Araştırma
Sıçanları bir model olarak kullanan UC Berkeley araştırmacıları, viral proteinlerin hapşırma, öksürme ve ağrıdan sorumlu duyusal nöronları doğrudan aktive edebildiğini ilk kez kanıtladı.
Kovid salgını yaşayan sıçanlar, tıpkı insanlar gibi hapşırır, öksürür ve vücutlarında ağrılar hisseder. UC Berkeley’de gerçekleştirilen sıçan deneyleri, virüsün bu belirtileri nasıl tetiklediğini ortaya koyuyor.
Sonali S. Mali/UC Berkeley
Kovid-19 salgınının ilk günlerinde, Diana Bautista ve laboratuvarındaki diğer araştırmacılar hapşırma ve öksürme krizleri ile ağlayan vicutlar yaşarken, ilginç bir bilimsel soruyu yanıtlamaya çalıştı: Virüsler, soğuk algınlığı, grip ve Kovid ile yaşanan deneyimlerden tanıdığımız bu rahatsız edici belirtileri tam olarak nasıl oluşturuyor?
Beş yıl sonra — deney hayvanlarının sıçanların da hapşırdiğini bilimsel hakemlere kanıtlamak için bir sapma yaptıktan sonra — yanıtın temellerini elde etti. Artık enerjisinin ve laboratuvar personelinin yarısından fazlasını SARS-CoV-2 gibi koronavirüslerin hııslarını araştırmaya ve baş ağrısı yaratmak için sinir sistemiyle ve bağışıklık sistemiyle nasıl etkileşime girdiklerini incelemeye ayırıyor.
13 Kasım’da yayımlanan Neuron dergisinde Bautista ve meslektaşları, SARS-CoV-2 proteinlerinin duyusal sinirleri doğrudan uyardığını ve hapşırma, öksürme ve ağrıyı tetiklediğini bildirdi. Baskın görüş, bu belirtilerin enfekte epitel ve bağışıklık hücreleri tarafından salınan ve duyusal nöronlara etki eden iltihap araştırmacıları tarafından oluşturulduğu yönündeydi. Yeni çalışma, virüslerin hapşırma, öksürme ve solunum bozukluğunu tetiklemek için başka bir yol daha olduğunu gösteriyor.
Bu, viral proteinlerin virüs belirtilerini artırmak için duyusal sinirleri doğrudan aktive edebildiğine dair ilk kanıttır ve terapöt müdahalelere yol açabilir. Bu doğrudan aktive etme, baş ağrısı, nefes darlığı, kalıcı öksürme, boğaz ağrısı ve göğüs ağrısı dahil olmak üzere uzun Kovid ile ilişkilendirilen kronik durumların bazılarını açıklamaya da yardımcı olabilir.
Gerçek zamanlı ve 1/4 hızına yavaşlatılmış bir fare hapşırığı. UC Berkeley araştırmacıları, farenin burnuna saf SARS-CoV-2 PLpro proteini sürüldükten sonra kaydedilen hapşırık tepkisini kaydetti. (Video kredisi: Diana Bautista laboratuvarı/UC Berkeley)
Duyusal sinirleri harekete geçiren spesifik viral protein, papain benzeri protease anlamına gelen ve bilinen bir proteaz olan PLpro’dur. Virüsle enfekte hücrelerde üretilen ve uzun viral polyproteinleri replikasyon için kritik olan bireysel proteinlere kesen bu proteaz ile Mpro — ana protease anlamına gelen — adı verilen başka bir proteaz daha vardır. Virüs bu hücreleri öldürdükten sonra, içinde viral proteazların da bulunduğu hücre içeriği vücuda salınır ve hava yolları boyunca bulunan ancak özellikle zararlı uyarıcılara duyarlı olan ve nociceptor olarak adlandırılan duyusal sinirlerin bir alt kümesini uyarır.
İlaç Paxlovid Mpro’yu hedef alır ve COVID-19’un bazı belirtilerini hafifletirken, PLpro’nun hedef alınması da fayda sağlayabilir. Pandeminin başlamasından bu yana, PLpro’yu hedef alan çok sayıda ilaç geliştirildi, ancak COVID için onaylanan hiçbiri olmadı.
“Bu proteaz inhibitörlerinin, viral replikasyonu önlemenin ötesinde önemli olabileceğini düşünüyoruz,” dedi. Moleküler ve hücre biyolojisi profesörü ve Howard Hughes Tıp Enstitüsü araştırmacısı olan Bautista, “Öksürük gibi belirtilerin tedavisinde de yardımcı olabilirler; bu da viral yayılmayı sınırlayabilir ve hassas bireylerde ciddi COVID-19’u potansiyel olarak önleyebilir.”
Lisansüstü öğrencisi Sonali Mali, makalenin birinci yazarıdır. O, Bautista ve meslektaşları ayrıca Mpro’nun duyusal nöronları doğrudan harekete geçirdiğini, ancak PLpro’dan farklı tepkiler verdiğini buldu. Grip virüsü gibi diğer virüslerin belirtileri farklı şekillerde tetiklediğini keşfediyorlar.
“Viral ve bakteriyel enfeksiyonların vücudumuzda etki etmesinin birçok yolu var — bu tür hava yolu aşırı tepkiliğini tetikleyen ayrı moleküler ve hücresel mekanizmalar var” dedi. “Bu kadar çok yeni patojen ortaya çıkarken, biz bunların nasıl çalıştığını anlamaya yeni yeni başlıyoruz. Şu ana kadar bakıldığında, farklı moleküler mekanizmalar kullanarak belirtileri hem bağışıklık sistemi hem de sinir sistemi aracılığıyla ilerletebiliyorlar. Sanırım çözmemiz gereken çok şey var.”
Bu da şu soruyu gündeme getiriyor: Öksürük ve hapşırma gibi belirtiler aslında virüsü dışarı atarak konağı korumaya mı yardımcı oluyor, yoksa virüsün daha fazla insana ulaşmasına mı yardımcı oluyor?
“Kimi yararlandırıyor?” dedi. “Belki de sonunda biraz ikisi de. Eğer yeterince erkense, virüs diğer hücreleri enfekte etmeden önce mümkün olduğunca çok virüsü dışarı atmak faydalıdır. Dolayısıyla bu belirtilerin başlangıcta olması, virüs içeren mukusu hapşırarak atmak açısından iyidir.”
Fareler hapşırır mı?
Bautista, dokunma, kaşınma ve ağrıyla ilgili duyu nöronlarını çalıştırmada uzmandır ve daha önceki çalışmalarında wasabi ve sarımsaktaki kimyasallara yanıt veren TRPA1 adlı spesifik reseptörü tanımlamıştır. Yüzü innerv eden trigeminal sinirlerin kimyasalların bu sinirlere etkisi üzerine de araştırmalar yapmıştır — COVID enfeksiyonu sırasında iltihaplanıp ağrılı hale gelebilen sinirler.
Koronavirüs proteazları — proteinleri kesen enzimler — hava yollarındaki duyu nöronlarındaki reseptörleri doğrudan aktive ederek hapşırma, öksürük ve ağrıya yol açar
Diana Bautista laboratuvarı/UC Berkeley
Bir anlamda, koronavirüslerin duyu sinirleriyle etkileşimi üzerine yapılan araştırmalar, bu önceki çalışmaların doğal bir uzantısıydı. Güncel makalede Bautista ve meslektaşları, PLpro’nun duyu nöronlarının yüzeyindeki bir şeyle tepki vererek wasabi ve sarımsağı aktive eden aynı TRPA1 iyon kanalını aktive ettiğini gösteriyor — bu da ağrı, hapşırma, öksürük ve hava yolu iltihaplanmasını tetikliyor. TRPA1 temelde, daha sonra refleksleri ve diğer fizyolojik sonuçları tetikleyen neuropeptitlerin salınmasına yol açar.
PLpro’un rolünü göstermek için kendisi ve ekibi proteini saflaştırdı ve proteinin baş başına kültüre edilmiş duyu nöronlarını aktive etmek için yeterli olduğunu gösterdi. Proteazın enzimatif aktivitesi, proteinin katalitik bölgesinin etkisiz hale getirilmesiyle ortadan kaldırıldığında, duyu nöronları üzerinde herhangi bir etkisi olmadı.
Araştırmacılar ardından farelerin burunlarına 2 mikrolitre saflaştırılmış PLpro sürdü. Sadece su tek bir hapşırığı tetikleyebilirken, PLpro dakikada 30’a kadar hapşırık tetikledi.
Farelerin hapşırmasının ses ve video kayıtlarına rağmen, makalenin bazı hakemleri farelerin aslında hapşırmadığına ikna olmadı. Bu nedenle akciğer spazmlarını ölçmek için 75.000 dolarlık bir plethysmograph satın aldı; bu spazmlar hapşırıkla birlikte ortaya çıkan ve domuz kevinlerinde de görülenlere benziyordu. Ekibi, dışarı atılan mukusu görebilmek ve her hapşırık miktarını ölçebilmek için PLpro içeren sıvıyı maviye boyadı.
Aynı zamanda PLpro’nun mekanik aşırı hassasiyet ve ağrı tetiklediğini keşfettiler; bu da duyu sinirlerinin doğrudan aktive olmasının, viral enfeksiyonla ilişkili kas ve vücut ağrılarını tetikleyebilecek bir mekanizma olabileceğini işaret ediyor.
SARS-CoV-1 ve MERS olmak üzere koronavirüsün iki başka türünden gelen PLpro da duyu nöronlarını aktive etti.
Bir hapşırık, virüsler ve virüs proteinleriyle dolu mukusu dışarı atar. Bir yandan bu, bedeni patojenlerden ve ürünlerinden arındırır. Ancak hapşırık aynı zamanda virüsün diğer insanlara bulaşmasına da yardımcı olur.
UC Berkeley için Cailin Hoang
Yeni makale virüslerin sinir sistemiyle nasıl etkileştiğine dair bazı soruları yanıtlıyor — uzun süredir biyolojide yanıtlanmamış bir soru — ancak laboratuvarının yapacağı çok daha fazla iş var.
“Bu, pek çok araştırma alanını açtı,” dedi Bautista. “Sadece iki virüs proteini sinir sistemi üzerinde böyle dramatik bir etki yapabiliyorsa, virüsler ve diğer virüs proteinleri başka ne yapıyor? Nöronların kendisi enfekte olduğunda ne olur, ki bunun olabildiğini biliyoruz? Nöronlar antiviral yanıta nasıl katkı sağlıyor? Birçok soru var.
“Sanırım laboratuvarımdaki birçok kişinin bunu çalışmak istemesinin nedeni de bu; biyolojik açıdan bakıldığında gerçekten büyüleyici. Bunu daha önce neden düşünmedik?”
Çalışma, Ulusal Sağlık Enstitüleri’nden (OD TR01 NS116992) ve Howard Hughes Tıp Enstitü’nden alınan burslarla finanse edildi. Makalenin ortak yazarları UC Berkeley’den Sonali Mali, Ricardo Silva, Zhongyan Gong, Michael Cronce, Uyen Vo, Cliff Vuong ve Jeffery Cox ile New York Üniversitesi Diş Hekimliği Fakültesi’nden Yalda Moayedi’dir. Bautista, Berkeley’nin Helen Wills Nörobilim Enstitüsü’nün bir üyesidir.
