Pathogenesis of neuropsychic complications of new coronavirus infection

Full Text

Список сокращений

ГЭБ — гематоэнцефалический барьер

ОРДС — острый респираторный дистресс-синдром

ПКС — постковидный синдром

ПЦР — полимеразная цепная реакция

ЦНС — центральная нервная система

АСЕ2 — ангиотензинпревращающий фермент II типа

COVID-19 — острое респираторное заболевание, вызываемое вирусом SARS-CoV-2

CD — кластер дифференциации

IL — интерлейкин

IFN — интерферон

TNF — фактор некроза опухоли

Краткий обзор патогенеза острой коронавирусной инфекции (COVID-19)

Коронавирусы SARS-CoV и SARS-CoV-2 связываются с клетками при помощи вирусного белка S1, расположенного на шипах коронавируса. Белок S1 взаимодействует с «главным» клеточным рецептором вируса — ангиотензинпревращающим ферментом II типа (Angiotensin Converting Enzyme 2, АСЕ2), который экспрессируется на поверхности альвеолярных пневмоцитов II типа (83 % всех клеток, экспрессирующих АСЕ2, являются пневмоцитами), а также эпителиальных клеток многих органов и тканей, в частности кишечника, почек, сердца, яичек, мозга, ряда иммунных клеток, а также тромбоцитов, клеток эндотелия, гладкомышечных клеток и макрофагов [1, 2].

Помимо АСЕ2 были обнаружены еще 16 альтернативных рецепторов и корецепторов связывания данных вирусов с клетками, среди них нейропилин, хондроитин сульфат, DC-SIGN (Dendritic Cell-Specific Intercellular dhesion molecule-3-Grabbing Non-integrin), L-SIGN (Liver/Lymph Node-Specific Intracellular adhesion molecules-3 Grabbing Non-integrin), дектин-1, манозный рецептор-1, дипептидилпептидаза-4 (dipeptidyl-peptidase 4, DPP4), рецептор циклофилина А (CD147) и др. DPP4 (CD26) — главный рецептор коронавируса MERS-CoV и альтернативный рецептор SARS-CoV-2 [3, 4]. В частности, поверхностный белок нейропилин способен в значительной степени усиливать инфицирование вирусом SARS-CoV-2 клеток, экспрессирующих АСЕ2, но в отсутствие АСЕ2 он неактивен [5, 6]. После связывания с рецептором происходит ограниченый протеолиз белка S протеиназой TMPRSS2 (Transmembrane Protease, Serine 2), обеспечивающий появление его фрагмента — белка S1, в котором далее происходят конформационные изменения, необходимые для проникновения вируса в клетку, где происходит цикл его размножения.

Во многих случаях заболевание, вызываемое вирусом SARS-CoV-2 и получившее название COVID-19, протекает в легкой форме: наблюдается гриппоподобный синдром, который самостоятельно или при симптоматическом лечении проходит в течение недели, либо заболевание протекает бессимптомно. В течение недели также появляется, а затем исчезает циркулирующий в крови больного вирус, наблюдается повышенная концентрация в крови провоспалительных цитокинов. Заболевание, таким образом, прекращается на стадии 1 (стадия ранней инфекции) благодаря действию врожденной иммунной системы.

В 15 % случаев наблюдается острая вирусная пневмония, при которой циркуляция вируса в крови и воспалительные реакции продолжаются после 8 дней от начала заболевания (стадия 2 — пневмония). Могут наблюдаться нарушения дыхания и гипоксия. Через 8 дней после начала заболевания начинается сероконверсия — в крови больного появляются антитела к вирусу и к вирусному белку S. Показано, что в течение первой недели заболевания антитела к вирусу индуцируются у менее чем 40 % пациентов, но в 15-й день они обнаруживаются уже у 100 % больных [7].

При выздоровлении пациентов после острого COVID-19 слабой и средней тяжести титры вируснейтрализующих антител к белку S остаются стабильными в течение 3 мес., на 6-м месяце наблюдается снижение титров антител [8].

Инфекция SARS-CoV-2 в легких, сопровождаемая разрушением клеток легких, запускает местный иммунный ответ, привлекая иммунные клетки, которые реагируют на вирусную инфекцию, высвобождают провоспалительные цитокины и стимулируют иммунные реакции, реализуемые Т- и В-клетками. В большинстве случаев врожденная и приобретенная иммунные системы пациентов способны устранить вирусную инфекцию.

В работе [9] изучали наличие вирусной РНК у выздоровевших пациентов с ковидной инфекцией легкой и средней тяжести. Было показано, что у большинства пациентов с легким течением заболевания вирусная РНК перестает определяться методом полимеразной цепной реакции (ПЦР) в мазках из горла на 15-й день после начала заболевания, в образцах легочной мокроты — на 20-й, в образцах кала — на 24-й день. У большинства, перенесшего заболевание средней степени тяжести, вирусная РНК в мазках из горла исчезала на 34-й, из мокроты — на 31-й, из кала — на 32-й день после начала заболевания.

Хотя основной очаг инфекции — легкие, патологоанатомическое исследование скончавшихся в период от 4 до 230 дней после начала заболевания показало наличие вирусной РНК (в том числе ее репликативной формы) во многих тканях и органах, включая сердце, лимфатические узлы, тонкий кишечник, надпочечники, поджелудочную железу и мозг [10].

Примерно в 5 % случаев заболевание переходит в стадию 3 — стадию острого респираторного дистресс-синдрома (ОРДС — Acute respiratory distress syndrome, ARDS) [2]. На данной стадии происходит возрастание тяжести пневмонии с развитием ОРДС, синдрома активации тучных клеток и синдрома активации макрофагов, септического шока и коагулопатий [2].

Различают три фазы ОРДС — экссудативную, пролиферативную и фибринозную. В экссудативной фазе под воздействием провоспалительных цитокинов и инфильтрирующих легкие иммунных клеток возникают повреждения легочных альвеол, в пролиферативной и фибринозной фазах в альвеолах накапливаются фиброциты, миофибробласты и фибробласты, продуцирующие фибронектин и коллаген [11]. В легких происходит усиление продукции трансформирующего ростового фактора-β (Transforming Growth Factor-beta, TGF-β) и подавление продукции коллагеназы, что способствует отложению в легочной ткани коллагена. В результате ОРДС развивается фиброз легких, снижающий работоспособность, качество и продолжительность жизни больного [12].

На фоне продолжающейся циркуляции вируса в крови больных тяжелой формой COVID-19 обнаруживаются высокие и чрезвычайно высокие концентрации циркулирующих провоспалительных циокинов: IL-1β, IL-2, IL-6, IL-7, IL-8, гранулоцитарного колониестимулирующего фактора (Granulocyte Colony Stimulating Factor, G-CSF), гранулоцитарного и макрофагального колониестимулирующего фактора (GM-CSF), индуцируемого интерфероном белка 10 (IP-10), моноцитарного хемотаксического белка 1 (Monocyte Chemoattractant Protein 1, MCP-1), воспалительного белка макрофагов 1α (Macrophage Inflammatory Protein 1α, MIP-1α), фактора некроза опухоли TNF-α. Данное состояние получило название цитокинового шторма [1, 13]. Особенность коронавирусной инфекции — недостаточное и отсроченное во времени повышение концентраций интерферонов I и II типов, играющих важную роль в подавлении вирусных инфекций [14].

В наибольшей степени при тяжелом течении заболевания повышаются концентрации в крови провоспалительных цитокинов IL-1β, IL-6 и в меньшей степени — противовоспалительного цитокина IL-10 [15, 16].

Постковидный сидром

У многих пациентов наблюдается продолжительное течение заболевания, которое называют длинным ковидом (Long Covid), последствиями острой ковидной инфекции (Рost-acute sequelae of SARS-CoV-2 infection, PASC), постковидным синдромом (Post-COVID syndrome, PCS). В настоящее время Всемирная организация здравоохранения определяет постковидный синдром (ПКС) как состояние после COVID-19, возникающее у лиц с вероятной или подтвержденной инфекцией SARS-CoV-2 в анамнезе обычно через 3 мес. от начала заболевания, с симптомами, которые длятся не менее 2 мес. и не могут быть объяснены альтернативным диагнозом [17].

Симптомы могут возникать впервые после первоначального выздоровления от острого эпизода COVID-19 или сохраняться после окончания острого периода заболевания. Симптомы также могут меняться или рецидивировать с течением времени [17]. ПКС может развиваться у пациентов с тяжелым, легким и даже асимптомным течением COVID-19 [2].

Типичные клинические симптомы ПКС — усталость, снижающая работоспособность пациента, кашель, одышка, субфебрильная температура, сердцебиение, затуманенность сознания, депрессия, вегетативные дисфункции, головная боль, стойкая потеря обоняния или вкуса, депрессия, нарушения сна, головокружение, мышечные боли и боли в суставах. Для ПКС также характерны разнообразные легочные, неврологические, сердечно-сосудистые, почечные, желудочно-кишечные, эндокринные, тромбоэмболические осложнения [2, 18, 19].

Постковидный синдром обычно сопровождается длительной дисфункцией иммунной системы с признаками системного или локального воспаления. В частности, у ряда больных может наблюдаться длительная продукция ряда провоспалительных цитокинов IFN-β, IFN-λ1, PTX3, IFN-γ, IFN-λ2/3, IL-6 [20]. Возможно, одна из причин ПКС — персистирующая вирусная инфекция, поскольку у 65 % пациентов белки S, S1 и N (белок нуклеокапсида) SARS-CoV-2 обнаруживались в плазме крови в течение нескольких месяцев после постановки диагноза, в том числе у одного пациента белок S циркулировал и на 12-м месяце [21]. В работе [22] было показано, что у большинства пациентов, перенесших COVID-19, вирусная РНК обнаруживается в клетках многих органов (легкие, носоглотка, миокард, перикард, аорта, кишечник, печень, поджелудочная железа, надпочечники, ткани глаза, различные области головного мозга) в течение всего периода исследования, составившего 7 мес. со дня появления первых симптомов заболевания.

Неврологические нарушения у пациентов с острым COVID-19 и постковидным синдромом

Метаанализ течения заболевания у 236 379 пациентов с диагнозом COVID-19 показал, что у 33,62 % из них в течение 6 мес. после начала заболевания диагностировали нейрологические или психиатрические нарушения [23].

Наиболее частые неврологические жалобы больных ПКС, как уже упоминалось выше, — усталость, либо быстрая утомляемость, головокружение, головная боль, депрессия, беспокойство, потеря обоняния и вкуса [2], также отмечаются сенсомоторные симптомы, потеря памяти, когнитивные нарушения, парестезии, нарушения равновесия, головокружение, повышенная чувствительность к свету и шуму, шум в ушах, либо снижение слуха, состояние тревоги и беспокойство, депрессия и вегетативные нарушения [24]. Из психических расстройств следует отметить тревогу и депрессию, которые со временем нормализуются, а также риск когнитивных нарушений (мозговой туман), судороги, деменцию, психоз и другие, которые сохранялись у некоторых больных в течение 2 лет [25]. Вышеперечисленные нарушения существенно влияют на работоспособность и качество жизни пациентов.

Нарушения, обнаруженные при патологоанатомических исследованиях головного мозга при острой коронавирусной инфекции

В работе [26] было проведено паталогоанатомическое исследование образцов мозга пациентов с COVID-19, умерших в период острого ковида. Обнаружено мультифокальное повреждение сосудов, сопровождающееся активацией эндотелиальных клеток; к эндотелиальным клеткам прилегали агрегаты тромбоцитов и микротромбы. На эндотелиальных клетках и тромбоцитах обнаруживались иммунные комплексы. Периваскулярные инфильтраты состояли в основном из макрофагов и небольшого количества CD8⁺Т-клеток. В периваскулярных областях обнаруживался также астроглиоз. Узелки микроглии, указывающие на нейрофагию и потерю нейронов, находились в основном в заднем мозге. Данные результаты позволяют предположить, что инфекция COVID-19 приводит к потере целостности сосудов и нарушению гематоэнцефалического барьера (ГЭБ), что, в свою очередь, приводит к проникновению воспалительных цитокинов в мозг и вызывает нейровоспаление в различных областях мозга.

В работе [27] были произведены патологоанатомические исследования 43 пациентов в возрасте от 51 до 94 лет, умерших от острой коронавирусной инфекции, вызванной SARS-CoV-2. Было показано наличие свежих очаговых ишемических поражений в 14 % случаев и астроглиоз — в 86 %. Активация микроглии и инфильтрация цитотоксическими Т-лимфоцитами были наиболее выражены в стволе головного мозга и мозжечке, а менингеальная цитотоксическая Т-лимфоцитарная инфильтрация наблюдалась у 79 %. Вирус SARS-CoV-2 удалось обнаружить в головном мозге 53 % человек, причем вирусные белки SARS-CoV-2 были обнаружены в нервах, берущих начало в нижней части ствола головного мозга и в изолированных клетках ствола головного мозга. Наличие SARS-CoV-2 в центральной нервной системе (ЦНС) не было связано с тяжестью нейропатологических изменений. В целом результаты данной работы показали, что нейропатологические изменения у пациентов с острым COVID-19, по-видимому, были незначительными, при этом наиболее распространены выраженные нейровоспалительные изменения в стволе головного мозга. Не было доказательств повреждения ЦНС, непосредственно вызванного SARS-CoV-2.

При аутопсии пациентов, скончавшихся от острого ковида (с положительным тестом на SARS-CoV-2, выполненым методом обратной транскрипции — полимеразной цеаной реакции), было обнаружено острое гипоксическое повреждение головного мозга и мозжечка с потерей нейронов в коре, гиппокампе и клетках Пуркинье мозжечка [28].

Пути проникновения вируса в головной мозг

Нейроны различных отделов головного мозга, олигодендриты, клетки микроглии, астроциты, клетки эндотелия сосудов мозга и перициты экспрессируют рецептор АСЕ2, а также протеиназу TMPRSS2, участвующие в проникновении коронавируса в клетки. В многочисленных работах показано, что коронавирусы (не только SARS-CoV-2) способны проникать в головной мозг через периферические нервы (нейрогенный путь проникновения), в первую очередь, через аксоны зрительного, обонятельного и тройничного нервов [29–31].

Кроме того, SARS-CoV-2, взаимодействуя с АСЕ2, расположенным на поверхности эндотелиальных клеток мозговых сосудов, может проникать в головной мозг с помощью трансцитоза [32].

Еще один возможный путь проникновения коронавируса в головнной мозг — через зараженные вирусом Т-клетки, проходящие через ГЭБ, проницаемость которого нарушается при коронавирусной инфекции [33].

Нарушение гематоэнцефалического барьера при COVID-19

ГЭБ, обеспечивающий гомеостаз центральной нервной системы и предотвращающий проникновение в мозг нейротоксических веществ и патогенов, поддерживается за счет тесного взаимодействия (tight junctions, TJ) эндотелиальных клеток мозговых сосудов, астроцитов, перицитов и экстраклеточного матрикса [34]. Показано, что проницаемость ГЭБ возрастает при высоком уровне провоспалительных цитокинов, свойственном острому ковиду [35]. Коронавирусный белок S cпособен непосредственно повреждать ГЭБ и вызывать воспалительный ответ эндотелиоцитов [36]. Неструктурные белки вируса SARS-CoV-2 (nsp5_c145a, nsp13, nsp7, orf7a, nsp2) также повышают проницаемость умбиликальных эндотелиальных клеток человека, о чем свидетельствует снижение на 20–28 % трансэпителиального-эндотелиального электрического сопротивления, и подавляют экспрессию на поверхности эндотелиоцитов белков CD31, кадхеринов 1–5, окклюдина, ZO-1–3 (Zonula occludens-1, также известный как белок плотных контактов-1), участвующих в TJ [37, 38].

У зараженных вирусом SARS-CoV-2 трансгенных мышей K18-hACE2, экспрессирующих человеческий АСЕ2, и у золотистых хомяков, которые являются модельными животными для изучения COVID-19, было обнаружено повышение проницаемости ГЭБ. При этом содержание клаудина 5, окклюдина, ZO-1 и структура тесного взаимодействия клеток не изменялись, однако наблюдалось разрушение их базальной мембраны. Данные результаты подтверждены в модели ГЭБ человека in vitro, где показано прохождение коронавируса через эндотелиальные клетки, снижение содержания коллагена IV и повышение экспрессии матриксной металлопротеиназы 9 (ММР9), расщепляющей белки экстраклеточного матрикса. На этой модели также продемонстрировано, что SARS-CoV-2 может проникать через ГЭБ с помощью трансцитоза и разрушения базальной мембраны, а тесное взаимодействие клеток эндотелия при этом не нарушается [39].

В работе [40] инфицирование нейронов человека SARS-CoV-2 продемонстрировано в искусственных 3D-органоидах человека in vitro, где была обнаружена репликация вирусной РНК, максимум которой приходился на 24-й час после заражения. Получены электронно-микроскопические изображения коронавируса в нейронах, указывающие на продуктивную инфекцию вируса. Заражение нейронов вирусом в данной модели подавлялось антителами к АСЕ2. У трансгенных мышей, экспрессирующих АСЕ2 человека, при интраназальном заражении вирусом он также обнаруживался в нейронах головного мозга. Наконец, было установлено наличие коронавирусного белка S в кортикальных нейронах больного, скончавшегося в палате интенсивной терапии от острого ковида.

Между тем было высказано мнение, что нейровоспаление, повреждения нейронов, а также повреждения эндотелия сосудов при SARS-CoV-2 развиваются в отсутствие проникновения вируса в головной мозг [41]. В другой работе показано, что АСЕ2 и TMPRSS2 экспрессируются не обонятельными нейронами, а эпителиальными, стволовыми и периваскулярными клетками, указывая на отсутствие прямого заражения обонятельных нейронов вирусом, следовательно, его действие на нейроны является, по мнению авторов, опосредованным [42].

В работе [43] у золотистых хомяков, зараженных коронавирусом per nasi, а также у больных острой ковидной инфекцией, умерших от несвязанных с COVID-19 причин, не было обнаружено вируса в обонятельных нейронах при наличии нарушенного ГЭБ, активации микроглии, продукции IL-1β и IL-6 преимущественно в гипокампе и нижней части оливкового ядра продолговатого мозга. При этом, несмотря на отсутствие заражения вирусом нейронов, SARS-CoV-2 индуцировал в мозге больных острой коронавирусной инфекцией воспаление и гипоксию в областях мозга, отвечающих за моторные функции, обучение, эмоциональный ответ, что приводило к нарушению нейрогенеза в гиппокампе.

Исследование с помощью количественного ПЦР у больных, умерших от тяжелого острого COVID-19, не обнаружило вируса SARS-CoV-2 в мозге, при том что он присутствовал в верхних дыхательных путях, однако вирусная РНК была обнаружена во фронтальной доле мозга у всех исследованных больных при использовании более чувствительного метода ПЦР — капельной дигитальной обратной транскрипции [44].

Таким образом, заражение вирусом SARS-CoV-2 нейронов ЦНС до сих пор является объектом дискуссии [45].

Биомаркеры нейровоспаления

В течение острой стадии COVID-19 у больных с неврологическими симптомами в плазме крови и спинномозговой жидкости обнаружена повышенная концентрация легкой цепи нейрофиламента (NfL). NfL — это субъединица нейрофиламентов, цилиндрических белков, располагающихся главным образом в покрытых миелином аксонах [46], и их выявление указывает на повреждение аксонов. В острой стадии заболевания в плазме крови обнаруживается также повышенная концентрация глиального фибриллярного кислого белка (GFAp), продуцируемого астроцитами, что подтверждает повреждение астроцитов. Еще один маркер — sCD163 — является растворимой формой рецептора комплекса гаптоглобин – гемоглобин, располагающегося на мембранах моноцитов и макрофагов. Повышение концентрации данного белка в цереброспинальной жидкости и плазме крови, указывающее на активацию периваскулярных макрофагов и клеток микроглии, обнаружено у пациентов с неврологическими симптомами в острой стадии COVID-19. Показано, что у госпитализированных пациентов с ковидной инфекцией концентрации всех трех белков (NfL, GFAp, sCD163) в плазме крови значительно снизились через 3 мес. после выписки из больницы [47]. В работе [48] показано повышение концентраций NfL и GFAp в плазме крови пациентов в острой стадии заболевания и их снижение до нормальных значений через 6 мес. после окончания острой фазы болезни.

В работе [49] исследовали показатели спинномозговой жидкости 24 больных COVID-19 с неврологическими осложнениями — энцефалопатией и энцефалитом/менингитом. Обнаружено повышенное содержание неоптерина у 75 %, интратекальный синтез иммуноглобулинов — у 54 % больных (изофокусирование показало во всех случаях олигоклональные полосы IgG), средняя концентрация NfL была более чем в два раза выше, чем у контрольной группы психиатрических больных, не болеющих COVID-19. Неоптерин — это маркер иммунной активации, его концентрация повышается при многих воспалительных процессах, аутоиммунных заболеваниях, при первичной лимфоме ЦНС и при нейровоспалениях, вызываемых вирусами, например, при герпетическом энцефалите, энтеровирусном менингоэнцефалите, а высокая концентрация NfL в спинномозговой жидкости указывает на разрушение аксонов.

Высказано мнение, что нейровоспаление — главный отличительный признак патологии мозга при инфекции, вызываемой SARS-CoV-2 [49]. Метаанализ работ, в которых исследовали маркеры в цереброспинальной жидкости больных COVID-19 [50], показал, что повышенное содержание лейкоцитов, либо повышение концентрации общего белка наблюдалось у 52,7 % больных энцефалитом, у 29,4 % больных энцефалопатией, интратекальный синтез иммуноглобулинов обнаружен у 8 % пациентов. Повышенное содержание цитокинов и хемокинов обнаружено у 85 %, а повышенное содержание NfL и белка Тау — у 71 и 36 % пациентов соответственно.

Активация клеток микроглии

Микроглия представляет собой макрофагоподобные иммунные клетки ЦНС. Активированные глиальные клетки вырабатывают провоспалительные цитокины и хемокины и свободные радикалы, активирующие астроциты, которые, в свою очередь, также продуцируют провоспалительные цитокины, стимулируя нейровоспаление [51, 52].

В работе [53] культивируемые in vitro клетки микроглии человека заражали SARS-CoV-2. Было показано размножение вируса в клетках микроглии и поляризация данных клеток по провоспалительному М1-типу с продукцией IL-1β, IL-6, TNF-α, СХСL1. В инфицированных клетках наблюдалась повышенная экспрессия маркеров активации макрофагов и активированной микроглии CD68, CX3CL1, CX3CR1 и NОS2. На 4-й и 6-й день после заражения вирусом наблюдалась повышенная экспрессия рецепторов смерти, запускающих апоптоз (Fas, DR4, DR5, TNFR2), при этом снижалась экспрессия антиапоптозного белка Bcl-2 и повышалась экспрессия проапоптозных белков Bim, Bid, Bax. Активация каспаз-9, -8, -3 указывала на активацию как экстраклеточного, так и цитоплазматического путей индукции апоптоза. На 6-й день после заражения живыми оставалось не белее 30 % клеток.

Показано, что инактивированный нагреванием SARS-CoV-2 и рекомбинантный белок S вызывают активацию клеток микроглии in vitro, которая выражается в продукции активных форм кислорода и экспрессии провоспалительных цитокинов IL-1β, TNFα, IL-6, IL-12, IL-17А, IL-23, IL-33. В присутствии белка S наблюдалось повышение экспрессии рецептора АСЕ2, индуцируемого гипоксией фактора HIF-1α и синтазы окиси азота NOS. Кроме того, белок S вызывал апоптоз глиальных клеток, о чем свидетельствовала активация каспаз-3 и -7. Следовательно, взаимодействие белка S с клетками микроглии вызывает окислительный стресс, провоспалительный сигналинг и апоптотическую гибель клеток [54].

Таким образом, получены данные, свидетельствуют, что SARS-CoV-2 может инфицировать клетки микроглии человека и вызывать их апоптоз. Провоспалительную активацию и апоптоз клеток микроглии также могут вызывать инактивированный вирус и вирусный белок S.

Активация тучных клеток

Тучные клетки широко распространены в организме и известны, прежде всего, как медиаторы аллергических и анафилактических реакций. Активированные тучные клетки являются источником провоспалительных молекул, в частности, брадикинина, химазы, гистамина, триптазы, хемокинов CCL2 и CXCL8, IL-6, IL-1β, TNFα [55]. В головном мозге, особенно в его оболочках и гипоталамусе, значительная часть тучных клеток располагается периваскулярно [52], на мозговой стороне гематоэнцефалического барьера, вблизи клеток микроглии [56].

Тучные клетки активируются многими вирусами, в том числе SARS-CoV-2 и коронавирусным белком S, и участвуют в периваскулярном воспалении в легких, в частности продуцируя провоспалительные цитокины, вызывающие цитокиновый шторм, а также в периваскулярном воспалении головного мозга [52, 57], при этом провоспалительные молекулы, продуцируемые тучными клетками, активируют клетки микроглии. В частности, кондиционная среда тучных клеток, стимулированных кортикотропин-релизинг гормоном, при добавлении к культуре клеток микроглии вызывала продукцию IL-6 и TNF-α. Блокирование рецептора гистамина 1, активируемого протеиназами рецептора PAR2 и рецептора TLR4 снижало продукцию провоспалительных цитокинов клетками микроглии и активацию сигнальных путей MAPK и PI3K/AKT. Таким образом, тучные клетки активируют клетки микроглии, вырабатывая гистамин, триптазу и неидентифицированный индуктор рецептора TLR4 [58]. Длительная активация тучных клеток поддерживает хроническое воспаление у пациентов с постковидным синдромом [52, 58].

Старение клеток головного мозга

Стареющие клетки перестают делиться и перестраивают свой фенотип для выживания [59]. Старение клеток ведет к изменению их морфологии и метаболизма, к нарушению лизосомальной активности, включая аутофагию, и накоплению в мозгу липофусцина — липидных капель. В стареющих нейронах происходят изменения метилирования ДНК, перестройки хроматина, снижение пластичности, окислительный стресс. В совокупности данные процессы приводят к снижению функции и последующей потере нейронов [60].

В работе [61] был произведен транскриптомный анализ коры фронтального отдела головного мозга у 12 больных COVID-19 разного возраста и контрольных неинфицированных лиц, по полу и возрасту соответствующих таковым в группе испытуемых. Сравнение тысяч дифференциально экспрессирующихся генов показало, что у больных ковидной инфекцией усилена транскрипция генов, связанных с активностью иммунной системы, и понижена транскрипция генов, связанных с обучением и памятью, которая также наблюдалась у пожилых неинфицированных коронавирусом лиц.

Эти данные коррелируют с агрегацией неправильно фолдированных белков, включая α-синуклеин, фосфолирированный Тау, различные амилоиды, наблюдаемые в мозге как у больных COVID-19, так и у пожилых людей [62–64]. Таким образом, ковидная инфекция может вызывать ускорение старения мозга, стимулируя неправильный фолдинг белков, в том числе белков, важных для функционирования ЦНС.

Аутоиммунные процессы

Нарушения клеточного иммунитета при COVID-19 (уменьшение содержания различных типов лимфоцитов, включая CD4⁺ и CD8⁺ Т-лимфоциты, и регуляторных Т-лимфоцитов [65], а также нарушения баланса противовоспалительных/провоспалительных цитокинов при ковидной инфекции) во многих случаях приводят к состоянию иммуносупрессии, которая может вызвать потерю иммунотолерантности к некоторым собственным антигенам и, как следствие, к развитию аутоиммунных реакций [66, 67], чему способствует и молекулярная мимикрия. Так, в последовательностях белков SARS-CoV-2 были обнаружены гексапептиды, общие для эпитопов вируса и 460 белков человека [68], среди которых легочные сурфактанты, шапероны, белки теплового шока, белок мембраны эритроцитов анкирин 1, рецептор запаха 7D4, поли(АДФ-рибоза)полимераза 9. На основании этого структурного сходства были высказаны гипотезы о возможной аутоиммунной природе некоторых осложнений и заболеваний, наблюдаемых при острой ковидной инфекции и ПКС [69].

Высокая частота появления аутоантител у больных ПКС, таким образом, может быть следствием такой иммуносупрессии и молекулярной мимикрии. Так, у 31 больного ПКС с выявленными неврологическими и кардиологическими нарушениями были обнаружены блокирующие антитела к сопряженным с G-белками рецепторам (ноцицептин-подобному рецептору опиоидов, рецепторам эндотелина, мускарина, ангиотензина II, к β2- и α1-адренорецепторам), причем индивидуально у каждого больного были выявлены антитела одновременно к 2–7 рецепторам. Возможно, образование таких антител участвует в развитии неврологических и кардиологических осложнений при ПКС [70].

Продукция антифосфолипидных антител была обнаружена у 52 % пациентов с ПКС [71]. В крови у 93 % больных острым ковидом и у 81 % выздоравливающих были обнаружены антитела к рецептору АСЕ2 [72].

Заболевания аутоиммунной природы, встречающиеся при COVID-19 и ПКС, компилированы в работе [69]. К нейрологическим заболеваниям аутоиммунной природы относятся энцефалиты, миелиты, нейриты глазного нерва, васкулиты ЦНС, множественный склероз, синдром Гулиана – Баре, а также миастении (Мyastenia Gravis), в том числе связанные с антителами к рецептору ацетилхолина.

Метаанализ 37 работ, посвященных исследованию энцефалитов при SARS-CoV-2, показал, что у 9,5 % таких пациентов наблюдались антитела к N-метил-D-аспартату, у 7,1 % — антитела к миелин-олигодендроцитарному гликопротеину, а также были обнаружены более редкие типы аутоиммунного энцефалита. В 50 % случаев идентифицировать антитела не удалось [73].

Коагулопатия

Для инфекции, вызываемой SARS-CoV-2, характерна активация эндотелиоцитов кровеносных сосудов разных органов, в том числе мозга. На эндотелиоциты действуют провоспалительные цитокины, гипоксия, активированная система комплемента. В результате взаимодействия активированных эндотелиоцитов, тромбоцитов и коагуляционных факторов усиливается коагуляция крови, которая приводит к тромбозам [74, 75], свойственным как острому ковиду [76], так и ПКС [77, 78]. Лабораторные показатели коагулопатии при COVID-19 — высокие концентрации D-димера (продукта деградации фибрина), Р-селектина и фибриногена в крови, а последствия — частые и множественные микротромбы в различных отделах головного мозга, которые могут привести к инсульту и обнаруживаемые при аутопсии [46].

При диагностировании коагулопатии у ковидных больных рекомендуется проведение антикоагуляционной терапии [76].

COVID-19 и болезнь Альцгеймера

Болезнь Альцгеймера — наиболее частая причина деменции [79]. При болезни Альцгеймера происходит продукция амилоида, состоящего из пептидов Аβ_1–40 и Аβ_1–42, и его накопление в тканях мозга в виде амилоидных бляшек. Эти бляшки образуют очаги локального воспаления, активируя клетки микроглии и вызывая продукцию ими провоспалительных цитокинов и активных форм кислорода [79]. Кроме того, компоненты амилоида, особенно циркулирующие в тканях мозга и спинномозговой жидкости олигомеры пептида Аβ_1–42 обладают нейротоксическим действием [80]. Олигомеры Аβ индуцируют гиперфосфолирирование белка Тау и образование нейрофибриллярных тяжей — второго нейропатогенного компонента данного заболевания [81]. Было показано, что белок S1 вируса SARS-CoV-2 с высокой аффинностью связывается с пептидом Аβ_1–42 и, кроме того, с клеточным рецептором вируса АСЕ2. Пептид Аβ_1–40 данным свойством не обладает, таким образом, две С-концевые аминокислоты пептида имеют важное значение для связывания. Пептид Аβ_1–42 также может связывать белки S1 и АСЕ2 одновременно, усиливая их взаимодействие друг с другом [82].

Стимулирующее действие Аβ_1–42 на COVID-19 продемонстрировано на модели, в которой псевдовирус, содержащий полноразмерный белок S вируса SARS-CoV-2 и экспрессирующий флуоресцентный белок, заражал клетки VERO. Добавление пептида Аβ_1–42 в значительной степени повышало флуоресценцию клеток, показывая, что данный пептид стимулирует связывание псевдовируса с клетками, тем самым стимулируя вирусную инфекцию. Поскольку при болезни Альцгеймера пептид Аβ_1–42 содержится не только в сенильных бляшках, но и частично в ткани мозга и в цереброспинальной жидкости, он может стимулировать инфекцию SARS-CoV-2 в ЦНС [82].

Клинические наблюдения показывают, что у пациентов с болезнью Альцгеймера при инфекции SARS-CoV-2 симптомы данного заболевания (ухудшение памяти и деменция) усиливаются, что неудивительно, учитывая патогенное влияние коронавируса на ЦНС [79]. Сочетание болезни Альцгеймера с COVID-19 приводит к высокой смертности, которая составляет 54,5 % [83]. Очевидно, болезнь Альцгеймера и инфекция SARS-CoV-2 взаимно усиливают друг друга [79].

COVID-19 и болезнь Паркинсона

Болезнь Паркинсона связана с гибелью дофаминергических нейронов в Substantia nigra pars compacta, что связано с накоплением в нейронах включений α-синуклеина в виде телец Леви. Тельца Леви представляют собой агрегаты белковых волокон, состоящих из неправильно фолдированного α-синуклеина и возникающих вследствие сниженной активности убиквитин-протеасомной и лизосомной систем, что снижает распад и удаление α-синуклеина, в результате чего данный белок накапливается в неправильно фолдированной и агрегированной форме [84]. При болезни Паркинсона возникают моторные (брадикинезия, тремор, ригидность, ухудшение походки и равновесия) и немоторные (когнитивные изменения, ухудшение настроения, проблемы со сном и вегетативные дисфункции) нарушения. Патогенез заболевания остается неясным, несмотря на множество выдвинутых гипотез [85, 86].

В частности, была отмечена связь между вирусными инфекциями, вызываемыми вирусом Эпштейна – Барр, ВИЧ, вирусами гепатита В и С, гриппа и болезнью Паркинсона. По-видимому, данные вирусы способны вызывать нейровоспаление и аутоиммунные процессы, которые могут разрушать дофаминовые нейроны, что приводит к паркинсонизму и болезни Паркинсона [87, 88].

Паркинсонизм может развиться как при остром COVID-19, очевидно, в результате нейроинвазии или проникновения вирусных белков в ЦНС в сочетании с нейровоспалением и гипоксией, либо в период реконвалесценции или при постковидном синдроме, в последнем случае возможно участие аутоиммунных реакций [89, 90].

Систематический метаанализ, выполненный в работах [91, 92], показал, что риск заболеть COVID-19 у людей с диагнозом «болезнь Паркинсона» в 1,65 раз выше, чем в общей популяции. В работе [94] на выборке из 552 человек также была показана повышенная заболеваемость COVID-19 у пациентов с болезнью Паркинсона.

В работе [93] было установлено, что белок нуклеокапсида SARS-CoV-2 (белок N, главный структурный белок, выполняющий ряд функций в жизненном цикле вируса) связывается с α-синуклеином, что приводит к агрегации α-синуклеина в белковые тяжи.

Кроме того, с α-синуклеином связывается, вызывает его агрегацию и образование α-синуклеиновых фибрилл еще и белок S1 шипа SARS-CoV-2 [94].

Известно, что АСЕ2 высоко экспрессирован на дофаминовых нейронах, а в течение болезни Паркинсона количество данных нейронов неуклонно снижается. Инвазия SARS-CoV-2 в дофаминовые нейроны может ускорить гибель нейронов и прогрессирование болезни Паркинсона [95]. Действительно, при метаанализе в общей сложности 16 971 пациентов [96] было показано, что у инфицированных SARS-CoV-2 пациентов с болезнью Паркинсона наблюдаются более тяжелые моторные и немоторные осложнения по сравнению с контрольной группой больных. В работе [97] также было показано, что у пациентов с болезнью Паркинсона наблюдается утяжеление симптомов заболевания в острой фазе инфекции SARS-CoV-2.

Для уточнения механизма взаимодействия SARS-CoV-2 с болезнью Паркинсона был предпринят компьютерный анализ генов, белков, их взаимодействия и активации, а также сигнальных путей с помощью программного продукта IPA, который использует для анализа машинное обучение и сетевые алгоритмы и содержит различные инструменты для анализа [98].

Объектом анализа служила база данных Qiagen Knowledge Base (QKB), в которой в настоящее время хранится более 7 млн фактов, опубликованных в научной литературе. В результате было установлено (пока виртуально), что SARS-CoV-2 стимулирует экспрессию гена SNCA, кодирующего α-синуклеин, что может приводить к агрегации избытка α-синуклеина, образованию телец Леви и к последующим нейродегенерации, возникновению и прогрессированию болезни Паркинсона.

Первоначально с помощью инструмента «Crow», входящего в состав программного продукта IPA, были выделены молекулы, общие для COVID-19 (830 молекул) и Parkinson’s disease (559 молекул). Таких было найдено 81. Далее с помощью инструмента «Core Analysis» были вычислены вышестоящие регуляторные молекулы и сигнальные пути, влияющие на найденные молекулы. Данный анализ показал, что канонический сигнальный путь нейровоспаления NISP — один из наиболее вышестоящих сигнальных путей, а также что одним из вышестоящих регуляторов при COVID-19 и при болезни Паркинсона является ген SNCA, кодирующий α-синуклеин.

Аналогичным образом найдены 92 молекулы, общие для COVID-19 и экспрессии гена SNCA и были предсказаны сигнальные пути: нейровоспалительный и «гиперцитокинемия и гиперхемокинемия в патогенезе инфлуэнции» («цитокиновый шторм»), управляющие проведением сигналов между ними. Далее с помощью инструментов «Connect» и «Pathway explorer», содержащихся в IPA, и мануальной проверки сеть взаимодействия молекул, с помощью которой COVID-19 управляет геном SNCA, была уточнена. Обнаружено, что одним из ключевых регуляторов при подавлении коронавирусной инфекции является IFN-γ, который, так же как и АСЕ2, был вставлен в карту взаимодействия молекул.

В результате установлено, что за проведение сигнала между COVID-19 и экспрессией гена SNCA отвечают, в первую очередь, IFN-γ и АСЕ2, между которыми и конечным получателем сигнала — геном SNCA — располагается сигнальная сеть, состоящая из 34 молекул, в которую входят 14 ингибирующих молекул (CCL2, CCL5, CHL1, CHRNA4, CHRNA6, DUSP1, EMP1, NR4A2, NTRK2, RET, SYN1, SYN2, TP53, TUBB3) и 20 активирующих (ABL1, AGT, AKT1, Alp, CCK, CD74, HLA-DRA, HLA-DRB5, IL-6, IL1-β, IRF7, ISG15, MX1, PLAC8, PLSCR1, PTGS2, RBP4, RSAD2, STAT1, TNF).

Проведенный анализ предсказывает, что подавление экспрессии IFN-γ при инфекции SARS-CoV-2 угнетает экспрессию АСЕ2, что активирует экспрессию цитокина IL-1β и ангиотензиногена и подавляет CCL5. Данное изменение профиля цитокинов, в свою очередь, активирует экспрессию гена SNCA, что приводит к повышению синтеза α-синуклеина и усилению патогенеза болезни Паркинсона.

Заключение

В основе неврологических и психических осложнений, возникающих при инфекции, вызываемой вирусом SARS-CoV-2, лежат нарушение гематоэнцефалического барьера, нейровоспаление, аутоиммунные реакции и нарушения коагуляции. По-видимому, при постковидном синдроме данные нарушения могут поддерживаться длительной персистенцией вируса в других органах и тканях организма. Новая коронавирусная инфекция способна ускорять прогрессирование хронических нейродегенеративных заболеваний — болезней Альцгеймера и Паркинсона. В силу того, что человечество ранее не встречалось с данной инфекцией, в настоящее время отсутствуют данные об ее отдаленных, в том числе неврологических последствиях для здоровья. Между тем, угроза таких осложнений коронавирусной инфекции как хроническое нейровоспаление, инсульт головного мозга в результате коагулопатии, прогрессирующие нейродегенеративные заболевания после пандемии COVID-19 могут стать вызовом для медицины в ближайшем будущем.

Дополнительная информация

Источник финансирования. Работа выполнена по теме Государственного задания № 122020300189-6.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведенные исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

Наибольший вклад распределен следующим образом: Н.А. Климов — подбор литературы, обобщение, анализ и интерпретация литературных данных, написание рукописи; О.В. Шамова — анализ и интерпретация литературных данных, корректировка рукописи.

Additional information

Funding source. This work is performed according to the State assignments No. 122020300189-6.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Author contribution. all authors made a substantial contribution to the conception of the study, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the article, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the study.

Personal contribution of each author: N.A. Klimov — selection the literature, summarizing, analysis and interpretation of literary data, writing the manuscript; O.V. Shamova — analysis and interpretation of literary data, correction the text of the manuscript.

About the authors

Nikolay A. Klimov

Institute of Experimental Medicine

Email: nklimov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5243-8085

Leading Research Associate of a Department оf General Pathology and Pathological Physiology

Russian Federation, 12 Academician Pavlov St., Saint Petersburg, 197022

Olga V. Shamova

Institute of Experimental Medicine

Author for correspondence.
Email: oshamova@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5168-2801
SPIN-code: 2913-4726

Dr. Sci. (Biol.), Corresponding Member of RAS, Head of a Department оf General Pathology and Pathological Physiology

Russian Federation, 12 Academician Pavlov St., Saint Petersburg, 197022

References

Supplementary files