כיצד חודר נגיף ה-SARS-CoV-2 לריאות ? מאת פרופ’ יצחק גנזבורג, האונ’ העברית

קורונה

אנו מתכבדים להציג כאן מאמר  שנשלח אלינו ע”י פרופ’ יצחק גנזבורג מהאונ’ העברית המציג הסבר לאופן החדירה של נגיף הקורונה לריאות.

אנו מודים לפרופ’ גנזבורג על שליחת המאמר: 

Polycations and polyanions in SARS-CoV-2 infection

I. Ginsburg1, E. Fibach2

The Hebrew University – Hadassah School of Medicine, 1The Faculty of Dental Medicine, 2Department of Hematology, The Ein-Kerm Campus, Jerusalem, Israel.

*Corresponding author at: Hematology, Hadassah University Hospital, Ein-Kerem, 91120, Jerusalem, Israel.

E-mail address:[email protected]

Abstract

We hypothesize that polycations, such as nuclear histones, released by neutrophils COVID-19 aggravate COVID-19 by multiple mechanisms: (A) Neutralization of the electrostatic repulsion between the virus particles and the cell membrane, thereby enhancing receptor-mediated entry. (B) Binding to the virus particles, thereby inducing opsonin-mediated endocytosis. (C) Adding to the cytotoxicity, in conjunction with oxidants, cytokines and other pro-inflammatory substances secreted by cells of the innate immunity system. These effects may be alleviated by the administration of negatively charged polyanions such as heparins and heparinoids.

Keywords

COVID-19, SARS-CoV-2, Therapy, Neutrophils, Polycations, Polyanions, Heparin

Introduction

The severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is the etiological cause of coronavirus disease 2019 (COVID-19), the respiratory illness responsible for the current world pandemia (1).

The Hypothesis

In this short communication, we propose that polycations secreted following viral infection by the neutrophils may aggravate COVID-19 by several mechanisms that may be mitigated by the administration of negatively charged polyanionic drugs such as heparins and heparinoids.

Evaluation of the hypothesis

COVID-19 is initiated by viral infection of susceptible cells of the respiratory tract mainly by receptor (ACE2)-mediated endocytosis (2), followed by viral multiplication and, consequently, activation of the innate immune system. The latter involves mobilization of its cells by chemotaxis, their accumulation in infected areas such as the lungs, and secretion of various cytokines that are responsible for the severe consequences, and sometimes fatality, of the disease (the cytokine storm) (3).

COVID-19 is involved in excessive neutrophils and dysregulated neutrophil extracellular traps (NETs) (4). The latter are three-dimensional lattices of decondensed chromatin decorated with histones and antimicrobial proteins that are released from neutrophils upon stimulation (5). Pathogens, including respiratory viruses, induce NET formation that physically trap and kill them as part of the innate immune response (6).In access, NETs can mediated tissue damage and hypercoagulability (7) and they are associated with acute and chronic inflammation (8). In COVID-19, their dysregulated formation is thought to be associated with thrombosis (9)In addition to NET formation, neutrophils secrete a plethora of various cytokines, reactive oxygen and nitrogen species hypochlorous acid, lipase, and the membrane-penetrating agents phospholipase A2 and lysophosphate which act directly to permeabilize lung cells (10). They also secrete polycationic proteins such as histones, cathepsin, elastase, cationic proteinases and the Cathelicidin antimicrobial peptides, LL37, (11). We hypothesize that these polycations may have several effects that aggravate COVID-19.

(A) Both cells (12, 13) and viruses, including viruses of the Corona family (14), carry negative-charged domains on their surfaces that may result in electrostatic repulsion that mitigates infection. Polycations may neutralize negative charges on the virus and cell surfaces, reduce their electrostatic repulsion, and thereby, enhance the adsorption and entry of viruses by receptor-mediate endocytosis, thus, facilitating the spreading of the virus.

(B) Polycations have been shown to opsonize negatively-charged surfaces of cells, bacteria and viruses and facilitate their phagocytosis not only by professional phagocytes such as neutrophils and macrophages, but also by fibroblasts, endothelial cells and epithelial cells (15). A similar mechanism may facilitate opsonin-mediated endocytosis of SARS-CoV-2 to the lung epithelia in COVID-19.

(C) Many polycations are cytotoxic, adding to the deleterious effects on the lung epithelia of substances such as cytokines, reactive oxygen and nitrogen species as well as phospholipase A2 and lyso-phopspahyatides (15). Cell damage in COVID-19 may also be augmented by microbial co-infections: bacteriolysis caused by antibiotics or cationic lysozyme release non- the membrane-injuring and perforating agents (16).

The effects of the polycations might be inhibited to some extent by the administration of highly negatively charged polyanions such as heparins and heparinoids. Heparin is a member of a family of long, linear, highly sulfated heparans that have the highest negative charge density of any known biomolecule (17). This charge allows heparin to strongly interact with proteins, such as the serine protease inhibitor antithrombin-III that provides it with anticoagulant activity. However, hundreds of other biologically relevant, heparin-protein interactions with potential clinical significance have been described, including the ability to neutralize polycations released by neutrophils (18). For example, it has been reported that heparin binds histones and prevents histone-mediated cytotoxicity independent of its anticoagulant properties (19).

Heparin has been proposed as a therapeutic modality for COVID-19 mainly as an anticoagulant (20). Severe SARS-CoV-2 infection with acute lung injury is complicated with coagulopathy, and disseminated intravascular coagulation is involved in the majority of deaths (20). Therefore, The World Health Organization (WHO) recommended in these patients thrombo-prophylaxis with either unfractionated or low molecular weight heparin (https://www.who.int/publications/i/item/clinical-management-of-covid-19). However, in addition to anticoagulant, heparin possesses anti-inflammatory, anti-complement, immunomodulatory as well as anti-viral activities (21).

Anti-inflammatory effects of heparin were reported both in the vasculature and in the airway, which could beneficially affect COVID-19. They fall into two mechanisms (21): (A) Interaction with proinflammatory proteins. (B) Prevention of the influx and adhesion of inflammatory cells to the diseased areas.

As for its anti-viral potential, we suggest that heparin may neutralize the effect of polycations on the virus adsorption and entry.  In addition, surface heparan sulfate has been demonstrated to be essential for entry and infectivity of human coronaviruses (22, 23), including the SARS-CoV-2 (24), by strongly binding to the spike protein thus facilitating the interaction of the virus with its receptor (23). Heparin may bind the spike protein and function as a competitive inhibitor for viral entry, thus decreasing infectivity. Interestingly, shorter-length heparins, comparable to those used in anticoagulation therapy, did not appreciably bind the spike protein (22, 24). Clinical trials aim to demonstrate the benefit of heparin therapy should, therefore, include evaluation of the disease course and time to virus clearance, markers of direct antiviral activity, rather than solely coagulation status (25). Despite this immense potential, no clinical data is yet available.

Conclusions

We propose that substances secreted by neutrophils, in addition to their direct cytotoxic effects, may enhance infection of lung cells, and thereby aggravate the disease, while the administration of heparin and heparinoids might have a therapeutic effect in addition to their anti-coagulating effect. Other agents of therapeutic value may be antioxidants such as ascorbate, N-acetyl cysteine, glutathione, and agents present in fruits and vegetables, and the proteinase inhibitor aprotinin, which may reduce the cytotoxic effect of various agents secreted by cells in response to the viral infection.

Acknowledgment

Supported by an endowment fund by the late Dr. SM Robbins, Cleveland, Ohio, USA.

Conflicts of Interest

The authors confirm that this article content has no conflict of interest.

References

[1]        C. Huang, Y. Wang, X. Li, et al., Clinical features of patients infected with 2019 novel coronavirus in Wuhan, China, Lancet 395 (2020), pp. 497-506.

[2]        W. Ni, X. Yang, D. Yang, et al., Role of angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) in COVID-19, Crit Care 24 (2020), p. 422.

[3]        Y. Tang, J. Liu, D. Zhang, Z. Xu, J. Ji and C. Wen, Cytokine Storm in COVID-19: The Current Evidence and Treatment Strategies, Front Immunol 11 (2020), p. 1708.

[4]        J. Wang, Q. Li, Y. Yin, et al., Excessive Neutrophils and Neutrophil Extracellular Traps in COVID-19, Front Immunol 11 (2020), p. 2063.

[5]        T.A. Fuchs, U. Abed, C. Goosmann, et al., Novel cell death program leads to neutrophil extracellular traps, J Cell Biol 176 (2007), pp. 231-241.

[6]        G. Schonrich and M.J. Raftery, Neutrophil Extracellular Traps Go Viral, Front Immunol 7 (2016), p. 366.

[7]        T.A. Fuchs, A. Brill, D. Duerschmied, et al., Extracellular DNA traps promote thrombosis, Proc Natl Acad Sci U S A 107 (2010), pp. 15880-15885.

[8]        A. Bonaventura, L. Liberale, F. Carbone, et al., The Pathophysiological Role of Neutrophil Extracellular Traps in Inflammatory Diseases, Thromb Haemost 118 (2018), pp. 6-27.

[9]        E.A. Middleton, X.Y. He, F. Denorme, et al., Neutrophil extracellular traps contribute to immunothrombosis in COVID-19 acute respiratory distress syndrome, Blood 136 (2020), pp. 1169-1179.

[10]      I. Ginsburg and R. Kohen, Synergistic effects among oxidants, membrane-damaging agents, fatty acids, proteinases, and xenobiotics: killing of epithelial cells and release of arachidonic acid, Inflammation 19 (1995), pp. 101-118.

[11]      I. Ginsburg, Cationic polyelectrolytes: a new look at their possible roles as opsonins, as stimulators of respiratory burst in leukocytes, in bacteriolysis, and as modulators of immune-complex diseases (a review hypothesis), Inflammation 11 (1987), pp. 489-515.

[12]      K.M. Lipman, R. Dodelson and R.M. Hays, The surface charge of isolated toad bladder epithelial cells. Mobility, effect of pH and divalent ions, J Gen Physiol 49 (1966), pp. 501-516.

[13]      Y. Ma, K. Poole, J. Goyette and K. Gaus, Introducing Membrane Charge and Membrane Potential to T Cell Signaling, Front Immunol 8 (2017), p. 1513.

[14]      S. Verma, V. Bednar, A. Blount and B.G. Hogue, Identification of functionally important negatively charged residues in the carboxy end of mouse hepatitis coronavirus A59 nucleocapsid protein, J Virol 80 (2006), pp. 4344-4355.

[15]      I. Ginsburg, Cationic polyelectrolytes: potent opsonic agents which activate the respiratory burst in leukocytes, Free Radic Res Commun 8 (1989), pp. 11-26.

[16]      I. Ginsburg, Multi-drug strategies are necessary to inhibit the synergistic mechanism causing tissue damage and organ failure in post infectious sequelae, Inflammopharmacology 7 (1999), pp. 207-217.

[17]      R.J. Weiss, J.D. Esko and Y. Tor, Targeting heparin and heparan sulfate protein interactions, Org Biomol Chem 15 (2017), pp. 5656-5668.

[18]      I. Ginsburg, M.N. Sela, A. Morag, et al., Role of leukocyte factors and cationic polyelectrolytes in phagocytosis of group A streptococci and Candida albicans by neutrophils, macrophages, fibroblasts and epithelial cells: modulation by anionic polyelectrolytes in relation to pathogenesis of chronic inflammation, Inflammation 5 (1981), pp. 289-312.

[19]      K.C. Wildhagen, P. Garcia de Frutos, C.P. Reutelingsperger, et al., Nonanticoagulant heparin prevents histone-mediated cytotoxicity in vitro and improves survival in sepsis, Blood 123 (2014), pp. 1098-1101.

[20]      N. Tang, H. Bai, X. Chen, J. Gong, D. Li and Z. Sun, Anticoagulant treatment is associated with decreased mortality in severe coronavirus disease 2019 patients with coagulopathy, J Thromb Haemost 18 (2020), pp. 1094-1099.

[21]      L. Gozzo, P. Viale, L. Longo, D.C. Vitale and F. Drago, The Potential Role of Heparin in Patients With COVID-19: Beyond the Anticoagulant Effect. A Review, Front Pharmacol 11 (2020), p. 1307.

[22]      J. Lang, N. Yang, J. Deng, et al., Inhibition of SARS pseudovirus cell entry by lactoferrin binding to heparan sulfate proteoglycans, PLoS One 6 (2011), p. e23710.

[23]      A. Milewska, P. Nowak, K. Owczarek, et al., Entry of Human Coronavirus NL63 into the Cell, J Virol 92 (2018).

[24]      S.Y. Kim, W. Jin, A. Sood, et al., Glycosaminoglycan binding motif at S1/S2 proteolytic cleavage site on spike glycoprotein may facilitate novel coronavirus (SARS-CoV-2) host cell entry, bioRxiv (Preprint) ( 2020).

[25]      J.A. Hippensteel, W.B. LaRiviere, J.F. Colbert, C.J. Langouet-Astrie and E.P. Schmidt, Heparin as a therapy for COVID-19: current evidence and future possibilities, Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 319 (2020), pp. L211-L217.

0 תגובות

השאירו תגובה

רוצה להצטרף לדיון?
תרגישו חופשי לתרום!

כתיבת תגובה

מידע נוסף לעיונך

כתבות בנושאים דומים

  • התועלת של טיפול מוקדם בפלזמה ממחלימים בחולים עם COVID-19

    התועלת של טיפול מוקדם בפלזמה ממחלימים בחולים עם COVID-19

    מתן טיפול בפלזמה ממחלימים בתוך שבוע מהופעת תסמיני קורונה נסבל היטב, הפחית את שיעור האשפוזים והסיכון לתמותה בחולים מדוכאי חיסון עם COVID-19, כך עולה מנתונים חדשים שפורסמו בכתב העת eBioMedicine. המחקר האקראי נערך ברחבי גרמניה, צרפת והולנד בין אפריל 2022 ועד נובמבר 2023 במטרה לבחון את הבטיחות והיעילות של טיטר גבוה של פלזמה ממחלימי קורונה […]

  • זיהום בקורונה מלווה בעליה בחומרת זיהומי RSV

    זיהום בקורונה מלווה בעליה בחומרת זיהומי RSV

    זיהומי RSV (או Respiratory Syncytial Virus) הופיעו בשלב מוקדם יותר לאחר מגפת הקורונה בהשוואה לעונות קודמות, עם עליה בשיעור המקרים החמורים הדורשים תמיכה נשימתית, כך עולה מתוצאות מחקר חדש שפורסמו בכתב העת European Journal of Pediatrics. המחקר הפרוספקטיבי, רב-מרכזי כלל ילדים מתחת לגיל שנתיים שאושפזו בשל זיהום בדרכי נשימה תחתונות במהלך שתי עונות RSV (2017-2018 […]

  • האם קיים סיכון מוגבר לסוכרת מסוג 2 במבוגרים מחוסנים שחלו בקורונה?

    האם קיים סיכון מוגבר לסוכרת מסוג 2 במבוגרים מחוסנים שחלו בקורונה?

    הסיכון להופעה חדשה של סוכרת מסוג 2 לאחר זיהום בנגיף קורונה אינו מוגבר בקרב מבוגרים שקיבלו את החיסון ואת מנות הדחף במהלך גלי אומיקרון ודלתא; עם זאת, במבוגרים לא-מחוסנים שנדבקו בווריאנט אומיקרון ובחולים מאושפזים עם COVID-19 תועד סיכון מוגבר, כך עולה מנתונים חדשים שפורסמו בכתב העת JAMA Network Open. ברקע למחקר מסבירים החוקרים כי מחקרים […]

  • תסמיני Long COVID נותרים למשך שלוש שנים לאחר האשפוז (The Lancet Regional Health – Europe)

    תסמיני Long COVID נותרים למשך שלוש שנים לאחר האשפוז (The Lancet Regional Health – Europe)

    למרות שיפור בתוצאות לאחר שלוש שנים מאשפוז עקב COVID-19, עדיין ישנה שכיחות גבוהה של בעיות רפאיות, עם החמרה משמעותית בדיווח עצמי על עייפות והפרעות קוגניטיביות בין השנה השניה והשלישית לאחר השחרור מבית החולים, כך עולה מנתונים שפורסמו בכתב העת The Lancet Regional Health – Europe. בנוסף, חולשת שרירים לאחר מאמץ תועדה בקרוב לשליש מהחולים שלוש […]

  • עליה של עשרות אחוזים בשיעורי התמותה על-רקע היריון בשנים האחרונות בארצות הברית (JAMA Netw Open)

    עליה של עשרות אחוזים בשיעורי התמותה על-רקע היריון בשנים האחרונות בארצות הברית (JAMA Netw Open)

    בארצות הברית דווח על שיעורי התמותה על-רקע היריון הגבוהים ביותר מבין המדינות בעלות הכנסה-גבוהה, עם למעלה מ-6,000 מקרי תמותה מדווחים בין 2018 עד 2022, כך על-פי נתונים שפורסמו בכתב העת JAMA Network Open. מניתוח הנתונים עלה כי בילידות אלסקה ובאמריקאיות ממוצא אינדיאני תועדו שיעורי התמותה הגבוהים ביותר. מחקר החתך התבסס על נתונים ארציים של המרכז […]

  • אימוני אינטרוול בעצימות גבוהה מפחיתים סיכון להידרדרות תפקוד כלייתי בקשישים (J Am Society Nephrol)

    אימוני אינטרוול בעצימות גבוהה מפחיתים סיכון להידרדרות תפקוד כלייתי בקשישים (J Am Society Nephrol)

    אימוני אינטרוול בעצימות גבוהה (High-Intensity Interval Training, או HIIT) תחת השגחה לאורך חמש שנים עשויים להפחית את הסיכון להידרדרות מהירה בקצב הפינוי הגלומרולארי המשוער בקשישים בגילאי 70-77 שנים, כך עולה מנתונים חדשים שפורסמו בכתב העת Journal of the American Society of Nephrology. ברקע למחקר מסבירים החוקרים כי למרות היתרונות הבריאותיים הרבים של פעילות גופנית, אין […]

  • עליה בשכיחות תסמונת POTS לאחר מגפת הקורונה (Eur Heart J Qual Care Clin Outcomes)

    עליה בשכיחות תסמונת POTS לאחר מגפת הקורונה (Eur Heart J Qual Care Clin Outcomes)

    במאמר שפורסם בכתב העת European Hearth Journal – Quality of Care and Clinical Outcomes מדווחים חוקרים על עליה בשיעורי הימצאות תסמונת POTS (או Postural Orthostatic Tachycardia Syndrome) לאחר מגפת COVID-19, אך נרשמה ירידה בשיעורי הפרעות במערכת העצבים האוטונומית ותחלואה נלווית לאחר המגפה. ברקע למחקר מסבירים החוקרים כי תסמונת POTS הינה הפרעה כרונית, המתאפיינת בעליה חריגה […]

  • חיסון BCG עשוי להגן מפני תסמיני Long COVID (מתוך J Internal Med)

    חיסון BCG עשוי להגן מפני תסמיני Long COVID (מתוך J Internal Med)

    מתן חיסון BCG (או Bacillus Calmette Guerin) במהלך השלב הפעיל של COVID-19 עשוי לסייע בהגנה מפני התפתחות Long COVID , כך עולה מנתונים חדשים שפורסמו בכתב העת Journal of Internal Medicine. המחקר בשלב 3 החל בתחילת 2020 ובחן את ההשפעה של חיסון BCG במהלך הזיהום הפעיל על התקדמות COVID-19 במבוגרים עם COVID-19 בדרגה קלה או […]

התכנים המוצגים באתר זה מיועדים לאנשי צוות רפואי בלבד

אם כבר נרשמת, יש להקליד את פרטי הזיהוי שלך