研究揭示了SARS-CoV-2在大脑中的主要靶点，描述了病毒对神经系统的影响

一项巴西研究发表在该杂志上PNAS描述了SARS-CoV-2感染对中枢神经系统的一些影响。2020年发布的初步版本(尚未经过同行评审)是最早表明导致COVID-19的病毒可以感染脑细胞，特别是星形胶质细胞的版本之一。它还开辟了新的领域，描述了大脑皮层(神经元最丰富的大脑区域)结构的变化，即使在轻度COVID-19病例中也是如此。

大脑皮层是大脑半球上方的外层灰质。它是世界上最大的神经整合点中枢神经系统它在记忆、注意力、意识和语言等复杂功能中起着关键作用。

这项调查是由坎皮纳斯州立大学(UNICAMP)和São保罗大学(USP)的几个小组进行的。巴西生物科学国家实验室(LNBio)、D’or研究所(IDOR)和里约热内卢联邦大学(UFRJ)的研究人员也为这项研究做出了贡献。

“之前的两项研究检测到大脑中存在新型冠状病毒，但没有人确定它是否存在于血液中，内皮细胞或神经细胞。我们第一次证明，它确实会感染和复制星形胶质细胞，这可能会降低神经元的活力，”该研究的领导者之一丹尼尔·马丁斯-德-索萨告诉Agência FAPESP。马丁斯-德-索萨是UNICAMP生物研究所的教授，也是IDOR的一名研究人员。

星形胶质细胞是最丰富的中枢神经系统细胞。它们的功能包括为神经元提供生化支持和营养物质;调节神经递质和其他可能干扰神经元功能的物质的水平，如钾;维持血脑屏障，保护大脑免受病原体和毒素的侵害;并帮助维持大脑内稳态。

用26名死于COVID-19患者的脑组织进行的实验证实了星形胶质细胞感染。组织样本是由São保罗大学Ribeirão普雷托医学院(FMRP-USP)的病理学家和教授Alexandre Fabro在使用微创程序进行尸检时收集的。这项分析是由蒂亚戈·库尼亚协调的，他也是FMRP-USP的教授和炎症疾病研究中心(CRID)的成员。

研究人员使用了一种被称为免疫组织化学的技术，在这种染色过程中，抗体作为病毒抗原或所分析组织的其他成分的标记物。马丁斯-德-索萨解释说:“例如，我们可以在样本中插入一种抗体，将星形胶质细胞与它们结合时变成红色，另一种抗体将SARS-CoV-2刺突蛋白变成绿色，第三种抗体将其变成洋红色，突出显示病毒的双链RNA，这种RNA只在复制期间出现。”“当实验过程中产生的图像重叠时，所有三种颜色只在星形胶质细胞中同时出现。”

根据库尼亚的说法，在分析的26个样本中，有5个样本证实了病毒的存在。在这五个样本中也发现了可能对中枢神经系统造成损害的变化。

他说:“我们观察到坏死和炎症的迹象，如水肿(液体积聚引起的肿胀)、神经元病变和炎症细胞浸润。”

FMRP-USP的Adriano Sebolella和他的团队使用脑源性切片培养方法证实了SARS-CoV-2感染脑组织的能力及其对星形胶质细胞的偏好。脑源性切片培养是一种实验模型，在该模型中，在治疗神经疾病(例如药物难耐性癫痫)的手术中获得的人脑组织在体外培养并感染病毒。

持续的症状

在UNICAMP医学科学学院(FCM)进行的另一部分研究中，81名从轻度COVID-19中恢复的志愿者接受了大脑磁共振成像(MRI)扫描。这些扫描平均在诊断测试后60天进行。三分之一的参与者当时仍有神经或神经精神症状。他们主要抱怨头痛(40%)、疲劳(40%)、记忆改变(30%)、焦虑(28%)、嗅觉丧失(28%)、抑郁(20%)、白天嗜睡(25%)、味觉丧失(16%)和性欲低下(14%)。

“我们发布了一个链接，让有兴趣参与试验的人注册，令人惊讶的是，短短几天内就有200多名志愿者。许多人是多症状的，症状差异很大。除了神经成像考试，他们还将接受神经评估，并参加标准化测试，以衡量记忆、注意力和心理灵活性等认知功能的表现。在这篇文章中，我们展示了初步结果，”巴西神经科学和神经技术研究所(BRAINN)教授兼成员克拉丽莎·安田(Clarissa Yasuda)说。

研究只纳入了通过RT-PCR诊断为COVID-19且未住院的志愿者。评估在急性期结束后进行，并将结果与145名健康未感染受试者的数据进行比较。

核磁共振扫描显示，与对照组的平均水平相比，一些志愿者大脑某些区域的皮层厚度有所下降。

安田说:“我们观察到与焦虑相关的区域出现萎缩，焦虑是研究组最常见的症状之一。”“考虑到巴西人口中焦虑症的患病率为9%，我们发现的28%是一个惊人的高数字。我们没有预料到患有轻度疾病的患者会出现这些结果。”

在旨在评估认知功能的神经心理学测试中，志愿者在某些任务上的表现也低于全国平均水平。研究结果根据年龄、性别、受教育程度以及每位参与者报告的疲劳程度进行了调整。

“留给我们的问题是:这些症状是暂时的还是永久性的?到目前为止，我们发现一些科目有所改善，但不幸的是，许多科目仍在经历改变，”安田说。“令人惊讶的是，许多人再次感染了新的变种，有些人报告的症状比第一次感染时更严重。鉴于这种新型病毒，我们认为纵向随访对于了解神经精神变化随时间的演变至关重要，而且这一理解将作为开发靶向治疗的基础。”

影响能量代谢

在martin -de- souza领导的IB-UNICAMP神经蛋白质组学实验室，对死于COVID-19的人的脑组织细胞和体外培养的星形胶质细胞进行了实验，以从生化角度了解SARS-CoV-2感染如何影响神经系统细胞。

解剖样本是通过与São保罗大学医学院(FM-USP)教授保罗·萨尔迪瓦(Paulo Saldiva)领导的小组合作获得的。蛋白质组(组织中存在的所有蛋白质)使用质谱法绘制，这是一种根据分子质量识别生物样品中不同物质的技术。

马丁斯-德-索萨说:“当结果与未受感染的受试者进行比较时，发现星形胶质细胞中存在大量表达改变的蛋白质，这验证了免疫组织化学获得的结果。”“我们观察到星形胶质细胞中各种生化途径的改变，特别是与能量代谢．"

下一步是重复蛋白质组学分析在实验室感染的培养星形胶质细胞中星形胶质细胞来源于诱导多能干细胞(iPSCs)。该方法包括重新编程成年细胞(来自皮肤或其他容易获得的组织)，以承担类似于胚胎干细胞的多能性阶段。第一部分是在UFRJ教授史蒂文斯·雷恩(Stevens Rehen)的IDOR实验室进行的。马丁斯-德-索萨的团队随后使用化学刺激使诱导多能干细胞分化为神经干细胞，最终分化为星形胶质细胞。

马丁斯-德-索萨说:“结果与通过尸检获得的组织样本的分析相似，因为它们显示出能量代谢功能障碍。”“然后我们进行了代谢组学分析(专注于培养的星形胶质细胞产生的代谢物)，证明了葡萄糖代谢的改变。出于某种原因，受感染的星形胶质细胞比正常情况下消耗更多的葡萄糖，但细胞内的主要能量基质丙酮酸和乳酸盐水平显著下降。”

乳酸是葡萄糖代谢的产物之一，星形胶质细胞将这种代谢物输出到神经元，神经元将其作为能量来源。研究人员的体外分析表明，细胞培养基中的乳酸水平正常，但细胞内乳酸水平下降。马丁斯-德-索萨说:“星形胶质细胞似乎努力维持神经元的能量供应，即使这种努力削弱了它们自己的功能。”

作为这一过程的结果，星形胶质细胞线粒体(产生能量的细胞器)的功能确实发生了改变，可能会影响大脑中神经递质的水平，如谷氨酸，它能刺激神经元，与记忆和学习有关，或γ -氨基丁酸(GABA)，它能抑制神经元的过度放电，并能促进平静和放松的感觉。

“在另一个实验中，我们试图在感染的星形胶质细胞先前生长的培养基中培养神经元，并测量出高于预期的细胞死亡率。换句话说，这种‘受感染星形胶质细胞影响’的培养基削弱了神经元的活力，”马丁斯-德-索萨说。

文章中描述的研究结果证实了先前发表的几项研究，这些研究指出了COVID-19可能的神经和神经精神表现。

例如，在生物科学研究所(ibusp)对仓鼠进行的实验结果加强了这样一种假设，即SARS-CoV-2感染加速了星形胶质细胞代谢，并增加了用于产生能量的分子的消耗，如葡萄糖和氨基酸谷氨酰胺。由让·皮埃尔·贝隆领导的研究小组得出的结果表明，这种代谢变化损害了一种神经递质的合成，这种神经递质在神经元之间的交流中起着关键作用。

悬而未决的问题

马丁斯-德-索萨表示，关于SARS-CoV-2如何进入大脑，科学文献没有共识。“一些动物实验表明，病毒可以穿过血脑屏障。还有一种怀疑是它感染了嗅觉神经并从那里侵入中枢神经系统。但目前这些都是假设。”

其中一个发现是由PNAS该病毒不像在肺部那样利用ACE-2蛋白入侵中枢神经系统细胞。“星形胶质细胞的细胞膜上没有这种蛋白质。Flávio Veras [FMRP-USP]和他的团队的研究表明，在这种情况下，SARS-CoV-2与蛋白质神经磷脂结合，说明了它在感染不同组织方面的多功能性，”马丁斯-德-索萨说。

在UNICAMP的神经蛋白质组学实验室，马丁斯-德-索萨分析了神经细胞和其他受COVID-19影响的细胞，如脂肪细胞、免疫系统细胞和胃肠道细胞，以观察感染如何改变蛋白质组。

“我们现在正在收集数据，以寻找病毒在这些不同组织中引起的变化的特点和差异。数千种蛋白质和数百种生化途径可以被改变，每种情况都有差异。这一知识将有助于指导为受COVID-19损害的每个系统寻找具体的治疗方法。

“我们还比较了观察到的蛋白质组学差异大脑组织我们多年来在精神分裂症患者中发现的死于COVID-19的蛋白质组学差异。这两种情况的症状非常相似。精神病是精神分裂症最典型的症状，也会发生在COVID-19患者身上。”

这项研究的目的是找出SARS-CoV-2感染是否会导致大脑白质退化，白质主要由神经胶质细胞(星形胶质细胞以及小胶质细胞)和轴突(神经元的延伸)。“我们观察到(蛋白质组学改变的模式)与能量代谢和神经胶质蛋白有显著的对应关系，这在COVID-19和精神分裂症中都很重要。这些发现可能为治疗COVID-19的精神症状提供了一条捷径，”马丁斯-德-索萨思考道。

马塞洛·莫里(Marcelo Mori)是IB-UNICAMP的教授，也是肥胖和合并症研究中心(OCRC)的成员，这项研究多亏了具有不同和互补背景和专业知识的研究人员的合作才得以实现。“这表明一流的竞争性科学总是跨学科的，”他说。“如果你只呆在自己的实验室里，把自己局限在自己熟悉的技术和能使用的设备上，就很难在国际上竞争。”