2226-5988 2686-6749 Клиническая и экспериментальная морфология Clinical and Experimental Morphology ООО "Группа МДВ" 10.31088/CEM2024.13.4.47-57 Патоморфологические изменения в легких морской свинки при моделировании инфекции, вызванной различными генетическими вариантами вируса SARS-CoV-2 Pathomorphological changes in lung tissue of guinea pigs in SARS-CoV-2 infection model Шиповалов Андрей Владимирович Шиповалов Андрей Владимирович Shipovalov Andrey V. shipovalov_av@vector.nsc.ru 0000-0003-1201-8307 Кудров Глеб Александрович Кудров Глеб Александрович Kudrov Gleb A. cem.journal@mail.ru 0000-0002-8251-7040 Ивлева Елена Константиновна Ивлева Елена Константиновна Ivleva Elena K. cem.journal@mail.ru 0000-0003-1194-7219 Спиридонова Екатерина Викторовна Спиридонова Екатерина Викторовна Spiridonova Ekaterina V. cem.journal@mail.ru 0009-0006-8655-6713 Омигов Владимир Вилорьевич Омигов Владимир Вилорьевич Omigov Vladimir V. cem.journal@mail.ru 0000-0002-2028-6099 Пьянков Олег Викторович Пьянков Олег Викторович Pyankov Oleg V. cem.journal@mail.ru 0000-0003-3340-8750 Таранов Олег Святославович Таранов Олег Святославович Taranov Oleg S. cem.journal@mail.ru 0000-0002-6746-8092 ФБУН Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии «Вектор» Роспотребнадзора, Кольцово Новосибирской области, Россия State Research Center of Virology and Biotechnology “Vector”, Koltsovo, Novosibirsk oblast, Russia 31 10 2024 13 4 47 57 18 04 2024 24 06 2024 24 05 2024

Введение. Основной характеристикой патогенности изучаемого вируса является его способность вызывать гибель чувствительных лабораторных животных. Отсутствие летальных лабораторных моделей для вируса SARS-CoV-2 требует поиска других подходов для оценки патогенности. Изучение инфекционного процесса в тканях легких морских свинок позволяет выявить особенности и закономерности течения заболевания, определить значимые гистологические признаки и основные критерии патогенности. Целью исследования было проведение сравнительного патоморфологического исследования легких морских свинок, инфицированных различными генетическими вариантами SARS-CoV-2, с использованием метода морфометрических стандартизированных критериев. Материалы и методы. В эксперименте на аутбредных морских свинках (n=96) изучено структурное состояние легких в зависимости от патогенеза COVID-19. Животные в случайном порядке были разделены на семь опытных групп и одну контрольную по шесть самцов и шесть самок в каждой. Опытные группы были интраназально инфицированы штаммами геновариантов Ухань, альфа, бета, гамма, дельта и омикрон (последний представлен двумя генетическими линиями – BA.5.2 и EG.5) вируса SARS-CoV-2, животным контрольной группы вводили 0,9% NaCl. Динамику вирусной нагрузки определяли в назальных смывах по полимеразной цепной реакции с обратной транскрипцией (ОТ-ПЦР) и инфекционному титру (на культуре клеток Vero E6). На 15-е сутки выживших животных выводили из эксперимента. Патоморфологическое исследование проводили методом оптической микроскопии гистологических препаратов легких. Результаты. При гистологическом исследовании тканей легкого морской свинки отмечено сходство патологического процесса у морских свинок и пациентов с COVID-19, проявляющегося в виде диффузного альвеолярного повреждения. Выявлены достоверные различия по ряду патоморфологических признаков, вызванных коронавирусом разных генетических вариантов. Определенный морфометрическим методом максимум патологического действия SARS-CoV-2 на ткани легких был вызван геновариантом гамма. Дистелектазы в легких морских свинок, как достоверно различающийся для всех геновариантов SARS-CoV-2 признак, связанный с избыточной цитокиновой активностью, является, по нашему мнению, основным маркером патогенности штаммов SARS-CoV-2. Альвеолярно-геморрагический синдром характерен для всех изученных вариантов коронавируса, за исключением омикрон EG.5. Генетические линии варианта омикрон оказывают минимальное патологическое действие на ткани легких и не вызывают гибели морских свинок. Заключение. Морская свинка может применяться в качестве релевантной животной модели COVID-19. Характер патоморфологических изменений легких зависит от геноварианта вируса SARS-CoV-2, вызывающих эти изменения.

Introduction. The main characteristic of pathogenicity of SARS-CoV-2 virus is its ability to cause death in sensitive laboratory animals. The absence of lethal animal infection models requires the search for other approaches to assess pathogenicity. Studying infectious processes in guinea pig lungs allows us to identify the features and patterns of the disease, determine significant histological characteristics, and identify the main pathogenic criteria. We aimed to conduct a comparative pathomorphological study of lung tissue in guinea pigs infected with various SARS-CoV-2 variants using morphometric standardized criteria. Materials and methods. We looked at structural changes in the lungs of 96 outbred guinea pigs depending on COVID-19 pathogenesis. The animals were randomly divided into seven experimental and one control groups of 6 males and 6 females each. The experimental groups were intranasally infected with the following SARS-CoV-2 strains: Wuhan, Alpha, Beta, Gamma, Delta, and Omicron (the last one represented by two genetic lineages BA.5.2 and EG.5). The control group was intranasally injected with 0.9% NaCl. The viral load over time was determined with RT-PCR on nasal flushes and infection titer (on Vero E6 cell culture). The animals that survived were removed from the experiment on day 15. Pathomorphological examination was performed with optical microscopy of histological lung specimens. Results. We detected diffuse alveolar damage as a similar pathological feature in the lungs of both patients with COVID-19 and guinea pigs. Significant differences were revealed in the number of pathomorphological signs caused by various genetic variants of COVID-19. The most considerable pathological effect of SARS-CoV-2 on lung tissue was caused by the Gamma variant. We suppose guinea pig lung dystelectasis to be the main marker of pathogenicity of SARS-CoV-2 strains, since this sign differs significantly in SARS-CoV-2 variants and is associated with excessive cytokine activity. Alveolar hemorrhagic syndrome is characteristic of all the studied coronavirus variants except for Omicron EG.5. The genetic lineages of the omicron variant have a minimal pathological effect on lung tissue and do not cause death in guinea pigs. Conclusion. Guinea pig is an appropriate animal for a SARS-CoV-2 model. Pathomorphological changes in the lungs depend on the SARS-CoV-2 variant causing them.

 Ключевые слова SARS-CoV-2 COVID-19 морская свинка легкие патоморфология генетические варианты SARS-CoV-2 Keywords SARS-CoV-2 COVID-19 guinea pig lungs pathomorphology SARS-CoV-2 variants Работа выполнена в рамках государственного бюджетного финансирования. The study was carried out within the framework of state budget funding. Shrestha LB, Foster C, Rawlinson W, Tedla N, Bull RA. Evolution of the SARS‑CoV‑2 omicron variants BA.1 to BA.5: implications for immune escape and transmission. Rev Med Virol. 2022;32:e2381. DOI: 10.1002/rmv.2381. World Health Organization (WHO). Coronavirus disease 2019 (COVID‑19): Situation Overview. WHO, 2024. Available from: https://www.who.int/europe/emergencies/situations/cov-id-19 (accessed 01.04.2024). Carabelli AM, Peacock TP, Thorne LG, Harvey WT, Hughes J. SARS‑CoV‑2 variant biology: immune escape, transmission and fitness. Nat Rev Microbiol. 2023;21(3):162–77. DOI: 10.1038/s41579-022-00841-7. Imai M, Iwatsuki‑Horimoto K, Hatta M, Loeber S, Halfmann PJ, Nakajima N et al. Syrian hamsters as a small animal model for SARS‑CoV‑2 infection and countermeasure development. Proc Natl Acad Sci USA. 2020;117(28):16587–95. DOI: 10.1073/pnas.2009799117. Mukhopadhyay L, Yadav PD, Gupta N, Mohandas S, Patil DY, Shete‑Aich A et al. Comparison of the immunogenicity & protective efficacy of various SARS‑CoV‑2 vaccine candidates in non‑human primates. Indian J Med Res. 2021;153(1&2):93–114. DOI: 10.4103/ijmr.IJMR_4431_20. Richard M, Kok A, de Meulder D, Bestebroer TM, Lamers MM, Okba NMA et al. SARS‑CoV‑2 is transmitted via contact and via the air between ferrets. Nat Commun. 2020;11(1):3496. DOI: 10.1038/s41467-020-17367-2. Sun SH, Chen Q, Gu HJ, Yang G, Wang YX, Huang XY et al. A mouse model of SARS‑CoV‑2 infection and pathogenesis. Cell Host Microbe. 2020;28(1):124–33.e4. DOI: 10.1016/j.chom.2020.05.020. Pandey K, Acharya A, Mohan M, Ng CL, Reid SP, Byrareddy SN. Animal models for SARS‑CoV‑2 research: a comprehensive literature review. Transbound Emerg Dis. 2021;68(4):1868–85. DOI: 10.1111/tbed.13907. Port JR, Yinda CK, Owusu IO, Holbrook M, Fischer R, Bushmaker T et al. SARS‑CoV‑2 disease severity and transmission efficiency is increased for airborne compared to fomite exposure in Syrian hamsters. Nat Commun. 2021;12(1):4985. DOI: 10.1038/s41467-021-25156-8. Чепур С.В., Тюнин М.А., Мясников В.А., Алексеева И.И., Владимирова О.О., Ильинский Н.С. и др. Поражение органов и тканей SARS‑CoV‑2: биологическая модель на сирийских хомяках Mesocricetus auratus для экспериментальных (доклинических) исследований. Клиническая и экспериментальная морфология. 2021;10(4):25–34. DOI: 10.31088/CEM2021.10.4.25-34. Chepur SV, Tyunin MA, Myasnikov VA, Alekseeva II, Vladimirova OV, Ilinskiy NS et al. Organ and tissue damage related to SARS‑CoV‑2: the biological model for experimental (preclinical) trials on golden hamsters Mesocricetus auratus. Clinical and Experimental Morphology. 2021;10(4):25–34 (In Russ.). DOI: 10.31088/CEM2021.10.4.25-34. Merkuleva IA, Shcherbakov DN, Borgoyakova MB, Isaeva AA, Nesmyanova VS, Volkova NV et al. Are hamsters a suitable model for evaluating the immunogenicity of RBD‑based anti‑COVID‑19 subunit vaccines? Viruses. 2022;14(5):1060. DOI: 10.3390/v14051060. Шиповалов А.В., Кудров Г.А., Томилов А.А., Боднев С.А., Болдырев Н.Д., Овчинникова А.С. и др. Изучение восприимчивости линий мышей к вызывающим обеспокоенность вариантам вируса SARS‑CoV‑2. Проблемы особо опасных инфекций. 2022;1:148–155. DOI: 10.21055/0370-1069-2022-1-148-155. Shipovalov AV, Kudrov GA, Tomilov AA, Bodnev SA, Boldyrev ND, Ovchinnikova AS et al. Susceptibility to SARS‑CoV‑2 virus variants of concern in mouse models. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii = Problems of Particularly Dangerous Infections. 2022;1:148–155 (In Russ.). DOI: 10.21055/0370-1069-2022-1-148-155. Шиповалов А.В., Кудров Г.А., Томилов А.А., Боднев С.А., Болдырев Н.Д., Овчинникова А.С. и др. Патогенность вызывающих обеспокоенность вариантов вируса SARS‑CoV‑2 для сирийского хомячка. Проблемы особо опасных инфекций. 2022;3:164–169. DOI: 10.21055/0370-1069-2022-3-164-169. Shipovalov AV, Kudrov GA, Tomilov AA, Bodnev SA, Boldyrev ND, Ovchinnikova AS et al. Pathogenicity of the SARS‑CoV‑2 virus variants of concern for the Syrian golden hamster. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii = Problems of Particularly Dangerous Infections. 2022;3:164–169 (In Russ.). DOI: 10.21055/0370-1069-2022-3-164-169. Тодоров C.С., Казьмин А.С., Дерибас В.Ю., Тодоров С.С. (мл.). Патологическая анатомия поражения сосудов лёгких при COVID‑19. Клиническая и экспериментальная морфология. 2022;11(2):6–12. DOI: 10.31088/CEM2022.11.2.6-12. Todorov SS, Kazmin AS, Deribas VYu, Todorov SS (Jr). Pathological anatomy of lung vessels in COVID‑19. Clinical and Experimental Morphology. 2022;11(2):6–12 (In Russ.). DOI: 10.31088/CEM2022.11.2.6-12. Шестопалова Л.В., Прокопьева Е.А., Корчагина К.В., Максимова Д.А., Зайковская А.В., Шкурупий В.А. и др. Ультраструктурные изменения альвеолоцитов и макрофагов лёгких под влиянием высокопатогенного вируса гриппа птиц H5N1. Вестник НГУ. Серия: Биология, клиническая медицина. 2011;9(1):58–65. Доступно по адресу: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=15602474 (получено 01.04.2024). Shestopalova LV, Prokopieva EA, Korchagina KV, Maksimova DA, Zaikovskaya AV, Shkurupi VA et al. Ultrastructural changes of lung alveolocytes and macrophages by influence of H5N1 highly pathogenic avian influenza virus. Vestnik NSU. Series: Biology and Clinical Medicine. 2011;9(1):58–65 (In Russ.). Available from: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=15602474 (accessed 01.04.2024). National Research Council of the National Academies. Guide for the Care and Use of Laboratory Animals. 8th ed. Washington: National Academies Press, 2011. 220 p. DOI: 10.17226/12910. Flecknell P (ed.). Laboratory Animal Anaesthesia. 4th ed. Oxford: Academic Press, 2015. 321 p. DOI: 10.1016/C2013-0-13494-0. Fox JG, Anderson LC, Otto G, Prittchet‑Corning KR, Whary MT (eds.). Laboratory Animal Medicine. 3rd ed. London: Academic Press, 2015. 1746 p. American Veterinary Medical Association. AVMA Guidelines for the Euthanasia of Animals: 2020 Edition. 121 p. Available from: https://www.avma.org/sites/default/files/2020-02/Guidelines-on-Euthanasia-2020.pdf (accessed 01.04.2024). Зайратьянц О.В. (ред.). Патологическая анатомия COVID‑19. Атлас. Москва: НИИ организации здравоохранения и медицинского менеджмента ДЗМ, 2020. 140 с. Zairatiants OV (ed.). Pathological Anatomy of COVID‑19. Atlas. Moscow: State Budgetary Institution “Research Institute for Healthcare Organization and Medical Management of Moscow Healthcare Department”, 2020. 140 p. (In Russ.). Сомова Л.М., Коцюрбий Е.А., Дробот Е.И., Ляпун И.Н., Щелканов М.Ю. Клинико‑морфологические проявления дисфункции иммунной системы при новой коронавирусной инфекции COVID‑19. Клиническая и экспериментальная морфология. 2021;10(1):11–20. DOI: 10.31088/CEM2021.10.1.11-20. Somova LM, Kotsyurbiy EA, Drobot EI, Lyapun IN, Shchelkanov MYu. Clinical and morphological manifestations of immune system dysfunction in new coronavirus infection (COVID‑19). Clinical and Experimental Morphology. 2021;10(1):11–20 (In Russ.). DOI: 10.31088/CEM2021.10.1.11-20. Савченко С.В., Грицингер В.А., Тихонов В.В., Ламанов А.Н., Новоселов В.П., Кошляк Д.А. Клинико‑анатомический анализ летальности от COVID‑19 при скоропостижной смерти и у умерших в лечебно‑профилактических учреждениях. Судебно‑медицинская экспертиза. 2021;64(3):5–10. DOI: 10.17116/sudmed2021640315. Savchenko SV, Gritsinger VA, Tikhonov VV, Lamanov AN, Novoselov VP, Koshlyak DA. Clinical and anatomical analysis of mortality from COVID‑19 in sudden death and in those who died in health care facilities. Sudebno‑meditsinskaya ekspertisa = Forensic Medical Expertise. 2021;64(3):5–10 (In Russ.). DOI: 10.17116/sudmed2021640315. Almansa R, Martínez‑Orellana P, Rico L, Iglesias V, Ortega A, Vidaña B et al. Pulmonary transcriptomic responses indicate a dual role of inflammation in pneumonia development and viral clearance during 2009 pandemic influenza infection. PeerJ. 2017;5:e3915. DOI: 10.7717/peerj.3915. To KK, Hung IF, Li IW, Lee KL, Koo CK, Yan WW et al. Delayed clearance of viral load and marked cytokine activation in severe cases of pandemic H1N1 2009 influenza virus infection. Clin Infect Dis. 2010;50(6):850–9. DOI: 10.1086/650581.