La muerte celular inflamatoria dependiente de ZBP1, la PANoptosis y la tormenta de citoquinas interrumpen la eficacia terapéutica del IFN durante la infección por coronavirus
El coronavirus del síndrome respiratorio agudo severo 2 (SARS-CoV-2), el virus responsable de la enfermedad por coronavirus 2019 (COVID-19), sigue causando una importante morbilidad y mortalidad en la actual pandemia mundial. Comprender los mecanismos fundamentales que rigen las respuestas inmunitarias e inflamatorias innatas durante la infección por SARS-CoV-2 es fundamental para desarrollar estrategias terapéuticas eficaces. Aunque en general se espera que las terapias basadas en IFN sean beneficiosas durante la infección viral, los ensayos clínicos en COVID-19 han mostrado una eficacia limitada y posibles efectos perjudiciales del tratamiento con IFN durante la infección por SARS-CoV-2. Sin embargo, los mecanismos subyacentes responsables de este fracaso siguen siendo desconocidos. En este estudio, encontramos que el IFN indujo la muerte celular inflamatoria mediada por ZBP1, PANoptosis, en macrófagos humanos y murinos y en los pulmones de ratones infectados con β-coronavirus, incluyendo el SARS-CoV-2 y el virus de la hepatitis del ratón (MHV).
En los pacientes con COVID-19, la expresión del sensor inmunitario innato ZBP1 aumentó en las células inmunitarias de los que sucumbieron a la enfermedad en comparación con los que se recuperaron, lo que sugiere además una relación entre ZBP1 y la patología. En ratones, el tratamiento con IFN-β tras la infección por β-coronavirus aumentó la letalidad, y la deleción genética de Zbp1 o de su dominio Zα suprimió la muerte celular y protegió a los ratones de la letalidad mediada por IFN durante la infección por β-coronavirus. En general, nuestros resultados identifican que la ZBP1 inducida durante la infección por coronavirus limita la eficacia de la terapia con IFN al impulsar la muerte celular inflamatoria y la letalidad. Por lo tanto, la inhibición de la actividad de ZBP1 puede mejorar la eficacia de la terapia de IFN, allanando el camino para el desarrollo de nuevas y críticamente necesarias terapias para COVID-19, así como otras infecciones y condiciones inflamatorias donde se produce la muerte celular mediada por IFN y la patología.
La enfermedad por coronavirus 2019 (COVID-19), causada por la infección por el coronavirus del síndrome respiratorio agudo severo 2 (SARS-CoV-2), ha provocado una importante mortalidad, morbilidad y malestar socioeconómico y psicológico a nivel mundial (1, 2). Los casos graves de COVID-19 se caracterizan por un síndrome de dificultad respiratoria aguda (SDRA), fallo multiorgánico y muerte (3, 4). La inmunidad innata es la primera línea de defensa del huésped contra los virus invasores, incluido el SARS-CoV-2. Los receptores celulares conservados en las células inmunitarias innatas detectan el ADN y el ARN virales e inducen rápidamente la producción de interferón (IFN), que posteriormente regula al alza numerosos genes estimulados por el IFN (ISG) para limitar la replicación viral (5, 6). Sin embargo, el SARS-CoV-2 puede evadir las respuestas antivirales interfiriendo activamente en la producción de IFN (7-17), y el suero de los pacientes con COVID-19 leve y moderado tiene niveles similares de IFN de tipo I y III en comparación con los pacientes sanos (18). Para contrarrestar estos mecanismos de evasión, el tratamiento con IFN se ha considerado como una opción terapéutica para los pacientes con COVID-19. En estudios preclínicos, el tratamiento con IFN de tipo I exógeno o con agonistas que inducen el IFN de tipo I reduce la carga viral cuando se administra antes de la infección por el SARS-CoV-2, pero este efecto es limitado una vez establecida la infección (19-22). Estas observaciones sugieren que las terapias basadas en el IFN tienen un potencial profiláctico, pero terapéutico limitado. Además, el uso de terapias basadas en IFN en el tratamiento de pacientes con COVID-19 ha dado resultados mixtos (23, 24). El ensayo clínico del Consorcio del Ensayo de Solidaridad de la OMS descubrió que el tratamiento con IFN de tipo I no es beneficioso para tratar la infección por SARS-CoV-2 (23). Además, un estudio retrospectivo descubrió que si bien la administración de IFN-α2b dentro de los 5 días de la hospitalización se asocia con una disminución de la mortalidad, la administración posterior se asocia con un aumento de la mortalidad (24). También se ha informado de que los pacientes con COVID-19 grave tienen mayores niveles de IFN en el suero en comparación con los que tienen una infección leve (25). En conjunto, estos hallazgos indican que la terapia basada en el IFN sólo puede ser beneficiosa para un determinado subgrupo de pacientes cuando se administra en una fase temprana de la infección, y debe equilibrarse para evitar efectos patógenos. Sin embargo, determinar el marco temporal óptimo para un tratamiento con IFN seguro y eficaz es un reto. Por lo tanto, es esencial conocer mejor los mecanismos moleculares de la señalización del IFN durante la infección por SARS-CoV-2 para informar los protocolos clínicos y mejorar la eficacia de la terapia con IFN en COVID-19.
La señalización del IFN tiene múltiples funciones en respuesta a la infección viral. Además de inducir ISGs que tienen propiedades antivirales (26), la señalización de IFN también regula al alza ISGs que desencadenan la muerte celular (27, 28). En la COVID-19, existe un bucle de retroalimentación positiva entre la muerte celular excesiva y la señalización de IFN que conduce a la tormenta de citoquinas, contribuyendo al daño multiorgánico así como a las características clínicas de la enfermedad y a la mortalidad (4, 29). Por lo tanto, es importante entender la conexión entre el IFN, la muerte celular y la patología durante la infección por SARS-CoV-2 para identificar formas de maximizar la eficacia de las estrategias terapéuticas basadas en el IFN.
Un ISG crítico que desempeña un papel en la muerte celular durante otras infecciones virales es ZBP1, y recientemente se han descubierto sus complejas funciones en la inmunidad innata y la muerte celular inflamatoria. Durante la infección viral o el tratamiento con IFN-β, ZBP1 se regula al alza de forma dependiente de IFNAR (28, 30). La detección de ácidos Z virales y endógenos por parte del dominio Zα de ZBP1 permite que ZBP1 interactúe con RIPK3 a través de interacciones homotípicas RHIM-RHIM, activando así la muerte celular inflamatoria (28, 30-33). En cambio, la regulación al alza de ZBP1 por el tratamiento con IFN-β no es suficiente para inducir la muerte celular (28). Se desconoce si ZBP1 tiene un papel en la conducción de la patología durante la COVID-19 grave o si tiene un impacto en la eficacia de las terapias basadas en IFN. Aquí, utilizando el cribado CRISPR/CAS9 knockout y el análisis de múltiples conjuntos de datos RNAseq disponibles públicamente, identificamos ZBP1 como un sensor citosólico crítico que impulsa la muerte celular inflamatoria en respuesta a la terapia de IFN durante las infecciones por β-coronavirus, incluyendo el SARS-CoV-2 y las infecciones por el virus de la hepatitis del ratón (MHV). El tratamiento con IFN-β durante las infecciones por SARS-CoV-2 y MHV indujo una fuerte muerte celular inflamatoria dependiente de ZBP1 en los macrófagos.
Además, el análisis transcriptómico de una sola célula demostró que ZBP1 se expresaba más abundantemente en las células inmunitarias de los pacientes que sucumbieron al COVID-19 que en los que se recuperaron sin necesidad de hospitalización. Además, la deleción genética de Zbp1 o de su dominio Zα protegió a los ratones de la letalidad inducida por el tratamiento con IFN durante la infección por β-coronavirus. Estos resultados sugieren que la inhibición de la actividad de ZBP1 podría mejorar la eficacia del tratamiento con IFN durante la infección por β-coronavirus.
Además, el análisis transcriptómico de una sola célula demostró que ZBP1 se expresaba más abundantemente en las células inmunitarias de los pacientes que sucumbieron al COVID-19 que en los que se recuperaron sin necesidad de hospitalización. Además, la deleción genética de Zbp1 o de su dominio Zα protegió a los ratones de la letalidad inducida por el tratamiento con IFN durante la infección por β-coronavirus. Estos resultados sugieren que la inhibición de la actividad de ZBP1 podría mejorar la eficacia del tratamiento con IFN durante la infección por β-coronavirus. Esta mejora en la comprensión de los mecanismos fundamentales implicados por los receptores inmunitarios innatos en la inducción de respuestas inflamatorias y muerte celular durante la infección por el SARS-CoV-2 es esencial para informar el desarrollo de estrategias terapéuticas eficaces para el tratamiento no sólo del COVID-19, sino también de otras infecciones y enfermedades inflamatorias.
IFN response is delayed during infection with β-coronavirus
Understanding
the differentially regulated pathways in patients with varying
severities of COVID-19 is critical to identify the molecular mechanisms
that drive pathogenesis of severe SARS-CoV-2 infection. Using a publicly
available dataset, we performed pathway analysis to determine the
differentially regulated pathways in non-critically ill (NCI) and
critically ill (CI) patients with COVID-19 (
34).
We found that the IFN alpha and IFN gamma response pathways were highly
enriched in both NCI and CI patients with COVID-19 compared with
healthy patients (
Figure S1A). Moreover, among the hallmark pathways (
35,
36), IFN alpha response was the topmost enriched pathway in CI patients compared with NCI patients with COVID-19 (
Fig. 1A).
We also analyzed the IFN responses to determine differentially
regulated ISGs during SARS-CoV-2 infection. Several ISGs were
up-regulated in CI patients with COVID-19 compared with healthy patients
or NCI patients with COVID-19 (
Figure S1B). Among the ISGs up-regulated, most of them, including
BATF2, PARP9, DDX60, IFIT3 and IFI44, have been reported to have antiviral properties (
26,
37,
38), while some are involved in inducing cell death, such as
EIF2AK2 (
27)
and ZBP1 (
28,
30,
32).
However, pathway analysis of whole blood transcriptomes showed that IFN
responses in patients with COVID-19 were not as robust as in patients
with influenza or sepsis (
39) (
Figure S2). Since IFNs can have both beneficial and detrimental effects depending on the context (
40),
we sought to determine the effect of IFNs on cell death during
infections with β-coronaviruses and influenza A virus (IAV). Murine bone
marrow-derived macrophages (BMDMs) infected with MHV, a prototypical
virus of the β-coronavirus genus that mimics many of the key aspects of
human β-coronavirus biology, showed delayed dynamics of IFN-β release
and STAT1 activation, and reduced ISG up-regulation compared with
IAV-infected cells (
Fig. 1B and 1C). We also found that SARS-CoV-2–infected human THP-1 cells showed delayed IFN responses compared with IAV-infected cells
(Fig. 1B and 1C). Additionally, analysis of a public dataset (
41)
showed early induction of both IFN-α and IFN-γ responses in the lung
tissue-derived epithelial cell line Calu-3 upon infection with IAV
compared with Calu-3 cells infected with SARS-CoV-2 (
Fig. 1D). Moreover, patients with COVID-19 are known to exhibit markedly delayed IFN induction (
39). Altogether, these data suggest that IFN responses are delayed during β-coronavirus infection.
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https://www.science.org/doi/10.1126/sciimmunol.abo6294?utm_campaign=SciMag&utm_source=Social&utm_medium=Twitter&
as vacunas siguen siendo el mejor enfoque para acabar con la pandemia de COVID-19 (69). Sin embargo, la eficacia de las vacunas se ve cuestionada por la aparición de nuevas variantes del SARS-CoV-2 (70). El uso de fármacos, como los antivirales remdesivir, la combinación de nirmatrelvir y ritonavir y el molnupiravir, así como los agentes antiinflamatorios o inmunomoduladores, como la dexametasona, el tocilizumab y el baricitinib, han demostrado mejorar los resultados en pacientes con COVID-19 (71-75). Sin embargo, estos agentes suelen proporcionar beneficios limitados a un subconjunto de pacientes, y la disponibilidad global es inadecuada; la morbilidad y la mortalidad causadas por la COVID-19 siguen siendo elevadas (1). Dada la potencia de los IFN en el control de la replicación viral, se han iniciado varios ensayos clínicos con IFN solos o en combinación con otros fármacos antivirales para tratar a los pacientes infectados por el SARS-CoV-2. Los coronavirus, incluidos el SARS-CoV-2 y el MHV, inducen una respuesta retardada de los IFN (19), por lo que es probable que los virus se repliquen activamente para establecer la infección. Sin embargo, los datos preclínicos han demostrado que esta respuesta retardada puede superarse mediante el tratamiento con IFN exógenos o agonistas inductores de IFN (19). Los beneficios observados de las respuestas tempranas de IFN tipo I inducidas por algunos agonistas en modelos preclínicos sugieren que las terapias basadas en IFN pueden ser eficaces para la prevención y el tratamiento de la COVID-19 (19-22, 76, 77). Sin embargo, el uso de la terapia con IFN, que actúa disminuyendo la replicación viral, ha mostrado respuestas mixtas en los ensayos clínicos (23, 24, 78-83). Un reciente ensayo clínico doble ciego y controlado con placebo (ACTT-3) no mostró diferencias significativas en los resultados de los pacientes con la combinación de IFN-β-1a más remdesivir en comparación con el remdesivir solo, lo que sugiere que no hay beneficios clínicos de la terapia con IFN en los pacientes con COVID-19 (23). Además, los pacientes que requirieron oxígeno suplementario o ventilación no invasiva tendieron a desarrollar resultados adversos, particularmente el empeoramiento de la función respiratoria, en respuesta a la administración de IFN-β-1a en este ensayo (23). Es posible que el tratamiento con IFN aumente la respuesta inflamatoria, provocando una enfermedad respiratoria más grave en estos pacientes.
In vivo, los pulmones de los ratones infectados por el MHV presentaban una mayor infiltración de células inmunitarias, niveles de citoquinas inflamatorias y PANoptosis en respuesta al tratamiento con IFN en comparación con el tratamiento con PBS, y los ratones tratados con IFN tenían más probabilidades de sucumbir a la infección. Se observó una supervivencia similar en los ratones infectados por el SARS-CoV-2, en los que el tratamiento con IFN aumentó significativamente la mortalidad. In vitro, los BMDM infectados por el MHV o los monocitos infectados por el SARS-CoV-2 mostraron un aumento de la PANoptosis tras el tratamiento con IFN en comparación con el tratamiento simulado. Los BMDMs o las células THP-1 fueron tratados con IFN-β después de 5 horas de infección por MHV o SARS-CoV-2. Sin embargo, en este estudio no se ha investigado el efecto del tratamiento con IFN-β en diferentes momentos tras la infección por β-coronavirus, y los resultados pueden cambiar en función del momento en que se administre el tratamiento con IFN-β. Además, la dosis de IFN-β es otro factor que puede influir en el resultado. Además, dado que las células epiteliales son las células primarias que son infectadas por β-coronavirus, los trabajos futuros para determinar la activación de la PANoptosis en tipos celulares distintos de las células mieloides, como las células epiteliales y endoteliales, proporcionarían información adicional sobre los tipos celulares que responden a los IFN y son responsables de impulsar los efectos perjudiciales durante las infecciones por β-coronavirus. Además, la PANoptosis en los macrófagos activa las moléculas formadoras de poros GSDMD y GSDME durante la infección por SARS-CoV-2, pero es posible que estas moléculas tengan funciones independientes de la PANoptosis en ciertos tipos celulares. Por ejemplo, la alta expresión de GSDMD se ha asociado con estructuras de trampas extracelulares de neutrófilos (NET) en los pulmones de pacientes con COVID-19. La inhibición farmacológica de la GSDMD mediante el tratamiento con el inhibidor disulfiram reduce la liberación de NET y el daño orgánico en un modelo de ratón de infección por SARS-CoV-2, lo que sugiere que la NETosis dependiente de la GSDMD desempeña un papel crítico en la inmunopatología de la COVID-19 (84). Estas funciones requieren más estudios.
Los FN se sinergizan con el TNF para inducir la muerte de las células inflamatorias, lo que provoca daños en órganos y tejidos en modelos de ratón asociados a la tormenta de citoquinas (4, 43). Además, los IFN pueden dañar la barrera epitelial pulmonar y perjudicar la regeneración epitelial pulmonar durante la infección viral (85). Además, el tratamiento con IFN induce la expresión sostenida de ISGs (19), que incluyen tanto moléculas antivirales como moléculas impulsoras de la muerte celular inflamatoria, como ZBP1. No todos los pacientes infectados por el SARS-CoV-2 mostraron un aumento de la respuesta al IFN y de la expresión de ZBP1. Sin embargo, observamos que los pacientes críticos con COVID-19 mostraron un aumento de las respuestas de IFN y de la expresión de ZBP1 en comparación con los pacientes no críticos con COVID-19, lo que sugiere que los IFN y ZBP1 están asociados con la progresión de la enfermedad y la mortalidad. De hecho, la pérdida de ZBP1 protegió sustancialmente a los ratones infectados por β-coronavirus del daño pulmonar, la tormenta de citoquinas y la letalidad durante el tratamiento con IFN, lo que pone de manifiesto el efecto perjudicial de ZBP1 en la progresión de la enfermedad. Por lo tanto, el uso de la terapia con IFN en pacientes infectados con SARS-CoV-2 imitaría la expresión aumentada y sostenida de ZBP1 observada en los pacientes críticos con COVID-19, lo que podría dar lugar a daños multiorgánicos, tormenta de citoquinas y mortalidad en los pacientes. En contraste con su papel en respuesta al tratamiento con IFN durante la infección por β-coronavirus, observamos que ZBP1 era crítico para la defensa del huésped contra la infección por IAV independientemente del tratamiento con IFN. Esto se debe probablemente a la capacidad del IAV de inducir respuestas rápidas de IFN y la expresión de ZBP1, que facilita la eliminación viral a través de mecanismos moleculares que incluyen la muerte celular inflamatoria dependiente de ZBP1 (30, 86, 87). Sin embargo, además de eliminar el virus, la muerte celular inflamatoria desregulada conduce a una tormenta de citoquinas y a daños en los órganos (4, 43). En particular, los ratones infectados por el MHV sucumbieron a la infección tras el tratamiento con IFN, a pesar de que el IFN debería inhibir la replicación viral, lo que sugiere que la muerte de las células inflamatorias, más que el virus, es la responsable de los efectos patológicos. Sin embargo, estos efectos patológicos consecuentes del tratamiento con IFN durante la infección por β-coronavirus pueden bloquearse inhibiendo la actividad de ZBP1. Por lo tanto, la inhibición de la actividad de ZBP1 puede mejorar los efectos beneficiosos de la terapia con IFN-β durante la infección por β-coronavirus. Además, los efectos secundarios y los inconvenientes asociados a la administración exógena de IFN pueden superarse mediante la administración de agonistas que activan las vías de detección del ADN, como cGAS y STING, o las vías de detección del ARN, como MDA5, RIG-I y MAVS, para producir IFN de forma endógena (19-22). La producción sostenida y tardía de IFN inducida por la vía cGAS-STING también contribuye a las respuestas colaterales del huésped y al daño tisular que conduce a la letalidad en los ratones infectados por el SARS-CoV-2 (88), lo que podría deberse a la muerte celular inflamatoria dependiente de ZBP1, y estos factores deberían tenerse en cuenta al diseñar estrategias terapéuticas.
En general, nuestros resultados sugieren que los tratamientos basados en IFN para la COVID-19 se enfrentan a retos terapéuticos debido a la muerte celular inflamatoria mediada por ZBP1 que contribuye a la tormenta de citoquinas, al daño tisular y, en última instancia, a la letalidad. Por lo tanto, las estrategias combinadas que bloquean el ZBP1 al mismo tiempo que proporcionan un tratamiento con IFN pueden ser beneficiosas para los resultados de los pacientes y deben ser objeto de más investigación y desarrollo. Esta mejor comprensión de las bases mecánicas de la detección inmunitaria innata, la patología mediada por el IFN y la muerte de las células inflamatorias durante la infección por el SARS-CoV-2 informa el desarrollo terapéutico de COVID-19 y proporciona detalles moleculares fundamentales que deberían evaluarse en todas las interferonopatías.
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Hay tres tipos principales de interferones: el interferón alfa, el interferón beta y el interferón gamma.
https://www.cancer.gov/espanol/publicaciones/diccionarios/diccionario-cancer/def/interferon
