[论文解读] Thermodynamics and SARS-CoV-2: neurological effects in post-Covid 19 syndrome

Umberto Lucia, Giulia Grisolia+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2021

Long-Term Effects of COVID-19参考文献 43被引用 17

一句话总结

本文提出了一种非平衡热力学模型，通过离子通量（尤其是Na+和K+）将SARS-CoV-2引起的pH紊乱与神经元膜电位变化联系起来，解释了长新冠综合征中的神经症状。其主要贡献在于提出了一套理论框架，表明纠正电解质失衡（尤其是Na+和K+）可能通过稳定膜电位并恢复正常的神经信号传导，从而减轻神经后遗症。

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.

研究动机与目标

• 探究SARS-CoV-2感染与长新冠综合征中神经症状之间潜在的热力学机制。
• 探讨病毒诱导的pH变化如何破坏离子稳态并改变神经元膜电位。
• 提出针对电解质失衡（Na+、K+）作为治疗策略的理论基础，以减少神经后遗症。
• 建立非平衡热力学与SARS-CoV-2感染中神经信号传导 dysregulation 之间的联系。
• 为尽管中枢神经系统病毒载量较低，但仍出现‘脑雾’、记忆障碍和嗅觉功能障碍等神经症状提供机制性解释。

提出的方法

• 采用非平衡热力学方法，利用Onsager的唯象关系描述神经元膜上的离子与热量通量。
• 应用Nernst-Planck方程和电化学势方程，描述由电化学梯度驱动的离子运输。
• 使用吉布斯自由能变化（ΔG）通过公式 ΔpH = (F / 2.3RT)(Δφ − ΔGH+) 将pH变化与膜电位（Δφ）联系起来。
• 建立磷酸化势（Δḡp = −nFΔφ）以连接ATP水解与离子泵送及膜电位维持的关系。
• 整合H+-ATP酶泵机制，模拟质子通量如何改变细胞内pH并影响Na+/K+交换。
• 推导出在非平衡条件下离子浓度梯度对称性破缺与pH变化之间的热力学联系，从而影响神经信号传导。

实验结果

研究问题

• RQ1 SARS-CoV-2引起的pH改变如何通过离子通量影响神经元膜电位？
• RQ2 pH变化与神经元中Na+和K+浓度变化之间的热力学关系是什么？
• RQ3 由于病毒感染导致的离子稳态失衡是否会引起神经信号传导和神经症状的可测量变化？
• RQ4 纠正电解质失衡（Na+、K+）在多大程度上可恢复正常的膜电位并减轻神经后遗症？
• RQ5 使用高渗盐水或电解质调节作为长新冠神经障碍潜在疗法的理论基础是什么？

主要发现

• pH变化通过电化学势梯度直接引起神经元膜电位的变化，如公式 ΔpH = (F / 2.3RT)(Δφ − ΔGH+) 所描述。
• SARS-CoV-2感染破坏pH稳态，导致H+通量改变，进而引起神经元膜上Na+和K+离子运输的变化。
• 该模型表明，离子通量扰动打破了静止状态下离子浓度的对称性，从而调节神经信号传导，可能引发神经症状。
• 理论分析表明，纠正Na+和K+失衡可稳定膜电位，并减轻SARS-CoV-2的神经影响。
• 方程（25）表明，钾离子纠正可能对恢复神经功能具有特别显著的效果，尽管临床应用需谨慎。
• 理论结果与实验预印本结果一致，表明高渗盐水（1.5% NaCl）可通过引起膜去极化和能量耗竭，在体外抑制SARS-CoV-2复制。