Opryszczka na poziomie komórkowym: nowe dane o replikacji HSV-1 i odpowiedzi przeciwwirusowej

Zakażenie wirusem opryszczki pospolitej typu 1 (HSV-1) nie przebiega jednakowo we wszystkich komórkach skóry. Badacze z Max Delbrück Center oraz University Medical Center Hamburg-Eppendorf wykazali, że fibroblasty skóry właściwej, keratynocyty naskórka i komórki mieszków włosowych różnią się podatnością na zakażenie oraz charakterem odpowiedzi przeciwwirusowej. W badaniu wykorzystującym trójwymiarowe organoidy ludzkiej skóry i transkryptomikę przestrzenną zidentyfikowano mechanizmy związane z ekspresją IER3, IRF3, TNFSF9 oraz TNF-α. Wyniki opublikowane 30 października 2026 r. w czasopiśmie Science Advances wskazują również na odmienną rolę interferonu β i mediatorów zapalnych w odpowiedzi na HSV-1.

Zakażenie HSV-1 – dlaczego odpowiedź poszczególnych komórek ma znaczenie?

Wirus opryszczki pospolitej typu 1 (ang. herpes simplex virus type 1, HSV-1) jest patogenem zdolnym do wywoływania zakażeń zarówno miejscowych, jak i obejmujących układ nerwowy. Jedną z charakterystycznych cech jego biologii jest zdolność do ustanawiania zakażenia latentnego w neuronach czuciowych, a następnie okresowej reaktywacji.

Najbardziej rozpoznawalną manifestacją kliniczną zakażenia HSV-1 jest opryszczka wargowa, przebiegająca z tworzeniem zmian pęcherzykowych. Zakażenie może jednak prowadzić również do ciężkich powikłań, w tym opryszczkowego zapalenia mózgu. Zrozumienie mechanizmów odpowiedzialnych za miejscową replikację wirusa, jego szerzenie się w tkankach i kontakt ze strukturami nerwowymi pozostaje istotnym zagadnieniem wirusologii oraz biologii zakażeń.

Dotychczasowe modele oparte na hodowlach pojedynczych typów komórek pozwalają analizować wybrane etapy cyklu replikacyjnego HSV-1. Nie odzwierciedlają jednak w pełni złożonej architektury skóry, w której różne populacje komórkowe pozostają ze sobą w bezpośrednim kontakcie i komunikują się za pośrednictwem cząsteczek sygnałowych.

Właśnie ten problem stał się przedmiotem badań zespołu kierowanego przez naukowców związanych z Max Delbrück Center i University Medical Center Hamburg-Eppendorf (UKE).

Autorzy i ośrodki badawcze

Pierwszymi autorami publikacji są dr Emanuel Wyler z Max Delbrück Center oraz dr Silvia Albertini z University Medical Center Hamburg-Eppendorf. Wśród autorów znaleźli się również Caroline C. Friedel, Artür Manukyan, Annalena Winterfeldt, Nina Bracker, Jiabin Huang, Susanne Krasemann, Markus Landthaler i Nicole Fischer. Autorką wymienioną na ostatnim miejscu, odpowiedzialną za kierownictwo naukowe pracy, jest dr Manja Czech-Sioli z UKE.

Emanuel Wyler prowadzi badania w grupie RNA Biology and Posttranscriptional Regulation w Berlin Institute for Medical Systems Biology of the Max Delbrück Center (MDC-BIMSB). W realizacji projektu uczestniczyły zespoły badawcze związane z Manją Czech-Sioli i Nicole Fischer w Hamburgu.

Praca została przeprowadzona w ramach finansowanej przez Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) grupy badawczej FOR 5200, realizującej projekt DEEP-DV dotyczący regulacji ekspresji genów oraz programowania odpowiedzi gospodarza podczas zakażeń wirusami DNA.

Trójwymiarowe organoidy skóry pozwoliły odtworzyć przestrzenny przebieg zakażenia

Podstawę eksperymentów stanowiły organoidy ludzkiej skóry zawierające mieszki włosowe (ang. human hair-bearing skin organoids). Są to laboratoryjnie wytwarzane trójwymiarowe struktury tkankowe, umożliwiające badanie interakcji między różnymi populacjami komórek w środowisku bardziej złożonym niż klasyczna hodowla dwuwymiarowa.

Model wykorzystany przez badaczy obejmował elementy naskórka i skóry właściwej, mieszki włosowe oraz komórki o charakterystyce nerwopodobnej. Taka organizacja pozwalała analizować nie tylko zakażenie pojedynczej populacji komórek, lecz także rozprzestrzenianie HSV-1 pomiędzy odmiennymi przedziałami tkankowymi.

Obrazowanie połączone z transkryptomiką przestrzenną

Badacze zastosowali metody obrazowania w połączeniu z transkryptomiką przestrzenną o rozdzielczości pojedynczych komórek (ang. single-cell spatial transcriptomics).

Technika ta umożliwia analizę ekspresji genów z zachowaniem informacji o lokalizacji badanych komórek w strukturze tkanki. Dzięki temu można określić nie tylko, które geny wykazują zmienioną ekspresję po zakażeniu, lecz także w jakich populacjach komórkowych i w jakim położeniu względem obszaru zajętego przez wirusa obserwowano te zmiany.

Istotnym elementem analizy było badanie frontu szerzenia się zakażenia, czyli obszaru granicznego między komórkami już objętymi infekcją a sąsiadującymi z nimi komórkami, do których wirus dopiero docierał.

Takie podejście pozwoliło badaczom ocenić reakcje komórek zakażonych oraz komórek pozostających w ich bezpośrednim otoczeniu.

HSV-1 wykazywał zróżnicowaną dynamikę zakażenia w obrębie skóry

Jednym z najważniejszych ustaleń było stwierdzenie, że poszczególne populacje komórkowe nie wykazywały jednakowej podatności na HSV-1.

Fibroblasty skóry właściwej – wczesne nagromadzenie wirusa

W początkowych etapach zakażenia znaczne ilości wirusa obserwowano w fibroblastach skóry właściwej. Komórki te stanowiły zatem istotny przedział tkankowy, w którym HSV-1 mógł stosunkowo wcześnie osiągać wysoką zawartość materiału wirusowego.

Wynik wskazuje na znaczenie fibroblastów w analizowanym modelu zakażenia. Nie oznacza jednak, że są one jedyną populacją umożliwiającą replikację HSV-1 ani że identyczny wzorzec musi występować we wszystkich postaciach zakażenia skóry u człowieka.

Keratynocyty naskórka i komórki mieszków włosowych

Inny przebieg infekcji zaobserwowano w keratynocytach naskórka oraz komórkach mieszków włosowych.

W porównaniu ze skórą właściwą progresja cyklu zakażeniowego HSV-1 była w tych populacjach opóźniona. Keratynocyty warstwy podstawnej naskórka oraz niektóre komórki mieszków włosowych wykazywały względnie niewielką zawartość materiału wirusowego, nawet gdy znajdowały się w sąsiedztwie komórek już zakażonych.

Autorzy interpretują tę obserwację jako dowód zróżnicowania podatności komórkowej oraz dynamiki cyklu zakażeniowego w zależności od typu komórki.

Nie można jednak na tej podstawie uznać, że keratynocyty lub komórki mieszków włosowych są całkowicie oporne na HSV-1. Uzyskane wyniki dotyczą przede wszystkim różnic w przebiegu zakażenia w warunkach zastosowanego modelu.

Późniejsze zajęcie struktur nerwowych

W komunikacie Max Delbrück Center zwrócono również uwagę, że wirus docierał do struktur mieszków włosowych oraz komórek nerwopodobnych w późniejszych etapach obserwacji.

Może to wskazywać na istnienie mechanizmów komórkowych lub tkankowych ograniczających szybkość szerzenia się infekcji w określonych przedziałach organoidu. Ich charakter wymaga jednak dalszych badań.

Obserwacja ta ma znaczenie w kontekście biologii HSV-1, ponieważ zakażenie komórek nerwowych i zdolność do latencji stanowią podstawowe elementy naturalnej historii tego patogenu. Sam eksperyment nie pozwala jednak odtworzyć wszystkich etapów ustanawiania latencji ani reaktywacji wirusa w układzie nerwowym człowieka.

Odpowiedź przeciwwirusowa zależała od typu komórki i jej położenia

Analiza transkryptomiczna wykazała, że zakażenie HSV-1 uruchamiało przestrzennie zorganizowane programy odpowiedzi gospodarza.

Różnice nie ograniczały się do samej ilości materiału wirusowego. Poszczególne komórki wykazywały również odmienne profile ekspresji genów związanych z odpowiedzią na zakażenie.

IER3 – odpowiedź fibroblastów brodawkowatej warstwy skóry właściwej

W fibroblastach warstwy brodawkowatej skóry właściwej zaobserwowano indukcję ekspresji genu IER3 (ang. immediate early response 3).

Zmiana ta była szczególnie widoczna na froncie szerzenia się zakażenia. IER3 należy do genów związanych z wczesną odpowiedzią komórkową na bodźce, a jego ekspresję w odpowiedzi na HSV-1 opisywano również wcześniej.

Wynik wskazuje, że fibroblasty mogą reagować na kontakt z wirusem poprzez uruchamianie określonych programów ekspresji genów. Sam wzrost ekspresji IER3 nie przesądza jednak, czy jest to mechanizm ograniczający replikację wirusa, czy element szerszej odpowiedzi komórkowej na zakażenie.

IRF3 – odpowiedź również w komórkach niezakażonych

W keratynocytach warstwy podstawnej naskórka stwierdzono zwiększoną ekspresję IRF3 (ang. interferon regulatory factor 3), czynnika regulacyjnego zaangażowanego w odpowiedź przeciwwirusową.

Istotne jest to, że zwiększoną ekspresję IRF3 obserwowano zarówno w komórkach zakażonych HSV-1, jak i w sąsiadujących komórkach, w których nie wykrywano zakażenia.

Autorzy wskazują, że wynik jest zgodny z możliwością występowania sygnalizacji parakrynnej, czyli przekazywania sygnałów między komórkami za pośrednictwem lokalnie działających cząsteczek.

W takim modelu komórka niezakażona może reagować na sygnały pochodzące z zakażonego otoczenia, zanim sama zostanie objęta infekcją.

Należy przy tym rozróżnić zwiększoną ekspresję IRF3 od bezpośredniego potwierdzenia jego aktywacji biochemicznej. Wynik transkryptomiczny wskazuje na zmianę poziomu ekspresji genu, natomiast szczegółowe mechanizmy aktywacji białka i dalszego przekazywania sygnału wymagają odrębnej oceny.

TNF-α, 4-1BBL i chemokiny tworzyły przestrzennie zorganizowaną odpowiedź zapalną

Kolejnym ważnym elementem badania była analiza mediatorów zapalnych należących do rodziny czynnika martwicy nowotworów (TNF) oraz chemokin związanych z odpowiedzią na zakażenie.

Odmienne programy odpowiedzi w fibroblastach i keratynocytach

Badacze zaobserwowali zależną od typu komórki indukcję różnych mediatorów.

W fibroblastach warstwy brodawkowatej skóry właściwej dochodziło do zwiększenia ekspresji TNFSF9, genu kodującego ligand 4-1BB (4-1BBL), należący do rodziny ligandów TNF.

Z kolei w keratynocytach obserwowano indukcję ekspresji TNF-α, jednej z ważnych cytokin uczestniczących w regulacji procesów zapalnych.

Oznacza to, że odpowiedź zapalna nie była jednorodna w całym organoidzie. Różne populacje komórek uruchamiały odmienne elementy sygnalizacji, zależnie od swojego fenotypu i lokalizacji w tkance.

CXCL2 i CXCL10 – odpowiedź komórek sąsiadujących

W analizie uwzględniono także chemokiny CXCL2 i CXCL10, których produkcja może być związana z sygnalizacją zależną od TNF-α.

Za pomocą testów immunoenzymatycznych ELISA (ang. enzyme-linked immunosorbent assay) potwierdzono wydzielanie badanych cytokin oraz chemokin.

Analiza przestrzenna wykazała ponadto, że ekspresja CXCL2 była szczególnie nasilona w komórkach sąsiadujących z komórkami wykazującymi ekspresję TNF-α.

Obserwacja ta wskazuje na przestrzenną koordynację sygnalizacji zapalnej. Odpowiedź jednej populacji komórek może być zatem powiązana ze zmianami ekspresji genów w bezpośrednio sąsiadujących populacjach.

Interferon β ograniczał replikację HSV-1, natomiast TNF-α i 4-1BBL nie wykazały takiego efektu

Jednym z istotnych wyników przedstawionych w abstrakcie publikacji jest rozróżnienie między bezpośrednim ograniczaniem replikacji wirusa a udziałem mediatorów w organizacji odpowiedzi immunologicznej.

W przeprowadzonych eksperymentach interferon β (IFN-β) zmniejszał replikację HSV-1.

Natomiast w badanych warunkach TNF-α oraz 4-1BBL nie powodowały analogicznego ograniczenia replikacji wirusa.

Autorzy interpretują to jako przesłankę wskazującą, że podstawową rolą TNF-α i 4-1BBL w analizowanym środowisku może być organizowanie odpowiedzi immunologicznej, w szczególności procesów związanych z rekrutacją i aktywacją komórek odpornościowych, a nie bezpośrednie hamowanie namnażania HSV-1.

Jest to ważne rozróżnienie biologiczne. Indukcja mediatora zapalnego w odpowiedzi na zakażenie nie musi oznaczać, że mediator ten samodzielnie wykazuje aktywność hamującą replikację patogenu.

Jednocześnie wyniki nie wykluczają innych funkcji TNF-α i 4-1BBL w przebiegu zakażenia ani ich potencjalnego znaczenia w bardziej złożonych warunkach tkankowych.

Znaczenie wyników dla badań nad patogenezą zakażeń HSV-1

Przeprowadzone eksperymenty dostarczają informacji o tym, jak architektura tkanki może wpływać na przebieg zakażenia wirusowego oraz odpowiedź komórek gospodarza.

Wyniki wskazują, że analiza samej obecności wirusa w określonym typie komórek nie jest wystarczająca do pełnego opisania zakażenia. Znaczenie mają również lokalizacja komórki, sąsiedztwo innych populacji, dynamika cyklu replikacyjnego oraz przestrzenna organizacja odpowiedzi immunologicznej.

Organoidy jako narzędzie badań nad interakcjami gospodarz-patogen

Zastosowany model pozwolił równocześnie analizować kilka elementów procesu zakażenia:

• zróżnicowanie podatności komórkowej na HSV-1;
• rozprzestrzenianie wirusa pomiędzy przedziałami tkankowymi;
• odpowiedź transkrypcyjną komórek zakażonych;
• reakcje sąsiadujących komórek niezakażonych;
• przestrzenną organizację sygnalizacji cytokinowej i chemokinowej;
• wpływ wybranych mediatorów na replikację wirusa.

Połączenie tych danych umożliwia opisanie zakażenia jako procesu obejmującego nie tylko sam patogen, ale także złożoną sieć interakcji między komórkami gospodarza.

Ograniczenia modelu i znaczenie dla interpretacji wyników

Mimo zalet trójwymiarowych organoidów należy podkreślić, że doświadczenia przeprowadzono w laboratoryjnym modelu tkankowym, a nie w ramach badania klinicznego u osób zakażonych HSV-1.

W komunikacie Max Delbrück Center wskazano, że przyszłe modele powinny zostać rozszerzone o komórki układu odpornościowego oraz naczynia krwionośne.

Ich obecność umożliwiłaby bardziej szczegółową analizę procesów, które w żywym organizmie współdecydują o ograniczaniu zakażenia, rekrutacji komórek odpornościowych oraz powstawaniu miejscowego uszkodzenia tkanek.

W obecnym modelu można identyfikować określone programy ekspresji genów i analizować wydzielanie mediatorów, ale nie wszystkie efekty immunologiczne, zwłaszcza związane z napływem i aktywacją komórek odpornościowych, mogą zostać bezpośrednio odtworzone.

Kierunki dalszych badań

Autorzy wskazują kilka obszarów wymagających dalszych eksperymentów.

Pierwszy dotyczy mechanizmów odpowiedzialnych za opóźnioną progresję zakażenia w keratynocytach i komórkach mieszków włosowych. Konieczne będzie ustalenie, jakie właściwości tych populacji komórkowych wpływają na przebieg cyklu replikacyjnego HSV-1.

Drugi obszar obejmuje charakter sygnalizacji między zakażonymi i niezakażonymi komórkami. Szczególne znaczenie może mieć określenie, w jaki sposób sygnały parakrynne wpływają na uruchamianie odpowiedzi przeciwwirusowej oraz produkcję mediatorów zapalnych.

Trzecim kierunkiem jest analiza funkcji TNF-α, 4-1BBL i chemokin w modelach uwzględniających rzeczywistą obecność komórek odpornościowych. Pozwoliłoby to sprawdzić, czy obserwowane programy sygnalizacyjne przekładają się na rekrutację i aktywację określonych populacji leukocytów.

Istotne pozostaje również wyjaśnienie, jakie mechanizmy ograniczają szerzenie się HSV-1 w kierunku struktur nerwowych oraz w jaki sposób miejscowa odpowiedź zapalna wpływa na integralność zakażonej tkanki.

Wnioski

Badanie opublikowane w Science Advances wskazuje, że zakażenie HSV-1 w złożonym modelu ludzkiej skóry ma charakter przestrzennie zróżnicowany. Fibroblasty, keratynocyty i komórki mieszków włosowych wykazywały odmienne wzorce zakażenia, a odpowiedź gospodarza obejmowała zarówno komórki zakażone, jak i znajdujące się w ich sąsiedztwie komórki niezakażone.

Ważnym ustaleniem jest identyfikacja odmiennych programów ekspresji IER3, IRF3, TNFSF9 i TNF-α oraz przestrzennie skoordynowanej odpowiedzi chemokinowej. Eksperymenty wskazały ponadto, że interferon β ograniczał replikację HSV-1 w badanych warunkach, podczas gdy TNF-α i 4-1BBL nie wykazywały takiego efektu.

Wyniki poszerzają wiedzę o biologii zakażenia HSV-1 i wskazują na przydatność organoidów do analizy mechanizmów interakcji między wirusem a komórkami gospodarza. Ich znaczenie pozostaje przede wszystkim eksperymentalne i stanowi podstawę do dalszych badań nad patogenezą zakażeń oraz miejscową odpowiedzią immunologiczną.

Źródła