ویروس کرونا چگونه به کلیه‌ها آسیب می‌زند؟

عوارض کلیوی از شایع‌ترین و شدیدترین علائم مرتبط با کووید ۱۹ هستند. برآوردها نشان می‌دهد ۳۰ درصد از افرادی که به‌دلیل عفونت شدید کووید در بیمارستان بستری می‌شوند و ۵۰ درصد از افرادی که بعدا در بخش مراقبت‌های ویژه بستری می‌شوند، آسیب کلیوی را تجربه می‌کنند. حتی افرادی که قبلا سالم بوده‌اند و دچار عفونت‌های خفیف می‌شوند، ممکن است بعدا نشانه‌های آسیب کلیوی را نشان دهند. این آسیب با افزایش سطح پروتئین در ادرار و خون آشکار می‌شود.

باوجود شیوع بالای عوارض کلیوی، نرخ عمل‌های پیوند کلیه در ماه‌های اولیه دنیاگیری به‌دلیل افزایش اقدامات احتیاطی به‌منظور کسب اطمینان از سلامت کلیه‌های اهدایی به‌طور چشمگیری کاهش پیدا کرد. اگرچه اکنون که نرخ پیوند مجددا افزایش پیدا کرده است، هنوز نیاز است پیامدهای پایدار آسیب کلیوی ناشی از کووید ۱۹ و فشار احتمالی که بر سیستم‌های بهداشتی وارد خواهد کرد، درنظر گرفته شود.

به لطف مقاله اخیری از پژوهشگران دانشگاه دوک، به درک این مسئله نزدیک‌تر شده‌ایم که ویروس SARS-CoV-2 چگونه و چرا عملکرد کلیه را مختل می‌کند. کلجایه و همکاران با انجام آزمایش روی سلول‌های کلیوی که در آزمایشگاه از سلول‌های بنیادی انسانی مشتق شده بودند، دریافتند که گروه خاصی از سلول‌های کلیه که «پودوسیت»‌ نامیده می‌شوند، به‌طورخاص نسبت‌به این عفونت آسیب‌پذیر هستند.

آسیب دیدن پودوسیت‌ها می‌تواند منجر به آسیب فراوان کلیه شود. الگوی این آسیب، شبیه چیزی است که قبلا در نوعی سلول‌های حمایت‌کننده حیاتی دیگر به نام پریسیت‌های قلب شناسایی شده است. همان‌طور که قبلا در مجله فوربز گزارش شده است، مواجهه با SARS-CoV-2 می‌تواند موجب چسبنده‌شدن این سلول‌های اندوتلیال قلبی شود و آن‌ها را مستعد لخته‌شدن کند و کل سیستم قلبی‌عروقی را درمعرض خطر عوارض شدید قرار دهد. به‌طور مشابه، آسیب ناشی از عفونت ویروس کرونا به پودوسیت‌‌ها توانایی کلیه برای حذف مواد زائد و سموم را از بدن مختل می‌کند که اگر درمان نشود، می‌تواند کل بدن را درمعرض خطر قرار دهد.

مختصری درباره عملکرد طبیعی کلیه‌ها

درون هریک از کلیه‌ها، شبکه وسیعی از مویرگ‌ها وجود دارد که به آن «گلومرول» می‌گویند. گلومرول محل اصلی فیلتر‌کردن سموم و مواد زائد از خون است که بعدا همراه ادرار دفع می‌شوند. همان‌طور که در شکل زیر نشان داده شده است، لایه‌ای از سلول‌های خونی مویرگی مانعی را بین سلول‌های خونی در گردش و ساختارهای داخلی کلیه ایجاد می‌کنند. منافذ کوچک این عروق خونی به ذرات موجود در خون اجازه می‌دهد تا از سد گلومرولی عبور کرده و وارد حفره‌های کلیه شوند.

شکل یک: تصویر گلومرول کلیه. خون ازطریق سرخرگ آوران وارد می‌شود و همان‌طور که در مویرگ‌های گلومرولی گردش می‌کند، آب حاوی مواد محلول از اندوتلیوم یا سد گلومرولی فیلتر می‌شود. پودوسیت‌ها و پایک‌های (زائده‌های پامانند) آن‌ها به فیلتر‌کردن بیشتر مواد زائد و سموم پیش از انتقال به لوله پیچیده نزدیک برای خارج‌شدن از بدن به شکل ادرار کمک می‌کنند.

فقط ذرات کوچک محلول در آب می‌توانند از رگ‌های خونی متخلخل کلیه و از سد گلومرولی عبور کنند. ردیفی از پودوسیت‌ها‌ که در سمت دیگر مانع قرار دارند، محلول را بیشتر فیلتر می‌کنند. این سلول‌ها دارای زائده‌های پا مانند بلندی هستند که اطراف سد گلومرولی را فرا می‌گیرند. پروتئین‌های کوچکی که «نفرین» نامیده می‌شوند، پیش‌آمدگی‌های پا مانند را از هم جدا می‌کنند تا آب فیلترشده بتواند عبور کند.

وقتی کلیه‌ها گرفتار حمله باکتریایی یا ویروسی می‌شوند، پودوسیت‌‌ها زائده‌های خود را جمع می‌کنند. درنتیجه این امر، سطح پروتئین‌ها افزایش پیدا کرده و آن‌ها وارد ادرار می‌شوند. نشت پروتئین به ادرار حاکی از آن است که مواد مغذی حیاتی درحال از دست رفتن هستند. عفونت‌های طولانی‌مدت می‌توانند به پودوسیت‌ها‌ آسیب بزنند و موجب جدا‌شدن آن‌ها از سد گلومرولی شوند. از دست دادن این سلول‌های حمایتگر، توانایی کلیه در فیلتر‌کردن خون را مختل می‌کند و ممکن است نارسایی کلیه را در پی داشته باشد.

شکل دو: دیاگرامی از پودوسیت‌های متصل به پایه گلومرولی کلیه. وقتی پودوسیت‌ها آسیب می‌بینند، زائده‌های پامانند آن‌ها جمع می‌شود و درنهایت سلول آن‌قدر بزرگ می‌شود که از پایه جدا شده و می‌میرد.

اگرچه به‌عنوان اقدامی محافظتی، پودوسیت را می‌توان بازتولید کرد. سلول‌های بنیادی، خصوصا آن‌هایی که در مغز استخوان وجود دارند، منبع نامحدودی از سلول‌های زادگر را تأمین می‌کنند. وقتی سلول‌های اختصاصی آسیب می‌بینند، سلول‌های بنیادی می‌توانند تقریباً به هر نوع سلولی ازجمله پودوسیت‌های کلیه تبدیل شوند. این امر به کلیه‌ها اجازه می‌دهد تا دربرابر آسیب شدید، خصوصا زمانی که درمعرض سموم ناشی از الکل و داروها قرار می‌گیرد، مقاومت کند.

تأثیر کووید ۱۹ بر سلول‌های کلیه

قرار گرفتن درمعرض SARS-CoV-2 می‌تواند درنتیجه پاسخ‌های التهابی قوی دربرابر عفونت در بخش‌های دیگر بدن و نیز ازطریق عفونت مستقیم، کلیه‌ها را تحت‌فشار قرار دهد. درحقیقت، کلیه‌ها یکی از اهداف مستقیم عفونت ویروس کرونا هستند. آسیب می‌تواند در مواردی چنان شدید باشد که بازتولید پودوسیت‌های جدید را مختل کند. چگونه آسیب کلیوی ناشی از SARS-CoV-2 می‌تواند این قدر شدید باشد؟ با‌‌توجه‌‌‌به آسیب‌پذیری پودوسیت‌ها دربرابر عفونت، این احتمال وجود دارد که جراحاتی که به این سلول‌ها وارد می‌شود، اساس بسیاری از آسیب‌های کلیه باشد.

کلجایه و همکاران برای یافتن جواب این سؤال، نیاز داشتند مدل سلولی را پیدا کنند که ازنظر ظاهر و عملکرد شبیه پودوسیت‌های کلیه باشد. آن‌ها به‌جای استفاده از مدل‌های حیوانی، از سلول‌های بنیادی انسانی استفاده کردند. اگرچه سلول‌های بنیادی انسانی سال‌ها با موفقیت برای مدل‌سازی بیماری‌های مختلف مورد استفاده قرار گرفته‌اند، پژوهشگران اخیراً نحوه ایجاد مدل‌های پودوسیت را برای مطالعه آسیب کلیه کشف کردند.

فرایند تولید این سلول‌ها از توانایی طبیعی سلول‌های بنیادی برای تبدیل‌شدن به هر نوع سلولی بهره می‌برد. کلجایه و همکاران سلول‌های بنیادی پرتوان القایی انسانی (hiPS) مشتق‌شده از نمونه‌های سلول خونی و پوست را به دست آوردند که برای اینکه ازنظر ظاهر و عملکرد مانند سلول‌های بنیادی رویانی باشند، دوباره برنامه‌ریزی شده بودند. این سلول‌ها درمعرض فاکتورهای رشد قرار گرفتند تا به بلوغ برسند. پس از چند روز، سلول‌های بنیادی وارد مراحل مزودرم و مزودرم میانی شدند. در این مرحله، سلول‌ها می‌توانند به هر نوع بافت داخلی تبدیل شوند.

کلجایه و همکاران برای اینکه سلول‌های بنیادی را ترغیب کنند تا به پودوسیت‌‌های کلیه تبدیل شوند، با رسیدن سلول‌های بنیادی به مرحله مزودرم میانی، عوامل رشد اختصاصی پودوسیت‌‌ها را به آن‌ها اضافه کردند. روند کلی این فرایند در شکل زیر نشان داده شده است. با به بلوغ رسیدن پودوسیت‌‌های سنترشده در آزمایشگاه، پژوهشگران آماده بودند تا آزمایش‌های خود را شروع کنند.

شکل سه: کلیت فرایند تولید پودوسیت‌های بالغ از سلولهای بنیادی القاشده انسانی. نمونه‌های سلول بنیادی انسانی (hiPS) درمعرض فاکتورهای رشد قرار می‌گیرند تا آن‌ها را ترغیب کند تا وارد مراحل مزودرم و مزودرم میانی شوند. وقتی سلول‌ها به مرحله مزودرم میانی می‌رسند، درمعرض فاکتورهای رشد اختصاصی پودوسیت قرار داده می‌شوند.

کلجایه و همکاران در ابتدا می‌خواستند تعیین کنند که پودوسیت‌‌های کلیه تا چه حد دربرابر پروتئین اسپایک SARS-CoV-2 آسیب‌پذیر هستند. ویروس به کمک این پروتئین به سلول وارد می‌شود. آن‌ها به‌جای قرار دادن سلول‌ها درمعرض ویروس زنده از شبه‌ویروسی استفاده کردند که پروتئین اسپایک ویروس را به میزان زیادی بیان می‌کرد.

هر روز که پودوسیت‌‌هایی درمعرض این شبه‌ویروس قرار می‌گرفتند، افزایش تصاعدی را در تعداد RNA ویروسی نشان می‌دادند. این امر تأیید می‌کرد که پروتئین اسپایک ویروس وارد این سلول‌ها شده است. پودوسیت‌ها زمانی که درمعرض ویروس واقعی قرار می‌گرفتند، درست به همان اندازه، دربرابر عفونت آسیب‌پذیر بودند. حتی با قرار گرفتن درمعرض مقادیر بسیار کم ویروس، مقدار بالایی از RNA ویروسی درون‌سلولی و برون‌سلولی اندازه‌گیری شد.

پژوهشگران دریافتند که هرچه سلول‌ها مدت بییشتری درمعرض ویروس قرار داشته باشد، RNA ویروسی کمتری تشخیص داده می‌شود. البته این مسئله لزوما به این معنا نبود که عفونت از بین رفته است. درعوض، پژوهشگران حدس زدند که شدت عفونت موجب آپوپتوز و نکروپتوز می‌شود که هر دو پاسخ‌های التهابی هستند که مرگ سلول را در پی دارند. مطالعات قبلی نشان داده‌اند زمانی که سلول‌های ریه به ویروس SARS-CoV-2 آلوده می‌شوند، اثر مشابهی اتفاق می‌افتد.

ویروس SARS-CoV-2 قبل از اینکه موجب مرگ سلول‌ها شود، بیان برخی ژن‌های مرتبط با آسیب شدید پودوسیت‌ها را تغییر می‌دهد. برای مثال، کلجایه و همکاران افزایش قابل‌توجهی را در ژن‌های جبران‌کننده مشاهده کردند که در حالت عادی به بازیابی و حمایت از عملکرد پودوسیت‌ها کمک می‌کنند. تنظیم افزایشی این ژن‌ها پودوسیت را قادر می‌سازد تا زائده‌های پا مانند خود را گسترش دهند. اما این مکانیسم ناهنجار سطح بیشتری از سلول را درمعرض SARS-CoV-2 قرار می‌دهد و آن را دربرابر عفونت آسیب‌پذیرتر می‌کند.

چگونه گیرنده‌های ACE-2 و CD147 موجب می‌شوند کووید ۱۹ کلیه‌ها را عفونی کند؟

برای پاسخ به این سؤال که چرا پودوسیت‌های مشتق‌شده از سلول‌های بنیادی تا این اندازه مستعد عفونت هستند، باید به این مسئله پی ببریم که ویروس کرونا چگونه می‌تواند به پودوسیت‌ها متصل شود و به آن‌ها حمله کند. کلجایه و همکاران دریافتند که به‌جای گیرنده‌های ACE-2، اتصال به گیرنده‌های CD147 روی پودوسیت‌های مشتق‌شده از سلول‌های بنیادی، مکانیسم ترجیحی است که ازطریق آن ویروس SARS-CoV-2 این سلول‌ها را آلوده می‌کند.

در اوایل دنیاگیری، گیرنده ACE-2 به‌عنوان محل اصلی اتصال SARS-CoV-2 به سلول میزبان معرفی شد. اگرچه مطالعات اخیر بیان نسبتاً کم گیرنده‌های ACE-2 را در بافت‌ها و اندام‌های مختلفی که کووید ۱۹ عمدتا آن‌ها را آلوده می‌کند، خصوصا ریه‌ها، گزارش کرده‌اند. کلجایه و همکاران از این موضوع تعجب کردند که میزان بیان گیرنده‌های ACE-2 در پودوسیت‌های کلیه بسیار پایین است. درمقایسه‌با سلول‌های ریه، بیان ACE-2 در پودوسیت‌های مشتق از سلول‌های بنیادی ده برابر کمتر بود. این سلول‌ها همچنین نسبت‌به سلول‌های بافت پوششی ریه مقدار کمتری آنزیم TMPRSS2 را بیان می‌کردند که به‌طور معمول همراه با ACE-2 کار می‌کند.

با‌‌توجه‌‌‌به سطوح پایین بیان ACE-2 در بسیاری از این سلول‌ها، CD147 که بسجين یا EMMPRIN نیز نامیده می‌شود، به‌عنوان مکانیسم دیگری که ویروس ازطریق آن سلول‌ها را آلوده می‌کند، معرفی شد. این گلیکوپروتئین تراغشائی یکی از اعضای خانواده ایمونوگلوبولین‌ها است که در تشخیص، اتصال و چسبیدن مواد خارج سلولی به سطح سلول نقش دارند.

گیرنده‌های CD147 نقش حیاتی در تسهیل متابولیسم و ارتباطات سلولی ایفا می‌کنند و همچنین در تنظیم پاسخ‌گویی لنفوسیت‌ها نقش دارند. مطالعات نشان می‌دهد که این گیرنده‌ها در چندین بیماری عفونی ازقبیل هپاتیت B و هپاتیت C و HIV نقش دارند. بنابراین، کلجایه و همکاران فکر کردند که آیا گیرنده‌های CD147 ممکن است مکانیسم اصلی باشند که طی آن پودوسیت‌های کلیه آلوده می‌شوند.

آن‌ها بیان بیشتر این گیرنده‌ها را در پودوسیت‌های کلیه درمقایسه‌با سلول‌های ریه و روده مشاهده کردند. میزان بیان CD147 در پودوسیت‌های کلیه همچنین با شدت عفونت یعنی میزان محتوای ویروسی درون سلول‌ها ارتباط داشت. استفاده از آنتی‌بادی‌ها برای مهار این گیرنده‌ها میزان عفونت را کاهش داد. این امر نشان می‌دهد CD147 از گیرنده‌های کلیدی برای اتصال و عفونت SARS-CoV-2 است.

البته نتایج یادشده بدان معنا نیست که SARS-CoV-2 هنگام آلوده‌کردن پودوسیت‌های کلیه از گیرنده‌های ACE-2 استفاده نمی‌کند. مهار گیرنده‌های ACE-2 به‌تنهایی باعث کاهش شدت عفونت کووید ۱۹ در این سلول‌ها شد. اما پژوهشگران کمترین میزان عفونت را زمانی مشاهده کردند که هم گیرنده‌های ACE-2 و هم گیرنده‌های CD147 مهار شده بودند. بنابراین، این احتمال وجود دارد که هم ACE-2 و هم CD147 در عفونت پودوسیت‌های کلیه نقش داشته باشند.

همچنین، ممکن است اتصال SARS-CoV-2 به گیرنده‌های ACE-2 و CD147 در ارتباط با هم تنظیم شود، به گونه‌ای که فعالیت یکی بر بیان دیگری اثر بگذارد. پژوهشگران دریافتند که تیمار پودوسیت‌های کلیه با آنتی‌بادی‌های ACE-2 باعث تنظیم کاهشی CD147 شد و به‌همین‌ترتیب، آنتی‌بادی‌های CD147 بیان گیرنده‌های ACE-2 را کاهش داد. اگرچه مهار گیرنده‌های مذکور به‌طور کامل عفونت را مهار نکرد. این مسئله نشان می‌دهد پژوهش‌های بیشتری لازم است تا گیرنده‌های دیگری که ممکن است در اتصال و ورود ویروس SARS-CoV-2 نقش داشته باشند، شناسایی شوند.