Modification of the interaction of SARS-CoV-2 viral S-protein with the endothelial cell by substances active pharmacologically

Pandemia choroby COVID-19, wywoływanej przez koronawirus SARS-CoV-2, wywarła wpływ na wdrożenie znaczących zmian w funkcjonowaniu społeczeństw osiadłych na wszystkich zamieszkałych kontynentach, sięgając najdrobniejszych aspektów życia codziennego poszczególnych przedstawicieli wszystkich środowisk oraz grup wiekowych. Wpływ ten jest ciągle widoczny, w drugiej połowie roku 2021, a wraz z upływem czasu poznawane są kolejne warianty wirusa, który ciągle podlega mutacjom. Prowadzi się obecnie wiele badań ukierunkowanych na odnalezienie potencjalnych leków a wnioski otrzymywane podczas takich badań, stanowią nieoceniony wkład w rozwój wiedzy związanej między innymi z epidemiologią, farmakologią oraz medycyną. Problemem badawczym podjętym w niniejszej pracy jest analiza siły oddziaływania glikoproteiny S wirusa SARS-CoV-2 z komórkami śródbłonka (ludzkie komórki śródbłonka pnia płucnego, linia HPAEC), modyfikowanej przez wybrane substancje czynne o działaniu farmakologicznym, do których należą (wraz z uwzględnieniem substancji stosowanych w próbach kontrolnych): flozyna, neuraminidaza, heparynaza, disulfidoizomeraza białek (PDI) oraz glukoza. Pomiary przeprowadzono metodą mikroskopii sił atomowych (AFM), dla komórek utrzymywanych w stanie hiperglikemii przez okres 3, 24 oraz 72 godzin bez dodatku flozyny oraz po dodaniu substancji, komórek po dodaniu heparynazy oraz heparynazy z dodatkiem PDI, komórek po inkubacji z neuraminidazą przez okres 3 godzin; wykonano także odpowiednie próby kontrolne dla komórek w stanie normoglikemii i bez dodatku substancji czynnych. Podczas pomiarów, skupiono się na ocenie maksymalnej siły oddziaływania adhezyjnego - w kontekście oceny siły oddziaływania pomiędzy S-proteiną a komórkami śródbłonka, a także pola powierzchni pod krzywą adhezyjną - jako pracy potrzebnej do wykonania w celu zerwania wiązań. Analizie poddane były parametry pobrane z pełnych map siła-odległość, otrzymanych w wyniku badania AFM oraz z fragmentów map odpowiadających centralnym częściom komórek, w celu analizy potencjalnego wpływu tła na otrzymane wyniki. Po wstępnych testach statystycznych normalności rozkładu (testy Shapiro-Wilka), dobrano nieparametryczne testy Manna-Whitney'a oraz ANOVA Kruskala-Wallisa wraz z testem post-hoc Dunna, aby ocenić zależności pomiędzy otrzymanymi wynikami. Odnaleziono istotne statystycznie efekty pomiędzy porównywanymi próbami, oceniając, że zależności mogą wynikać ze zmian w strukturze glikokaliksu komórkowego, wywołanych obecnością substancji czynnych. Zaobserwowano przy tym, że tendencje obserwowane dla maksymalnego oddziaływania adhezyjnego są również widoczne w przypadku pomiarów pracy zerwania wiązań, co było efektem oczekiwanym. Podjęto również w ramach konkluzji spostrzeżenie, że flozyny mogą stanowić interesującą grupę substancji w kontekście przyszłych badań nad lekami przeciw COVID-19.

The pandemic of COVID-19 disease, caused by the SARS-CoV-2 coronavirus, has had an impact on the implementation of significant changes in the functioning of settled societies in all inhabited continents, reaching the smallest aspects of everyday life of individuals representing all environments and age groups. The impact of mentioned changes is still visible in the second half of 2021, and as time goes on, more variants of the virus, which constantly undergoes new mutations, are discovered. There are currently many studies aimed at finding potential drugs against the disease, and the conclusions obtained during such studies are an invaluable contribution to the development of knowledge related to, inter alia, epidemiology, pharmacology and medicine. The research problem undertaken in this thesis is the analysis of the strength of the interaction between the S-protein of SARS-CoV-2 virus and endothelial cells (human pulmonary endothelial cells, HPAEC line), modified by selected active substances displaying pharmacological activity, which include (with the mention of substances used in control samples): flosin, neuraminidase, heparinase, protein disulfide isomerase (PDI) and glucose. The measurements were carried out using the atomic force microscopy (AFM) method, for cells maintained in a state of hyperglycemia for a period of 3, 24 and 72 hours without the addition of flosin and after the addition of mentioned substance, cells after the addition of heparinase and their equivalents with PDI, cells after incubation with neuraminidase for a period of 3 hours; appropriate control tests were also performed for cells in the state of normoglycemia and without the addition of active substances. During the measurements, the focus was directed towards assessing the maximum strength of the adhesive interaction - in the context of evaluating the strength of the interaction between the S-protein and endothelial cells, as well as the area under the adhesive curve - as the work (as energy) needed to break the chemical bonds between the molecules. Parameters taken from complete force-distance maps obtained as a result of the AFM study and from map fragments corresponding to the central parts of the cells were analyzed in order to evaluate the potential influence of artifact related to background noise (measurements performed outside of the cell area) on the obtained results. After preliminary statistical tests assessing the normality of distribution (Shapiro-Wilk tests), non-parametric Mann-Whitney tests and ANOVA Kruskal-Wallis tests along with Dunn's post-hoc test were selected to assess the relationships between the obtained results. Statistically significant effects were found between the compared trials, and it was evaluated that the relationships may have resulted from changes in the structure of the cell glycocalyx caused by the presence of active substances. It was also observed, that the trends noticed for the maximum adhesive effect are also visible in the case of the energy needed to break the bonds, which was the expected effect. Additionally, an observation was made, that flosins may constitute an interesting group of substances in the context of future drug research against COVID-19.