科学家发现，新冠病毒S蛋白会诱导心肌线粒体代谢基因长期转录抑制，并导致心肌纤维化和收缩功能受损

德国乌尔姆大学医学中心的研究人员发文称，BA.5在人心肌细胞中的复制能力和对心肌细胞的损伤比BA.1更强，更类似德尔塔变异株，再次证实了新型冠状病毒可以感染并损害心肌细胞[1]。但是，新冠病毒损害心肌的具体机制仍不清楚。

近日，由美国南卡罗莱纳大学医学院副教授Wenbin Tan领衔的研究团队，在预印本平台bioRxiv发表的最新研究成果[2]，从机制上解答了我们的疑问。

他们发现，在高脂饮食诱导的肥胖小鼠体内，新冠病毒的S蛋白可以诱导心肌细胞线粒体代谢相关基因的长期转录抑制，并导致心肌纤维化和收缩能力损伤。这一发现让我们对新冠相关的心肌病有了更深入的认知。

▲ 论文首页截图

为了探索新冠导致心肌病的机制，Wenbin Tan团队基于早期原始新冠毒株构建了S蛋白假（Spp）病毒，并在人类皮肤毛细血管内皮细胞（HDMVECs）、巨噬细胞（MØ）和心肌细胞样H9C2细胞中开展研究。

基于上述三个细胞系，他们发现低密度脂蛋白胆固醇（LDL-c）与Spp的亲和力非常高，LDL-c可以联合细胞表面的B类1型清道夫受体（SR-B1）增强Spp进入细胞的能力，而SR-B1抑制剂BLT-1可以抑制LDL-c增强Spp进入细胞的能力。这也与之前的研究结果相一致[3]。

▲ LDL-c与SR-B1促进Spp病毒进入细胞

随后，Wenbin Tan团队在正常饮食（NCF）小鼠和高脂饮食（HFD）小鼠体内，研究了Spp病毒对心脏的选择性。

考虑到上一个实验发现LDL-c和SR-B1与Spp病毒进入细胞的效率密切相关，研究人员先分析了两组小鼠血清中LDL-c的水平，以及不同组织器官细胞表达SR-B1的情况。

毫无疑问的是，高脂饮食组小鼠血清中总胆固醇、LDL-c和极低LDL-c的水平明显高于正常饮食组小鼠。

SR-B1的表达情况让他们感到意外，与正常饮食组小鼠相比，高脂饮食组小鼠的心脏、脂肪组织和肾脏细胞SR-B1蛋白水平明显增加，而在肝脏、肺和脾脏细胞却没有增加。与之相对应的是，与正常饮食组小鼠相比，高脂饮食组小鼠在接种Spp病毒两小时后，病毒选择性地在心脏、肾脏、主动脉和脂肪组织中显著增加，而且24小时后仍在心脏、主动脉和脂肪组织中积累。

▲ 不同饮食模式下Spp病毒在不同组织器官中的水平

要知道，Wenbin Tan团队使用的Spp病毒是没有复制能力的，正常情况下，随着时间的推移，细胞内病毒水平应该是下降的。但是24小时后，心脏、主动脉和脂肪组织中的病毒水平仍在增加或处于较高水平。这也暗示，Spp病毒对这些组织的选择性极强。

接下来的问题是，Spp病毒选择性在心肌细胞中积累，对心肌细胞会产生什么影响。为了解答这个问题，Wenbin Tan团队从基因的差异表达（DE）水平探索了背后的潜在机制。

在正常饮食的小鼠中，与未接种Spp病毒的对照组相比，接种Spp病毒24小时后的小鼠心肌中有30个基因存在表达差异，其中19个上调，11个下调。他们认为正常饮食小鼠的变化之所以较温和，是因为24小时后，心脏的病毒几乎被清除殆尽[4]。

高脂饮食的小鼠基因表达变化就非常剧烈了，接种Spp病毒24小时之后，仍有548个基因与未接种病毒的高脂饮食小鼠存在表达差异，有434个基因与接种病毒的正常饮食小鼠存在表达差异。由此可见，Spp病毒对高脂饮食小鼠心肌基因表达的影响非常剧烈。

▲ Spp病毒对高脂饮食小鼠心肌细胞基因表达的影响

在上述研究的基础上，Wenbin Tan团队还探索了Spp病毒对心肌细胞基因表达和心肌本身的长期影响。

他们发现，在接种Spp病毒的3周后，正常饮食小鼠之间已经没有差异表达的基因了，但是高脂饮食小鼠仍存在209个差异表达基因，其中69个上调和140个下调。深入分析发现，下调的基因大多具有电子转移活性和质子跨膜转运活性，而上调的基因大多有GTP酶活性和GTP结合能力。

值得注意的是，涉及线粒体呼吸链（MRC）的三个基因家族被显著下调，包括ATP合成酶、NADH:泛醌氧化还原酶家族（NDUFs）和细胞色素c氧化酶（COX）。

▲ Spp病毒对心肌细胞线粒体呼吸链的影响

在接种Spp病毒6周后，Wenbin Tan团队观察了小鼠心脏纤维化的情况。正常饮食小鼠，无论是否接种过病毒，6周后两组小鼠心脏的纤维化情况没有差异。而接种Spp病毒的高脂饮食小鼠，心肌明显出现纤维化。

▲ 6周后心肌纤维化情况

在接种后24周的时候，Wenbin Tan团队通过超声研究了小鼠的心脏功能。

他们发现，与年龄匹配的高脂饮食对照组相比，接种Spp病毒24周时高脂饮食小鼠的心脏射血分数（EF）和缩短分数（FS）显著下降，而左心室收缩末期直径和容积则显著增加。这表明，心肌收缩能力降低，心肌出现损伤。

总的来说，Wenbin Tan团队的这项研究表明，LDL-c可以增强病毒进入细胞的能力，高脂饮食诱导的肥胖可以导致病毒在心脏、主动脉和脂肪组织中的选择性积累；随后病毒的S蛋白引起线粒体呼吸链基因家族的长期转录抑制，导致心肌代谢异常；最后是心肌纤维化增加，功能受损。

巧合的是，几乎在同一时间，哈佛大学David R. Walt和Lael M. Yonker团队在《循环》上发表的一项研究成果，将mRNA疫苗相关心肌炎的矛头也指向了S蛋白[5]。

▲ 论文首页截图

这项研究发现，在接种mRNA疫苗后发生心肌炎的青少年和年轻成年人的血液中，可以检测到未被抗体结合的游离全长S蛋白，而没有心肌炎的群体中，检测不到游离S蛋白[5]。不难看出，这个研究在一定程度上佐证了Wenbin Tan团队发现的心肌受损机制。

心脏损伤和心肌病作为新型冠状病毒感染的常见并发症，已经被科学家重点关注。今天介绍的两个研究都表明，S蛋白可能在其中发挥着重要的作用。不过，由于S蛋白是新冠病毒变异最快的部分，不同亚型的新冠病毒是否存在类似的机制，还需要更多的研究。

无论如何，感染新冠病毒康复之后，咱们还是要注意休息，给身体更多的修复时间。

祝所有的感染者早日康复。

参考文献：

[1].Nchioua R, Diofano F, Noettger S, et al. Strong attenuation of SARS-CoV-2 Omicron BA.1 and increased replication of the BA.5 subvariant in human cardiomyocytes. Signal Transduct Target Ther. 2022;7(1):395. doi:10.1038/s41392-022-01256-9

[2].Xiaoling Cao, Vi Nguyen, Joseph Tsai, et al. The SARS-CoV-2 Spike protein induces long-term transcriptional perturbations of mitochondrial metabolic genes, causes cardiac fibrosis, and reduces myocardial contractile in obese mice. bioRxiv 2023.01.05.522853; doi: https://doi.org/10.1101/2023.01.05.522853

[3].Wei C, Wan L, Yan Q, et al. HDL-scavenger receptor B type 1 facilitates SARS-CoV-2 entry. Nat Metab. 2020;2(12):1391-1400. doi:10.1038/s42255-020-00324-0

[4].Cao X, Tian Y, Nguyen V, et al. Spike protein of SARS-CoV-2 activates macrophages and contributes to induction of acute lung inflammation in male mice. FASEB J. 2021;35(9):e21801. doi:10.1096/fj.202002742RR

[5].Yonker LM, Swank Z, Bartsch YC, et al. Circulating Spike Protein Detected in Post-COVID-19 mRNA Vaccine Myocarditis. Circulation. 2023. doi:10.1161/CIRCULATIONAHA.122.061025