В узком коридоре медицинского колледжа Мэтт Стюарт открыл большой шкаф и увидел десятки полок, заставленных деревянными ящиками и подносами, некоторым из которых не менее 100 лет.
Стюарт, высокий и сереброволосый, вытащил один из лотков и показал его содержимое: Тонкие срезы костей человеческого черепа и содержащихся в них органов слуха и равновесия, окрашенные в розовые оттенки. Прикрепленные к предметным стеклам микроскопа, анатомические кусочки напоминали абстрактные резиновые штампы, размером не больше отпечатка большого пальца. "Наша история Джона Хопкинса", - сказал он, имея в виду университетскую коллекцию образцов более чем 5000 пациентов.
Исследовательская группа Стюарта из Университета Джона Хопкинса в Балтиморе прошла долгий и сложный путь, чтобы в 2021 году получить такие слайды. Эти образцы, вырезанные из части черепа, в которой находится внутреннее ухо, нужны исследователям, чтобы задать фундаментальный вопрос о новом коронавирусе SARS-CoV-2: вторгается ли он непосредственно в клетки тканей, обеспечивающих слух и равновесие?
Данные о проблемах с ушами в связи с COVID-19, заболеванием, вызванным вирусом SARS-CoV-2, немногочисленны. На сегодняшний день в сообщениях о случаях и небольших исследованиях было обнаружено, что у некоторых пациентов с COVID-19 наблюдается значительная и быстрая потеря слуха, звон в ушах, называемый тиннитусом, или проблемы с равновесием. Оценки распространенности этих симптомов разнятся, но поскольку коронавирус инфицировал сотни миллионов людей, даже несколько процентов пациентов с COVID, испытывающих потерю слуха, составят значительный рост в глобальном масштабе. Тем не менее, не было установлено причинно-следственной связи между новым коронавирусом и слуховыми симптомами. Проблемы со слухом даже не включены в списки симптомов COVID-19, краткосрочных или долгосрочных, опубликованные Центрами по контролю и профилактике заболеваний.
Существует несколько возможных объяснений того, почему это заболевание может быть связано с серьезными проблемами со слухом, и ученые, возможно, никогда не смогут точно определить все лежащие в его основе механизмы. Но такие исследователи, как Стюарт, придерживаются теории, что вирус может непосредственно повреждать клетки внутреннего уха. Уже известно, что коронавирус поражает клетки верхней носовой полости, что приводит к потере обоняния. Аналогичный процесс может происходить и в ухе, объясняет Стюарт, помощник главного врача, специализирующийся на хирургии внутреннего уха в больнице Джона Хопкинса.
Последствия выходят за рамки нового коронавируса. Каждый год около 90 000 человек в США - то есть 27 из 100 000 - сталкиваются с внезапной потерей слуха из-за повреждения внутреннего уха, и считается, что причиной многих из этих случаев являются вирусы. Вирусы также могут привести к другим проблемам со слухом и равновесием. Но выяснение того, почему вирусы вызывают эти проблемы, долгое время оставалось сложной задачей для ученых. Для изучения этих тонких частей ученые не могут разрезать внутреннее ухо живого человека - для этого необходимо удалить чувствительную ткань, что чревато травмой, которая может привести к полной глухоте или потере равновесия.
Пандемия COVID-19 побудила исследователей разработать новые подходы к решению этого давнего вопроса. В университете Джона Хопкинса Стюарт и его коллеги используют трупы, препарируя уши с помощью хирургических методов 1800-х годов, а в последнее время - с помощью пилы с алмазным лезвием стоимостью 7 000 долларов. Тем временем отдельная группа из Массачусетского технологического института и Массачусетской глазной и ушной клиники решает этот вопрос, изучая остатки тканей человека после редких операций и выращивая ткани внутреннего уха из стволовых клеток - уникального типа клеток, которые могут воспроизводиться и создавать органы. В октябре команда опубликовала первые результаты в журнале Nature Communications Medicine.
Такие вирусы, как SARS-CoV-2, герпес и обычный цитомегаловирус, "все имеют щупальца, которые, кажется, касаются уха, но никто не мог изучить их, потому что ухо так недоступно", - говорит вирусолог Ли Герке, старший автор исследования Communications Medicine и профессор Массачусетского технологического института и Гарвардского университета. "Так что это та часть, которая меня больше всего радует", - говорит он. "Теперь у нас есть возможность взглянуть на эти вещи так, как мы не могли сделать раньше".
Трупы могут быть труднодоступны, поскольку для их получения требуются доноры. Но для команды Стюарта получение трупов пациентов, умерших от COVID-19, не было самой сложной задачей - Джонс Хопкинс изначально смог предоставить три трупа. Более сложной задачей было соблюдение рекомендаций CDC. В начале пандемии, когда началось исследование, никто точно не знал, как долго коронавирус может выживать в различных условиях. CDC не рекомендовал использовать хирургические инструменты с электроприводом, такие как дрели, которые были бы наиболее очевидным выбором для проникновения в ухо трупа, но также могли выбрасывать вирусные частицы в воздух и представлять опасность для всех, кто находился в комнате. Поскольку современных инструментов не было, Стюарту пришлось полагаться на хирургические методы конца 1800-х годов, которые выполнялись с помощью ручных инструментов, не способных электрическим током раскручивать вирусные частицы на высокой скорости.
В комнате для вскрытия исследователи надели маски N95 и другое хирургическое снаряжение. На каждом трупе они начинали с разреза за ухом, а затем находили треугольное отверстие сосцевидного отростка - части черепа, которая "похожа на пчелиный улей с кучей воздушных ячеек и очень, очень, очень тонкой костью", - говорит Стюарт. Они работали с помощью крошечного инструмента, похожего на долото, называемого остеотомом, в дополнение к набору инструментов, называемых кюретками, "которые похожи на маленькие острые шарики для мороженого", - говорит Стюарт. Кюретки могут соскабливать долю миллиметра за один раз. Из сосцевидного отростка они сделали 2-миллиметровое отверстие - шириной примерно с лапшу для спагетти - в среднее ухо. Затем они провели тампоны внутри крошечной одноразовой кисточкой.
Исследователи Хопкинса в конечном итоге обнаружили генетическую подпись коронавируса SARS-CoV-2 у двух из трех трупов, подтвердив, что вирус может проникать в среднее ухо и сосцевидный отросток. Стюарт и его коллеги опубликовали эти результаты в исследовательском письме в журнале JAMA Otolaryngology-Head & Neck Surgery в июле 2020 года, рекомендовав медицинским работникам использовать защиту для глаз и маски N95 во время процедур, связанных со средним ухом. (В неопубликованных последующих исследованиях вирусная сигнатура была обнаружена у 60 процентов из более чем 20 трупов).
В своем письме в Undark Джамиль Музаффар, хирург и исследователь из Кембриджского университета и Oto Health в Великобритании, сказал, что он не удивлен обнаружением SARS-CoV-2 в среднем ухе и сосцевидном отростке, поскольку обе структуры связаны с носом, где, как известно, концентрируется коронавирус. Действительно, говорит Стюарт, вирус мог попасть с "инфицированными соплями" из других пазух без обязательного вторжения в ценные клетки внутреннего уха.
Исследование подтверждает "идею о том, что, поскольку вирус присутствует в среднем ухе, ему легче добраться до внутреннего уха", что может стать причиной внезапной потери слуха, говорит Музаффар. Тем не менее, это исследование не дает ответа на вопрос: Может ли коронавирус непосредственно вторгнуться в клетки слуха и нанести им вред?
В исследовании, опубликованном в журнале Laryngoscope в декабре 2020 года, этот вопрос изучался на организме, который легче исследовать, чем человека: на мышах. Известно, что новый коронавирус проникает в клетки, взаимодействуя с рецептором под названием ACE-2, который находится на поверхности некоторых человеческих клеток. Исследователи из Токийского университета попытались выяснить, присутствуют ли рецепторы ACE-2 и связанные с ними белки в ушных структурах мышей. Оказалось, что да.
Это исследование "зажгло во мне ползучий огонь", - говорит Стюарт. Если бы его команда повторила это на людях, им пришлось бы нарезать внутреннее ухо на отдельные тонкие срезы для анализа под микроскопом. Но с того момента, как исследователи получают образцы ушей от трупов, может пройти год, прежде чем кости размягчатся настолько, что их можно будет нарезать тонкими ломтиками. В условиях пандемии ждать придется долго.
Чтобы изучить человеческие клетки, команде Стюарта потребуется изготовить новые слайды с тонкими поперечными срезами органов слуха и равновесия, подобные тем, что стоят в исторических шкафах в коридоре медицинского института. В предыдущем исследовании на трупах у его команды не было возможности получить доступ к внутреннему уху. На этот раз им пришлось бы прокладывать путь к этой деликатной области и делать очень тонкие срезы.
Стюарт вспомнил, как он изучал геохимию, будучи аспирантом. Тогда он использовал специализированные инструменты для распила горных пород и драгоценных камней. "Поэтому у меня возникла идея использовать алмазную минералогическую пилу", - говорит Стюарт. Поскольку толщина лезвия составляет всего 0,03 дюйма, при разрезании височной кости - части черепа, в которой находится внутреннее ухо и органы равновесия - теряется меньше материала". После этого, рассуждает Стюарт, исследовательская группа сможет быстро очистить разрезанные кости от накипи с помощью кислоты, чтобы размягчить их, и тогда они смогут добраться до этих чувствительных органов слуха и равновесия, нарезать их тонкими ломтиками и провести эксперименты по поиску ключевых клеточных рецепторов.
Стюарт рассматривает под микроскопом височную кость, в которой заключены органы слуха, из пожертвованного трупа. Элизабет Ландау / UndarkПила с алмазным лезвием стоила около 7 000 долларов - необычная покупка для ушного хирурга с дикой идеей. Хотя Национальный институт здравоохранения предоставил финансирование для предыдущего исследования Стюарта на трупах, агентство отказалось поддержать эту непроверенную методику, поэтому Стюарт напрямую обратился к семье, которая пожертвовала больнице, с вопросом, поддержат ли они использование своих средств для этого проекта. Они поддержали.
Используя эту технику, Стюарт и его коллеги успешно создали необходимые образцы всего через две недели после первоначальной операции. Когда в прошлом году в начале июня он получил первый слайд, "я сидел в своем кабинете и чувствовал, что действительно чего-то добился", - говорит Стюарт. Его команда преодолела ключевое препятствие в поисках рецепторов, которые мог бы атаковать вирус, вызывающий COVID.
Предварительные результаты свидетельствуют о том, что они на правильном пути. Используя височные кости шести трупов, у которых не было инфекции COVID-19, исследователи обнаружили эти уязвимые типы клеточных рецепторов в среднем ухе, улитке и системе баланса. Это означает, что новый коронавирус потенциально может вызвать повреждение слуха путем прямого вторжения в клетки. "Это была большая часть головоломки", - говорит Стюарт. Работа еще не прошла рецензирование, но Стюарт представил результаты на заседании Американского общества неврологии в сентябре 2021 года, а его команда готовит рукопись для подачи в журнал.
Кроме того, до пандемии группа специалистов в Бостоне под руководством хирурга Константины Станкович, ныне работающей в Стэнфордском университете, выращивала ткани внутреннего уха, используя тип стволовых клеток, которые объединяются в кластеры, называемые органоидами. Но только после появления COVID они, в сотрудничестве с исследователями из Массачусетского технологического института, начали использовать эти клетки для лучшего понимания уязвимости к вирусам.
Под микроскопом органоидные ткани напоминают то, что находится внутри человеческого уха, сказал Герке, вирусолог, который сотрудничал со Станковичем. Команда даже вырастила волосковые клетки, сенсорные рецепторы, которые определяют движение и обеспечивают слух, с крошечными стебельками, называемыми стереоцилиями, торчащими из их поверхности. Эти ученые также изучали ткани внутреннего уха человека, взятые у двух живых пациентов. Они были взяты после редкой операции, которая облегчает изнурительное головокружение, но снижает слух.
Клетки из органоидов и внутреннего уха пациентов содержали те же белки, которые Стюарт обнаружил при исследовании трупов. Затем Герке и его коллеги пошли еще дальше: Они подвергли ткани органоидов и пациентов воздействию вируса SARS-CoV-2. Как они и предсказывали, новый коронавирус заразил некоторые клетки. "Их работа очень важна", - написал Стюарт в недавнем электронном письме. Герке назвал предварительные выводы Стюарта отличной новостью. "Любые данные, которые дополняют друг друга", - говорит он, - "очень полезны".
Далее команда Стюарта планирует искать доказательства прямого вторжения в клетки органов слуха и равновесия, используя образцы трупов, зараженных COVID-19. Таким образом, они смогут искать возможные взаимодействия между тканями человека и вирусом, который заразил их естественным путем, а не в ходе эксперимента. Команда Станковича и Герке, по словам Герке, хотела бы проверить экспериментальные методы лечения на своих органоидах, а также изучить другие вирусы. Обе группы хотят адаптировать свои модели для изучения других возможных причин потери слуха из-за вирусов, таких как воспаление и иммунные реакции.
По словам Стюарта, все это может однажды привести к улучшению лечения и вспомогательной помощи людям, страдающим нарушениями слуха и равновесия. Для него это личная тема, поскольку он был свидетелем того, как его отец потерял слух после многолетней работы с динамитом в качестве геолога. Стюарт добавляет, что из-за трудностей в общении, когда звуки приглушаются, "мир пациента как бы сужается".
По словам Стюарта, с более глубоким пониманием того, как вирусы взаимодействуют с ухом, врачи смогут лучше помочь как пациентам с текущим заболеванием COVID, так и тем, у кого наблюдаются "поствирусные эффекты".