An electron microscopic study of neocortex of Syrian hamsters (Mesocricetus auratus) infected with SARS-CoV-2 (Coronaviridae: Coronavirinae: Betacoronavirus: Sarbecovirus)

Cover Image


Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Convalescent COVID-19 patients have various signs of central nervous system damage, including those directly associated with SARS-CoV-2. Hence, studies of SARS-COV-2 related morphological changes in neocortex are particularly relevant for understanding the mechanisms of their formation and development of approaches to preclinical evaluation of the effectiveness of antiviral drugs.

The purpose of the research is a longitudinal study of the ultrastructural alterations in Syrian hamsters’ neocortex after experimental SARS-CoV-2 infection.

Materials and methods. Male Syrian hamsters weighing 80–100 g, aged 4 to 6 weeks, were infected with 26 μl SARS-CoV-2 intranasally with 4×104 TCD50/ml of viral particles. The animals were euthanized on days 3, 7 or 28 post-infection, the brain was extracted with the cortex excision. The material analysis was performed using transmission electron microscopy.

Results and discussion. On day 3 post-infection, the number of moderately hyperchromic neurons in neocortex increased, while by the day 7 the number of apoptotic cells significantly increased. Simultaneously, an increased signs of neuronophagy and representation of atypical glia were observed. Increased number of altered oligodendrocytes was observed on day 28 post-infection. Viral invasion was accompanied by changes in neocortical cells since day 3 post-infection, such as transformation of their nucleus, the rough endoplasmic reticulum and the Golgi vesicles as well as microvascular spasm with perivascular edema.

Conclusion. As a result of electron microscopic study, the ultrastructural alterations in neocortex were described in an experimental model of SARS-CoV-2 infection. The findings can be used to identify the mechanisms of infection pathogenesis and to search for the new directions in development of medicines.

Full Text

Введение

SARS-СoV-2 как возбудитель COVID-19 стал объектом пристального изучения в силу высокой социальной значимости пандемийной ситуации [1, 2]. Биология вируса, генетическая изменчивость и многообразие вариантов его белков были детально описаны в отечественной [3–5] и зарубежной [6, 7] научной литературе.

Ранее считали, что влияние вируса SARS-СoV-2 на организм человека ограничено респираторной системой. В связи с возникновением у пациентов аносмии и агевзии научным сообществом было выдвинуто предположение о воздействии вируса на центральную нервную систему (ЦНС) [8], которое позже подтвердилось при анализе симптомов неврологических и психических расстройств [9–11] у пациентов в остром и отдалённом периодах течения COVID-19.

Основными способами защиты от вируса к настоящему времени признаны вакцинопрофилактика и иммунотерапия [12–15], тогда как данные о противовирусной активности средств химиотерапии более скромны [16], а критерии оценки их эффективности в рамках доклинических исследований до настоящего времени не уточнены.

Необходимость проведения электронно-микроскопического исследования (ЭМИ) неокортекса на экспериментальной модели инфекции SARS-CoV-2 определена различной эффективностью антиметаболитов синтеза вирусной рибонуклеиновой кислоты (РНК) и ингибиторов РНК-полимеразы, активность которых в отношении РНК-содержащих вирусов в культуре доказана [17]. Высказано предположение, что различная эффективность препаратов может быть сопряжена в первую очередь с их способностью воздействовать на вирусные частицы за гистогематическими барьерами. Направленная модификация молекул препаратов с учётом гистотопографических особенностей репликации вируса может повысить их эффективность и расширить безопасное применение.

В связи со значимыми поражениями ЦНС при COVID-19 [2] цель исследования – изучение ультраструктурных изменений нейронов и глиальных клеток – представляет фундаментальный и практический интерес для выявления особенностей патогенеза повреждений и разработки подходов к оценке эффективности противовирусных лекарственных средств на доклиническом этапе.

Материал и методы

Экспериментальное исследование проводили на 24 самцах сирийских хомяков [18] в возрасте 4–6 недель массой тела 80–100 г, полученных из питомника ЗАО «НПО «Дом фармации» (Санкт-Петербург). Животных содержали в стандартных условиях вивария.

Культуру вируса SARS-CoV-2 выделяли из ПЦР-позитивного (полимеразная цепная реакция) материала, полученного от больных COVID-19, и накапливали на культуре клеток почки африканской зелёной мартышки (Chlorocebus sabaeus) Vero (B) («БиолоТ», Россия), согласно ранее описанным в литературе методикам [19, 20]. На этой же клеточной линии определяли тканевую цитопатическую дозу вируса (ТЦД50/мл) по методу Рида и Менча [21].

Были сформированы контрольная и опытные группы животных. Массу животных регистрировали до заражения и ежедневно в течение последующих 28 суток. Перед заражением животных наркотизировали раствором «Золетил 100» в дозе 40 мг/кг внутрибрюшинно. Далее механическим дозатором интраназально каждому хомяку опытной группы вводили по 26 мкл культуры вируса, содержащей SARS-CoV-2 в количестве 4×104 ТЦД50/мл [22]. Эвтаназию животных проводили на 3-и, 7-е или 28-е сутки после заражения передозировкой общего анестетика (растворы «Ксила» 20 мг/мл и «Золетил 100» 50 мг/мл, соотношение 1 : 1) в объеме 1 мл на 1 кг массы тела внутримышечно.

Для ЭМИ извлечённый мозг рассекали на фронтальные срезы толщиной в 1–1,5 мм и префиксировали в охлаждённой до 4 °C смеси 4% параформальдегида и 0,5% глутарового альдегида (на 0,1 М какодилатном буфере (рН 7,2–7,4)). Выделенные кусочки неокортекса сенсомоторного отдела коры через 1,5–2 ч дофиксировали в растворе 1% четырёхокиси осмия (все реактивы – Sigma-Aldrich, Германия). Обезвоживали материал в растворах этилового спирта восходящей концентрации и абсолютного ацетона. В процессе дегидратации контрастировали ткань в кусочках 3,5% уранилацетатом на 70° этаноле. Пропитку и заливку смесью аралдитов (Fluka, Швейцария) с ориентацией кусочков выполняли под лупой. Полимеризацию проводили в термостате при 37 и 60 °C в течение трёх суток [23].

Ультратонкие срезы 50–60 нм готовили на ультратоме LKB-III (LKB, Швеция). Регистрацию изменений структуры тканей и их фотофиксацию осуществляли на электронном микроскопе FEI Tecnai G2 Spirit BioTWIN (FEI Company, Нидерланды) при ускоряющем напряжении 80 кВ, предоставленном Центром коллективного пользования Института эволюционной физиологии и биохимии имени И.М. Сеченова РАН. В каждом образце проводили морфометрический анализ клеток и сосудов, а также их подсчёт.

Результаты описательной статистики приведены в виде медианы (Me) и межквартильного размаха ([Q1; Q3]). Для множественных сравнений показателей несвязанных групп применяли Н-критерий Краскела–Уоллиса при номинальном уровне статистической значимости различий p < 0,05. Сравнение проводили с аналогичными характеристиками животных группы виварного контроля.

Животных содержали в надлежащих условиях вивария (разрешение Главного государственного ветеринарного инспектора Санкт-Петербурга № 78-1102/19, сертификат ISO 9001:2015 № ST.RU.0001.M0017187, сертификат соответствия стандарту GLP № GLP-0727-1020). Авторы подтверждают соблюдение институциональных и национальных стандартов по использованию лабораторных животных в соответствии с Consensus Author Guidelines For Animal Use (IAVES, 23 July 2010). Протокол исследования одобрен Комитетом по этике биомедицинских исследований организации (протокол № 21 от 23.11.2020).

Результаты и обсуждение

Изменения клеток неокортекса

При инфицировании животных SARS-CoV-2 отчётливо прослеживали появление вирусных частиц в нейронах сенсомоторного неокортекса с признаками повышения синтеза белка. Выявляли нейроны с глубоко узурированными контурами ядер, в некоторых из них наблюдали активные крупные ядрышки (рис. 1). В цитоплазме отмечали массу рибосом, как собранных в полисомы, так и адгезированных на мембранах органелл.

 

Рис. 1. Ультраструктурные изменения неокортекса сирийских хомяков после заражения SARS-CoV-2 4×104 ТЦД50/мл (26 мкл/особь интраназально): а – умеренно гиперхромный нейрон с деформированным контуром ядра (+), крупным ядрышком (Яш) и скоплением РНК-позитивного материала в цитоплазме; б – апоптоз нейрона на стадии фрагментации ядра, на вклейке – большое скопление вирусов; в – вирусные частицы в терминальных участках неравномерно расширенных канальцев эндоплазматического ретикулума; г – фрагмент дендрита с мультивезикулярными тельцами (МВТ), содержащий вирионы. Электронограммы. Увеличения: а – 16 500; б – 6000; вклейка – 17 000; в, г – 60 000.

 

Шероховатый эндоплазматический ретикулум (ЭР) был гипертрофирован и неравномерно расширен, на терминальных фрагментах канальцев прослеживали вирусные частицы, их отшнуровывание и миграцию к аппарату Гольджи (АГ). Уже к 3-м суткам эксперимента отмечали выраженные изменения АГ: мембраны его цистерн набухали, слипались, сливаясь в единый конгломерат, часто с гомогенизированным содержимым внутри. По периферии АГ в цистернах локализовались вирусные частицы, ассоциированные и с мембранами, и с элементами цитоскелета. По-видимому, слабоконтрастные вирионы за счёт белкового процессинга в АГ приобретают отчетливую белковую короновидную структуру поверхности, а затем отшнуровываются от терминальных участков цистерн органеллы. На 7-е сутки после заражения SARS-CoV-2 в нейронах сенсомоторного отдела коры количество повреждений АГ значительно возрастало.

Практически каждый нейрон всех слоёв неокортекса содержал множество вирусов различной степени зрелости и локализации. В нейронах вирусные частицы отмечали не только в перикарионах, но и в отростках нейроцитов, в том числе миелинизированных, а также в пресинаптических аксонных терминалях и шипиках дендритов.

Нарастающие в течение инфекционного процесса деструктивные изменения приводили, по-видимому, к формированию мультивезикулярных телец (МВТ). На ранних сроках в нейронах МВТ встречались относительно редко, их количество возрастало со временем. По аналогии с прослеженными ранее изменениями клеток культуры Vero (B) МВТ, как и везикулы промежуточного компартмента (ПК), играющего важную роль в сопряжении ЭР и АГ, можно считать транспортной формой [24], обеспечивающей выход вируса из заражённых нейронов на поздних сроках инфекционного процесса. Таким образом, в отличие от эпителиальных клеток культуры, в цитозоле нейроцитов удалось проследить свободную миграцию вирусов, массовый выход которых возможен при достижении критических параметров и гибели клетки.

Для системной оценки изменений нейронов и глии проводили морфометрический анализ клеточных популяций (табл. 1). Установлено, что через трое суток после заражения в неокортексе возрастает количество умеренно гиперхромных нейронов, тогда как к 7-м суткам значимо увеличивается количество апоптотически изменённых клеток (рис. 1 б), по-видимому, как результат глубокой вирус-ассоциированной перестройки метаболизма, сохранявшейся до окончания периода наблюдения. В эти же сроки прослеживали нарастание представительства атипичной глии и признаков нейронофагии.

 

Таблица 1. Состав популяций нейронов и глии в неокортексе сирийских хомяков после заражения SARS-CoV-2 4×104 ТЦД50/мл (26 мкл/особь интраназально), Me [Q1; Q3], %

Table 1. The neuronal and glial cell composition of the Syrian hamsters neocortex after SARS-CoV-2 infection with 4×104 TCID50/ml (26 µl/individual, intranasally), Me [Q1; Q3], %

Популяция клеток

Cell population

Характеристика

Characteristic

Продолжительность наблюдения (группа)

Observation period (group)

Контроль

Control

(n = 9)

3 суток

3 days

(n = 5)

7 суток

7 days

(n = 5)

28 суток

28 days

(n = 5)

Нейроны

Neurons

Нормохромные

Normochromic

75,5

[70, 1; 85, 0]

71,3

[57, 1; 73, 3]

79,0

[78, 0; 86, 5]

67,8

[63, 5; 78, 1]

Умеренно гиперхромные

Moderately hyperchromic

13,8

[7, 9; 15, 7]

17,2*

[16, 6; 19, 1]

12,3

[7, 3; 14, 9]

12,4

[11, 3; 14, 2]

Гиперхромные

Hyperchromic

7,6

[4, 4; 13, 7]

10,1

[8, 0; 25, 4]

6,8

[6, 0; 7, 9]

14,1

[12, 3; 22, 7]

Апоптотические

Apoptotic

0,4

[0, 3; 0, 8]

0

[0; 7, 1]

5,6*

[3, 1; 5, 9]

6,4*

[2, 7; 7, 1]

Парные

Twin

17,4

[15, 7; 18, 3]

19,1

[14, 7; 19, 3]

20,9

[16, 1; 21, 4]

17,0

[10, 6; 20, 0]

Прилежащие к базальной мембране

Adjacent to basement membrane

1,7

[0, 8; 2, 1]

3,3*

[2, 3; 5, 5]

2,4

[1, 7; 2, 6]

1,4

[1, 2; 3, 1]

Олигодендроциты

Oligodendrocytes

Нормохромные

Normochromic

80,9

[74, 0; 89, 0]

84,2

[82, 8; 87, 9]

81,3

[35, 5; 84, 2]

72,5

[62, 5; 77, 1]

Гиперхромные

Hyperchromic

7,7

[1, 3; 11, 5]

10,3

[9, 1; 10, 5]

7,9

[0; 21, 0]

17,5*

[15, 0; 18, 8]

Апоптотические

Apoptotic

10,0

[7, 2; 12, 3]

5,3

[3, 0; 6, 9]

18,8

[7, 9; 33, 3]

12,5

[9, 3; 20, 0]

Астроциты

Astrocytes

Нормохромные

Normochromic

95,1

[89, 2; 100]

95,6

[94, 4; 98, 2]

94,7

[94, 1; 95, 1]

100,0

[97, 6; 100]

Гиперхромные

Hyperchromic

Не прослежены

Not traced

Апоптотические

Apoptotic

4,9

[0; 9, 8]

2,8

[1, 8; 4, 4]

5,3

[4, 9; 5, 9]

0

[0; 2, 4]

Атипичные глиоциты

Atypical gliocytes

3,6

[1, 4; 7, 1]

11,3*

[7, 1; 11, 6]

8,6*

[7, 5; 11, 0]

4,7

[1, 4; 5, 0]

Примечание. *Различия статистически значимы по сравнению с группой контроля (Н-критерий Краскела–Уоллиса, p < 0,05).

Note. *The differences are statistically significant compared to control group (Kruskal–Wallis H test, p < 0.05).

 

Репродукция вируса

Ультраструктурный анализ неокортекса заражённых SARS-CoV-2 животных выявил формирование вирусных «фабрик». Их наличие отмечали преимущественно в нейронах, глиоцитах и эпендимоцитах (рис. 2). Причем в последних формирование вирусных частиц прослеживали с участием шероховатого ЭР, тогда как в нейронах и глиоцитах вирусные «фабрики» сформированы на основе АГ, что подтверждают и другие авторы [25]. Вирусные «фабрики» всегда ассоциированы с митохондриями (Мх), обеспечивающими процесс репродукции вируса энергетически, а также, возможно, триггерными сигналами.

 

Рис. 2. Варианты вирусных «фабрик» в неокортексе сирийских хомяков после заражения SARS-CoV-2 4×104 ТЦД50/мл (26 мкл/особь интраназально): а – вирусные «фабрики», сформированные в нейронах комплексом Гольджи; б – в дендритах нейронов «фабрики» сформированы аппаратом Гольджи и шероховатым эндоплазматическим ретикулумом уже на 3-и сутки инфицирования; в эпендимоцитах (в) и эндотелии пиальных сосудов (г) вирусный процессинг в основном задействует структуры эндоплазматического ретикулума. Электронограммы. Увеличения: а – 43 000; б – 26 500; в – 60 000; г – 26 500.

 

Следует отметить, что персистирование вируса в паренхиме мозга на первых этапах инфекционного процесса не приводит к существенным дистрофическим изменениям нейронов и глиоцитов, а напротив, поддерживает уровень их усиленной пластической и необходимой энергетической активности. Вирусные «фабрики» в нейронах неокортекса прослеживали до 28 суток, когда в ткани лёгких ПЦР-методами вирус уже не определялся [26, 27].

Аутоиммунная агрессия и демиелинизация

Помимо повреждения нейритов и глиоцитов, прослеживали изменения миелиновых волокон. Осевые цилиндры нередко соответствовали вариантам валлеровского перерождения с тёмной дегенерацией и распадом аксонов погибших нейронов. С большей частотой демиелинизация прослежена без дегенерации нейритов как самостоятельный патологический процесс, опосредованный повреждением олигодендроцитов (рис. 3). Прослеживали расширение узлов перехватов Ранвье и отслоение формирующих междоузлие миелиновых ламелл. Деструкция миелиновых оболочек проявлялась в расслоении и разволокнении ламелл, зернистом и везикулярном распаде миелина. Частота наблюдений дегенерации миелинового аппарата возрастала со временем наблюдения, что коррелировало с увеличением количества гиперхромных вакуолизированных олигодендроцитов к 28-м суткам после заражения, по-видимому, связанным с аутоиммунным повреждением этих клеток. Элиминация заражённых олигодендроцитов к окончанию периода наблюдения, вероятно, также опосредована аутоиммунным конфликтом.

 

Рис. 3. Повреждение олигодендроцитов и миелинового аппарата в неокортексе сирийских хомяков на 7-е сутки после заражения SARS-CoV-2 4×104 ТЦД50/мл (26 мкл/особь интраназально): а – проявления валлеровского перерождения с тёмной дегенерацией нейрита; б – апоптоз олигодендроцита на стадии фрагментации ДНК; в – дезорганизация миелинового аппарата в зоне перехвата Ранвье; г – расслоение ламелл миелиновой оболочки. Электронограммы. Увеличения: а – 43 000; б – 11 500; в – 16 500; г – 26 500.

 

Изменения гематоэнцефалического барьера

Нейроны и глиоциты представляют вариант забарьерных популяций клеток, поражение которых подтверждает способность вируса поражать укрытые от прямого иммунного контроля структуры. Для косвенной характеристики функциональной активности формирующих гематоэнцефалический барьер микрососудов неокортекса оценивали профиль базальной мембраны (БМ), степень нарушения её регулярной коллагеновой структуры и состояние периваскулярных отростков астроцитов (табл. 2). Установлено, что вирусная инвазия сопровождается спазмом микрососудов с извилистым профилем БМ и участками периваскулярных отёков уже на 3-и – 7-е сутки после заражения. По-видимому, эти изменения, наряду с выявленным в некоторых случаях тромбозом (рис. 4), способствуют гипоксии тканей, что подтверждает значимое увеличение к этому времени количества гиперхромных и умеренно гиперхромных нейронов, взаимодействующих с БМ сосудов без глиальных посредников. Компенсаторные изменения сопряжены с активацией «спящих» резервных сосудов, количество которых сокращается начиная с 7-х суток и до окончания наблюдения.

 

Таблица 2. Изменения микрососудов неокортекса сирийских хомяков после заражения SARS-CoV-2 4×104 ТЦД50/мл (26 мкл/особь интраназально), Me [Q1; Q3], %

Table 2. Microvascular changes in the Syrian hamsters neocortex after SARS-CoV-2 infection with 4×104 TCID50/ml (26 µl/individual, intranasally), Me [Q1; Q3], %

Состояние сосуда

Condition of the vessel

Периваскулярное пространство

Perivascular space

Продолжительность наблюдения (группа)/

Observation period (group)

Контроль/Control

(n = 9)

3 суток/3 days

(n = 5)

7 суток/7 days

(n = 5)

28 суток/28 days

(n = 5)

Норма

Normal

Без отёка /Without edema

40,6 [35, 2; 46, 1]

31,2 [27, 4; 32, 8]

15,0* [14, 8; 16, 8]

18,9* [17, 8; 20, 5]

С отёком/With edema

19,6 [16, 4; 23, 8]

19,4 [15, 8; 19, 8]

26,7* [26, 3; 28, 8]

27,3* [26, 3; 32, 2]

Констрикция

Constriction

Без отёка/Without edema

7,5 [6, 5; 8, 5]

12,9* [10, 8; 14, 5]

7,5 [6, 6; 8, 9]

6,8 [4, 0; 9, 0]

С отёком/With edema

21,6 [15, 8; 25, 5]

26,7 [23, 2; 29, 0]

39,6* [38, 8; 42, 6]

34,7 [33, 1; 40, 2]

Дилатация

Dilatation

Без отёка/Without edema

Не прослежены/Not traced

С отёком/With edema

В единичном количестве на 7-е сутки после заражения/

In a single amount at day 7 post-infection

«Спящие»

Dormant

Без отёка/Without edema

5,1 [3, 2; 6, 7]

4,8 [4, 3; 6, 9]

4,0* [3, 4; 5, 0]

1,5* [1, 5; 1, 9]

С отёком/With edema

2,8 [2, 2; 4, 4]

4,8 [3, 1; 5, 4]

3,0 [1, 6; 6, 3]

6,8* [5, 0; 11, 0]

Итого сосудов с отёком БМ

Total vessels with edema of basal membrane

43,9 [37, 5; 52, 0]

53,8 [49, 6; 56, 0]

72,5* [70, 3; 77, 0]

69,7* [67, 8; 77, 2]

Примечание. *Различия статистически значимы по сравнению с группой контроля (Н-критерий Краскела–Уоллиса, p < 0,05).

Note. *The differences are statistically significant compared to control group (Kruskal–Wallis H test, p < 0.05).

 

Рис. 4. Структурные изменения гематоэнцефалического барьера в неокортексе сирийских хомяков после заражения SARS-CoV-2 4×104 ТЦД50/мл (26 мкл/особь интраназально): а – спазмированный капилляр с отёчным периваскулярым пространством (ПВПр); б – прямой контакт (стрелки) нейрона (Н) с микрососудом, заполненным эритроцитами (Эр); в – спящий резервный капилляр, просвет (ПрК) которого перекрыт ядром эндотелиоцита (ЯЭц); г – вирусные тельца проникают в нейрон (Н), преодолевая базальную мембрану (БМ) сосуда. Электронограммы. Увеличения: а – 6000; б – 4200; в – 11 500; г – 60 000.

 

Прослеженные электронно-микроскопические изменения структур неокортекса не позволяют относиться к COVID-19 исключительно как к респираторной инфекции. Подобно вирусу геморрагической лихорадки Эбола, пролиферация которого также происходит в головном мозге [28], применительно к SARS-CoV-2 прослежено значение этой системы в вирусной репродукции и накоплении, что ввиду особенностей проницаемости гематоэнцефалического барьера определяет сложности проведения противовирусной химиотерапии.

Заключение

Проведённое ЭМИ предоставило важную информацию для формирования подходов к терапии новой коронавирусной инфекции. Забарьерное персистирование вируса объяснило формирование когнитивных нарушений и расстройств внимания у реконвалесцентов COVID-19. Формирующиеся демиелинизирующие процессы, сопряжённые, по-видимому, с иммунным контролем и элиминацией контаминированных вирусом глиальных клеток, определяют болевые проявления и мигрирующие нарушения двигательной активности. Принципиально важно, что большинство применяемых антиметаболитов синтеза РНК и блокаторов вирусной РНК-зависимой РНК-полимеразы представляют достаточно гидрофильные соединения, а их способность воздействовать на вирусную продукцию в нервной ткани весьма ограничена. Это обстоятельство определяет необходимость проведения дальнейшего дизайна молекул лекарств, создания универсальных и безопасных в применении противовирусных средств. Вместе с тем прослеженная роль АГ определяет возможность влияния на гликозилирование как вирусных белков, так и их мишеней на поверхности клеток, что, вероятно, и достигалось посредством применения гидроксихлорохина и его производных [1, 29], показавших свою эффективность в попытках ранней краткосрочной терапии COVID-19 [30].

Таким образом, результаты проведённого морфологического анализа компартментализации метаболических процессов могут быть применены для выявления механизмов протекания инфекции SARS-CoV-2 и поиска направлений разработки новых лекарственных средств.

Участие авторов: Парамонова Н.М. – концепция и дизайн исследования, обработка материала, электронная микроскопия, написание текста статьи; Чепур С.В. – концепция и дизайн исследования, статистическая обработка результатов, написание текста статьи; Первак М.О. – обработка материала, редактирование статьи; Мясников В.А. – концепция и дизайн исследования, редактирование; Тюнин М.А. – концепция и дизайн исследования, редактирование; Ильинский Н.С. – сбор и обработка материала, редактирование статьи; Каневский Б.А – вирусологическая работа, редактирование статьи, Смирнова А.В. – вирусологическая работа, обработка материала, редактирование статьи.

Благодарности. Авторы выражают искреннюю благодарность А.С. Никишину и П.С. Баевой за участие в создании биологических моделей.

Финансирование. Исследование выполнено за счёт государственного бюджета.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Этическое утверждение. Авторы подтверждают соблюдение институциональных и национальных стандартов по использованию лабораторных животных в соответствии с Consensus author guidelines for animal use (IAVES, 23 July 2010). Программа и протокол исследования одобрен Комитетом по этике биомедицинских исследований ФГБУ «Государственный научно-исследовательский испытательный институт военной медицины» Министерства обороны Российской Федерации, 195043, г. Санкт-Петербург, Россия (протокол № 21 от 23.11.2020 г.).

×

About the authors

Natal’ya M. Paramonova

State Research Testing Institute of Military Medicine of the Ministry of Defense of the Russian Federation; Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: gniiivm_2@mil.ru
ORCID iD: 0000-0001-5451-3555
SPIN-code: 2945-3310

Senior researcher

Russian Federation, 195043, Saint Petersburg; 194223, Saint Petersburg

Sergey V. Chepur

State Research Testing Institute of Military Medicine of the Ministry of Defense of the Russian Federation

Email: gniiivm_2@mil.ru
ORCID iD: 0000-0002-7625-2744
SPIN-code: 3828-6730

Dr. Sci. (Med.), Professor, Head of the Institute

Russian Federation, 195043, Saint Petersburg

Mariya О. Pervak

State Research Testing Institute of Military Medicine of the Ministry of Defense of the Russian Federation

Email: gniiivm_7@mil.ru
ORCID iD: 0000-0002-1395-823X

Junior researcher

Russian Federation, 195043, Saint Petersburg

Vadim A. Myasnikov

State Research Testing Institute of Military Medicine of the Ministry of Defense of the Russian Federation

Email: gniiivm_7@mil.ru
ORCID iD: 0000-0001-7232-4678

Cand. Sci. (Med.), Head of the Scientific-Research Department

Russian Federation, 195043, Saint Petersburg

Mikhail A. Tyunin

State Research Testing Institute of Military Medicine of the Ministry of Defense of the Russian Federation

Email: gniiivm_7@mil.ru
ORCID iD: 0000-0002-6974-5583
SPIN-code: 6161-7029

Cand. Sci. (Med.), Vice-head of the Scientific-Research Department

Russian Federation, 195043, Saint Petersburg

Nikita S. Ilinskiy

State Research Testing Institute of Military Medicine of the Ministry of Defense of the Russian Federation

Email: nika_il2@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7406-753X
SPIN-code: 5511-7800

Deputy Head of the Scientific-Research Department

Russian Federation, 195043, Saint Petersburg

Boris A. Kanevskij

State Research Testing Institute of Military Medicine of the Ministry of Defense of the Russian Federation

Email: gniiivm_7@mil.ru
ORCID iD: 0000-0002-6255-8232
SPIN-code: 2549-9294

Deputy Head of the Scientific-Research Department

Russian Federation, 195043, Saint Petersburg

Anna V. Smirnova

State Research Testing Institute of Military Medicine of the Ministry of Defense of the Russian Federation

Author for correspondence.
Email: janis_1@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0483-5032
SPIN-code: 4897-0219

Researcher

Russian Federation, 195043, Saint Petersburg

References

  1. Chepur S.V., Pluzhnikov N.N., Chubar’ O.V., Bakulina L.S., Litvinenko I.V., Makarov V.A., et al. Respiratory RNA viruses: how to prepare for meeting with new pandemic strains. Uspekhi sovremennoy biologii. 2020; 140(4): 359–77. https://doi.org/10.31857/S0042132420040043 (in Russian)
  2. Machhi J., Herskovitz J., Senan A.M., Dutta D., Nath B., Oleynikov M.D., et al. The Natural History, Pathobiology, and Clinical Manifestations of SARS-CoV-2 Infections. J. Neuroimmune Pharmacol. 2020; 15(3): 359–86. https://doi.org/10.1007/s11481-020-09944-5
  3. Kharchenko E.P. The coronavirus SARS-CoV-2: the characteristics of structural proteins, contagiousness, and possible immune collisions. Epidemiologiya i vaktsinoprofilaktika. 2020; 19(2): 13–30. https://doi.org/10.31631/2073-3046-2020-19-2-13-30 (in Russian)
  4. Bruyakin S.D., Makarevich D.A. Structural proteins of the SARS-CoV-2 coronavirus: role, immunogenicity, superantigenic properties and potential use for therapeutic purposes. Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo meditsinskogo universiteta. 2021; (2): 18–27. https://doi.org/10.19163/1994-9480-2021-2(78)-18-27 (in Russian)
  5. Pashchenkov M.V., Khaitov M.R. Immune response against epidemic coronaviruses. Immunologiya. 2020; 41(1): 5–18. https://doi.org/10.33029/0206-4952-2020-41-1-5-18 (in Russian)
  6. Pan Y., Li X., Yang G., Fan J., Tang Y., Zhao J., et al. Serological immunochromatographic approach in diagnosis with SARS-CoV-2 infected COVID-19 patients. J. Infect. 2020; 81(1): e28–32. https://doi.org/10.1016/j.jinf.2020.03.051
  7. Rodríguez Y., Novelli L., Rojas M., De Santis M., Acosta-Ampudia Y., Monsalve DM., et al. Autoinflammatory and autoimmune conditions at the crossroad of COVID-19. J. Autoimmun. 2020; 114: 102506. https://doi.org/10.1016/j.jaut.2020.102506
  8. Nalbandian A., Sehgal K., Gupta A., Madhavan M.V., McGroder C., Stevens J.S., et al. (2021). Post-acute COVID-19 syndrome. Nat. Med. 2021; 27(4): 601–15. https://doi.org/10.1038/s41591-021-01283-z
  9. Mao L., Jin H., Wang M., Hu Y., Chen S., He Q., et al. Neurologic manifestations of hospitalized patients with coronavirus disease 2019 in Wuhan, China. JAMA Neurol. 2020; 77(6): 683–690. https://doi.org/10.1001/jamaneurol.2020.1127
  10. Pinna P., Grewal P., Hall J.P., Tavarez T., Dafer R.M., Garg R., et al. Neurological manifestations and COVID-19: Experiences from a tertiary care center at the Frontline. Journal of the neurological sciences. J. Neurol. Sci. 2020; 415: 116969. https://doi.org/10.1016/j.jns.2020.116969
  11. Zhou F., Yu T., Du R., Fan G., Liu Y., Liu Z., et al. Clinical course and risk factors for mortality of adult inpatients with COVID-19 in Wuhan, China: a retrospective cohort study. Lancet. 2020; 395(10229): 1054–62. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(20)30566-3
  12. Xiao A.T., Gao C., Zhang S. Profile of specific antibodies to SARS-CoV-2: The first report. J. Infect. 2020; 81(1): 147–78. https://doi.org/10.1016/j.jinf.2020.03.012
  13. Logunov D.Y., Dolzhikova I.V., Shcheblyakov D.V., Tukhvatulin A.I., Zubkova O.V., Dzharullaeva A.S., et al. Safety and efficacy of an rAd26 and rAd5 vector-based heterologous prime-boost COVID-19 vaccine: an interim analysis of a randomised controlled phase 3 trial in Russia. Lancet. 2021; 397(10275): 671–81. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(21)00234-8
  14. Jones I., Roy P. Sputnik V COVID-19 vaccine candidate appears safe and effective. Lancet. 2021; 397(10275): 642–3. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(21)00191-4
  15. Dassarma B., Tripathy S., Matsabisa M. Emergence of ancient convalescent plasma (CP) therapy: to manage COVID-19 pandemic. Transfus. Clin. Biol. 2021; 28(1): 123–127. https://doi.org/10.1016/j.tracli.2020.11.004
  16. Chakraborty C., Sharma A.R., Sharma G., Bhattacharya M., Lee S.S. SARS-CoV-2 causing pneumonia-associated respiratory disorder (COVID-19): diagnostic and proposed therapeutic options. Eur. Rev. Med. Pharmacol. Sci. 2020; 24(7): 4016–26. https://doi.org/10.26355/eurrev_202004_20871
  17. Wu X., Yu K., Wang Y., Xu W., Ma H., Hou Y., et al. Efficacy and safety of Triazavirin therapy for coronavirus disease 2019: a pilot randomized controlled trial. Engineering (Beijing). 2020; 6(10): 1185–91. https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.08.011
  18. Chan J.F.W., Zhang A.J., Yuan S., Poon V.K.M., Chan C.C.S., Lee A.C.Y., et al. Simulation of the clinical and pathological manifestations of coronavirus disease 2019 (COVID-19) in a golden Syrian hamster model: implications for disease pathogenesis and transmissibility. Clin. Infect. Dis. 2020; 71(9): 2428–46. https://doi.org/10.1093/cid/ciaa325
  19. TaŞtan C., Yurtsever B., Sir KarakuŞ G., Dİlek KanÇaĞi D., Demİr S., Abanuz S., et al. SARS-CoV-2 isolation and propagation from Turkish COVID-19 patients. Turk. J. Biol. 2020; 44(3): 192–202. https://doi.org/10.3906/biy-2004-113
  20. Yao P., Zhang Y., Sun Y., Gu Y., Xu F., Su B., et al. Isolation and growth characteristics of SARS-CoV-2 in vero cell. Virol. Sin. 2020; 35(3): 348–50. https://doi.org/10.1007/s12250-020-00241-2
  21. Reed L.J., Muench H. A simple method of estimating fifty percent endpoints. Am. J. Hygiene. 1938; 27: 493–7. https://doi.org/10.1093/oxfordjournals.aje.a118408
  22. Makarenko I.E., Avdeeva O.I., Vanatiev G.V., Rybakova A.V., Khod’ko S.V., Makarova M.N., et al. Possible ways of administration and standard drugs in laboratory animals. Mezhdunarodnyy vestnik veterinarii. 2013; (3): 72–84. (in Russian)
  23. Gayer G., ed. Ultrahistochemie. Stuttgart-New York: Fischer Verlag; 1973. (in German)
  24. Saraste J., Prydz K. Assembly and cellular exit of coronaviruses: hijacking an unconventional secretory pathway from the pre-Golgi intermediate compartment via the golgi ribbon to the extracellular space. Cells. 2021; 10(3): 503. https://doi.org/10.3390/cells10030503
  25. Hackstadt T., Chiramel A.I., Hoyt F.H., Williamson B.N., Dooley C.A., Beare P.A., et al. Disruption of the Golgi apparatus and contribution of the endoplasmic reticulum to the SARS-CoV-2 replication complex. Viruses. 2021; 13(9): 1798. https://doi.org/10.3390/v13091798
  26. Chepur S.V., Myasnikov V.A., Tyunin M.A., Il’inskiy N.S., Nikishin A.S., Isaeva A.A., et al. A model of a novel coronavirus infection in golden Syrian hamsters: major pathological changes. Biomeditsina. 2021; 17(3): 90–4. https://doi.org/10/33647/2074-5982-17-3-90-94 (in Russian)
  27. Chepur S.V., Tyunin M.A., Myasnikov V.A., Alekseeva I.I., Vladimirova O.O., Il’inskiy N.S., et al. Organ and tissue damage related to SARS-CoV-2: the biological model for experimental (preclinical) trials on golden hamsters Mesocricetus auratus. Klinicheskaya i eksperimental’naya morfologiya. 2021; 10(4): 25–34. https://doi.org/10.31088/CEM2021.10.4.25-34 (in Russian)
  28. Billioux B.J., Smith B., Nath A. Neurological complications of Ebola virus infection. Neurotherapeutics. 2016; 13(3): 461–70. https://doi.org/10.1007/s131311-016-0457-z
  29. Chepur S.V., Pluzhnikov N.N., Sayganov S.A., Bakulina L.S., Chubar’ O.V., Yudin M.A., et al. The hypothesis of the aperiodic polysaccharides matrix synthesis. Uspekhi sovremennoy biologii. 2019; 139(6): 583–93. https://doi.org/10.1134/S0042132419060012 (in Russian)
  30. Sinha N., Balayla G. Hydroxychloroquine and COVID-19. Postgrad. Med. J. 2020; 96(1139): 550–5. https://doi.org/10.1136/postgradmedj-2020-137785

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Changes in neocortical cells of Syrian hamsters after SARS-CoV-2 infection at a dose of 4×104 TCID50/ml (26 µl/individual, intranasally): a – moderately hyperchromic neuron with a deformed nucleus contour, a large nucleolus and accumulation of RNA-positive material in the cytoplasm; b – apoptosis of a neuron at the stage of nuclear fragmentation, on the insert – a large accumulation of viruses; c – in the terminal sections of unevenly dilated tubules of the ER there are viral particles; d – A fragment of a dendrite with an MBT containing virions. Electronograms. Magnifications: a – 16,500x; b – 6000x; insert – 17,000x; c, d – 60,000x.

Download (601KB)
3. Fig. 2. Viral factory variants in the Syrian hamsters neocortex after SARS-CoV-2 infection with 4×104 TCID50/ml (26 µl/individual, intranasally): a – viral factories formed by the Golgi complex in neurons; b – in neuronal dendrites factory formed by the Golgi complex and the endoplasmic reticulum structures on the day 3 post-infection; in ependymocytes (c) and endothelium of pial blood vessels (d) viral processing mainly involves the endoplasmic reticulum structures. Electronograms. Magnifications: a – 43,000; b – 26,500; c – 60,000; d – 26,500.

Download (542KB)
4. Fig. 3. Damage to oligodendrocytes and myelin apparatus in the Syrian hamsters neocortex on the day 7 post-infection with SARS-CoV-2 in 4×104 TCID50/ml dosage (26 µl/individual, intranasally): a – Wallerian degeneration manifestations with dark neurite degeneration; b – oligodendrocyte apoptosis at the stage of DNA fragmentation; c – desorganisation of myelin in the zone of interception of Ranvier; d – stratification of the lamellae of the myelin sheath. Electronograms. Magnifications: a – 43,000; b – 11,500; c – 16,500; d – 26,500.

Download (688KB)
5. Fig. 4. Structural changes in the blood-brain barrier in the neocortex of Syrian hamsters after infection with SARS-CoV-2 4×104 TCID50/ml (26 µl/individual intranasally): a – spasmodic capillary with edematous perivascular space (PVPR); b – direct contact (arrows) of a neuron (N) filled with erythrocyte (ER) microvessel; c – dormant reserve capillary, the lumen (PRC) of which is blocked by the endotheliocyte nucleus (NEC); d – viral bodies penetrate into the neuron (N), overcoming the basement membrane (BM) of the vessel. Electronograms. Magnifications: a – 6000; b – 4200; c – 11,500; d – 60,000.

Download (623KB)

Copyright (c) 2022 Paramonova N.M., Chepur S.V., Pervak M.О., Myasnikov V.A., Tyunin M.A., Ilinskiy N.S., Kanevskij B.A., Smirnova A.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС77-77676 от 29.01.2020.


This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies