Le COVID-19 est une maladie respiratoire affectant principalement les poumons. Cependant, le virus SRAS-CoV-2 qui cause le COVID-19 a surpris les médecins et les scientifiques en provoquant des complications vasculaires chez un pourcentage inhabituellement élevé de patients, c’est-à-dire des problèmes liés à la circulation sanguine, tels que des caillots sanguins, des crises cardiaques et des accidents vasculaires cérébraux.
Rudolf Jaenisch, membre fondateur du Whitehead Institute, et ses collègues voulaient comprendre comment ce virus respiratoire pouvait avoir des effets vasculaires aussi importants. Ils ont utilisé des cellules souches pluripotentes pour générer trois types de cellules vasculaires et périvasculaires pertinentes – des cellules qui entourent et aident à maintenir les vaisseaux sanguins – afin de pouvoir observer de près les effets du SRAS-CoV-2 sur les cellules.
Au lieu d’utiliser les méthodes existantes pour générer les cellules, les chercheurs ont développé une nouvelle approche, leur fournissant de nouvelles informations sur les mécanismes par lesquels le virus provoque des problèmes vasculaires.
Les chercheurs ont découvert que le SRAS-CoV-2 infecte principalement les cellules périvasculaires et que les signaux provenant de ces cellules infectées sont suffisants pour provoquer un dysfonctionnement des cellules vasculaires voisines, même lorsque les cellules vasculaires elles-mêmes ne sont pas infectées.
Dans leur article publié dans la revue Communications naturellesJaenisch, postdoctorant dans son laboratoire Alexsia Richards, professeur à l’Université Harvard et membre du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering David Mooney, puis postdoctorant dans les laboratoires Jaenisch et Mooney Andrew Khalil partagent leurs découvertes et présentent un système modèle évolutif dérivé de cellules souches avec pour étudier la biologie des cellules vasculaires et tester des thérapies médicales.
Un nouveau problème nécessite une nouvelle approche
Lorsque la pandémie de COVID-19 a commencé, Richards, virologue, s’est rapidement concentrée sur le SRAS-CoV-2. Khalil, bio-ingénieur, travaillait déjà sur une nouvelle approche pour générer des cellules vasculaires. Les chercheurs ont réalisé qu’une collaboration pourrait fournir à Richards l’outil de recherche dont elle avait besoin et à Khalil une question de recherche importante à laquelle son outil pourrait être appliqué.
Les trois types de cellules générés par l’approche de Khalil étaient les cellules endothéliales (les cellules vasculaires qui forment la paroi des vaisseaux sanguins) et les cellules musculaires lisses et les péricytes (les cellules périvasculaires qui entourent les vaisseaux sanguins et leur fournissent structure et entretien, entre autres fonctions). La plus grande innovation de Khalil a été de générer les trois types de cellules dans le même milieu, le mélange de nutriments et de molécules de signalisation dans lequel les cellules dérivées des cellules souches sont cultivées.
La combinaison des signaux dans le milieu détermine le type de cellule final dans lequel une cellule souche mûrira. Il est donc beaucoup plus facile de cultiver chaque type de cellule séparément dans un milieu spécialement adapté que de trouver un mélange qui fonctionne pour les trois.
En règle générale, explique Richards, les virologues génèrent un type de cellule souhaité en utilisant la méthode la plus simple, ce qui signifie cultiver chaque type de cellule, puis observer les effets de l’infection virale sur celui-ci de manière isolée. Cependant, cette approche peut limiter les résultats de plusieurs manières. Premièrement, il peut être difficile de distinguer les différences dans la façon dont les types de cellules réagissent à un virus des différences causées par les cellules cultivées dans différents milieux.
« En fabriquant ces cellules dans des conditions identiques, nous avons pu voir avec une résolution beaucoup plus élevée les effets du virus sur ces différentes populations cellulaires, ce qui était essentiel pour former une hypothèse solide sur les mécanismes de risque et de progression des symptômes vasculaires », Khalil dit.
Deuxièmement, l’infection de types de cellules isolées par un virus ne représente pas avec précision ce qui se passe dans le corps, où les cellules sont en communication constante lorsqu’elles réagissent à l’exposition virale. En effet, les travaux de Richards et Khalil ont finalement révélé que la communication entre les types de cellules infectées et non infectées joue un rôle essentiel dans les effets vasculaires du COVID-19.
« Le domaine de la virologie néglige souvent l’importance de considérer la manière dont les cellules influencent d’autres cellules et de concevoir des modèles pour refléter cela », explique Richards. « Les cellules ne sont pas infectées de manière isolée, et la valeur de notre modèle réside dans le fait qu’il nous permet d’observer ce qui se passe entre les cellules lors de l’infection. »
L’infection virale des cellules musculaires lisses a des effets indirects plus larges
Lorsque les chercheurs ont exposé leurs cellules au SRAS-CoV-2, les cellules musculaires lisses et les péricytes ont été infectés – les premières à des niveaux particulièrement élevés, et cette infection a entraîné une forte expression de gènes inflammatoires – mais les cellules endothéliales ont résisté à l’infection. Les cellules endothéliales ont montré une certaine réponse à l’exposition virale, probablement en raison d’interactions avec des protéines à la surface du virus. En règle générale, les cellules endothéliales se serrent étroitement pour former une barrière solide qui maintient le sang à l’intérieur des vaisseaux sanguins et empêche les virus d’en sortir.
Lorsqu’elles sont exposées au SRAS-CoV-2, les jonctions entre les cellules endothéliales semblent s’affaiblir légèrement. Les cellules présentaient également des niveaux accrus d’espèces réactives de l’oxygène, qui sont des sous-produits nocifs de certains processus cellulaires.
Cependant, de grands changements dans les cellules endothéliales ne se sont produits qu’après que les cellules ont été exposées à des cellules musculaires lisses infectées. Cela a déclenché des niveaux élevés de signalisation inflammatoire dans les cellules endothéliales. Cela a entraîné des changements dans l’expression de nombreux gènes pertinents pour la réponse immunitaire. Certains des gènes affectés étaient impliqués dans les voies de coagulation, qui épaississent le sang et peuvent ainsi provoquer des caillots sanguins et des événements vasculaires associés.
Les jonctions entre les cellules endothéliales ont connu un affaiblissement beaucoup plus important après une exposition à des cellules musculaires lisses infectées, ce qui entraînerait une fuite de sang et une propagation virale. Tous ces changements se sont produits sans que le SRAS-CoV-2 n’infecte les cellules endothéliales.
Ce travail montre que l’infection virale des cellules musculaires lisses, et la signalisation qui en résulte aux cellules endothéliales, est la cheville ouvrière des dommages vasculaires causés par le SRAS-CoV-2. Cela n’aurait pas été évident si les chercheurs n’avaient pas pu observer les cellules interagir les unes avec les autres.
Pertinence clinique des résultats des cellules souches
Les effets observés par les chercheurs étaient cohérents avec les données des patients. Certains des gènes dont l’expression a changé dans leur modèle dérivé de cellules souches ont été identifiés comme marqueurs de risque élevé de complications vasculaires chez les patients atteints de COVID-19 présentant des infections graves.
De plus, les chercheurs ont découvert qu’une souche ultérieure du SRAS-CoV-2, une variante omicron, avait des effets beaucoup plus faibles sur les cellules vasculaires et périvasculaires que la souche virale d’origine. Cela concorde avec les niveaux réduits de complications vasculaires observés chez les patients atteints de COVID-19 infectés par des souches récentes.
Après avoir identifié les cellules musculaires lisses comme site principal de l’infection par le SRAS-Cov-2 dans le système vasculaire, les chercheurs ont ensuite utilisé leur système modèle pour tester la capacité d’un médicament à prévenir l’infection des cellules musculaires lisses. Ils ont découvert que le médicament, le N, N-Diméthyl-D-érythrosphingosine, pouvait réduire l’infection du type cellulaire sans nuire aux muscles lisses ou aux cellules endothéliales.
Bien que la prévention des complications vasculaires du COVID-19 ne soit pas un besoin aussi urgent avec les souches virales actuelles, les chercheurs voient cette expérience comme la preuve que leur modèle de cellules souches pourrait être utilisé pour le développement futur de médicaments.
Les nouveaux coronavirus et autres agents pathogènes évoluent fréquemment, et lorsqu’un futur virus entraîne des complications vasculaires, ce modèle pourrait être utilisé pour tester rapidement des médicaments afin de trouver des thérapies potentielles alors que le besoin est encore élevé. Le système modèle pourrait également être utilisé pour répondre à d’autres questions sur les cellules vasculaires, sur la manière dont ces cellules interagissent et réagissent aux virus.
« En intégrant des stratégies de bio-ingénierie dans l’analyse d’une question fondamentale en pathologie virale, nous avons relevé d’importants défis pratiques dans la modélisation de la maladie humaine en culture et avons acquis de nouvelles connaissances sur l’infection par le SRAS-CoV-2 », explique Mooney.
« Notre approche interdisciplinaire nous a permis de développer un modèle amélioré de cellules souches pour l’infection du système vasculaire », explique Jaenisch, également professeur de biologie au Massachusetts Institute of Technology. « Notre laboratoire applique déjà ce modèle à d’autres questions d’intérêt, et nous espérons qu’il pourra constituer un outil précieux pour d’autres chercheurs. »
