Mögliche Pathogenese und Prävention von Long-COVID: SARS-CoV-2-Induzierte mitochondriale Störung Teil 1

Abstrakt:Bei Patienten, die sich von einer Infektion mit der Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19) erholt haben, kann es trotz offensichtlicher Herz- oder Lungenanomalien zu chronischer Müdigkeit beim Training kommen. Der derzeitige Mangel an wirksamen Behandlungen macht die Behandlung von Langzeit-COVID-19 zu einer großen Herausforderung. Einer der zugrunde liegenden Mechanismen von Long-COVID könnte eine mitochondriale Dysfunktion sein. Schwere Infektionen mit dem akuten respiratorischen Syndrom Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) können die Mitochondrien verändern, die für die Energieproduktion in Zellen verantwortlich sind. Diese Veränderung führt zu einer mitochondrialen Dysfunktion, die wiederum den oxidativen Stress erhöht. Letztendlich führt dies zu einem Verlust der mitochondrialen Integrität und zum Zelltod. Darüber hinaus können virale Proteine ​​an mitochondriale Komplexe binden, die Mitochondrienfunktion stören und zu einer Überreaktion der Immunzellen führen. Diese Überreaktion führt zu Entzündungen und möglicherweise langen COVID-Symptomen. Es ist wichtig anzumerken, dass die Rolle von mitochondrialen Schäden und Entzündungsreaktionen, die durch SARS-CoV-2 verursacht werden, bei der Entwicklung von Long-COVID noch ungeklärt ist. Die gezielte Ausrichtung auf die Mitochondrienfunktion könnte vielversprechende neue klinische Ansätze für Patienten mit langer COVID-Erkrankung bieten. Es sind jedoch weitere Studien erforderlich, um die Sicherheit und Wirksamkeit solcher Ansätze zu bewerten.

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Schlüsselwörter:SARS-CoV-2; langes COVID; Pathogen-assoziierte molekulare Muster (PAMPs); mitochondriale Störung; entzündliche Reaktionen; oxidative Phosphorylierung; Elektronentransportkette

1. Einleitung

Das Hauptsymptom der Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19) ist eine Atemwegserkrankung [1]. Allerdings kann das schwere akute respiratorische Syndrom Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) auch gastrointestinale Symptome und Entzündungen verursachen, die sich über Zytokine im Blutkreislauf auf die Lunge und die Immunantwort auswirken können [2]. Bei Menschen mit einer Post-COVID-19-Erkrankung können verschiedene Symptome auftreten, die noch Wochen, Monate oder sogar Jahre nach der Infektion anhalten können [3]. Manchmal verschwinden die Symptome sogar und treten wieder auf. Es kann schwierig sein, diese Symptome zu erklären und zu behandeln. Langes COVID wurde definiert als „Anzeichen, Symptome und Zustände, die nach der ersten SARS-CoV-2-Infektion anhalten oder sich entwickeln“ [4]. Klinische Untersuchungen und die Beurteilung der Ergebnisse routinemäßiger Blutuntersuchungen, Röntgenaufnahmen des Brustkorbs und Elektrokardiogramme können normal sein [5]. Zu den am häufigsten auftretenden Symptomen von Post-COVID-19-Erkrankungen gehören eine übertriebene Hyperventilationsreaktion während des Trainings, Müdigkeit oder Schwäche, die das tägliche Leben beeinträchtigt, Unwohlsein nach Anstrengung, Fieber und mehr [6,7]. Die maximale Sauerstoffaufnahme (VO2peak) bei Patienten mit langem COVID-19 ist deutlich niedriger als normal [8]. In den ersten Monaten nach der Infektion kann das Herz-Kreislauf-System aufgrund einer chronotropen Insuffizienz und eines verringerten Herzzeitvolumens zu einem niedrigen VO2peak durch ein unter dem Normalwert liegendes Herzzeitvolumen führen [8]. Alternativ können auch periphere Faktoren wie Muskelmasse, Kraft und Durchblutung, Mitochondrienfunktion oder arteriovenöse Sauerstoffdifferenz zu einem niedrigen VO2peak beitragen [8]. Diese Symptome ähneln denen, über die Patienten mit myalgischer Enzephalomyelitis/chronischem Müdigkeitssyndrom und Menschen mit genetisch bedingten mitochondrialen Erkrankungen berichten [7,9].

Über die gemeinsame Lokalisierung des SARS-CoV-2-Genoms und der Mitochondrien in SARS-CoV-2-infizierten Geweben wurde berichtet [10]. Mitochondrien können gegenüber physiologischen und pathologischen Reizen wie Virusinfektionen äußerst anfällig sein. Die Integrität und normale Funktion der Mitochondrien kann während einer SARS-CoV-2-Infektion verändert werden, wodurch zelluläre Reaktionen moduliert werden. Die Replikation von SARS-CoV-2 beginnt mit virusinduzierten Doppelmembranvesikeln (DMV), die aus dem endoplasmatischen Retikulum stammen und sich schließlich zu einem komplexen Membrannetzwerk integrieren [11]. Es ist bekannt, dass SARS-CoV-2-Proteine ​​selektiv auf Organellenkompartimente wie das endoplasmatische Retikulum und die Mitochondrien abzielen und sich in der mitochondrialen Matrix des Wirts befinden können [12]. Dies führt zu einer mitochondrialen Dysfunktion und einem erhöhten oxidativen Stress, was letztendlich zum Verlust der mitochondrialen Integrität und zum Zelltod führt [13]. Diese Proteine ​​​​kombinieren auch mit unspezifischen und selektiven Kanalkomplexen der mitochondrialen Permeabilitätsübergangspore (mPTP) auf Mitochondrien, die die Morphologie und Funktion der Mitochondrien verändern, den Ca2+-Zyklus stören und den spannungsgesteuerten Kalziumkanal (VDCC) hemmen könnten. Aktivität und führen zu einer Störung der Ionenhomöostase und einer mitochondrialen Dysfunktion, wodurch der zelluläre Ca2+-Zyklus und die Lebensfähigkeit der Zellen gestört werden [14].

Darüber hinaus führt die Hyperaktivierung des Pyrindomänen enthaltenden Inflammasoms 3 (NLRP3) der NLR-Familie zu einer Hyperreaktivität in klassisch aktivierten Makrophagen, wenn die Mitochondrienfunktion beeinträchtigt ist, was zu einer Zunahme der mitochondrialen reaktiven Sauerstoffspezies (mtROS) und der frei zirkulierenden mitochondrialen DNA (mtDNA) führt. Oxidierte mtDNA, Cardiolipin und Cytochrom aus den beschädigten Mitochondrien aktivieren bei Freisetzung in das Zytoplasma schadensassoziierte molekulare Muster (DAMPs), was zu anhaltenden lokalen und systemischen Entzündungsreaktionen führt [15–17]. In diesem Artikel werden Hypothesen zu den Veränderungen des Mitochondrienstatus bei einer SARS-CoV-2-Infektion untersucht, darunter unter anderem die Redoxhomöostase der Mitochondrien, die Regulierung von Entzündungen und die antivirale Signalübertragung, und erörtert, warum mitochondriale Schäden zu einer langen COVID-Infektion beitragen können.

2. SARS-CoV-2 und Long COVID

2.1. SARS-CoV-2 Nichtstrukturelle Proteine

Das Coronavirus ist ein einzelsträngiges Positiv-RNA-Virus, das eine Hülle enthält. Sein Genom ist als 50 -Leader-UTR-Replikat (offener Leserahmen 1ab)-Spike-Envelopemembrane-Nucleocapsid-30 UTR-PolyA-Schwanz strukturiert [18,19]. SARS-CoV-2-Viruspartikel bestehen aus Hauptstrukturproteinen wie dem Spike-Protein, dem Hüllprotein, dem Membranprotein und dem Nukleokapsidprotein. Die Replikase-Polyproteine ​​spalten die ORF1a- und ORF1ab-Polyproteine ​​von SARS-CoV-2 selbst, um 16 nichtstrukturelle Proteine ​​(NSP1 bis NSP16) zu bilden [20]. Diese Komplexe sind an der Replikation und Transkription beteiligt und spielen im gesamten Lebenszyklus des Coronavirus unterschiedliche Rollen (Tabelle 1). Beispielsweise spielt NSP16 eine wichtige Rolle bei der Umgehung der Immunantwort des Wirts und beim Schutz der entstehenden viralen mRNA vor dem Abbau [21].

Zusätzlich zu diesen nichtstrukturellen Proteinkomplexen, die an der Replikation und Transkription von SARS beteiligt sind, sind auch der offene Leserahmen 3a (ORF3a), ORF3b, ORF3c, ORF3d, ORF6, ORF7a, ORF7b, ORF8, ORF9b, ORF9c und ORF10 beteiligt im Infektionsmechanismus von SARS-CoV-2 (Tabelle 2) [22]. Insbesondere fehlt SARS-CoV-2 im Vergleich zu SARS-CoV [23,24] ORF8a.

2.2. Virale PAMPs

Wenn das Immunsystem eine Gewebeschädigung erkennt, werden bestimmte Moleküle freigesetzt, um über DAMPs eine Immunantwort auszulösen [53]. DAMPs und verwandte pathogen-assoziierte molekulare Muster (PAMPs) lösen die Inflammasom-Assemblierung aus, aktivieren Caspase-1 [54] und induzieren mitochondriale Schäden [55] (Abbildung 1). Toll-like-Rezeptoren (TLRs) werden sowohl auf angeborenen als auch auf nichtimmunen Zellen exprimiert. Die Aktivierung von TLRs spielt eine doppelte Rolle [56], einschließlich der Erkennung und Eliminierung von PAMPs in Bakterien, Viren und anderen Krankheitserregern sowie der Beteiligung von Krankheitserregern an der Erkennung und Eliminierung autogener DAMPs, die aus sterbenden oder lysierten Zellen freigesetzt werden [57]. . Typische PAMPs sind Nukleinsäuren, einschließlich viraler RNA und DNA, aber auch oberflächenexponierte Glykoproteine, Lipoproteine ​​und verschiedene Membrankomponenten (57). Der Einsatz von PAMPs und/oder DAMPs kann Mustererkennungsrezeptoren (PRRs) wie TLRs oder das Nukleotid-bindende Oligomerisierungsdomänen enthaltende Protein 2 (NOD2) aktivieren, was zur Aktivierung von NFκB und zur Aktivierung der Gentranskription führt. Es wurde bereits früher berichtet, dass virale PAMPs mit doppelsträngiger RNA (dsRNA) bekanntermaßen TLR3 aktivieren [58], wohingegen virale PAMPs mit einzelsträngiger RNA (ssRNA) hauptsächlich TLR7/8 aktivieren [59]. Änderungen in der Verteilung geladener Aminosäuren im Spike-Protein von Omicron-Varianten stören die Erkennung von TLRs durch PRRs, wodurch die Aktivierung des NF-κB-Signalwegs und verwandter Signalwege verringert wird, was folglich die Virusreplikation und die systemische Immunhyperaktivierung hemmt [60].

2.3. Langes COVID

„Post-COVID-19-Syndrom“, „Long COVID-19“, „Langfristige COVID-19-Effekte“, „Langstreckenfahrer“, „COVID-19 Long Tail“ , und „anhaltende COVID-19-Symptome“ [61–64] sind alles Begriffe, die zur Beschreibung verschiedener Zustände verwendet werden, wie z. B. Entzündungen, Folgen von Organschäden, Krankenhausaufenthalten und sozialer Isolation, die noch lange nach SARS andauern. CoV-2-Infektion [65]. Long-COVID weist langfristige Heterogenität und komplexe Symptome auf [66]. Zu den häufigsten Symptomen gehören chronische Müdigkeit [67]; respiratorische Manifestationen (z. B. Husten und Kurzatmigkeit) [67]; Arrhythmien, Herzklopfen, Hypotonie, erhöhte Herzfrequenz, venöse thromboembolische Erkrankungen, Myokarditis und akute Herzinsuffizienz [68]; und Symptome neurologischer und psychiatrischer Störungen (z. B. periphere Neuropathie, Brain Fog, Angstzustände und Depression) [67,69,70]. Diagnostische Cluster haben gezeigt, dass es bei Long-COVID nicht um einen einzelnen Phänotyp geht, sondern um eine Ansammlung von Subphänotypen, die unterschiedlichen Diagnosen und Behandlungen unterliegen [71].

Der Mechanismus, der der Persistenz von Long-COVID zugrunde liegt, wurde noch nicht identifiziert [72], es wurde jedoch spekuliert, dass er mit abnormalen Immunreaktionen, virusspezifischer Pathophysiologie, entzündlichen Schäden als Reaktion auf eine akute Infektion [73] und der Persistenz von … zusammenhängen könnte das Virus in bestimmten Geweben [74,75] oder Exosomen und Hypertrophiezellen [76,77], SARS-CoV-2-Wechselwirkungen mit der Mikrobiom-/Viromgemeinschaft des Wirts, Koagulations-/Koagulationsprobleme und dysfunktionale Hirnstamm-/Vagussignalisierung [ 78]. Darüber hinaus wurde kürzlich die Rolle von SARS-CoV-2 bei der Schädigung der Mitochondrien und der darauffolgenden Immunantwort untersucht [79–81]. Beispielsweise kann das Spike-Protein von SARS-CoV-2 langfristig die Transkription mitochondrialer Stoffwechselgene hemmen, was zu Myokardfibrose und myokardialer kontraktiler Dysfunktion führt [79]. Die neurologischen Long-COVID-Symptome sind mit SARS-CoV-Proteinen und Anomalien in mitochondrialen Proteinen in Nervenzellen verbunden [81].

3. Veränderte mitochondriale Funktion bei einer SARS-CoV-2-Infektion

Sowohl SARS-CoV-2-induzierte als auch inaktivitätsinduzierte Veränderungen können die mitochondriale Dysfunktion und den Myofibrillenabbau verstärken und die mitochondriale Biogenese und Muskelsynthese verringern [82]. Mit SARS-CoV-2 infizierte Zellen weisen ungewöhnlich geschwollene mitochondriale Cristae auf [83]. Mitochondrien in SARS-CoV-2-infizierten Zellen sind deutlich dünner, und die Mitochondrien sind transloziert und gruppieren sich um virale dsRNA, die DMV enthält [84]. NSP4 und ORF9b verursachen strukturelle Veränderungen in Mitochondrien sowie die Bildung von Makroporen der Außenmembran und die Freisetzung von mtDNA-beladenen Vesikeln der Innenmembran [85]. Darüber hinaus sind mitochondrienbezogene Gene in SARS-CoV-2-infizierten Zellen überwiegend herunterreguliert [86]; zum Beispiel die Expression von mtDNA, Antioxidantien (z. B. Katalase, Glutathionsynthetase) und Proteinen der mitochondrialen Atmungskette (NDUFA9, NADH: Ubiquinon-Oxidoreduktase-Untereinheit A9; SDHA, Succinat-Dehydrogenase-Komplex-Flavoprotein-Untereinheit A; COX4I1, Cytochrom-C-Oxidase-Untereinheit 4I1) waren in SARS-CoV-2-infizierten Plazenten signifikant reduziert [87].

Es ist bekannt, dass sich SARS-CoV ORF7a, ORF8a und ORF9b in den Mitochondrien befinden, was die vom Retinsäure-induzierbaren Gen I-mitochondriale antivirale Signalprotein (RIG1-MAVS) abhängige Interferonsignalisierung hemmen, die Virusreplikation verstärken und und zerstören die Mitochondrienfunktion [88]. Mitochondriale Dysfunktion ist eines der frühesten und auffälligsten neurodegenerativen Merkmale der SARS-CoV-2-induzierten Neuropathologie [89]. Darüber hinaus führen auch metabolische Syndrome wie Diabetes, Fettleibigkeit sowie Herz-Kreislauf- und Lebererkrankungen – die mit Mitochondrien zusammenhängen – zu einer Anfälligkeit und zu unerwünschten Folgen einer SARS-CoV-2-Infektion [90–93], was die Mortalität deutlich erhöht Rate der SARS-CoV-2-Infektion [94,95]. Viele Umweltchemikalien, Unterernährung und verschärfter sozioökonomischer Stress können ebenfalls zu mitochondrialen Schäden führen, die sich negativ auf die Prognose von COVID auswirken können-19 [96]. Darüber hinaus führen kardiale mitochondriale Störungen nach einer Infektion, ROS-Produktion und energetischer Stress zu mitochondrialen Veränderungen und kardiovaskulären Dysfunktionen bei COVID-19-Patienten, und die Häufigkeit unerwünschter kardiovaskulärer Ereignisse steigt bei genesenen COVID-19-Patienten [97] .

3.1. Veränderung der mitochondrialen Ca2+-Signalübertragung

Der Ca2+-Kanal des Wirts beeinflusst jeden Prozess der Infektion durch das Virus, das in den Ca2+-Kanal des Wirts eindringt, um die Homöostase zu stören und seinen Lebenszyklus auf Kosten des Wirtsüberlebens zu fördern. Durch die Hemmung der Aktivität von speichergesteuerten Ca2+-Kanälen wird die Virusausscheidung verringert, wodurch die Infektiosität vieler umhüllter RNA-Viren verringert wird [98,99]. Es ist auch bekannt, dass Infektionserreger während einer Virusinfektion eine Fehlregulation der Signalkaskaden der Wirtszelle auslösen, die die zelluläre Kalziumdynamik beeinflussen [100,101]. Dies kann zu einem Ungleichgewicht der Kalziumkonzentrationen führen, was Auswirkungen auf die Mitochondrienfunktion haben kann. Darüber hinaus können sechs spezifische Säurereste (E819, D820, D830, D839, D843 und D848) auf den SARS-CoV-2-Spike-Proteinen Kalzium binden und so die Fähigkeit des Virus regulieren, sich in Lipidmembranen einzuschleusen wiederum beeinflusst die oxidative Phosphorylierung (OXPHOS) und die mitochondriale Kalziumsequestrierung [14,102,103].

Das endoplasmatische Retikulum, die Mitochondrien und die Plasmamembran sind alle an der Koordination der Kalziumdynamik beteiligt, und es gibt Hinweise darauf, dass Viren selbst Veränderungen in der mitochondrialen Kalziumsignalisierung verursachen können. Es ist bekannt, dass sich ORF3a in dimeren Falten anordnet und nicht selektive, für Ca2+ durchlässige Kationenkanäle bildet [104]. Wenn ORF3 exprimiert wird, wird die Bildung der Mitochondrien-assoziierten Membran (MAM) erhöht und zytoplasmatisches Kalzium wird über das endoplasmatische Retikulum zu den Mitochondrien transportiert, da ORF3a ein Kalziumionentransporter ist [104]. NSP2 und NSP4 interagieren mit dem Lipid-Raft-assoziierten Protein-1/2-Komplex (ERLIN1/2) des endoplasmatischen Retikulums, um die Ca2+-Signalübertragung vom endoplasmatischen Retikulum zu den Mitochondrien zu regulieren [105]. Darüber hinaus aktiviert der Kalziumeinstrom aufgrund von ORF3a den Schalter für kalziumabhängige Caspasen und Apoptose, was wiederum den programmierten Zelltod auslöst [106]. SARS-CoV-2-Proteine ​​stören die Grundschwingungen des zellulären Kalziums erheblich, blockieren die Aktivität des L-Typ-Kalziumkanals und verursachen Zellschäden [14]. SARS-CoV-2-Proteine ​​verändern mPTP, wodurch es sich öffnet und den Zelltod auslöst [14]. Die mPTP-Komplexkomponenten SPG7-Matrix-AAA-Peptidase-Untereinheit (SPG7) und Cyclophilin D sind in mit SARS-CoV-2 infizierten Zellen hochreguliert [107]. Es ist bekannt, dass SPG7, Peptidylprolyl-Isomerase F (PPIF) und der mitochondriale Matrix-Importfaktor 23 (MIX23) interagieren. Der Abbau von MIX23 in den Mitochondrien steigerte die Fähigkeit der Mitochondrien, Kalzium zu binden, deutlich. Im Gegensatz dazu ist bekannt, dass ein mPTP-Blocker Cyclosporin A die mitochondriale Ca2+-Retention und die Lebensfähigkeit der Zellen nach einer Virusinfektion wiederherstellt [14]. ORF3a, ORF9b 9c, ORF10 und NSP6 von SARS-CoV-2 sind mit mPTP-Komplexproteinen assoziiert, die an mitochondrialer Dysfunktion und Zelltod beteiligt sind [14].

3.2. Veränderung im Glykolyse-OXPHOS-Gleichgewicht

Long-COVID ist ein virusinduzierter chronischer und sich selbst aufrechterhaltender ungelöster Zustand des Stoffwechselungleichgewichts, der durch mitochondriale Dysfunktion, kontinuierlich vorantreibende ROS für Entzündungen und eine Verschiebung in Richtung Glykolyse gekennzeichnet ist [108]. Die Funktionen von OXPHOS und mPTP können durch Viren verändert werden, was zu einem Ungleichgewicht von Energie- und Biosyntheseressourcen oder einer Umgehung der Immunüberwachung führt [109,110]. Das NSP4 von SARS-CoV-2 interagiert mit der mitochondrialen Chaperon-Ionen-Peptidase 1 (LONP1) und beeinflusst die Funktion von LONP1 zur Förderung der mitochondrialen Proteinfaltung zusammen mit dem mitochondrialen 70-kDa-Hitzeschockprotein (mtHSP70)-Chaperonsystem [ 111]. OXPHOS, das mit einer unzureichenden Menge an Proteinen zusammengesetzt ist, weist Defekte auf, die die komplexe Funktion von OXPHOS beeinträchtigen. Beispielsweise befindet sich in der bronchoalveolären Lavageflüssigkeit von Patienten, die mit SARS-CoV-2 infiziert sind, das Nicotinamidadenindinukleotid (NADH): Ubichinonoxidoreduktase-Kernuntereinheit V (NDUFV, Komplex 1), SDHA (Komplex 2), COR1 (Cytochrom-C-Reduktase), Ubiquinol-Cytochrom-C-Reduktase-Kernprotein 2 (UQCRC2, Komplex 3), Adenosintriphosphat (ATP)-Synthase, periphere Stieluntereinheit F6 (ATP5PF), ATP-Synthase, F1-Untereinheit Alpha (ATP5F1A), ATP-Synthase Die periphere Stieluntereinheit d (ATP5PD), die F-Typ-ATPase A und die anorganische Pyrophosphatase 2 (PPA2, ATP-Synthase) wurden herunterreguliert [112]. Das OXPHOS infizierter Patienten funktioniert möglicherweise nicht richtig, was zu einer verminderten mitochondrialen aeroben Atmung und einem höheren oxidativen Stress führt. Die Integrität der Mitochondrienmembran kann nach einer SARS-CoV-2-Infektion beeinträchtigt sein. Die Komplexe II und IV der OXPHOS-Komponentenproteine ​​wurden außerhalb des virusinfizierten Zytoplasmas und der mitochondrialen Matrix gefunden, was darauf hindeutet, dass die Funktionen von OXPHOS und der Elektronentransportkette gestört waren [113]. Es wurde eine beeinträchtigte Expression mitochondrialer OXPHOS- und Antioxidans-Gene beobachtet, und der Verlust der Elektronentransportkette und des Membranpotentials führte zu einer verminderten mitochondrialen aeroben Atmung und einer erhöhten mtROS [114]. Mitochondriale Schäden initiieren Apoptose bei beeinträchtigter Aktivität der mitochondrialen Elektronentransportkette, ATP-Mangel und erhöhtem oxidativen Stress [115].

Hyperlaktation wird bei allen COVID{0}}-Todesfällen beobachtet [116]. Mit SARSCoV-2 infizierte Patienten weisen veränderte Stoffwechselwege auf, die zu einer verminderten mitochondrialen Atmung und einer erhöhten Glykolyse führen, was den Zustand des Patienten verschlechtern kann. Die für die Verschlimmerung der Krankheit verantwortlichen SARS-CoV-2-Proteine ​​veranlassen die Zellen, von einem oxidativen zu einem glykolytischen Phänotyp zu wechseln [14]; Beispielsweise verringert das Spike-Protein von SARS-CoV-2 die basale Mitochondrienatmung und die ATP-Produktion, erhöht die glukoseinduzierte Glykolyse und maximiert die glykolytische Transportkapazität des Ports [117]. Dies impliziert, dass SARSCoV-2 die Mitochondrien des Wirts übernehmen kann, um dessen Stoffwechselwege zu erleichtern [48,118–120], was zu höheren Laktat- und Plasmaglukosewerten bei SARS-CoV-2-infizierten Patienten führt. Wenn Zellen mit SARS-CoV-2-Membranprotein oder ORF3a infiziert wurden, gab es eine niedrigere basale mitochondriale Sauerstoffverbrauchsrate (OCR) und eine minimale, durch Trifluormethoxycarbonylcyanidphenylhydrazon (FCCP) induzierte maximale OCR. NSP6 und NSP7 hemmten teilweise die maximale OCR in infizierten Zellen [14]. Bestimmte SARS-CoV-2-Proteine ​​bewirken, dass Zellen von einem oxidativen zu einem glykolytischen Phänotyp wechseln [14]. Hypoxie wird durch Lungenbeteiligung induziert und begünstigt die Glykolyse und Laktatansammlung, wenn mitochondriale Dysfunktion und OXPHOS reduziert werden. Die Ansammlung von Laktat beeinträchtigt die Funktion von MAVS und kann die Interferonreaktion weiter verringern [121]. Patienten, die mit SARS-CoV-2 infiziert sind, weisen veränderte Stoffwechselwege auf, die zu einer verminderten mitochondrialen Atmung und einer erhöhten Glykolyse führen, was den Zustand des Patienten verschlechtern kann. Dies impliziert, dass SARS-CoV-2 die Mitochondrien des Wirts übernehmen und dessen Stoffwechselwege blockieren kann. Darüber hinaus sind die Laktat- und Plasmaglukosewerte bei SARS-CoV-2-infizierten Patienten höher.

3.3. Veränderung der mitochondrialen Dynamik

Die Fusions- und Spaltungsdynamik von Mitochondrien verändert die Ultrastruktur der Membran [122] und ermöglicht so die Entfernung beschädigter Mitochondrien [123]. Die mitochondriale Morphologie wird in der normalen physiologischen Teilungs- und Fusionsdynamik von Zellen verändert oder destabilisiert, was bei vielen pathologischen Zuständen eine Rolle spielt [124]. Beispielsweise erhöhte die Hemmung des mitochondrialen Fusions-essentiellen Proteins Mitofusin-2 (Mfn2) die ROS-Produktion und erhöhte die c-Jun-N-terminale Kinase (JNK) und den Kernfaktor-Kappa-Leichtketten-Enhancer (NFκB) bei der Signalübertragung aktivierter B-Zellen , was zu einer verminderten Insulinsignalisierung und Glukoseaufnahme führt [125]. Darüber hinaus erhöhte die fehlerhafte Expression des Dynein-verwandten Proteins 1 (DRP1, mitochondriales Spaltungsprotein) die H2O2-Produktion und schädigte die Mitochondrien [126].

Das ORF9b-Protein vermittelt den Abbau von DRP1, was zu einer abnormalen Verlängerung der Mitochondrien führt [46]. Darüber hinaus weisen infizierte Zellen eine Herunterregulierung von Genen auf, die mit der mitochondrialen Ribosomensynthese, der mitochondrialen Komplex-I-Synthese, der Translokase, dem mitochondrialen Spaltungsprozess 1 (MTFP1, mitochondriales spaltungsförderndes Protein) und dem Suppressor der Zytokinsignalisierung 6 (SOCS6) assoziiert sind [{{ 9}}]. Die Herunterregulierung des mechanistischen Ziels von Rapamycin-Komplex 1 (mTORC1) führte zu einer verminderten Expression von MTFP1 und Komplex I [127,128]. Eine verringerte Expression von MTFP1 aktiviert den Kernfaktor Kappa-Light-Chain-Enhancer aktivierter B-Zellen (NFκB) und SOCS6, was zu einer mitochondrialen Hyperfusion führt [129].

3.4. Veränderung von Autophagie und Apoptose

Unter Autophagie versteht man die Entfernung ungenutzter Proteine ​​und beschädigter Mitochondrien aus Zellen. Eine beeinträchtigte Autophagie führt jedoch zu einem verringerten Sauerstoffverbrauch und einer verringerten mitochondrialen Aktivität. Autophagie kann Zellen auch in entzündungsfördernde Generatoren umwandeln und zu Proteinklumpen führen, die verschiedene Prozesse stören. Die Permeabilität der mitochondrialen Außenmembran (MOMP) wird durch Mitochondrien gesteuert [130], was Apoptose bei intrazellulärer DNA-Schädigung, oxidativem Stress, zytosolischer Ca2+-Überladung, endoplasmatischem Retikulumstress und anderen Störungen auslöst [131]. Viren beeinträchtigen die mitochondriale Funktion durch pro- und anti-apoptotische Reaktionen [132]. Wenn proapoptotische Signale vorherrschen, verliert die äußere Membran ihre Integrität und gibt mehrere potenziell toxische Intermembranraumproteine ​​(IMS) wieder in das Zytoplasma ab. IMS ist bestrebt, als Reaktion auf DNA-Schäden Apoptose-induzierende Faktoren freizusetzen, was wiederum zu einer mit DNA-Schäden verbundenen Enzympolymerisation (ADP-Ribose-Polymerase, PARP) führt [133–135]. Wenn Wirtszellen PAMP-Signale aussenden, oligomerisieren und bilden Inflammasome Rezeptoren, aktivieren Caspasen, um Zytokine zu produzieren, und induzieren Apoptose [54]. Das Inflammasom wird aktiviert, was zur Produktion entzündungsfördernder Zytokine (IL-1 und 12) und zur Apoptose führt [136]. Die Permeabilisierung der Mitochondrien ist entscheidend für Apoptose und regulierte Nekrose [130,131,137].

ORF6 lokalisiert sich im Autophagosom und in den lysosomalen Membranen [33]. Darüber hinaus induziert ORF9b Autophagie in Autophagie-bedingten 5 (ATG5)-vermittelten Wirtszellen (46). ORF3a und ORF8 sind an der Apoptose beteiligt [42]. NSP4 interagiert mit dem B-Zell-Lymphom-2 (BCL2)-Antagonisten/Killer (BAK), um die Fähigkeit zur Makroporenbildung zu vermitteln. ORF9b hemmt das antiapoptotische Mitglied des Proteins Myeloische Leukämie -1 der BCL2-Familie (MCL1) und induziert die Bildung von inneren Membranvesikeln, die mtDNA enthalten. Die Entfernung von BAK und/oder die Überexpression von MCL1 kehrt die durch SARS-CoV-2-vermittelte mitochondriale Schädigung deutlich um. Unterdessen interagieren ORF9b und ORF9c mit Organellen, was zur Hemmung antiviraler Reaktionen in infizierten Zellen führt [138].

3.5. Zelltod und mtDNA-Freisetzung

Die Aktivierung von MOMP führt zum Zelltod durch Freisetzung von Cytochrom C, Apoptose-Protease-Aktivierungsfaktor-1 (APAF-1)-abhängiger und Desoxyadenosintriphosphat (dATP)-abhängiger Aufbau, gefolgt von Caspase-Aktivierung und Beteiligung von proinflammatorischen Signalfunktionen. ORF3a ist am nekrotischen Zelltod und der lysosomalen Schädigung beteiligt [28] und beeinflusst die Virusreplikation und Virulenz [26]. Es wurde gezeigt, dass ORF6 und ORF7a die höchste Potenz für Zytotoxizität aufweisen [33].

SARS-CoV-2 infiziert Mitochondrien und bildet Doppelmembranvesikel, was wiederum zur Freisetzung von mtDNA in den Blutkreislauf und zur Aktivierung der Immunantwort führt, was zu einem schweren proinflammatorischen Zustand führt [139]. Die mtDNA-Variation bei COVID-19-Patienten kann den Grad der Erkrankung und das Risiko einer schweren Erkrankung vorhersagen [140,141]. Nach der Apoptose wird mtDNA freigesetzt, was lokale und systemische Entzündungsreaktionen weiter verschlimmert [142]. Im Plasma von COVID-10-Patienten wurden positive Korrelationen zwischen mtDNA-Spiegeln und proinflammatorischen Markern festgestellt [143,144]. Dies wird nun als Indikator für den Schweregrad von COVID-19 oder als Prädiktor für die Mortalität verwendet. Darüber hinaus wirkt mtDNA, wenn sie in das Zytosol freigesetzt wird, als DAMP, was wiederum einen „Zytokinsturm“ verursacht und die zelluläre Regulierung übermäßiger Entzündungsreaktionen hemmt [143].

4. Mitochondrialer Redoxstatus und Entzündungsreaktion

Bei Personen mit schlecht funktionierenden Mitochondrien kann das Virus den Wirt in einen Zyklus chronischer Entzündungen „kippen“. Mitochondrien spielen eine wichtige Rolle bei der zellulären Energieproduktion und sind eine Schlüsselkomponente der angeborenen Immunantwort. Wenn die Mitochondrienmembran und der Elektronentransportkettenkomplex gestört sind, werden aufgrund des Verlusts des Membranpotentials mehr ROS erzeugt, was zu oxidativem Stress [114] und der Aktivierung entzündungsfördernder Wege führen kann [145]. Während die ROS-Produktion bei Immunreaktionen von entscheidender Bedeutung ist, kann ein Überschuss an ROS das Wirtsgewebe schädigen und Entzündungen verschlimmern [146]. Schließlich kann es zu Schäden an Geweben oder Organen kommen, die beispielsweise zu Muskelerkrankungen führen können [147]. MtROS – das in SARS-CoV-2-infizierten Zellen und Monozyten höher ist – kann Entzündungsreaktionen durch die Hochregulierung von IL1- verstärken [112,148]. Darüber hinaus können DAMPs wie oxidierte mtDNA in das Zytoplasma freigesetzt werden, was durch die Aktivierung des Inflammasoms die Entzündung verschlimmert [149]. Wenn Wirtszellen PAMP-Signale aussenden, oligomerisieren und bilden Inflammasome Rezeptoren, aktivieren Caspasen, um Zytokine zu produzieren, und induzieren Apoptose [54].

Die ORFs von SARS-CoV-2 sind auch am Entzündungsmechanismus des Infektionsprozesses beteiligt. ORF3d-N-terminale und ORF8-Proteine ​​lösen starke Antikörperreaktionen aus [32]. ORF9b aktiviert auch das Inflammasom, um der Immunantwort zu entgehen und die Virusreplikation zu fördern [48]. ORF3b [29], ORF6 [34,35], ORF7a [38], ORF8 [43,44] und ORF9c [31,49–51] von SARS-CoV sind wichtige Interferon-I-Antagonisten, die beeinträchtigte Immunantworten des Wirts induzieren [138]. ORF7a kapert das Ubiquitinsystem des Wirts, um die Fähigkeit zur Antagonisierung von Interferon-I-Reaktionen zu verbessern [39]. ORF8 interagiert mit dem Haupthistokompatibilitätskomplex (MHC-I) [24], aktiviert den IL-17-Signalweg und fördert proinflammatorische Zytokine [45]. Das ORF9c-Protein interagiert mit den verwandten Proteinen von NFκB-verwandten Molekülen [31], beeinträchtigt die Antigenverarbeitung und -präsentation sowie die Komplementsignalisierung und induziert die IL-6-Signalisierung [49]. ORF7a bindet an CD14+-Monozyten, was zu einer Verringerung der Antigenpräsentation führt und die deutliche Expression proinflammatorischer Zytokine induziert [40].

4.1. Mitochondrien induzieren eine NLRP-3-basierte Entzündungsreaktion

Die proinflammatorische NLRP-3-Signalisierung aktiviert Zytokine und erzeugt so mitochondrienbedingte Entzündungskaskaden [150–152]. Dies ist besonders besorgniserregend bei älteren Patienten, bei denen mit zunehmendem Alter ein Anstieg des NLRP-3-Inflammasoms auftritt [153]. Dies verschlimmert die SARS-CoV-2-Infektion [154]. Das mitochondriale Phospholipid Cardiolipin kann den Inflammasomkomplex NLRP3 direkt binden und aktivieren [152]. Mitochondrial erzeugte ROS sind an der Aktivierung des NLRP3-Inflammasoms beteiligt [152]. Die Stimulation des NLRP3-Inflammasoms führt zur Aktivierung von Caspase-1, was wiederum zur Proteolyse von Zytokinen wie Interleukin (IL)-1 und IL-18 führt [54]. ORF3a aktiviert die Pro-IL-1-Genexpression und die IL-1-Sekretion, was letztendlich die NFκB-Signalübertragung und das NLRP3-Inflammasom aktiviert und so den Zytokinsturm fördert [27].

Virale Proteine ​​interagieren direkt mit Komponenten oder regulatorischen Proteinen von NLRP3, einschließlich der Interaktion mit dem NLRP3-Rezeptor über das Nukleokapsidprotein und der Interaktion von ORF3a mit Caspase 1 und TNF-Rezeptor-assoziiertem Faktor 3 (TRAF3) [27,28,155]. Zusätzlich zu den kanonischen NLRP3-Aktivierungswegen von PAMPs und DAMPs fungieren die Hüllproteine ​​ORF3a und ORF8b von SARS-CoV als NLRP3-Agonisten [27,156,157] und spielen eine Rolle bei der entzündlichen Pathogenese [158,159]. Darüber hinaus wird die Transkription von NFκB-abhängigen Zielgenen proinflammatorischer Zytokine wie IL-18 und IL-1b durch Nukleokapsid-, Spike-, ORF7a- und OFR3a-Proteine ​​erhöht [28,155,160,161]. Das ORF3a-Protein stimuliert die NLRP3-Kaskade in Knochenmarksmakrophagen und induziert IL-1 -vermittelte Entzündungsreaktionen [151,162].

4.2. Aktivierung der TLR7- und TLR9-Signalisierung

Während einer SARS-CoV-2-Infektion binden TLRs zunächst ihre Liganden und rekrutieren dann Adapterproteine ​​wie Myeloid Differentiation Primary Response 88 (MyD88) und Adapter-induzierbares Interferon (TRIF), das die TIR-Domäne enthält, die das nachgeschaltete Immunsystem aktiviert molekularen Signalwegen [163] und schützt so den Körper vor eindringenden Antigenen. Eine übermäßige Aktivierung von TLRs kann jedoch zu schweren Entzündungsreaktionen führen, die zu Verletzungen und sogar zum Tod führen können [56,164]. Wenn mtROS erhöht ist, führt dies außerdem zu einer mitochondrialen Dysfunktion und einem mtDNA-Austritt, was die TLR9- und NFκB-Aktivierung und die Freisetzung entzündlicher Zytokine induziert [165].

TLR7 kann durch ssRNAs aktiviert werden, die reich an Guanosin (G) und Uridin (U) sind [166]. Zwei GUrich-ssRNA-Sequenzen in SARS-CoV-2 können TLR7 und seinen nachgeschalteten MyD88--verwandten Signalweg in menschlichen dendritischen Zellen aktivieren [167]. TLR7 erkennt SARS-CoV-2 in Immunzellen und löst die Produktion von Typ-I-Interferon und proinflammatorischen Zytokinen aus [168,169]. TLR9 kann Cytosin-Guanin (CpG)-reiche Sequenzen in Virus- und mtDNA erkennen [170], und CpG im SARS-CoV-2-Hüllprotein und in der ORF10-Kodierungsregion kann von TLR9 als Ligand erkannt werden [171]. TLR9 fördert Entzündungen durch NFκB-Signalisierung und IL-6-Produktion und beeinträchtigt die Funktion der Endothelzellen, indem es die Expression der endothelialen Stickoxidsynthase (eNOS) reduziert [165].

4.3. MAVS-Signalisierung reguliert Entzündungsreaktionen

Nach einer Virusinfektion löst MAVS die angeborene Immunantwort über die Mitochondrien aus. MAVS wird durch die Wechselwirkung von Translokasen mit mitochondrialen Außenmembranproteinen (TOM) vermittelt; Beispielsweise trägt STING (MITA) – ein Transmembranprotein, das auf dem endoplasmatischen Retikulum, den Mitochondrien und mitochondrienassoziierten Membranen vorhanden ist – zur Aktivierung von MAVS bei [172]. Ringfingerprotein 5 (RNF5) reguliert die MAVS-Signalübertragung durch Ubiquitinierung von MITA [173].

TOM70 ist am Proteintransport für den Aufbau des Elektronentransportkettenkomplexes in Mitochondrien beteiligt [174]. TOM70 interagiert über das Hitzeschockprotein 90 (HSP90) mit der TANK-bindenden Kinase (TBK1), um das Signal außerhalb der Mitochondrien zu bringen [175] und so die Interferonreaktion zu aktivieren. TOM70 aktiviert TBK1 über HSP90 und leitet das Signal außerhalb der Mitochondrien weiter, um Interferon zu aktivieren [50]. Wenn der Interferon-Regulationsfaktor (IRF)-3 an HSP90 bindet, löst er den MAVS-Komplex aus, E3 verknüpft die Tumornekrosefaktor-Rezeptor-assoziierten Faktoren 3 und 6 (TRAF3 und TRAF6), um NFκB zu aktivieren, und IRF bietet antiviralen Schutz [ 176]. Unterdessen hemmt das Membranprotein von SARS-CoV-2 die Aggregation von TRAF3, TBK1 und IRF3 zum MAVS-Komplex [177]. ORF9b hemmt die Wechselwirkung zwischen TOM70 und HSP90 und bildet einen Komplex mit TOM70, wodurch die mitochondriale Elektronentransportkette beeinflusst wird [51], die durch Interferon regulierte Immunantwort des Wirts verringert wird [47] und Apoptose induziert wird [50].

Darüber hinaus blockiert SARS-CoV-2 Interferon 1 und Interferon 3, indem es den MAVS-Signalweg stört [178]. Das Membranprotein hemmt die Aktivierung von Interferon, indem es MAVS herunterreguliert [177,178]. NSP13 hemmt die TBK1-Phosphorylierung und blockiert den stromabwärtigen Weg des MAVS-Signalwegs [38]. ORF6 blockiert die Induktion von Interferon durch MDA-5, MAVS und TBK1 [179]. ORF3 induziert die Ubiquitinierung der Interferon-Rezeptor-Untereinheit 1 (IFNAR1), um die Interferon-1-Aktivität herunterzuregulieren [180].

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