMC7525006.

  2. Silhol, F., Sarlon, G., Deharo, JC. et al. Downregulation of ACE2 induces overstimulation of the renin–angiotensin system in COVID-19: should we block the renin–angiotensin system?. Hypertens Res 43, 854–856 (2020). https://doi.org/10.1038/s41440-020-0476-3

  3. Da Eira D, Jani S, Ceddia RB. Obesogenic and Ketogenic Diets Distinctly Regulate the SARS-CoV-2 Entry Proteins ACE2 and TMPRSS2 and the Renin-Angiotensin System in Rat Lung and Heart Tissues. Nutrients. 2021 Sep 25;13(10):3357. doi: 10.3390/nu13103357. PMID: 34684358; PMCID: PMC8541329.

  4. Lung and Kidney ACE2 and TMPRSS2 in Renin-Angiotensin System Blocker–Treated Comorbid Diabetic Mice Mimicking Host Factors That Have Been Linked to Severe COVID-19 Sri Nagarjun Batchu, Harmandeep Kaur, Veera Ganesh Yerra, Suzanne L. Advani, M. Golam Kabir, Youan Liu, Thomas Klein, Andrew Advani Diabetes Mar 2021, 70 (3) 759-771; DOI: 10.2337/db20-0765