背景：
宿主细胞的氧化还原稳态是由活性氧(ROS)和抗氧化分子定义的。ROS的主要类型包括超氧阴离子(O2•−)、羟自由基(HO•)和过氧化氢(H2O2)，由还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶(NOXs)产生。ROS是引起促炎细胞因子产生的信号分子，这种反应的失调在炎症进展中起着至关重要的作用。此外，过度反应物质的产生与T、B细胞的活化和分化有关。Th1细胞的发育是由氧化状态诱导的，而还原分子的存在则刺激Th2反应。在所有组织中，细胞谷胱甘肽作为“主要抗氧化剂”发挥作用;高浓度的细胞还原型谷胱甘肽(GSH)主要参与排毒、抗病毒防御、免疫应答等多种过程的调节。氧化还原平衡的改变是由于过量的ROS产生和抗氧化防御系统的失效，导致氧化应激，这是几种病毒感染的主要特征。机体氧化还原稳态失衡可导致病毒感染时的过度炎症反应。在本研究中，作者研究了SARS-COV-2感染时的氧化还原系统特征，并研究了COVID-19患者的这些细胞外和细胞内特征的状态。
简介：
2022年12月2日，来自伊朗德黑兰Shahid Beheshti医科大学胃肠病和肝病研究所的Anna Meyfour教授课题组在Redox Biol（IF: 10.7）杂志上发表题为“New insights into extracellular and intracellular redox status in COVID-19 patients”的文章[1]。SARS-COV-2破坏免疫细胞和上呼吸道的氧化还原平衡，导致炎症加重，SARS-COV-2复制和进入宿主细胞的数量增加。此外，利用氧化应激标志物作为补充验证来鉴别COVID-19与健康对照似乎很有前景。
主要结果：
COVID-19中基于氧化还原系统的基因特征。
与氧化还原系统相关的BPs是第一个用于分析的生物数据。通过在GO数据库中搜索特定的关键词，获得了64个BPs。这64个BPs包括3510个基因和849个独特基因。独特基因涉及1 ~ 23 BPs。作者选择了参与超过9个BPs的69个独特基因进行后续分析。从相关数据库中提取与69个基因相关的PPI和TF信息。此外，利用COVID-19患者PBMCs的基因表达谱进行Pearson相关分析，获得独特基因的共表达数据(可获取inGSE164805)。|相关系数| >0.8表示显著的阳性或阴性共表达基因。最终的网络由通过PPI/TF/共表达边连接的基因构建。
根据网络标准(包括度和接近中心度)对基因进行排序。排名前5位的基因是CAT、NFE2L2、SOD1、SOD2和CYBB (GP91PHOX)，它们涉及39个BPs(图1A)。图1B展示了与这些高级别基因相关的特定和常见的BPs。参与23个和10个BPs的SOD1和CYBB对BPs的贡献最大和最小。氧化应激反应、活性氧代谢过程和细胞对化学应激反应是5个基因中共同的BPs。
图1：In-silico网络
细胞内氧化还原状态:COVID-19患者PBMCs中氧化应激分子表达增加。
为了更好地了解氧化应激相关分子在COVID-19发病机制中的变化，作者使用湿实验室方法验证了通过计算机模拟分析获得的前5个基因。因此，作者研究了PBMCs中氧化剂(NOX-GP91PHOX)和抗氧化剂(CAT, SOD1, SOD2和Nrf2)的基因表达平衡。与健康受试者相比，COVID-19患者Nrf2、CAT、SOD1和SOD2的表达水平升高(图2A~D)。与健康人相比，GP91PHOX在COVID-19患者PBMCs中表达上调。SARS-CoV-2干扰了患者PBMCs中与氧化还原系统相关的前5个基因的表达。
图2：新型冠状病毒肺炎患者PBMCs中氧化和抗氧化分子的表达变化
细胞内氧化还原状态:COVID-19患者PBMCs中ROS/超氧阴离子升高，GSH降低。
ROS对免疫应答的影响取决于三个变量:细胞类型、细胞内和细胞外ROS。细胞内ROS作为第二信使，在多种细胞活动中发挥作用，包括细胞分化和促炎细胞因子的产生。因此，为了研究COVID-19患者PBMCs中的氧化应激现象，作者分析了细胞内ROS/超氧阴离子的产生。首先在正向和侧向散点图上对PBMCs进行门控(图3A)。采用门控法检测PBMCs产生ROS/超氧阴离子的情况。测定门控PBMCs中ROS/超氧阴离子产生的门控策略见图3B和C。与健康个体相比，COVID-19患者PBMCs中ROS的产生显著增加。此外，作者观察到COVID-19患者PBMCs中的O2•-水平高于健康对照。(图3 E)。另一方面，细胞内的还原型谷胱甘肽(GSH)作为PBMCs的主要抗氧化剂，对调节氧化还原酶的活性和细胞周期进程至关重要。因此，评估了PBMCs的细胞内GSH水平。首先，PBMCs按正向和侧向散点图进行门控(图3F)。然后，分析门控PBMCs的GSH生成(图3G)。有趣的是，与对照组相比，COVID-19患者PBMCs细胞内GSH水平显著降低。
细胞外氧化还原状态:COVID-19患者血浆中TOS、CAT和SOD活性升高。
细胞外氧化还原状态是一种信号机制，可以诱导氧化还原敏感蛋白(如酶、转录因子、受体、黏附分子和膜信号蛋白)的翻译后改变，从而调节其功能。此外，血浆隔室提供氧化还原状态的环境，对循环免疫细胞有重要作用。除PBMCs外，作者还评估了COVID-19患者血浆样本中的氧化还原系统，包括CAT和SOD活性以及TOS。COVID-19患者的TOS水平明显高于对照组。此外，与对照组相比，COVID-19患者的CAT和SOD活性均值显著升高。尽管抗氧化分子在氧化反应中被上调，但它们并不能减轻氧化分子的有害影响。
图3：COVID-19患者PBMCs中ROS/超氧阴离子和谷胱甘肽生成的变化
SARS-COV-2进入位点的氧化还原状态:COVID-19患者NP样本中氧化应激分子的基因表达降低。
由于上呼吸道是SARS-COV-2进入宿主细胞的已知位点，因此作者检测了NP样本中氧化基因(NOXGP91PHOX)和抗氧化基因(Nrf2、SOD1、CAT、SOD2)的表达，以确定SARS-COV-2是否会破坏宿主上呼吸道氧化还原系统的稳态。Nrf2、CAT、SOD1、SOD2和GP91PHOX在COVID-19患者中的表达显著低于对照组。因此，作者观察到在COVID-19患者NP样本中，氧化还原系统相关基因的表达模式与PBMCs和血浆相反。
识别高性能诊断性生物标志物组合。
根据COVID-19患者血浆中TOS、CAT和SOD活性的显著变化，采用logistic回归模型进行分类，研究这些指标对COVID-19患者和健康人的鉴别能力。每个组合报告的准确性均大于0.9，表明每个组合都有准确检测COVID-19患者的能力。随着组合数量的增加，其敏感度、特异度和准确度均有所提高，在CAT、TOS和CAT、TOS、SOD1面板中，所有参数均达到最大值1。单个、2个和3个标记组合的ROC曲线如图4A-C所示。
图4：ROC曲线
结论和展望：
SARS-COV-2似乎破坏了免疫细胞内和细胞外的氧化还原平衡，可能导致宿主免疫反应失调，从而导致疾病的严重形式。另一方面，SARS-COV-2可能通过减少上呼吸道中的抗氧化/氧化分子而不刺激免疫系统而存活并促进感染。因此，应用抗氧化分子及其类似物应被考虑作为COVID-19患者的一种治疗选择。此外，我们提出了三种氧化应激标志物作为SARS-CoV-2感染的标志，可以从健康对照中准确诊断COVID-19患者。
原文链接：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9715463/
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