L'analyse à cellule unique d'échantillons d'autopsie de patients atteints de COVID-19 montre comment les poumons ont essayé à plusieurs reprises, sans succès, de se réparer.
Des scientifiques de plusieurs hôpitaux et centres de recherche ont montré ce qui se passe dans les cellules individuelles de patients décédés du COVID-19. Dans une étude publiée dans Nature, les chercheurs décrivent comment les cellules infectées de plusieurs organes présentent une gamme de changements moléculaires et génomiques. Ils ont également vu des signes de tentatives multiples et infructueuses des poumons de se réparer en réponse à une insuffisance respiratoire, qui est la principale cause de décès chez les patients COVID-19.
"Vous ressentez vraiment la tragédie de la maladie lorsque vous voyez ce résultat", a déclaré Aviv Regev, co-auteur principal de l'étude et membre de l'institut principal du Broad Institute du MIT et de Harvard lorsque l'étude a commencé. « Le poumon essaie tout à sa disposition, et il ne peut toujours pas se réparer. Ce fut une étude très émouvante. Nous sommes reconnaissants aux patients et aux familles qui ont accepté de faire don de tissus pour la recherche COVID-19 afin de faire progresser la compréhension de cette maladie dévastatrice. »
Les chercheurs ont étudié les tissus obtenus lors des autopsies de 17 personnes qui ont succombé au COVID-19 et ont été soignées au Beth Israel Deaconess Medical Center, au Brigham and Women's Hospital et au Massachusetts General Hospital.
Les chercheurs ont profilé les tissus pulmonaires de patients décédés du COVID-19 et ont zoomé sur les régions clés et les structures d'intérêt. Crédit : Domenic Abbondanza
L'équipe a étudié comment le virus SARS-CoV-2 interfère avec la fonction des cellules et leurs programmes génétiques. Ils ont utilisé des données de séquençage d'ARN unicellulaire à partir d'échantillons de tissus prélevés sur 11 systèmes d'organes, y compris les poumons, le cœur, le foie et les reins, pour créer un «atlas cellulaire» complet de centaines de milliers de cellules individuelles montrant comment COVID-19 peut mener à la défaillance d'organes et à la mort.
« Nous savions que des personnes mouraient de pneumonie et de complications extrapulmonaires liées au COVID », a déclaré Alexandra-Chloé Villani, membre associé du Broad, chercheur principal à Mass General, professeur adjoint de médecine à la Harvard Medical School, et co- auteur principal de l'étude. "Avant cette étude, nous avions une connaissance limitée des mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans la mort d'un patient."
L'étude détaille les résultats d'une collaboration de chercheurs du Broad Institute, du Mass General, du Ragon Institute of MGH, du MIT et de Harvard, du MIT, du Beth Israel Deaconess Medical Center, du Brigham and Women's Hospital, du Columbia University Irving Medical Center et d'autres institutions.. Une équipe dirigée par les collaborateurs de Columbia a co-écrit une étude complémentaire qui est également publiée dans Nature.
L'atlas cellulaire de l'équipe est librement et ouvertement disponible pour que d'autres scientifiques puissent l'explorer. Ils ont également créé une biobanque de 420 spécimens à partir des échantillons d'autopsie qui peuvent être utilisés pour d'autres études COVID-19. "Nous avons créé une ressource fondamentale que d'autres chercheurs pourront utiliser à l'avenir pour poser des questions spécifiques", a déclaré Orit Rozenblatt-Rosen, co-auteur principal et scientifique de l'institut et directeur scientifique du Klarman Cell Observatory au Broad lorsque l'étude a commencé.. « J’espère que nos découvertes permettront aux gens de trouver de meilleures thérapies pour COVID-19. »
Nouvelles techniques pour un nouveau virus
Pour en savoir plus sur les mécanismes cellulaires sous-jacents à la défaillance d'organes causée par COVID-19, les chercheurs savaient qu'ils devaient étudier les organes eux-mêmes. Pour cela, ils auraient besoin d'échantillons d'autopsies.
Travailler avec des échantillons d'autopsie est difficile dans des circonstances normales. Pour traiter les échantillons susceptibles de contenir un nouvel agent pathogène hautement contagieux, les chercheurs ont développé de nouveaux protocoles de collecte et de traitement des tissus compatibles avec les exigences d'un laboratoire de niveau de biosécurité 3.
«Nous voulions nous assurer que nous pouvions apprendre et partager autant que possible humainement pour aider à prévenir de futurs décès, tout en donnant la priorité à la sécurité et au bien-être de toutes les personnes impliquées. Ce n’était pas un mince exploit, compte tenu des restrictions liées au COVID et de toutes les incertitudes environnantes. C'était incroyable de voir des dizaines de scientifiques et de professionnels de la santé de plusieurs instituts se réunir dans le cadre d'un partenariat collaboratif pour concevoir et coordonner avec soin nos efforts expérimentaux et informatiques », a déclaré Alex K. Shalek, membre de l'institut et co-auteur principal, qui est également membre de l'Institut Ragon, et professeur agrégé de chimie, membre principal de l'Institute for Medical Engineering and Science, et membre extra-muros de l'Institut Koch pour la recherche intégrative sur le cancer au MIT.
L'équipe a ensuite profilé l'ARN des cellules individuelles et développé de nouvelles méthodes pour analyser et annoter les grandes quantités de données de séquence. Ils ont comparé les signatures d'expression génique de différentes cellules : des cellules endommagées par le COVID-19 et des cellules non infectées des patients COVID-19, ainsi que des cellules de patients atteints d'autres maladies et d'individus sains.
Des ravages dans les poumons
La suite de résultats la plus complète provenait des poumons. Les scientifiques ont été stupéfaits par l'étendue des changements dans les programmes génétiques qu'ils y ont trouvés. "Le virus fait des ravages dans les poumons et nous le voyons dans les cellules", a déclaré Regev.
L'une des principales causes de lésions pulmonaires dans COVID-19 est la destruction des cellules AT1, qui permettent la respiration et le transfert de gaz. Les scientifiques ont découvert qu'à mesure que les cellules AT1 mouraient, des cellules pulmonaires apparentées appelées AT2 tentaient de se convertir en cellules AT1 par un processus appelé transdifférenciation. Mais cette tentative s'est arrêtée à mi-parcours, laissant les cellules dans un état intermédiaire souvent observé chez les patients atteints d'autres maladies pulmonaires telles que la fibrose pulmonaire.
Dans une ultime tentative d'autoréparation, les poumons ont tenté de transformer des cellules situées plus haut dans les voies respiratoires, appelées cellules progénitrices intrapulmonaires de type basal, en cellules AT1. Cette tentative de transdifférenciation n'avait été observée auparavant que dans des modèles murins.
Les résultats suggèrent que l'insuffisance pulmonaire chez les patients a été causée par l'incapacité des cellules pulmonaires à dépasser les dommages causés par le virus alors que les cellules tentaient de se régénérer.
Changer de programme
L'article décrit également comment le virus affecte d'autres tissus en dehors des poumons. Une découverte surprenante était que si le cœur subissait des dommages importants et présentait des preuves de programmes génétiques modifiés dans de nombreux types de cellules différents, il y avait très peu d'ARN viral dans le tissu cardiaque lui-même. "Que cela signifie que le virus avait déjà été éliminé ou que le cœur était un dommage collatéral est un domaine pour des recherches plus approfondies", a déclaré Regev.
Les chercheurs ont également examiné 27 gènes différents que de précédentes études d'association à l'échelle du génome ont liés à un COVID-19 sévère. Ils se sont concentrés sur une poignée qui étaient fortement exprimées dans les types de cellules clés dans la nouvelle étude, en particulier celles dans les poumons infectés. Cette découverte aide à affiner la liste des facteurs génétiques potentiels pour une maladie grave et met en évidence les types de cellules qui peuvent être les plus pertinents dans le cas de COVID-19 grave.
L'équipe prévoit maintenant de terminer l'analyse des autres tissus autopsiés, tels que le cerveau, la rate et la trachée, pour brosser un tableau plus complet de la pathologie COVID-19 et fournir une ressource pour les études futures.
Référence : « Les atlas tissulaires COVID-19 révèlent la pathologie du SRAS-CoV-2 et les cibles cellulaires » par Toni M. Delorey, Carly GK Ziegler, Graham Heimberg, Rachelly Normand, Yiming Yang, Åsa Segerstolpe, Domenic Abbondanza, Stephen J. Fleming, Ayshwarya Subramanian, Daniel T. Montoro, Karthik A. Jagadeesh, Kushal K. Dey, Pritha Sen, Michal Slyper, Yered H. Pita-Juárez, Devan Phillips, Jana Biermann, Zohar Bloom-Ackermann, Nikolaos Barkas, Andrea Ganna, James Gomez, Johannes C. Melms, Igor Katsyv, Erica Normandin, Pourya Naderi, Yury V. Popov, Siddharth S. Raju, Sebastian Niezen, Linus T.-Y. Tsai, Katherine J. Siddle, Malika Sud, Victoria M. Tran, Shamsudheen K. Vellarikkal, Yiping Wang, Liat Amir-Zilberstein, Deepak S. Atri, Joseph Beechem, Olga R. Brook, Jonathan Chen, Prajan Divakar, Phylicia Dorceus, Jesse M. Engreitz, Adam Essene, Donna M. Fitzgerald, Robin Fropf, Steven Gazal, Joshua Gould, John Grzyb, Tyler Harvey, Jonathan Hecht, Tyler Hether, Judit Jané-Valbuena, Michael Leney-Greene, Hui Ma, Cristin McCabe, Daniel E. McLoughlin, Eric M. Miller, Christoph Muus, Mari Niemi, Robert Padera, Liuliu Pan, Deepti Pant, Carmel Pe'er, Jenna Pfiffner-Borges, Christopher J. Pinto, Jacob Plaisted, Jason Reeves, Marty Ross, Melissa Rudy, Erroll H. Rueckert, Michelle Siciliano, Alexander Sturm, Ellen Todres, Avinash Waghray, Sarah Warren, Shuting Zhang, Daniel R. Zollinger, Lisa Cosimi, Rajat M. Gupta, Nir Hacohen, Hanina Hibshoosh, Winston Hide, Alkes L. Price, Jayaraj Rajagopal, Purushothama Rao Tata, Stefan Riedel, Gyongyi Szabo, Timothy L. Tickle, Patrick T. Ellinor, Debora h Hung, Pardis C. Sabeti, Richard Novak, Robert Rogers, Donald E. Ingber, Z. Gordon Jiang, Dejan Juric, Mehrtash Babadi, Samouil L. Farhi, Benjamin Izar, James R. Stone, Ioannis S. Vlachos, Isaac H Solomon, Orr Ashenberg, Caroline BM Porter, Bo Li, Alex K. Shalek, Alexandra-Chloé Villani, Orit Rozenblatt-Rosen et Aviv Regev, 29 avril 2021, Nature.DOI : 10.1038/s41586-021-03570-8
Aviv Regev est maintenant vice-président exécutif, Genentech Research and Early Development.
Orit Rozenblatt-Rosen est maintenant directrice exécutive et chef de la génomique cellulaire et tissulaire chez Genentech.
Le soutien à cette recherche a été fourni en partie par la Fondation Manton, la Fondation de la famille Klarman, le Howard Hughes Medical Institute, l'Initiative Chan Zuckerberg et les projets trans-réseau Human Tumor Atlas Network SARDANA (Shared Repositories, Data, Analysis and Access), DARPA, et la Food and Drug Administration des États-Unis.
