1. Wstęp

Pandemie COVID-19 były świadkiem eksplozji badań w dziedzinie immunometabolizmu, które ujawniły, że podobne mechanizmy regulują odpowiedź gospodarza na infekcje, autoimmunizację i raka. Nowe narzędzia obrazowania Ramana, które przedstawiamy w tym artykule, otwierają ekscytujące możliwości nowych sposobów zrozumienia szlaków naszych odpowiedzi immunologicznych, rozpoznawania metabolitów regulujących te szlaki i sugerują, jak możemy je wykorzystać do optymalizacji szczepień w celu stymulowania warunków adaptacyjnego układu odpornościowego.

Wybuch pandemii w 2019 r. wirusa SARS-COV-2 wywołujący zespół ostrej niewydolności oddechowej spowodował 230 418 451 potwierdzonych przypadków COVID-19, w tym 4 724 876 zgonów zgłoszonych do WHO. Do dnia 23 września 2021 r. podano łącznie 5 874 934 542 dawki szczepionki [ 1 ]. W odpowiedzi na pilną potrzebę szczepionki, firmy farmaceutyczne, w tym Pfizer/BioNT, w 2020 roku zaproponowały szczepionki oparte na technologii mRNA. Szczepionka Pfizer/BioNT (BNT162b2) jest skuteczna w ponad 90% przeciwko COVID-19 [ 2 ].

Aby dostać się do komórek gospodarza, wirus SARS-COV-2 wykorzystuje białko powierzchniowe S, tak zwane białko kolca (białko kolca). Szczepionki oparte na technologii mRNA są przeznaczone do wytwarzania przeciwciał przeciwko białku kolce. Szczepionki mRNA to szczepionki, w których kwas rybonukleinowy (RNA) jest używany jako matryca do produkcji białek wirusowych. Białka te mają za zadanie wywołać produkcję przeciwciał, które są następnie przenoszone do układu odpornościowego gospodarza.

W artykule przedstawiamy wpływ szczepionek mRNA na komórki glejowe mózgu, które są zaangażowane w naciekanie mikrośrodowiska guza, przy użyciu nowatorskiego nieinwazyjnego narzędzia, takiego jak obrazowanie Ramana. Tutaj pokazujemy, że obrazowanie ramanowskie ujawnia nowe możliwości w zakresie roli podstawowych mechanizmów patologii raka i wpływu szczepionek mRNA. Dzięki temu podejściu można monitorować interakcje w mikrośrodowisku guza i mechanizmy związane z odpowiedzią immunologiczną.

Spektroskopia Ramana i obrazowanie umożliwiające ilościowe i nieinwazyjne monitorowanie zmian wewnątrzkomórkowych bez konieczności stosowania markerów zewnętrznych. Tradycyjne metody biologii molekularnej wymagają niszczenia błon komórkowych i izolacji składników wewnątrzkomórkowych w celu zbadania zmian biochemicznych wewnątrz komórek. W obrazowaniu ramanowskim nie musimy niszczyć komórek, aby poznać skład biochemiczny struktur wewnątrzkomórkowych (organelli komórkowych). Śledzenie zmian w składzie biochemicznym poszczególnych organelli jest niezwykle cenne w ustalaniu molekularnych mechanizmów rozwoju raka i mechanizmów infekcji. Do tej pory żadna technologia nie okazała się skuteczna w wykrywaniu stężenia określonych związków w oddzielnych organellach komórkowych. W związku z tym,

Skoncentrujemy się na normalnych i nowotworowych komórkach glejowych po inkubacji ze szczepionką mRNA. Powodem jest to, że choroby nowotworowe są najpoważniejszą przyczyną zgonów, przewyższając choroby serca, udary, zapalenie płuc i COVID-19. Chociaż w tej chwili nie ma szczepionki przeciwko większości nowotworów, szybki rozwój szczepionek mRNA może pomóc w opracowaniu szczepionek przeciwnowotworowych.

Ogłoszenie skutecznych i bezpiecznych szczepionek na COVID-19 zostało przyjęte z entuzjazmem. Według zebranych danych szczepionki stosowane obecnie w globalnej kampanii szczepień (3,36 miliarda dawek podano w 180 krajach [ https://www.bloomberg.com/graphics/covid-vaccine-tracker-global-distribution/ ).

Chociaż szczepionki przeciw COVID-19 niosą potencjalną nadzieję na powrót do pewnego rodzaju normalności, wiele podstawowych mechanizmów, za pomocą których szczepionki mRNA wywołują silne reakcje, jest wciąż nie do końca poznane i należy je kontynuować [ 2 ]. Szczepionka mRNA kodująca białko kolce COVID-19 (S) kapsułkowane w nanocząsteczkach lipidowych dostaje się do komórek dendrytycznych (DC) w miejscu wstrzyknięcia lub w węzłach chłonnych, co skutkuje wytwarzaniem wysokiego poziomu białka S.

Niemniej jednak wciąż jest wiele do nauczenia się. Nie jest jasne, która specyficzna aktywacja komórki najbardziej przyczynia się do skuteczności szczepionki, a jaka aktywacja może hamować wytwarzanie odporności nabytej lub prowadzić do słabej tolerancji szczepionki [ 3 ].

Istnieją kontrowersje dotyczące szkodliwego wpływu białka S kolce wytwarzanego przez szczepienie COVID-19 i skutków długoterminowych. Naukowcy ostrzegają, że szczepionka Pfizer-BioNTech przeciwko koronawirusowi 2019 (COVID-19) indukuje złożone przeprogramowanie wrodzonych odpowiedzi immunologicznych, które należy wziąć pod uwagę przy opracowywaniu i stosowaniu szczepionek opartych na mRNA. Istnieją również kontrowersje dotyczące biodystrybucji szczepionek mRNA. Zostało zgłoszone [ 4], że szczepionki domięśniowe (którą jest szczepionką Pfizer/BioNT) u makaków (rodzaj małpy) pozostają w pobliżu miejsca wstrzyknięcia (mięsień ramienia) i lokalnych węzłów chłonnych, gdzie wytwarzane są białe krwinki i przeciwciała w celu ochrony przed chorobą. Układ limfatyczny, węzły chłonne również oczyszczają płyny i usuwają odpady. Podobne wyniki uzyskano dla szczepionki mRNA przeciwko wirusom grypy H10N8 i H7N9 u myszy [ 4 ]. Jednak ostatnie wyniki dotyczące interakcji między układem odpornościowym a białkami wirusowymi, które indukują odporność na COVID-19, mogą być bardziej złożone niż wcześniej sądzono [ 5]. Znaleziono dowody na to, że kolce białka S COVID-19 pozostają nie tylko w pobliżu miejsca wstrzyknięcia, ale także krążą we krwi. Białka COVID-19 mierzono w podłużnych próbkach osocza pobranych od 13 uczestników, którzy otrzymali dwie dawki szczepionki mRNA-1273. 11 z 13 uczestników wykazało wykrywalne poziomy białka COVID-19 już pierwszego dnia po pierwszym wstrzyknięciu szczepionki. Usuwanie wykrywalnego białka COVID-19 korelowało z produkcją IgG i IgA [ 6 ].

W świetle ostatnich wyników ważne jest, aby mieć świadomość, że kolce białka S wytwarzane przez nowe szczepionki mRNA COVID-19 mogą również bezpośrednio wpływać na komórki gospodarza z długofalowymi konsekwencjami. W związku z tym należy monitorować biodystrybucję i lokalizację białka S wypustki ze szczepionek mRNA oraz wpływ białka S wypustki COVID-19 na ludzkie komórki gospodarza in vitro oraz odpowiednie eksperymentalne modele zwierzęce.

W tym artykule skupimy się na ośrodkowym układzie nerwowym (OUN), ponieważ oprócz zapalenia płuc i ostrej niewydolności oddechowej, COVID-19 wiąże się z wieloma objawami związanymi z OUN, w tym utratą smaku i węchu, bólami głowy, drganiami. drgawki, splątanie, zaburzenia widzenia, nerwobóle, zawroty głowy, zaburzenia świadomości, nudności i wymioty, porażenie połowicze, ataksja, udar i krwotok mózgowy [ 7 ].

Nie jest jasne, czy koronawirus ciężkiego ostrego zespołu oddechowego, który powoduje COVID-19, może dostać się do mózgu. Postulowano, że niektóre objawy COVID-19 mogą być spowodowane bezpośrednim działaniem wirusa na OUN; na przykład objawy ze strony układu oddechowego mogą być częściowo spowodowane inwazją COVID-19 do ośrodków oddechowych mózgu [ 8 , 9 ]. Zapalenie mózgu zostało również zgłoszone w COVID-19 i może być wynikiem przedostania się wirusa lub białek wirusowych do mózgu [ 7 , 10 ].

mRNA COVID-19 został odzyskany z płynu mózgowo-rdzeniowego [ 11 ], co sugeruje, że może on przekraczać barierę krew-mózg (BBB). Inne koronawirusy, w tym blisko spokrewniony wirus SARS, który spowodował wybuch epidemii w latach 2003–2004, są w stanie przejść przez BBB [ 12 ], a COVID-19 może infekować neurony w modelu sfery mózgowej [ 13 ]. Jednak COVID-19 może wywoływać zmiany w OUN bez bezpośredniego przekraczania BBB, ponieważ COVID-19 jest związany z burzą cytokin, a wiele cytokin przechodzi przez BBB, aby wpływać na funkcję OUN [ 9 ]. Stwierdzono, że COVID-19 dociera do mózgu, infekuje astrocyty i wywołuje zmiany neuropatologiczne, które przyczyniają się do strukturalnych i funkcjonalnych zmian w mózgu pacjentów z COVID-19 .]. Naukowcy wyrazili obawę, że nanocząsteczki lipidów (LNP), które mogą szybko dyfundować, mogą potencjalnie uzyskać dostęp do ośrodkowego układu nerwowego (OUN) przez opuszkę węchową lub krew. Należy to jednak ustalić w dalszych badaniach. Należy również zbadać rolę odpowiedzi pamięci wrodzonej na LNP [ 15 ].

Wizualizacja zmian w pojedynczych komórkach po dostarczeniu szczepionek mRNA pomogłaby w ocenie skuteczności preparatów kandydatów i pomogłaby w ich racjonalnym projektowaniu do badań przedklinicznych i translacyjnych. Tutaj pokazujemy, że obrazowanie ramanowskie pozwala na ilościowe i nieinwazyjne monitorowanie odpowiedzi na szczepionkę mRNA w określonych organellach bez żadnego znakowania.

W tym artykule będziemy badać implikacje dla możliwych konsekwencji szczepionki mRNA COVID-19 (Pfizer/BioNT BNT162b2) na ośrodkowy układ nerwowy (OUN). Przebadaliśmy już szczegółowo biochemiczne zmiany w określonych organellach komórek mózgowych w porównaniu z agresywnością raka. [ 16,17 ]