I ricercatori del MIT hanno sviluppato proteine ​​specializzate che potrebbero arrestare le gravi tempeste di citochine osservate nei pazienti COVID-19

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Una delle caratteristiche distintive di COVID-19 è l’eccessiva risposta immunitaria che può verificarsi in casi gravi.

Questa esplosione di reazione eccessiva immunitaria, chiamata anche tempesta di citochine , danneggia i polmoni e può essere fatale.

Un team di ricercatori del MIT ha sviluppato proteine ​​specializzate, simili nella struttura agli anticorpi, che ritengono possano assorbire queste citochine in eccesso.

“L’idea è che possono essere iniettati nel corpo e legarsi alle eccessive citochine generate dalla tempesta di citochine, rimuovendo le citochine eccessive e alleviando i sintomi dell’infezione”, afferma Rui Qing, uno scienziato del MIT che è uno dei gli autori senior dello studio.

I ricercatori hanno riportato i loro primi risultati sulla rivista Quarterly Review of Biophysics (QRB) Discovery e ora sperano di iniziare a testare le loro proteine ​​nelle cellule umane e nei modelli animali di rilascio di citochine e infezione da coronavirus.

Shuguang Zhang, uno dei principali ricercatori del MIT Media Lab’s Laboratory of Molecular Architecture, è anche autore senior del documento. Shilei Hao, scienziato in visita al MIT, è l’autore principale dello studio e David Jin, CEO e presidente di Avalon GloboCare, è anche autore.

Una spugna molecolare

Il lavoro dei ricercatori sul blocco delle tempeste di citochine è nato da un progetto che Zhang ha iniziato 10 anni fa per sviluppare versioni modificate delle proteine ​​integrate nella membrana.

Queste proteine ​​sono solitamente difficili da studiare perché una volta estratte dalla membrana cellulare, mantengono la loro struttura solo se sospese in speciali tipi di detergenti.

Dopo aver lavorato sul problema per diversi anni, Zhang e Qing hanno sviluppato un metodo per modificare le regioni idrofobiche di queste proteine, rendendole solubili in acqua e molto più facili da studiare.

Il loro metodo, chiamato codice QTY, prevede la sostituzione di alcuni aminoacidi idrofobici con aminoacidi idrofili che hanno strutture simili.

La leucina viene convertita in glutammina, le isoleucina e la valina vengono convertite in treonina e la fenilalanina viene convertita in tirosina.

In seguito allo sviluppo del codice QTY, Jin si avvicinò al laboratorio di Zhang con l’idea di progettare versioni idrosolubili di proteine ​​note come recettori delle citochine .

Questi recettori si trovano sulla superficie delle cellule immunitarie, dove si legano alle citochine, segnalando le proteine ​​che stimolano l’infiammazione e altre risposte immunitarie.

Jin credeva che le proteine ​​che imitano questi recettori delle citochine potrebbero aiutare a combattere le tempeste di citochine, che possono essere prodotte da infezioni virali o batteriche, tra cui HIV ed epatite. Possono anche verificarsi come effetto collaterale dell’immunoterapia antitumorale.

Nell’aprile 2019, il team di Zhang ha iniziato a progettare proteine ​​che potrebbero eliminare queste citochine in eccesso come una spugna.

Per fare ciò, hanno usato il codice QTY per creare versioni solubili in acqua dei recettori delle citochine. Quando le proteine ​​sono solubili in acqua, possono viaggiare in modo efficiente attraverso il flusso sanguigno umano, mentre le versioni originali e idrofobiche delle proteine ​​si attaccerebbero probabilmente alle cellule che hanno incontrato.

I ricercatori hanno anche attaccato un segmento anticorpale chiamato regione Fc alle loro proteine ​​del recettore solubili in acqua.

Questa regione aiuta a stabilizzare ulteriormente le proteine ​​nel flusso sanguigno e le rende meno probabilità di essere attaccate dal sistema immunitario.

I ricercatori hanno progettato proteine ​​che imitano sei diversi recettori delle citochine, che possono legarsi a citochine come l’interferone e l’interleuchina, nonché a una classe di citochine chiamate chemiochine.

Nei test di laboratorio sulla forza legante delle proteine, i ricercatori hanno scoperto che le loro proteine ​​modificate erano in grado di legarsi alle citochine con forza simile a quella dei recettori delle citochine presenti in natura.

“I recettori delle citochine che abbiamo progettato assorbiranno la maggior parte delle citochine in eccesso rilasciate durante la tempesta di citochine”, afferma Jin.

Spinto dalla curiosità

A marzo, quando le prove hanno iniziato a suggerire che il virus SARS-CoV-2 stava causando tempeste di citochine in alcuni pazienti , i ricercatori hanno capito che le proteine ​​del recettore che avevano progettato potrebbero essere in grado di aiutare.

Hanno deciso di pubblicare rapidamente i risultati che hanno generato finora e ora stanno pianificando di fare ulteriori test nelle cellule umane e nei modelli animali di infezione da Covid-19.

La potenziale utilità di questo approccio sottolinea l’importanza della “ricerca guidata dalla curiosità”, afferma Zhang.

“A quanto pare, la nostra ricerca avviata nell’aprile 2019 è direttamente rilevante per il trattamento dei pazienti con infezione da Covid-19”, afferma. “La ricerca guidata dalla curiosità o persino proattiva spesso porta alla preparazione, che è la chiave per prevenire futuri disastri.”

I ricercatori hanno presentato domanda di brevetto per le proteine ​​che hanno progettato, nonché per il loro approccio globale alla creazione di recettori per le citochine idrosolubili.

Sperano di concedere in licenza la tecnologia rapidamente e di collaborare con aziende farmaceutiche e biotecnologiche che possono aiutare a spostarla verso studi clinici.

“Ovviamente questo approccio richiederà ulteriori studi sugli animali e potenzialmente studi clinici sull’uomo”, afferma Jin. “Ma abbiamo fiducia che questa scoperta contribuirà ad applicazioni cliniche per affrontare le malattie virali che coinvolgono tempeste di citochine.”

Finanziamento: la ricerca è stata finanziata principalmente da Avalon GloboCare e anche da una borsa di studio del China Scholarship Council e dell’Università di Chongqing, Cina.


Le malattie infiammatorie immuno-mediate (IMID) spesso colpiscono le barriere interne ed esterne del corpo, come le articolazioni (artrite reumatoide (RA) e spondiloartrite (SpA)), l’intestino (morbo di Crohn (CD) e la colite ulcerosa (UC) ) e la pelle (psoriasi (PsO) e dermatite atopica (AD)).

Il trattamento degli IMID si è sviluppato rapidamente negli ultimi anni grazie a una migliore profilazione molecolare e all’uso di interventi mirati che neutralizzano le citochine pro-infiammatorie specifiche della malattia.

In RA, l’inibizione di TNF e IL-6R è efficace, mentre SpA risponde all’inibizione di TNF e IL-17A. In CD e UC, TNF e IL-23 sono le principali citochine effettrici. PsO è sensibile all’inibizione di TNF, IL-17A e IL-23, mentre l’inibizione di IL-4 e IL-13 funziona in AD 1  (Fig. 1).

Nonostante le differenze negli organi bersaglio e nei repertori di citochine tra i singoli IMID, esistono elementi comuni che si riflettono in una risposta immunitaria innata e adattiva esagerata e sostenuta.

In molte forme di IMID, indipendentemente dall’organo bersaglio o indipendentemente dal fatto che siano iniziate tramite T helper 1 (T H 1), attivazione delle cellule T H 17 o T H 2, infiltrazione di tessuti bersaglio con un gran numero di cellule immunitarie innate come i granulociti e i macrofagi infiammatori sono un segno distintivo.

Figura 1
Fig. 1: Citochine negli IMID e in COVID-19.

La malattia di coronavirus 2019 (COVID-19), causata dalla sindrome respiratoria acuta grave coronavirus 2 (SARS-CoV-2) virus 2 , porta ad una rapida attivazione delle cellule immunitarie innate, specialmente nei pazienti che sviluppano malattie gravi.

I numeri circolanti di neutrofili sono costantemente più alti nei sopravvissuti a COVID-19 rispetto ai non sopravvissuti e l’infezione induce anche linfocitopenia che colpisce principalmente il  sottoinsieme di cellule T CD4 + , inclusi effettore, memoria e cellule T regolatorie 3 .

Riflettendo l’attivazione immunitaria innata, i livelli di molte citochine effettrici pro-infiammatorie, come TNF, IL-1β, IL-6, IL-8, G-CSF e GM-CSF, nonché le chemochine, come MCP1, IP10 e MIP1α , sono elevati nei pazienti con COVID-19, con livelli più alti in quelli che sono gravemente malati. Inoltre, i livelli di alcune citochine derivate dalle cellule T, come IL-17, sono aumentati nel contesto dell’infezione da SARS-CoV-2 4 .

L’infezione da SARS-CoV-2 determina una profonda risposta di citochine nell’ospite, comprendente una serie di mediatori che sono presi di mira negli IMID (Fig. 1). In alcuni pazienti con COVID-19, si sviluppa una tempesta di citochine che ricorda la linfoistiocitosi emofagocitica secondaria, uno stato iperinfiammatorio innescato da infezioni virali 5 .

Sebbene la maggior parte delle citochine indotte dall’infezione SARS-CoV-2 e quelle colpite nei vari IMID sopra menzionati siano importanti per innescare l’infiammazione, non sembrano essere essenziali per il controllo della clearance del virus.

Il targeting per IL-23 e IL-4 / IL-13 non aumenta il rischio di infezioni virali, batteriche o fungine, mentre l’inibizione di IL-17A mostra solo un segnale per le   specie Candida ma non per l’infezione virale. Targeting per TNF e IL-6 aumenta il rischio di infezioni batteriche ma ha minori effetti sulle infezioni virali (ad eccezione dell’attivazione dell’epatite B).

In particolare, sebbene l’incidenza dell’influenza e il rischio di sviluppare complicanze da infezione da influenza siano maggiori nei pazienti con AR e CD, non è stato trovato alcun segnale associato agli inibitori delle citochine 6 .

Inoltre, i pazienti con AR o CD raggiungono le normali risposte immunitarie alla vaccinazione antinfluenzale quando trattati con agenti anti-TNF, supportando ulteriormente il concetto che le citochine effettrici indotte da SARS-CoV-2 e mirate al trattamento degli IMID sono fondamentali per la risposta infiammatoria ma non per la clearance virale 7 . La clearance virale sembra dipendere principalmente da altre citochine come IL-15, interferoni di tipo I e IFNγ.

Il targeting di citochine pro-infiammatorie con anticorpi come adalimumab, dupilumab, infliximab, ustekinumab, secukinumab e tocilizumab è una routine clinica negli IMID. I potenziali rischi e benefici dell’inibizione delle citochine devono essere attentamente esaminati al fine di raccomandare se continuare o interrompere tali trattamenti.

Sebbene l’inibizione delle citochine a prima vista possa essere considerata una “soppressione immunitaria” e quindi dannosa nel contesto della pandemia di COVID-19, questi composti neutralizzano i singoli mediatori della cascata dell’infiammazione piuttosto che portare a un’ampia soppressione immunitaria.

D’altra parte, gli inibitori delle citochine possono mitigare lo stato iperinfiammatorio, che fa parte della patogenesi del grave COVID-19. In effetti, sono stati appena avviati studi che utilizzano inibitori di IL-6R e IL-6 in COVID-19. Pertanto, gli approcci che non influenzano la clearance virale ma inibiscono le risposte dell’ospite iperinfiammatorio possono esercitare effetti benefici in COVID-19.

Sebbene colpisca singole citochine (TNF, IL-6, IL-17A, IL-23 o IL-4 / IL-13), contrariamente ai glucocorticoidi 8 , non sembra aumentare i tassi di infezione virale o indurre un decorso più virale l’infezione, l’inibizione di più citochine, ad esempio, mirando alle risposte dell’interferone, può essere diversa. Gli inibitori della Janus chinasi (JAK), che prendono di mira JAK1 e JAK3, sviluppati per il trattamento di RA, CD e PsO mostrano un rischio aumentato di riattivazione dell’herpes zoster. T

l’arbitraggio di JAK1 e JAK3 influisce sulla funzione di diverse citochine che sono coinvolte nelle risposte antivirali come interferoni di tipo I, IL-2, IL-15, IL-21 e IFNγ. Quindi gli inibitori JAK1 / JAK3 potrebbero teoricamente inibire la clearance di SARS-CoV-2. D’altra parte, l’inibizione di JAK2 sembra bloccare l’ingresso virale dell’attivazione di citochine indotta da SARS-CoV-2 e IL-17 9 .

In particolare, IL-6 e GM-CSF, entrambi indotti da SARS-CoV-2, dipendono parzialmente o completamente dalla segnalazione di JAK2, suggerendo che JAK2 potrebbe essere un bersaglio nel trattamento della risposta iperinfiammatoria in COVID-19.

Al momento, esiste un’esperienza molto limitata su come COVID-19 colpisce i pazienti con IMID trattati con inibitori delle citochine. Tuttavia, un’analisi critica del ruolo delle citochine proinfiammatorie nella fisiopatologia della COVID-19 e del rischio di infezione virale durante la terapia con citochine suggerisce che la maggior parte degli inibitori delle citochine potrebbe non mettere automaticamente i pazienti con IMID a rischio più elevato di sviluppare gravi COVID19.

In conformità, la maggior parte delle raccomandazioni ad hoc di specialisti nei settori della gastroenterologia, reumatologia e dermatologia non supportano l’interruzione preventiva della terapia anti-citochine se non sono presenti segni di COVID-19. Sorprendentemente, alcune strategie di inibizione delle citochine sono attualmente in fase di test per il trattamento di COVID-19 e l’idrossiclorochina, un farmaco noto da tempo usato per il trattamento degli IMID, sembra mostrare efficacia in COVID-19 (rif. 10 ).

Oltre a questi studi, sono attualmente in fase di creazione registri IMID che aiuteranno a comprendere meglio l’impatto di COVID-19 nei pazienti con malattia autoimmune e a scoprire potenzialmente un ruolo protettivo di alcune strategie di inibizione delle citochine.

Riferimenti

  1. Schett, G. et al. In che modo le reti di citochine alimentano l’infiammazione: verso una tassonomia delle malattie a base di citochine. Nat. Med.  19 , 822–824 (2013).
  2. Wu, F. et al. Un nuovo coronavirus associato alla malattia respiratoria umana in Cina. Natura  579 , 265–269 (2020).
  3. Wang, D. et al. Caratteristiche cliniche di 138 pazienti ospedalizzati con 2019 nuova polmonite infetta da coronavirus a Wuhan, in Cina. JAMA  323 , 1061-1069 (2020).
  4. Huang, C. et al. Caratteristiche cliniche dei pazienti infetti dal nuovo coronavirus del 2019 a Wuhan, in Cina. Lancet  395 , 497–506 (2020).
  5. Pedersen, SF & Ho, YC Una tempesta infuria. J. Clin. Investire.  https://doi.org/10.1172/JCI137647  (2020).
  6. Blumentals, WA, Arreglado, A., Napalkov, P. & Toovey, artrite da reumatoide e incidenza di influenza e complicanze correlate all’influenza: uno studio di coorte retrospettivo. BMC Musculosskelet. Disord.  13 , 158 (2012).
  7. Andrisani, G. et al. Risposta immunitaria al vaccino contro l’influenza A / H1N1 nei pazienti con malattia infiammatoria intestinale trattati con agenti anti-TNF-a: effetti della terapia combinata con immunosoppressori. J. Crohns Colitis  7 , 301–307 (2013).
  8. Russell, CD, Millar, JE & Baillie, JK Le prove cliniche non supportano il trattamento con corticosteroidi per le lesioni polmonari 2019-nCoV. Lancet  395 , P473-P475 (2020).
  9. Wu, D. & Yang, XO TH17 risposte nella tempesta di citochine di COVID-19: un bersaglio emergente dell’inibitore JAK2 fedratinib. J. Microbiol. Immunol. Infettare.  https://doi.org/10.1016/j.jmii.2020.03.005  (2020).
  10. Chen, Z. et al. Efficacia dell’idrossiclorochina nei pazienti con COVID-19: risultati di uno studio clinico randomizzato. Preprint su  medRxiv  https://doi.org/10.1101/2020.03.22.20040758  (2020).

Fonte:
MIT

Natura – Schett, G., Sticherling, M. & Neurath, MF COVID-19: rischio per il targeting di citochine nelle malattie infiammatorie croniche ?. Nat Rev Immunol  (2020). https://doi.org/10.1038/s41577-020-0312-7

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