SARS-CoV-2: immagini sorprendenti nel tratto respiratorio

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Il laboratorio della UNC School of Medicine di Camille Ehre, Ph.D., Assistant Professor of Pediatrics, ha prodotto immagini sorprendenti in colture del tratto respiratorio della forma infettiva del virus SARS-CoV-2 prodotto da cellule epiteliali respiratorie infette.

Il New England Journal of Medicine ha presentato questo lavoro nella sua sezione “Images in Medicine”, pubblicata oggi.

Ehre, membro dell’UNC Marsico Lung Institute e dell’UNC Children Research Institute, ha catturato queste immagini per illustrare quanto intensa l’ infezione da SARS-CoV-2 delle vie aeree possa essere in immagini molto grafiche e facilmente comprensibili.

Il suo laboratorio ha condotto questa ricerca in collaborazione con i laboratori di Ralph Baric, Ph.D., William R. Kenan Distinguished Professor of Epidemiology presso l’UNC Gillings School of Public Health, che detiene un incarico congiunto di facoltà presso l’UNC Department of Microbiology e Immunology, e Richard Boucher, MD, James C. Moeser Eminent Distinguished Professor of Medicine e Direttore del Marsico Lung Institute presso l’UNC School of Medicine.

I ricercatori pubblicano immagini sorprendenti di cellule infette da SARS-CoV-2
Virioni SARS-CoV-2 (rosso). (Ehre Lab, UNC School of Medicine)

In un ambiente di laboratorio, i ricercatori hanno inoculato il virus SARS-Co-V-2 in cellule epiteliali bronchiali umane, che sono state poi esaminate 96 ore dopo utilizzando la microscopia elettronica a scansione.

Le immagini, ricolorate dallo studente di medicina dell’UNC Cameron Morrison, mostrano cellule ciliate infette con filamenti di muco (gialli) attaccati alle punte delle ciglia (blu).

Le ciglia sono le strutture simili ai capelli sulla superficie delle cellule epiteliali delle vie aeree che trasportano il muco (e i virus intrappolati) dal polmone.

Un’immagine con ingrandimento di potenza maggiore mostra la struttura e la densità dei virioni SARS-CoV-2 (rosso) prodotti dagli epiteli delle vie aeree umane.

I virioni sono la forma completa e infettiva del virus rilasciata sulle superfici respiratorie dalle cellule ospiti infette.

Queste immagini rappresentano un valido motivo per l’uso di maschere da parte di individui infetti e non infetti per limitare la trasmissione di SARS-CoV-2.

I ricercatori pubblicano immagini sorprendenti di cellule infette da SARS-CoV-2
Un’immagine con ingrandimento di potenza maggiore mostra la struttura e la densità dei virioni SARS-CoV-2 (rosso) prodotti dagli epiteli delle vie aeree umane. Crediti: Ehre Lab, UNC School of Medicine

Questa ricerca di imaging aiuta a illustrare il numero incredibilmente alto di virioni prodotti e rilasciati per cellula all’interno del sistema respiratorio umano. Il grande carico virale è una fonte di diffusione dell’infezione a più organi di un individuo infetto e probabilmente media l’alta frequenza di trasmissione di COVID-19 ad altri.


Patogenesi di SARS-CoV-2
I lipidi svolgono un ruolo importante in diverse fasi del ciclo di vita dei CoV. I CoV reclutano le membrane intracellulari delle cellule ospiti per produrre nuovi compartimenti, o vescicole a doppia membrana, che vengono utilizzate per la replicazione del genoma della particella virionica [55].

 Recentemente, è stato riportato che un importante enzima di elaborazione dei lipidi, noto come cPLA2 α, è correlato alla formazione di vescicole a doppia membrana e all’amplificazione di CoV [56]. 

È stato dimostrato che l’enzima fosfolipasi A2 gruppo IID è coinvolto nella regolazione dei mediatori lipidici anti-infiammatori o proresolubili che possono portare a esiti peggiori in un modello animale di infezione da SARS-CoV, modulando la risposta immunitaria [57].

È stato dimostrato che esiste un inserto distinto che include AA di base nel ciclo di innesco S1 / S2 di SARS-CoV-2, che non si trova in SARS-CoV o in alcun CoV associato a SARS. Può alterare sostanzialmente il percorso di ingresso di SARS-CoV-2 rispetto ad altri virus della linea β-CoVs B [58]. 

In un recente rapporto è stato dimostrato che l’ingresso della proteina S di SARS-CoV-2 nelle cellule del recettore 293 / umano ACE2 è mediato principalmente dall’endocitosi e che PIKfyve, un TPC2 e la catepsina L sono cruciali per l’ingresso del virus. PIKfyve è l’enzima chiave nell’endosoma precoce coinvolto nella sintesi di PI (3,5) P2 e del suo principale effettore a valle, TPC2. La proteina S di SARS-CoV-2 potrebbe anche stimolare la sincizia in 293 cellule ACE2 umane indipendentemente dalla proteasi esogena [59].

In uno studio su 452 pazienti infetti da SARS-CoV-2, è stato riscontrato che i casi gravemente colpiti avevano un numero inferiore di linfociti del sangue, percentuali di monociti, basofili ed eosinofili, nonché un aumento del numero di leucociti e del rapporto neutrofili-linfociti. Nella maggior parte dei pazienti con progressione sfavorevole di COVID-19, sono state osservate concentrazioni elevate di marker associati all’infezione e di citochine infiammatorie. 

La frequenza delle cellule T era significativamente inferiore e meno efficace nei soggetti gravemente colpiti. Sia i linfociti T helper (Th) che i linfociti T soppressori nei pazienti con COVID-19 erano al di sotto del range di riferimento. La percentuale di linfociti T helper ingenui era aumentata, mentre i linfociti T helper della memoria e i linfociti T regolatori si riducevano in condizioni gravi [60].

Inoltre, contemporaneamente all’infezione da SARS-CoV-2, I linfociti T CD4 + vengono rapidamente sovraattivati ​​per passare alle cellule Th1 patogene che producono GM-CSF. L’ambiente delle citochine attiva i monociti CD14 + CD16 + infiammatori, portando a una sovraespressione di IL-6 e migliora la risposta infiammatoria.

 Per quanto riguarda l’aumento delle infiltrazioni di cellule infiammatorie che sono state trovate nei polmoni di pazienti con infezione grave da SARS-CoV-2 [61,62], questa popolazione di cellule Th1 patogene anormali e inefficaci e di granulociti infiammatori può andare alla circolazione polmonare e tramite stimolazione immunitaria , portano a compromissione funzionale dei polmoni e alla fine alla morte [63].

Gli inflammasomi sono complessi di segnalazione poli-proteici intracellulari molto grandi che si costituiscono nel citosol come reazione immunitaria infiammatoria a stimoli di pericolo endogeno [64]. NLRP3 risponde ad ampi spettri di patogeni e segnali endogeni ed è coinvolto nella via molecolare di vari disturbi autoinfiammatori [65]. 

È stato segnalato che il SARS-CoV può indurre l’inflammasoma NLRP3 nei macrofagi attraverso ORF8b. Mentre SARS-CoV infetta macrofagi o monociti, può essere presente ORF8b sufficiente per avere un impatto sulla via autofagica-lisosomiale e sugli inflammasomi NLRP3. 

SARS-CoV si replica in modo efficiente nelle cellule epiteliali polmonari. Queste cellule amplificano anche NLRP3 e supportano l’assemblaggio degli inflammasomi NLRP3. Nei pazienti con SARS-CoV, è stato osservato il pieno effetto dell’ORF-8b su queste cascate infiammatorie nell’epitelio polmonare. È interessante notare che

L’infezione da SARS-CoV-2 stimola la risposta immunitaria in due fasi. Nelle fasi iniziali, è necessaria una particolare risposta immunitaria adattativa per eradicare il virus e impedire il progresso verso una condizione più grave. 

La risposta immunitaria protettiva in questa fase richiede che l’ospite abbia una salute generale eccellente e un contesto genetico adatto che fornisca un’immunità antivirale [67]. Sebbene, quando la protezione della risposta immunitaria è disabilitante, il virus si diffonderà e si verificheranno grandi danni ai tessuti interessati, in particolare negli organi con alti livelli di espressione del recettore ACE2.

 Le cellule danneggiate attivano un’infiammazione innata all’interno dei polmoni, mediata principalmente da macrofagi / monociti pro-infiammatori. L’infiammazione polmonare è la ragione principale della malattia respiratoria fatale allo stadio grave di COVID-19 [68].

Nelle infezioni virali, i microRNA antivirali dell’ospite partecipano alla regolazione della risposta immunitaria al virus e sono in grado di prendere di mira i geni virali e interferire con la replicazione, l’espressione dell’mRNA e la traduzione proteica del gene della particella virionica. Sardar et al. predisse i microRNA host antivirali specificamente per COVID-19. 

Hanno riportato un elenco di sei microRNA relativi a COVID-19 inclusi hsa-let-7a, hsa-miR101, hsa-miR126, hsa-miR23b, hsa-miR378 e hsa-miR98 che è stato precedentemente segnalato essere correlato ad altre infezioni virali , come l’HIV [69]

Presentazione clinica
Le particelle virioniche si diffondono dalla mucosa respiratoria, legandosi ai recettori ACE2 sulle cellule epiteliali bronchiali ciliate, e successivamente possono interagire con altre cellule [70]. In un rapporto di Wuhan, il periodo medio di incubazione di 425 pazienti infetti da SARS-CoV-2 era di 5,2 giorni, ma differiva tra gli individui [71,72].

 Fino ad ora, la maggior parte dei pazienti con COVID-19 ha presentato inizialmente manifestazioni lievi, in altre parole tosse secca, mal di gola e febbre che si risolvono spontaneamente. Tuttavia, alcuni pazienti hanno sviluppato altre malattie più gravi come insufficienza d’organo, shock settico, edema polmonare, dispnea, mialgia, affaticamento e sindrome da distress respiratorio acuto [73]. 

Contrariamente a SARS-CoV, i pazienti infetti da SARS-CoV-2, lo sviluppo di segni e manifestazioni del tratto respiratorio superiore sono meno comuni, suggerendo che SARS-CoV-2 possa colpire le cellule nelle vie aeree inferiori [74]. Tra i casi con dispnea grave, più del 50% ha richiesto cure intensive. Alcuni casi di COVID-19 non si presentano con febbre o anomalie radiologiche al momento del ricovero, il che rende difficile la diagnosi iniziale [75].

Le principali caratteristiche del COVID-19 all’esame TC preliminare, comprese le opacità del vetro smerigliato multi-lobare bilaterale con una distribuzione periferica / posteriore e un consolidamento irregolare, principalmente nei lobi inferiori e meno all’interno del lobo medio destro [76].

 Le principali anomalie riportate nei test di laboratorio nei casi di grave infezione da COVID-19 includono: aumento dei livelli degli enzimi epatici (LDH, ALT e AST), bilirubina totale, creatinina, troponina cardiaca, D-dimero, tempo di protrombina, procalcitonina e CRP [77] .

L’istologia di campioni di fegato di pazienti infetti da SARS-CoV ha rivelato un notevole danno epatico con un aumento delle cellule mitotiche, insieme a corpi eosinofili ed epatociti simili a palloncini [78]. Il coinvolgimento cardiaco è un’altra manifestazione importante di COVID-19 ed è strettamente correlato a un esito sfavorevole [79]. 

In una recente revisione sistematica, il tasso di incidenza della diarrea variava dal 2 al 50% nei pazienti COVID-19. Può svilupparsi prima o dopo i sintomi respiratori. I risultati di diversi studi hanno dimostrato che la diffusione dell’RNA virale viene rilevata per un periodo di tempo più lungo rispetto ai tamponi nasofaringei [50].

In un’indagine su 1099 pazienti COVID-19, di cui il 23,7% aveva una malattia grave con comorbidità di ipertensione, il 16,2% diabete mellito, il 5,8% malattie cardiache coronariche e il 2,3% malattie cerebrovascolari [80]. Un altro studio, su 140 pazienti con COVID-19, ha rilevato che il 30% e il 12% avevano una storia di ipertensione e diabete, rispettivamente [81]. 

L’analisi di 487 casi di COVID-19 ha mostrato che l’età avanzata (odds ratio [OR] = 1,06; 95% CI: 1,03-1,1), il sesso maschile (OR 3,7; 95% CI: 1,7-7,7) e l’ipertensione come comorbilità ( OR 2,7; IC 95%: 1,3-5,6) sono correlati con una malattia più grave al momento del ricovero [82]. Inoltre, i pazienti con cancro erano più vulnerabili a eventi gravi da COVID-19 come l’ammissione all’unità di terapia intensiva che necessitava di ventilazione invasiva, o la morte [83].

È stato riportato che la più alta carica virale nei tamponi faringei si verifica al momento dello sviluppo dei sintomi. Tuttavia, è stato riportato che la diffusione virale si è verificata prima della comparsa dei sintomi e una percentuale maggiore di trasmissibilità si è verificata prima dei primi sintomi nel caso indice [84]. Inoltre, i casi gravi di COVID-19 tendono ad avere una carica virale aumentata e un lungo tempo di diffusione del virus [85].

Sintesi

Genoma e struttura della sindrome respiratoria acuta grave del coronavirus 2

  • Tutti i coronavirus sono virus a RNA a filamento positivo con un genoma policistronico con 6-11 frame di lettura aperti, che codificano diverse proteine ​​non strutturali all’estremità 5 ‘più quattro proteine ​​strutturali (glicoproteina di superficie spike [S], busta [E], matrice [ M] e nucleocapside [N]) e più proteine ​​accessorie specifiche del lignaggio all’estremità 3′.
  • L’analisi filogenetica dimostra che la sindrome respiratoria acuta grave coronavirus 2 (SARS-CoV-2) condivide il 50 e l’80,0% di identità nucleotidica con la sindrome respiratoria mediorientale CoV e SARS-CoV, rispettivamente.
  • La proteina S di SARS-CoV-2 è più lunga rispetto ad altri virus come SARS-CoV e Bat-SARS-like CoVs.

Patogenesi SARS-CoV-2

  • Le particelle virioniche si diffondono dalla mucosa respiratoria, legandosi ai recettori ACE2 sulle cellule epiteliali bronchiali ciliate, e successivamente possono interagire con altre cellule.
  • La S-glicoproteina media il legame del virus ai recettori di superficie delle cellule umane sensibili, seguita dalla fusione del virus e delle membrane delle cellule ospiti per favorire l’ingresso virale.
  • L’infezione da SARS-CoV-2 stimola la risposta immunitaria attraverso due fasi. Nelle fasi di incubazione e non allarmante, è necessaria una particolare risposta immunitaria adattativa per sradicare il virus e impedire il progresso verso condizioni gravi.
  • Le cellule danneggiate attivano un’infiammazione innata all’interno dei polmoni, mediata principalmente da macrofagi / monociti pro-infiammatori. L’infiammazione polmonare è la ragione principale della malattia respiratoria fatale nella fase grave dell’infezione da malattia da coronavirus 2019 (COVID-19).
  • Le principali caratteristiche del COVID-19 all’esame preliminare di tomografia computerizzata (TC) comprese le opacità di vetro smerigliato multi-lobare bilaterale con una distribuzione periferica / posteriore e consolidamento a chiazze.

Diagnosi e trattamento di COVID-19

  • Attualmente, la diagnosi di COVID-19 si basa in gran parte su test di laboratorio PCR e tecniche di imaging TC del torace. Tuttavia, al momento non è consigliato alcun trattamento antivirale specifico per COVID-19 a causa della mancanza di prove.
  • Diversi agenti farmacoterapeutici sono stati utilizzati per il trattamento di pazienti COVID-19 costituiti da lopinavir / ritonavir, idrossiclorochina e IFN β-1A.
  • Sono urgentemente necessari vaccini efficaci per la SARS-CoV-2 per ridurre la gravità dell’infezione, la diffusione virale e la trasmissione uomo-uomo. I candidati più avanzati sono recentemente passati allo sviluppo clinico, inclusi mRNA-1273, Ad5-nCoV, INO-4800 e LV-SMENP-DC e patogeni specifici.

link di riferimento: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7451412/


Maggiori informazioni:  Camille Ehre. Infezione da SARS-CoV-2 delle cellule delle vie aeree,  New England Journal of Medicine  (2020). DOI: 10.1056 / NEJMicm2023328

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