Коронавирус, вызывающий тяжелый острый респираторный синдром-2 (SARS-CoV-2), представляет собой новый коронавирус, инфицирование которым приводит к развитию COVID-19. Это заболевание характеризуется гриппоподобными симптомами, а в некоторых случаях прогрессирует в острый респираторный дистресс-синдром (ARDS) [1]. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) 11 марта 2020 г. классифицировала COVID-19 как пандемию.
Коронавирусы (альфа-коронавирус, бета-коронавирус, гамма-коронавирус и дельта-коронавирус) – крупные РНК-вирусы, которые принадлежат к подсемейству Orthocoronavirinae, семейству Coronaviridae, отряду Nidovirales и инфицируют широкий спектр позвоночных. Человеческие респираторные коронавирусы известны с 1960- х гг., циркулируют по всему миру и вызывают респираторные инфекции с довольно слабо выраженными симптомами, что позволяет предположить, что эти вирусы хорошо адаптированы к организму человека [2]. На сегодня известно, что людей способны инфицировать семь коронавирусов – 229E, NL63, OC43, HKU1, MERS-CoV, SARS-CoV-1 и SARS-CoV-2. Трое из них – SARS-CoV-1, MERS-CoV и SARS-CoV-2 – вызывают тяжелые заболевания у человека [3].
Генетическая последовательность SARS-CoV-2 в наибольшей степени сходна с последовательностью SARS-CoV-1 – бета-коронавируса, который вызвал эпидемию тяжелого острого респираторного синдрома (SARS) в 2003 г. [3]. Большая часть нашего современного понимания SARS-CoV-2 основана на экспериментах in vitro и in vivo, которые проводились при изучении патогенеза SARS-CoV-1.
ПАТОГЕНЕЗ COVID-19
Жизненный цикл вируса состоит из 5 этапов: прикрепление, проникновение, биосинтез, созревание и высвобождение. Как только вирусы связываются с рецепторами хозяина (прикрепление), они проникают в его клетки посредством эндоцитоза или слияния мембран (проникновение). После высвобождения вирусного содержимого внутри клеток-хозяев вирусная РНК поступает в ядро для репликации. Вирусная мРНК используется для создания вирусных белков (биосинтез). Затем собираются новые вирусные частицы (созревание), которые высвобождаются из клеток.
Коронавирусы состоят из четырех структурных белков: Спайк-белка (S), мембранного белка (M), белка-оболочки (E) и нуклеокапсида (N) [4].
Спайк-белок – это трансмембранный гликопротеин, выступающий над вирусной поверхностью, который определяет разнообразие коронавирусов и тропизм к клеткам хозяина. Он состоит из двух функциональных субъединиц: субъединица S1 отвечает за связывание с рецептором клетки-хозяина, а S2 – за слияние вирусных и клеточных мембран. Ангиотензинпревращающий фермент 2 (ACE2) был идентифицирован как основной функциональный рецептор для SARS-CoV [5]. Причем показано, что аффинность связывания ACE2 2019-nCoV была в 10–20 раз выше, чем SARS-CoV [6].
ACE2 представляет собой мембраносвязанную пептидазу, NH2-концевой домен которой, включая каталитический сайт, ориентирован внеклеточно. ACE2 уравновешивает физиологическую функцию ангиотензинпревращающего фермента (ACE). ACE отвечает за образование ангиотензина II путем расщепления ангиотензина I, который впоследствии связывается с рецептором ангиотензина типа 1 и изменяет тонус сосудов, кровяное давление, объем циркулирующей жидкости и гомеостаз электролитов. В противоположность АСЕ, АСЕ2 инактивирует ангиотензин II с образованием ангиотензина 1-7. Этот пептид потенциально оказывает сосудорасширяющее действие и подавляет активность ренин-ангиотензиновой системы. Таким образом, SARS-CoV-2, связываясь с рецептором АСЕ2, не только проникает внутрь клеток, но и может снижать активность АСЕ2, что сопровождается повышением активности АСЕ и может играть важную роль в патогенезе заболевания [7].
Кроме того, описаны дополнительные клеточные рецепторы, способствующие проникновению вируса в клетку: протеаза TMRRSS2, СD147 и, возможно, рецепторы сиаловой кислоты. Характерно, что вся совокупность рецепторов представлена в эндотелии, что делает его наиболее чувствительным по отношению к COVID-19 [8].
Данные in vitro с SARS-CoV показали, что ресничные клетки являются первичными клетками, инфицированными в проводящих дыхательных путях [9]. В дальнейшем вирус распространяется и мигрирует вниз по дыхательным путям и запускает более сильный врожденный иммунный ответ. В это время болезнь COVID-19 начинает проявляться клинически [10].
При прогрессировании заболевания вирус достигает единиц газообмена легких и заражает альвеолярные клетки типа II. SARS-CoV размножается в клетках типа II, что приводит к самовоспроизводству большого количества вирусных частиц и гибели клеток, преимущественно путем апоптоза. Высвобождающиеся вирусные частицы в свою очередь инфицируют соседние альвеолярные клетки типа II [10]. Основные функции этого типа клеток – образование альвеолярных клеток I типа (собственно респираторный эпителий), синтез и секреция интерферона и лизоцима, регуляция транспорта воды и ионов через альвеолярный эпителий.
Другими входными воротами вируса могут быть макрофаги и лимфоциты [8].
Активация иммунных клеток необходима для устранения инфекции, но необходимо учитывать, что во многих случаях не сами вирусы, а связанный с ними иммунный ответ хозяина является более фатальным для целостности и функциональности ткани. Нарушение регуляции иммунных реакций после гипервоспаления и «цитокинового шторма» может привести к полиорганной недостаточности, повреждению легочной ткани и снижению легочной емкости при COVID-19 [10].
Антигенпрезентирующие клетки (дендритные клетки, макрофаги) представляют антигены SARS-CoV-2 Т-клеткам после входа вируса в клетки-хозяева. Этот процесс приводит к активации Т-клеток и выработке цитокинов в различных подмножествах Т-клеток, т.е. Th17, с последующим массивным высвобождением цитокинов благодаря петле положительной обратной связи между цитокинами и иммунными клетками. С другой стороны, во время репликации SARS-CoV-2 вирусная геномная дцРНК активирует регуляторные факторы интерферона (interferon regulatory factors – IRF) и TLR-3-индуцированный путь NF-κB, что приводит к продукции IFN типа I и провоспалительных цитокинов в больших количествах [11].
Инфицированные вирусом эпителиальные клетки в свою очередь выступают основным источником бета- и лямбда-интерферонов [12].
Существующие данные в отношении пациентов, инфицированных COVID-19, показали значительно повышенный уровень провоспалительных цитокинов в плазме, включая интерлейкин-6 (IL- 6), MCP1, MIP1α, MIP1β, IL1-β, IL-1RA, IL-7, IL-8, IL-9, IL-10, IP10, PDGFB, основного FGF2, GCSF, GMCSF, IFNγ, TNF-α и VEGFA [10].
Под воздействием вируса и в результате иммуноопосредованной атаки цитотоксическими лимфоцитами и макрофагами существенно изменяется структура и свойства альвеолярной стенки, в частности погибает и десквамируется легочный эпителий, повреждаются эндотелиоциты. Все это создает предпосылки к просачиванию богатой белком жидкой части крови в просвет альвеол. Испарение в ходе дыхания приводит к осаждению на альвеолярной поверхности белковых преципитатов, которые постепенно уплотняются и формируют так называемые гиалиновые мембраны. Эта экссудативная фаза продолжается 10–14 дней. Патоморфологами в дополнение к вышесказанному описана гигантоклеточная реакция в легких, которая является результатом слияния макрофагов, а часть – результатом объединения альвеолоцитов в симпласт [8].
Повреждение легочной ткани приводит к развитию системной гипоксии. Причем стоит отметить, что ее выраженность служит независимым неблагоприятным прогностическим фактором. Так, более высокие уровни SpO2 были связаны со снижением смертности независимо от возраста и пола (отношение рисков (ОР) 0,93; 95% доверительный интервал (ДИ) 0,91–0,95; р <0,001). Одышка была также независимо связана со смертью в многопараметрическом анализе (ОР 2,60; 95% ДИ 1,24–5,43; р=0,01) [13].
ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ СТРЕСС ПРИ COVID-19
Окислительный стресс представляет собой дисбаланс между продукцией свободных радикалов и истощением антиоксидантной системы защиты. Свободные радикалы – это молекулы/молекулярные фрагменты, содержащие один или несколько неспаренных электронов, присутствие которых делает их высокоактивными. Активные формы кислорода (пероксид водорода (Н2О2), супероксидный анион-радикал (О2*-), синглетный кислород (1О2), гидроксильный радикал (*OH) и пероксинитрит (ONOO-)) – разновидность свободных радикалов, представляющих собой производные кислорода, имеющие неспаренный электрон и обладающих более высокой реакционной активностью по сравнению с молекулярным кислородом. Развитие окислительного стресса ведет к повреждению клеточных макромолекул, таких как липиды, белки и особенно нуклеиновые кислоты, что играет важную роль в патогенезе широкого спектра заболеваний [14].
В доклинических условиях выявлена гиперпродукция активных форм кислорода при SARS-CoV [15].
Известно, что респираторные вирусы могут вызывать повышенную продукцию свободных радикалов за счет активации ферментов, генерирующих активные формы кислорода (НАДФН-оксидазы, ксантиноксидазы и индуцибельной NO-синтазы) и развития митохондриальной дисфункции [16].
НАДФН-оксидазы – семейство ферментов, представляющих собой белки, которые переносят электроны через биологические мембраны (как внутри-, так и внеклеточные) [17]. Это семейство включает пять изоформ НАДФН-оксидаз (Nox 1-5) и два изофермента двойной оксидазы (Duox 1-2), которые катализируют следующие реакции:
- НАДФН + 2О2 = НАДФ+ + 2О2*- + Н+ (Nox 1-5);
- H+ + НАДФН + O2 = H2O2 + NADP+ (Duox 1-2).
НАДФН-оксидаза Nox 2 была впервые описана в нейтрофилах и макрофагах и часто упоминается как фагоцитарная НАДФН-оксидаза. Считается, что Nox 2 является наиболее распространенной изоформой. Она представлена в большом количестве тканей, в том числе в тимусе, тонкой кишке, толстой кишке, селезенке, поджелудочной железе, яичнике, плаценте, простате и др. Nox 2 способствует индуцированной продукции активных форм кислорода во время инфицирования in vitro и in vivo вирусом гриппа [18], респираторным синтициальным вирусом, сендай вирусом [19] и риновирусом [20]. При этом у мышей, нокаутных по Nox2-/-, титр вируса гриппа и вызванное вирусом воспаление также были ниже, чем у диких мышей и коррелировали с улучшением функций легких [21].
Изоформа Nox 4 в наибольшей степени экспрессируется в почках, а также обнаружена в остеокластах, эндотелиальных клетках, клетках гладких мышц, гемопоэтических стволовых клетках, фибробластах, кератиноцитах и нейронах. Индукция экспрессии мРНК Nox 4 наблюдается в ответ на гипоксию и ишемию, воздействие трансформирующиего фактора роста TGF-β1, фактора некроза опухоли TNF-α гладких мышц и ангиотензин II [17], т.е. тех факторов, которые активируются при COVID-19. Показано, что Nox4 может являться источником активных форм кислорода в эпителиальных клетках дыхательных путей, инфицированных вирусом гриппа [22].
Duox 1 и 2 (также известные как оксидазы щитовидной железы) впервые были обнаружены в тироцитах щитовидной железе. В дальнейшем они были выявлены в эпителии дыхательных путей. Показано, что их экспрессия в эпителии дыхательных путей индуцируется в ответ на IL-4 и IL-13, а экспрессия Duox 2 – и в ответ на интерферон-γ [17].
В опытах in vitro и in vivo было показано, что вирус гриппа вызывал выраженную индукцию Duox2, что оказывало защитное действие, а ингибирование фермента сопровождалось увеличением репликации вируса и повышало вирусную нагрузку [23].
Другим ферментов, участвующим в гиперпродукции активных форм кислорода при респираторных вирусных инфекциях, является ксантиноксидаза [24].
Ксантиноксидоредуктаза – фермент, который катализирует две терминальные реакции в метаболизме пурина у приматов: окисление гипоксантина в ксантин и последующее окисление ксантина в мочевую кислоту. В физиологических условиях фермент транскрибируется в виде ксантиндегидрогеназы, который использует полученные из субстрата электроны для восстанавления NAD+ до NADH. Однако при воспалении окисление ключевых остатков цистеина (535 и 992) и/или ограниченный протеолиз превращает ксантиндегидрогеназзу в ксантиноксидазу. В оксидазной форме сродство к NAD+ снижается, в то время как сродство к кислороду увеличивается, что приводит к одновалентному и двухвалентному переносу электронов на O2, генерирующий O2*- и перекись водорода (H2O2) [25]: ксантин + O2 = мочевая кислота + Н2О2 + O2*-
В опытах in vivo вирус гриппа повышал количество ксантиноксидазы в сыворотке и легочной ткани мышей. Введение супероксиддисмутазы – антиоксидантного фермента, связывающего супероксидный анион-радикал, через 5–8 дней после заражения защищало мышей от потенциально смертельного инфицирования [24].
В исследовании in vitro показано, что риновирусы также индуцируют образование ксантионксидазы, продукцию супероксидного анион-радикала и истощение количества восстановленного глутатиона [26].
Установлено, что при респираторных инфекциях повышенное количество активных форм кислорода может образовываться в митохондриях [27], однако на данный момент нет данных, является ли это следствием прямого влияния вирусов на митохондрии или следствием нарушения метаболизма клетки в результате развивающегося инфекционного процесса.
Важную роль в повреждении биомакромолекул играют также активные формы азота, например пероксинит (ONOO-), образующийся при взаимодействии оксида азота с супероксидным анион-радикалом. Активные формы азота могут вызывать нитрозирование, т.е. изменение структуры различных белков и ингибирование их биологических функций [28].
В экспериментах на мышах было показано, что инфицирование вирусом гриппа или сендай вызывает усиление продукции оксида азота (NO) и образования 8-нитрогуанозина в цитозоле клеток бронхиального эпителия, что свидетельствует о повреждении нуклеиновой кислоты. В то же время у мышей нокаутных по гену индуцибельной NO-синтазы усиления образования 8-нитрогуанозина не происходило. Эти биохимические изменения сопровождались улучшением гистопатологических изменений в легких и снижением летальности [29].
Сверхэкспрессия белка SARS-CoV 3CL-Pro (протеазы) индуцировала генерацию ROS и активацию транскрипционного фактора NFκB, однако молекулярные механизмы данного процесса не известны [30]. В другом исследовании другая протеаза SARS-CoV, белок 3a, была связана с повреждением митохондрий с последующим развитием апоптоза [31].
В ходе развития COVID-19 показано, что SARS-CoV-2 может взаимодействовать с СD147-рецептором эритроцитов и проникать внутрь клетки. При этом происходит разрушение гемоглобина и высвобождение железа, которое участвует в образовании активных форм кислорода и является индуктором окислительного стресса [32].
Для COVID-19 можно предположить еще один специфический механизм гиперпродукции свободных радикалов, связанный с повышением активности ангиотензина II. Предыдущие исследования продемонстрировали, что ангиотензин II может удвоить продукцию активных форм кислорода in vivo за счет активации НАДФН-оксидаз [33]. А развивающееся в дальнейшем открытие митоКАТФ-каналов, образование митохондриальной поры (mitochondrial permeability transition pore) и деполяризации митохондриальной мембраны приводит к митохондриальному взрыву продукции свободных радикалов [34].
На данный момент в мире активно разрабатываются разные подходы к лечению и профилактики COVID-19. В качестве одного из перспективных лекарственных средств рассматривается антималярийный препарат – хлорохин. Он способен изменять гликозилирование ACE2, что снижает сродство ACE2 к спайковому белку коронавируса, уменьшая проникновение SARS-CoV-2 внутрь клеток. В то же время хлорохин может провоцировать развитие окислительного стресса, что чревато гемолизом, особенно у пациентов с дефицитом глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы [35].
ВОЗМОЖНЫЕ ПОДХОДЫ К КОРРЕКЦИИ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО СТРЕССА И ГИПОКСИИ ПРИ ВИРУСНЫХ ИНФЕКЦИЯХ
Принимая во внимание все вышеперечисленное, логичным является использование антиоксидантов и антигипоксантов в комплексном лечении COVID-19 [32]. При этом особенно стоит подчеркнуть, что такие средства ни в коем случае не рассматриваются как альтернатива этиотропному лечению.
Уже на данный момент было проведено несколько нерандомизированных исследований с использованием антиоксидантов в комплексном лечении пациентов с COVID-19. Например, на 50 пациентах с COVID-19 от умеренной до тяжелой степени в Китае было показано, что внутривенное ведение витамина С в дозах от 10 до 20 г/сут приводило к улучшению оксигенации и состояния пациентов [36].
В другом исследовании было показано положительное действие внутривенного и перорального введения глутатиона в дозе 2000 мг [36].
Одним из перспективных средств для коррекции гипоксии и окислительного стресса при вирусных инфекциях является оригинальный отечественный препарат Мексидол (ГН этилметилгидроксипиридина сукцинат) [38].
Первая часть активной молекулы этого лекарственного средства – 2-этил-6-метил-3-гидроксипиридин – обладает прямой антиоксидантной активностью за счет наличия в его молекуле подвижного атома водорода, связанного с кислородом [39]. Кроме того, в исследованиях in vitro установлено, что этилметилгидроксипиридина сукцинат ингибирует неферментативное и ферментативное железоиндуцируемое перекисное окисление липидов, повышает активность Se-зависимой глутатионпероксидазы и подавляет активность индуцибельной NO-синтазы, т.е. способен влиять на все основные звенья окислительного стресса при респираторных инфекциях [40].
Вторая часть молекулы – сукцинат (остаток янтарной кислоты) обладает антигипоксическим действием за счет поддержания в условиях гипоксии активности сукцинатоксидазного звена. Это ФАД-зависимое звено цикла Кребса, которое в условиях гипоксии угнетается позже НАД-зависимых оксидаз, что позволяет сохранять энергопродукцию в клетке при условии наличия в митохондриях субстрата окисления – сукцината (янтарной кислоты). Более того, сукцинат может влиять на свои специфические рецепторы GPR91, запуская каскад биохимических реакций адаптации к гипоксии [39].
Этилметилгидроксипиридина сукцинат (Мексидол) уже показал свою эффективность в комплексной терапии гриппа. Его применение в составе комплексного лечения среднетяжелой и тяжелой форм гриппа приводило к сокращению длительности периодов заболевания, сроков редукции основных клинических симптомов, повышало эффективность купирования синдрома эндогенной интоксикации и вызывало снижение липопероксидации [32].
Этилметилгидроксипиридина сукцинат (Мексидол) является нейроцитопротектором, широко применяемым в клинической практике. Поскольку при COVID-19 установлено наличие полиморфных неврологических осложнений (острой некротической энцефалопатии, вирусной энцефалопатии, острого нарушения мозгового кровообращения и др.) [41], применение этилметилгидроксипиридина сукцината в комплексной терапии этого заболевания становится еще более актуальным.
Для максимального раскрытия терапевтического препарата рекомендована последовательная терапия оптимальными дозировками: начинать лечение следует с инъекций Мексидола по 500 мг/сут в течение 14 дней (фаза насыщения), с последующим переходом на таблетированную форму препарата Мексидол ФОРТЕ 250 по 1 таблетке 3 раза/сут в течение 60 дней (фаза максимизации терапевтического эффекта). Таким образом, учитывая мультимодальное, многокомпонентное действие этилметилгидроксипиридина сукцината, его применение может быть весьма перспективным в комплексном лечении вирусных инфекций.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
COVID-19 является опасным, социально значимым заболеванием, лечение и профилактика которого только разрабатывается в настоящее время. Учитывая важную роль окислительного стресса и гипоксии в патогенезе вирусных инфекций, применение антиоксидантов и антигипоксантов в комплексном лечении данных заболеваний может оказаться полезным и существенно улучшить течение заболевания.
