[논문 리뷰] Thermodynamics and SARS-CoV-2: neurological effects in post-Covid 19 syndrome

Umberto Lucia, Giulia Grisolia외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 26.

Long-Term Effects of COVID-19Medicine참고 문헌 43인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 비평형 열역학 모델을 제안하여 SARS-CoV-2에 의한 pH 변화와 이온 유동(특히 Na+ 및 K+)을 통해 신경세포막 전위 변화를 연결함으로써 후코로나19 증후군의 신경학적 증상에 대한 설명을 제시한다. 주요 기여는 전기적 불균형, 특히 Na+와 K+를 교정함으로써 막 전위를 안정화하고 정상적인 신경세포 신호전달을 복구함으로써 신경학적 합병증을 완화시킬 수 있다는 이론적 프레임워크를 제공하는 것이다.

ABSTRACT

There is increasing evidence that infection with SARS-CoV-2 can cause a spectrum of neurological symptoms. In this paper, we develop a theoretical concept underlying such neurological COVID-19 consequences by employing a non-equilibrium thermodynamic approach that allows linking the neuronal electric potential with a virus-induced pH variation. Our theoretical findings support further experimental work on therapeutically correcting electrolyte imbalances, such as Na$^+$ and K$^+$, to attenuate the neurological effects of SARS-CoV-2.

연구 동기 및 목표

• 후코로나19 증후군에서 SARS-CoV-2 감염과 신경학적 증상 간의 열역학적 메커니즘을 규명하는 것.
• 바이러스에 의한 pH 변화가 이온 균형을 어떻게 교란하고 막 전위를 변화시키는지 탐구하는 것.
• 신경학적 합병증을 줄이기 위해 전기적 불균형(특히 Na+, K+)을 표적으로 삼는 치료 전략의 이론적 근거를 제안하는 것.
• 비평형 열역학과 SARS-CoV-2 감염에서의 신경세포 신호전달 기능 장애 간의 연결 고리를 설정하는 것.
• 중추신경계에서 바이러스 농도가 낮음에도 불구하고 뇌혼탁, 기억 상실, 후각 기능 장애와 같은 신경학적 증상의 기전적 설명을 제공하는 것.

제안 방법

• 비평형 열역학을 적용하여 Onsager의 현상학적 관계를 사용해 신경세포막을 통한 이온 및 열 유량을 모델링하였다.
• 전기화학적 기울기를 기반으로 한 이온 이동을 기술하기 위해 Nernst-Planck 방정식과 전기화학적 포텐셜 방정식을 적용하였다.
• ΔG를 사용하여 pH 변화와 막 전위(Δφ) 사이의 관계를 ΔpH = (F / 2.3RT)(Δφ − ΔGH+)로 연결하였다.
• ATP 수해를 이온 펌프와 막 전위 유지에 연결하기 위해 인산화 잠재에너지(Δḡp = −nFΔφ)를 수립하였다.
• H+-ATPase 펌프 메커니즘을 통합하여 수소 이온 유량이 세포 내 pH를 변화시키고 Na+/K+ 교환에 영향을 주는 방식을 모델링하였다.
• 비평형 조건에서 이온 농도 기울기의 대칭성 붕괴를 통해 pH 변화와 신경세포 신호전달 간의 열역학적 연결 고리를 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SARS-CoV-2에 의한 pH 변화가 이온 유량을 통해 어떻게 신경세포막 전위에 영향을 미치는가?
• RQ2 신경세포에서 pH 변화와 Na+ 및 K+ 농도 변화 사이의 열역학적 관계는 무엇인가?
• RQ3 바이러스 감염으로 인한 이온 균형 교란이 신경세포 신호전달과 신경학적 증상에 측정 가능한 영향을 미칠 수 있는가?
• RQ4 Na+ 및 K+ 전해질 불균형을 교정함으로써 얼마나 막 전위를 정상화하고 신경학적 합병증을 감소시킬 수 있는가?
• RQ5 고삼투압 생리식염수 또는 전해질 조절을 이용한 치료법이 후코로나19 신경학적 장애에서 잠재적 치료법으로서 이론적으로 타당한가?

주요 결과

• pH 변화는 전기화학적 포텐셜 기울기를 통해 직접적으로 막 전위 변화를 유도하며, 이는 ΔpH = (F / 2.3RT)(Δφ − ΔGH+)로 기술된다.
• SARS-CoV-2 감염은 pH 균형을 교란시켜 H+ 유량 변화를 유도하고, 이로 인해 신경세포막을 통한 Na+ 및 K+ 이온 이동이 변화한다.
• 모델은 이온 유량의 교란이 정적 이온 농도의 대칭성을 파괴함으로써 신경세포 신호전달을 조절하고, 결과적으로 신경학적 증상 유발 가능성을 보여준다.
• 이론적 분석은 Na+ 및 K+ 불균형 교정이 막 전위를 안정화시키고 SARS-CoV-2의 신경학적 영향을 완화시킬 수 있음을 지지한다.
• 식 (25)는 칼륨 보정이 신경세포 기능 회복에 특히 두드러진 영향을 미칠 수 있음을 시사하지만, 임상 적용에 있어 주의가 필요하다.
• 이론적 결과는 고삼투압 생리식염수(1.5% NaCl)가 막 탈분극화와 에너지 고갈을 통해 in vitro에서 SARS-CoV-2의 수증식을 억제한다는 실험 예비 논문 결과와 일치한다.