Quando un coronavirus – incluso SARS-CoV-2, che causa COVID-19 – infetta qualcuno, dirotta le cellule della persona, cooptando il loro macchinario molecolare per la propria sopravvivenza e diffusione. I ricercatori del Gladstone Institutes e del Chan Zuckerberg Biohub, in collaborazione con gli scienziati della UC San Francisco (UCSF) e della Synthego Corporation, hanno identificato processi molecolari critici nelle cellule umane che i coronavirus utilizzano per sopravvivere.
Riferiscono , in uno studio pubblicato sulla rivista Cell, che prendere di mira questi processi con farmaci potrebbe trattare non solo le infezioni da COVID-19, ma anche altri coronavirus esistenti e futuri.
“La particolarità del nostro studio è che non abbiamo esaminato solo SARS-CoV-2, ma altri coronavirus allo stesso tempo”, afferma uno dei leader dello studio, Melanie Ott, MD, Ph.D., direttore del Gladstone Institute of Virology.
“Questo ci dà una buona idea dei bersagli farmacologici che potrebbero sopprimere ampiamente molti coronavirus”.
Una grande famiglia di virus, i coronavirus includono virus del raffreddore comuni e virus più gravi. Il virus SARS-CoV che ha causato un’epidemia mortale di SARS nel 2002 era un coronavirus, così come il virus MERS, che ha causato epidemie in Medio Oriente.
“Ora ci sono stati più focolai di coronavirus, quindi è chiaro che questa famiglia di virus ha un alto potenziale pandemico”, afferma Andreas Puschnik, Ph.D., un ricercatore principale presso Chan Zuckerberg Biohub e l’altro leader dello studio.
“COVID-19 non è l’ultima infezione da coronavirus con cui avremo a che fare.”
Coronavirus a confronto e contrasto
Come tutti i virus, i coronavirus possono crescere solo all’interno delle cellule ospiti; si basano sulle molecole della cellula ospite per moltiplicarsi. Per questo motivo, il team di ricercatori vuole prendere di mira le molecole umane che i virus usano per sopravvivere, piuttosto che i componenti dei virus stessi.
Nel nuovo studio, hanno infettato cellule umane con SARS-CoV-2 o altri due coronavirus che causano raffreddori comuni e tutti e tre i virus hanno ucciso le cellule. Successivamente, il team di ricercatori ha mutato le cellule utilizzando la tecnologia di modifica genetica CRISPR-Cas9 e ha studiato quali mutazioni rendevano le cellule meno vulnerabili ai coronavirus.
“Abbiamo pensato che le poche cellule in grado di sopravvivere a queste infezioni presumibilmente presentavano mutazioni nelle molecole ospiti che i virus usano per infettarle o moltiplicarsi”, spiega Puschnik.
Alcuni risultati non sono stati sorprendenti. Ad esempio, è noto che il recettore ACE2 umano è richiesto da SARS-CoV-2 per entrare nelle cellule umane. Quindi, le cellule con una mutazione nel gene ACE2 non sono state più infettate o uccise da SARS-CoV2.
Ma altri risultati erano meno previsti. I ricercatori hanno scoperto che alcune mutazioni genetiche hanno impedito a tutti e tre i coronavirus di infettare e uccidere con successo le cellule.
Si trattava di mutazioni in geni noti per controllare l’equilibrio di due tipi di molecole lipidiche nelle cellule umane, vale a dire colesterolo e fosfatidilinositolo fosfato (PIP).
Il colesterolo è necessario per alcuni virus per entrare nelle cellule , ma non era stato studiato nel contesto dei coronavirus quando questo studio è iniziato. Allo stesso modo, il PIP è noto per svolgere un ruolo nella formazione delle piccole vescicole che i virus spesso usano per viaggiare dentro e intorno alle cellule, ma prima non era stato direttamente collegato a SARS-CoV-2.
Un percorso verso la terapia
Per verificare l’importanza del colesterolo e dei geni PIP per l’infezione da coronavirus, i ricercatori hanno ingegnerizzato cellule umane prive di questi geni completamente e le hanno infettate con il virus. Le cellule prive dei geni sono state protette dall’infezione da tutti e tre i coronavirus.
Allo stesso modo, quando il team ha utilizzato composti esistenti per interrompere l’equilibrio di PIP o colesterolo, le cellule erano meno suscettibili alle infezioni da uno qualsiasi dei virus.
Questi risultati suggeriscono che il targeting del colesterolo o del PIP potrebbe essere una strategia promettente per combattere più coronavirus.
“Per i virus, la visione tradizionale era che progettiamo farmaci contro bersagli virali unici e ciò significa che ci vuole tempo per sviluppare un farmaco ogni volta che c’è un nuovo virus”, dice Ott, che è anche professore presso il Dipartimento di Medicina presso UCSF. “Se potessimo sviluppare alcuni farmaci antivirali più ampi che prendono di mira le molecole delle cellule ospiti, ciò farebbe molto per prepararci meglio per i futuri virus pandemici”.
Tuttavia, non tutti i risultati erano gli stessi tra i tre virus studiati. Alcune molecole umane necessarie per l’infezione da SARS-CoV-2 non erano necessarie per i due comuni coronavirus del raffreddore e viceversa. Questi risultati potrebbero aiutare a spiegare cosa rende SARS-CoV-2 più mortale degli altri due virus.
È necessario ulteriore lavoro per testare l’efficacia dei farmaci che prendono di mira PIP e colesterolo e se possono fermare efficacemente la crescita virale senza causare pericolosi effetti collaterali.
Il team vorrebbe anche ripetere le schermate utilizzando altri coronavirus, inclusi i primi virus SARS-CoV e MERS, per determinare quanto siano universali i nuovi bersagli individuati.
Ott e Puschnik concordano sul fatto che l’attuale studio è stato reso possibile dai ricercatori di molti laboratori che si sono riuniti senza esitazione.
Puschnik ha esperienza nello studio dei fattori dell’ospite virale, ma non ha avuto accesso a un laboratorio di livello di biosicurezza 3 (BSL-3) necessario per lavorare con SARS-CoV-2.
Ott stava guidando lo sforzo di Gladstone di aprire un laboratorio del genere all’inizio di quest’anno e si è offerto di collaborare. Gli scienziati di Synthego hanno fornito le cellule ingegnerizzate necessarie per studiare i virus e Nevan Krogan, Ph.D., ricercatore senior di Gladstone, ha aiutato ad analizzare i risultati dello screening CRISPR-Cas9.
“Tutti erano completamente disposti a rimboccarsi le maniche, mettere in comune le risorse e lavorare insieme per contribuire a una migliore comprensione di COVID-19”, afferma Puschnik.
Il documento “Gli schermi genetici identificano i fattori dell’ospite per SARS-CoV-2 e coronavirus comuni del raffreddore”, è stato pubblicato online dalla rivista Cell l’8 dicembre 2020.
I virus avvolti come il Coronavirus acquisiscono il loro involucro dalla membrana della cellula ospite che è un doppio strato di fosfolipidi intervallato da molecole di colesterolo e proteine. I virus entrano nella loro cellula ospite entrando in contatto con i loro recettori specifici. Questi specifici recettori subiscono quindi cambiamenti conformazionali e inducono la fusione dell’involucro virale con la membrana della cellula ospite che porta all’endocitosi mediata dal recettore del virus.
Per i Coronavirus, i loro recettori specifici sono la molecola di adesione cellulare dell’antigene carcinoembrionario-1 (CEACAM-1) .1 Studi recenti hanno dimostrato che i recettori per il COVID-19 possono essere l’enzima di conversione dell’angiotensina (ACE) sulle cellule respiratorie.
Esperimenti hanno dimostrato che quando le membrane cellulari sono impoverite di colesterolo in vitro dalla metil beta-ciclodestrina (MβCD), questi Coronavirus non sono in grado di entrare nella membrana della cellula ospite mediante il processo di endocitosi mediata dal recettore.1,2 È un fatto ben noto che i colesteroli sono vitali per la stabilità e l’integrità della struttura della membrana fosfolipidica a doppio strato delle cellule eucariotiche e può essere altrettanto vitale per la stabilizzazione dell’involucro Corona.
L’endocitosi mediata dal recettore dei virus avvolti richiede una fusione dell’involucro (che è anche un doppio strato di fosfolipide) con la membrana della cellula ospite e gli studi hanno dimostrato che questo processo si verifica nelle aree delle zattere lipidiche.1-3
Ci sono più aree nella membrana cellulare eucariotica con un’altissima concentrazione di colesteroli e sfingolipidi. Questi microdomini sono noti come zattere lipidiche (perché galleggiano come zattere sulla superficie dell’acqua). Esistono prove evidenti che i virus animali avvolti selezionano le zattere lipidiche per il loro assemblaggio e germogliamento
Ciò che fa la statina è che inibisce la via del Mevalonato che produce il colesterolo insieme a molte altre sostanze molto importanti nel corpo. Il meccanismo della via del Mevalonato esiste in quasi tutte le cellule del nostro corpo perché il colesterolo è vitale per la stabilità e l’integrità della membrana cellulare e degli organelli intracellulari.
Le membrane cellulari e gli organelli intracellulari derivano il loro colesterolo dalla fonte endogena attraverso la via del Mevalonato o dalla fonte esogena.5 La fonte esogena è o il colesterolo sintetizzato dalle cellule epatiche e rilasciato nel flusso sanguigno o il colesterolo che proviene dagli alimenti che noi ingerire.
Poiché il colesterolo esogeno è insolubile nell’acqua del plasma sanguigno, deve essere trasportato in combinazione con proteine solubili in acqua, quindi le lipoproteine a bassa densità (LDL) trasportano questo colesterolo vitale a tutte le membrane cellulari del nostro corpo.
La statina inibisce la 3-idrossi-3-metil-glutaril-CoA reduttasi (HMG Co-A reduttasi), un enzima chiave nella via del mevalonato con conseguente produzione molto bassa o nulla di colesterolo endogeno da parte delle cellule umane. L’omeostasi del colesterolo dentro e fuori una cellula è strettamente regolata da una complessa rete di organelli intracellulari, proteine ed enzimi che coinvolgono la sintesi, l’importazione, l’esportazione, l’esterificazione e il metabolismo del colesterolo.
Nella membrana del reticolo endoplasmatico (ER), le proteine leganti gli elementi regolatori degli steroli (SRE-BP), funzionano come regolatori critici dei geni coinvolti nell’assorbimento del colesterolo e nella biosintesi, come i recettori LDL (LDL-R). Il livello di colesterolo in ER agisce come un sensore del colesterolo intracellulare.
Le statine, spesso prescritte per tutta la vita, creano una carenza cronica di colesterolo endogeno. La diminuzione del colesterolo ER induce la traslocazione di SRE-BP dall’ER al Golgi e quindi al nucleo per l’attivazione trascrizionale dei geni bersaglio, compresi quelli coinvolti nell’assorbimento del colesterolo e nella biosintesi6, con conseguente sovraregolazione delle LDL-R nella cellula membrana.
Questa costante sovraregolazione di LDL-R nella membrana cellulare può portare a più colesterolo che viene incorporato nella membrana cellulare attraverso LDL-C dal plasma, creando un maggior numero di zattere lipidiche adatte per l’ingresso di virus avvolti dall’endocitosi mediata dal recettore.
Esperimenti hanno dimostrato che l’aumento della concentrazione di colesterolo nella membrana cellulare migliora la fusione del Coronavirus con la membrana cellulare, portando a una maggiore infezione e all’esaurimento del colesterolo dalla membrana cellulare, diminuisce l’ingresso di questi virus nelle loro cellule ospiti.1
È un paradosso che le statine aumentino il colesterolo nelle membrane cellulari che possono aumentare l’infezione da Coronavirus.
Anche le zattere lipidiche sembrano essere coinvolte nell’assorbimento del parassita della malaria Plasmodium falciparum da parte degli eritrociti, un tipo di cellula che è normalmente incapace di endocitosi o fagocitosi.7 Può esserci un meccanismo comune con cui il farmaco antimalarico, la clorochina, che è stato proposto per l’infezione da COVID-19 funziona.
Recenti dati epidemiologici mostrano che i pazienti ipertesi, diabetici, malattia coronarica e malattie cerebrovascolari sono quelli che stanno sviluppando la malattia COVID-19 fulminante8 e questi sono i pazienti a cui vengono prescritte più frequentemente statine per la prevenzione primaria o secondaria delle malattie cardiovascolari.
Secondo un articolo pubblicato sul British Medical Journal nel 2004 Francia, Germania, Italia, Spagna e Regno Unito del continente europeo sono i paesi con il più alto tasso di assunzione di statine.9 Gli Stati Uniti sono un altro paese in cui le statine sono ampiamente prescritte.
Queste sono le parti del globo con il maggior numero di infezioni da Corona. Considerando che uno studio pubblicato nel 2016 su BMJ Open Diabetes Research and Care10 ha analizzato i dati di prescrizione in India e ha rilevato che solo il 50% dei pazienti con diabete sono stati prescritti con statine molto più basse rispetto ai paesi occidentali.
Ciò potrebbe in parte spiegare la frequenza relativamente più bassa di infezione Corona nel subcontinente indiano.
Vorrei quindi concludere avanzando la mia ipotesi che le statine creano una carenza costante del contenuto di colesterolo endogeno delle cellule che porta a una costante sovraregolazione delle LDL-R, portando a sua volta a un’eccessiva incorporazione di colesterolo esogeno nelle cellule e nella loro membrana cellulare.
Questo processo porta a più zattere lipidiche sulla membrana cellulare e migliora l’accessibilità per i Coronavirus.
Questo dovrà essere testato nei laboratori di virologia cercando se esiste una differenza significativa nell’infettività del Coronavirus delle cellule dei pazienti che assumono statine e delle cellule di individui che non assumono una statina.
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Ulteriori informazioni: Cell (2020). DOI: 10.1016 / j.cell.2020.12.004 , www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31626-3
