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以蛋白質體學分析新冠肺炎患者的多重器官損傷

新型冠狀病毒引發的COVID-19疫情仍肆虐著全球,除了眾所期盼的疫苗研發,對於感染患者的治療亦是科學家關注的焦點。中國的研究團隊收集了因COVID-19病逝的患者檢體,以蛋白質體學分析SARS-CoV-2對器官造成的損傷,此研究使科學界對於SARS-CoV-2感染的病理機制有更深入的了解,也提供了多個治療標的。

許多文獻指出SARS-CoV-2的感染會造成人體多重器官損傷,然而過去的研究多聚焦在肺部的病變,為了探討SARS-CoV-2對主要受損器官的病理機制,中國科學家收集共19位因COVID-19病逝的患者檢體(其中七例併發晚期多重器官衰竭),並與非COVID-19患者進行比較,包含肺臟、脾臟、肝臟、心臟、腎臟、甲狀腺及睪丸共七個器官的組織檢體。患者病理切片顯示,肺部呈現瀰漫性肺損傷、纖維化、嗜中性球浸潤、血栓形成,脾臟呈現紅髓的脾竇充血而白髓萎縮,肝臟呈現脂肪變性及肝細胞壞死,心臟呈現心肌萎縮、心臟間質水腫,腎臟呈現近端小管萎縮,甲狀腺則是呈現淋巴浸潤。

過去的研究分析患者血清中的蛋白質體、代謝體及患者組織的轉錄體(transcriptome)發現,經質譜比較分析後的組織mRNA及蛋白質有較穩定的表現,因此中國科學家使用tandem mass tagging (TMT)-based shotgun proteomics分析檢體。蛋白質體分析鑑定出11394個蛋白,其中COVID-19病逝患者與非COVID-19患者間有5336個蛋白表現有顯著差異(圖一)。利用IPAInterpretative phenomenological analysis)分析這些表現量失調的蛋白,肺臟中功能異常的蛋白多數與L13a調節的血漿銅藍蛋白(ceruloplasmin)表現有關,過去文獻指出銅藍蛋白的表現與病毒感染後的後天免疫相關。系統性的路徑分析結果指出許多代謝途徑被抑制,例如: 肝醣分解、半乳糖降解、糖解作用;然而多數器官的脂肪酸β氧化和氧化磷酸化被大量活化,顯示器官處於高耗能的產能模式,以供病毒在肺部複製及mRNA 在肝臟轉錄;脂肪酸β氧化和氧化磷酸化失調也會導致過量的ROSreactive oxygen species)產生和釋放細胞凋亡蛋白,這些物質皆會使肝臟壞死。

圖一,COVID-19患者檢體的多器官蛋白質體學分析,DOI: 10.1016/j.cell.2021.01.004

SARS-CoV-2感染有關之表現量失調的蛋白質可分為六類病毒接受器及其蛋白酶、轉錄因子、血管形成相關蛋白、細胞激素及其接受器、凝血系統相關的蛋白、纖維化的標記。功能表現失常的蛋白質當中有多個與組織損傷及缺氧狀態相關的轉錄因子,說明了體內處於系統性的缺氧狀態;四個與凝血相關的因子失調會造成血栓形成、引起血小板凝集;在肺臟中觀察到許多纖維化相關的蛋白表現量改變,但是在其他器官也觀察到纖維化相關蛋白的些微變化,結果暗示了器官纖維化的前兆,對於重症癒後的患者可能會造成無法復原的影響。蛋白質體學的結果顯示COVID-19患者身上出現免疫相關反應的改變,肺臟及脾臟中檢查點蛋白的增加說明了COVID-19患者的先天性免疫被抑制;組織病理切片發現脾臟中T細胞、B細胞的耗盡和單核球的增加顯示了腎臟過度發炎,進而引起組織缺氧。

團隊鑑定了六個與病毒入侵相關的接受器及蛋白酶,過去普遍認為與SARS-CoV-2入侵宿主細胞有密切關係的接受器ACE2angiotensin-converting enzyme 2)在肺臟中卻沒有大量表現,此結果顯示給予COVID-19重症患者ACE2抑制劑可能不是一個有效的療法。此外,團隊發現了CTSLcathepsin L1)在肺臟中大量表現,已知cathepsin系列蛋白會誘導細胞焦亡(pyroptosis)發生,因此提出CTSL具有作為COVID-19治療標的之潛力。雖然睪丸具有免疫特權(immune privilege),但仍在少數COVID-19患者檢體觀察到蛋白的變異,這些失調的蛋白會影響生精作用(spermatogenesis)及精子的活動力,因此可能對男性患者的生育造成影響。冠狀動脈心臟病(coronary heart disease, CHD)被認為與COVID-19的致死有高度關係,蛋白質體分析的結果顯示,在肺臟中與CHD相關蛋白的失調只出現在患有CHDCOVID-19患者上,結果顯示CHD確實會影響COVID-19患者的存活。

研究團隊收集了COVID-19患者檢體,利用蛋白質體學研究了SARS-CoV-2對多重器官造成損傷的病理機制(圖二),並提出重症患者的肺臟有cathepsin L1大量表現,而非過去一致認為的ACE2,此研究為COVID-19患者的精準治療提供了許多潛力標的。

圖二,SARS-CoV-2感染對多種器官產生影響的假說,DOI: 10.1016/j.cell.2021.01.004

 

參考文獻:
[1] Xiu Nie, Liujia Qian, Rui Sun, Jiahong Xia, Yu Hu, Tiannan Guo, et al. Multi-organ proteomic landscape of COVID-19 autopsies. Cell, 184 (3), 775-791 (2021). DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.01.004

撰文|張智婷
審稿|洪維謙

About the author

張 智婷

張 智婷

畢業於台灣大學生化科技學系,研究專長為人類皮膚相關疾病及中草藥天然物分析,期望透過Investigator認識更多生醫領域愛好者並推廣生物科學。

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