COVID-19: fattori di ingresso virali specifici sono più abbondanti negli anziani e nei fumatori

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Questi risultati offrono una spiegazione molecolare per le differenze riportate nella gravità della malattia per COVID-19

Un nuovo studio su larga scala scopre quali tipi di cellule nel corpo umano possono essere infettati da SARS-CoV-2 a causa dei loro fattori di ingresso virale. La ricerca suggerisce anche che l’aumento dell’espressione genica di questi fattori di ingresso virale in alcuni individui spiega parzialmente le differenze di gravità del COVID-19 riportate in relazione all’età, al sesso e allo stato di fumo.

Segnalato su  Nature Medicine  il 2 marzo 2021,  lo studio è stato condotto dai ricercatori dell’Helmholtz Zentrum München, del Broad Institute of MIT e di Harvard, del Wellcome Sanger Institute e del University Medical Center di Groningen e dai loro collaboratori della Human Cell Atlas Lung Biological Network.

Questo fa parte dello sforzo dell’Atlante delle cellule umane * per mappare ogni tipo di cellula nel corpo umano, trasformando la nostra comprensione della biologia e della malattia.

COVID-19 non influisce su tutti allo stesso modo. Mentre il coronavirus, SARS-CoV-2, si manifesta principalmente nel polmone, può infettare anche altri organi. Le osservazioni cliniche durante la pandemia suggeriscono anche che alcuni gruppi di popolazione – come gli anziani, gli uomini e i fumatori – tendono ad essere più gravemente colpiti dalla malattia. Finora, le ragioni molecolari di ciò non sono state descritte.

Studi precedenti avevano dimostrato che per infettare cellule umane, SARS-CoV-2 necessita che la cellula contenga specifici fattori genetici di ingresso virale: un recettore ACE2 e una proteasi TMPRSS2 o CTSL. In questo studio, i ricercatori della Human Cell Atlas Lung Biological Network hanno unito le forze per contribuire e analizzare i dati sull’espressione genica delle singole cellule.

Insieme, hanno analizzato più di 100 set di dati sull’espressione genica di singole cellule di persone sane, per vedere quali tipi di cellule esprimono sia ACE2 che una proteasi.

L’analisi ha mostrato che specifici tipi di cellule nell’epitelio del polmone e delle vie aeree, e anche nel fegato, nel colon e nell’occhio avevano un’elevata espressione del recettore ACE2 e dei geni della proteasi TMPRSS2. Ciò significa che potrebbero essere potenzialmente infettati da SARS-CoV-2.

I ricercatori hanno scoperto che questi particolari tipi di cellule degli anziani avevano una maggiore espressione di questi fattori di ingresso e che le cellule degli uomini avevano un’espressione leggermente maggiore rispetto alle donne. Inoltre, queste cellule dei fumatori, in particolare le cellule delle vie aeree, esprimono più fattori di ingresso SARS-CoV-2 rispetto ai non fumatori. 

Questi risultati corrispondono alle differenze riportate nella gravità della malattia per i pazienti COVID-19 con età, sesso e fumo e offrono una spiegazione molecolare per questa differenza.

“Combattendo la pandemia, non possiamo fare affidamento su conclusioni che si limitano a poche osservazioni. Dobbiamo invece fare affidamento su una solida analisi dei big data. Ad esempio, per valutare se il recettore ACE2 richiesto per l’ingresso del virus è più abbondante nelle cellule della popolazione anziana, abbiamo bisogno di una forte rappresentazione di molti individui diversi nel nostro set di dati. Utilizzando i dati dell’atlante delle cellule umane, abbiamo potuto modellare il modo in cui i fattori genetici di ingresso virale nelle cellule sono espressi nella popolazione “.
Dr Malte Lücken, biologo computazionale presso Helmholtz Zentrum München e co-primo autore dello studio
“Un aspetto chiave di questo studio su larga scala era la fascia di età dei campioni che siamo stati in grado di analizzare. Questo studio includeva dati provenienti da stadi di sviluppo umano, campioni di bambini e giovani adulti, nonché campioni di persone anziane. Questo ci ha dato un potere unico per valutare i cambiamenti che si verificano nel corso della vita umana. La vastità dei dati ci ha permesso di vedere differenze molecolari con età, sesso e abitudine al fumo. “
Dr Kerstin Meyer, autrice dell’articolo del Wellcome Sanger Institute

Lo studio ha esaminato quali cellule hanno maggiori probabilità di essere infettate da SARS-CoV-2. La connessione tra alti livelli di espressione dei fattori di ingresso virale e maggiore facilità di infezione o gravità della malattia è stata dimostrata nei topi e in laboratorio, ma è necessaria un’ulteriore convalida per dimostrare questa connessione negli esseri umani. Altri possibili fattori come la forza del sistema immunitario non sono stati inclusi in questo studio.

“Questo studio è stato l’epitome di un intero campo che si è riunito. All’interno del consorzio Human Cell Atlas, tutti coloro che hanno generato dati sul polmone umano sano hanno contribuito con i propri dati, sia pubblicati che non pubblicati, per consentire la nostra analisi. Quando poi siamo andati oltre il consorzio, anche altri laboratori hanno contribuito con i dati allo sforzo. Solo attraverso questi contributi è stata resa possibile la nostra analisi “.

Il professor Fabian Theis, direttore dell’Istituto di biologia computazionale dell’Helmholtz Zentrum München e membro della facoltà associata del Wellcome Sanger Institute, che ha coordinato lo studio

Il profilo molecolare delle cellule spiega in parte come la gravità della malattia potrebbe differire tra i gruppi di popolazione e fornisce un obiettivo per ulteriori ricerche. Andando avanti, i risultati potrebbero anche aiutare a comprendere meglio la diffusione del coronavirus in tutto il corpo.


COVID-19 e fumo / svapo

Sebbene non ci siano prove dirette che suggeriscano la maggiore suscettibilità dei fumatori / vapers all’infezione da COVID-19, vari studi indiretti dimostrano che questa popolazione ha un rischio maggiore di mostrare sintomi gravi e necessita di ventilazione meccanica rispetto ai non fumatori.

Analizzando i fattori associati agli esiti di malattie gravi nei pazienti ricoverati in tre ospedali terziari nel distretto di Wuhan, Liu et al (2020), hanno mostrato che i pazienti con una storia di fumo erano significativamente più alti nel gruppo di progressione (con sintomi gravi) rispetto al miglioramento. (pazienti che mostrano recupero) gruppo (27,3% vs 3%) [4]. Ancora una volta, a Wuhan, l’epicentro della malattia in Cina, i tassi di mortalità tra i maschi (2,8%) sono stati segnalati essere più alti delle femmine (1,7%).

Tendenze simili sono state segnalate in altre regioni duramente colpite come l’Italia e la Spagna, dove su diversi casi di infezione da COVID-19, il 58% erano uomini. Inoltre, gli uomini sono più inclini a soccombere alla malattia con decessi (72%) [7].

Si ipotizza che uno dei motivi principali di ciò sia un tasso più elevato di fumo tra gli uomini (52,1%) rispetto alle donne (2,7%) [8, 9]. Inoltre, i fumatori sono più inclini a contrarre infezioni respiratorie con tassi più elevati di influenza, tubercolosi e polmonite rispetto ai non fumatori [9]; che supporta la logica di considerare questo gruppo di popolazione ad alto rischio.

Ruolo delle cellule epiteliali e risposta infiammatoria: ACE2 e TMPSSR2
Lo studio della patogenesi di COVID-19 indica i pericoli di contrarre una malattia e le eventuali complicazioni tra i fumatori / vapers a causa della clearance ritardata del virus.

SARS-CoV2 appartiene alla famiglia del Coronavirus che prende il nome dall’aspetto simile a una corona sull’imaging. Questa caratteristica è attribuita a una proteina spike (S) della superficie cellulare glicosilata con due domini funzionali-S1 e S2. È stato dimostrato che ACE2 è il sito di ingresso nella cellula ospite del virus SARS-CoV2. Il dominio S2 dell’involucro a spillo virale ha un’elevata affinità per il recettore ACE2 sull’epitelio polmonare.

È interessante notare che l’espressione di ACE2 è risultata elevata tra i fumatori (possibilmente compresi i vaporizzatori di sigarette elettroniche) e gli individui in trattamento con ACE-bloccanti (pazienti con ipertensione e diabete), rendendoli così suscettibili alla malattia [9]. Inoltre, ci sono più ACE2 circolanti negli uomini che forniscono prove di variazioni di genere nella gravità della malattia [10]. L’ACE2 può essere altamente espresso nelle cellule germinali, cioè più negli uomini rispetto alle donne.

È probabile che l’ACE2 sia correlato ai recettori nicotinici dell’acetilcolina (nAChR), in particolare al recettore alfa7nAChR, a ulteriore supporto del fatto che lo stato di fumo / svapo (nicotina) potrebbe essere cruciale nella fisiopatologia del COVID-19 [11]. I recettori ACE2 (regolati in modo evolutivo) sono abbondanti sull’epitelio polmonare, in particolare i pneumociti di tipo II, calice, cellule epiteliali nasali / ciliate e della mucosa orale [12,13,14].

Uno studio recente ha suggerito un ruolo della risposta stimolata dall’interferone dell’ingresso di SARS-CoV-2 tramite la proteasi ACE2 e TMPSSR2 [15]. Gli studi suggeriscono che l’espressione di ACE2 è sovraregolata negli epiteli delle piccole vie aeree di fumatori e pazienti con patologie associate al fumo come BPCO e IPF [15, 16]. Sebbene non testato, lo svapo (nicotina) può avere effetti simili, rendendo così questo gruppo più incline a essere colpito dalla malattia.

Mentre ACE2 è importante per l’ingresso dell’ospite, le proteasi cellulari dell’ospite funzionano per attivare la particella virale facilitando così l’inghiottimento virale. A questo proposito, la proteasi TMPRSS2 è importante in quanto ACE2 impiega la serina proteasi cellulare TMPRSS2 per il priming della proteina S e l’ingresso nella cellula ospite [17].

Gli studi dimostrano che la proteasi associata all’ingresso SARS-CoV-2, TMPRSS2, è altamente espressa nelle cellule nasali ciliate e caliciformi. Le analisi di sequenziamento dell’RNA a cellula singola di più tessuti hanno dimostrato che solo un piccolo sottoinsieme di cellule ACE2 + esprime TMPRSS2, suggerendo così che altre proteasi potrebbero svolgere un ruolo simile.

A questo proposito, anche la Cathepsin B / L ha dimostrato di essere importante [14]. È interessante notare che i dati in vivo e clinici mostrano che il fumo di sigaretta provoca una maggiore espressione di Catepsina B, il che aumenta la possibilità di una maggiore suscettibilità all’infezione da COVID-19 tra i fumatori [16].

Un’altra proteasi cellulare, la furina, scinde il sito S1 / S2 della proteina spike di SARS-CoV-2 che è essenziale per la trasmissione cellula-cellula del virus [18]. Il fumo può diminuire l’efficacia degli inibitori della serina proteasi (serpine) che controllano l’attività della “furina” [19, 20]. Inoltre, l’evidenza suggerisce che la carenza di serpina si attribuisce a una maggiore suscettibilità virale (influenza A) nei topi C57BL / 6 [21]. Presi insieme, questi risultati indicano una maggiore possibilità di contrazione del COVID-19 tra i fumatori / vapers.

Il fumo e lo svapo influenzano anche la stretta giunzione barriera che porta ad una maggiore permeabilità epiteliale (perdita polmonare). Infatti, le modifiche strutturali dovute al fumo di sigaretta compreso; aumento della permeabilità della mucosa, ridotta clearance muco-ciliare, infiammazione peribronchiolare e fibrosi (rimodellamento delle vie aeree); potrebbe rappresentare poca o nessuna resistenza all’ingresso virale tra i fumatori, come mostrato in Fig. 1 [22].

Figura 1
Fattori responsabili di una maggiore suscettibilità dei fumatori / vapers contro COVID-19. In individui normali, l’epitelio muco-ciliare e gli strati mucosi fungono da prima linea di difesa contro l’agente patogeno estraneo (in questo caso SARS-CoV2). Al fumo, questo strato viene danneggiato e così anche il flusso del liquido peri-ciliare (mucoso; indicato dalle frecce) che li rende più inclini alle infezioni. È stato anche dimostrato che i fumatori hanno una maggiore espressione superficiale dei recettori ACE2 (siti di legame per SARS-CoV2) che consente l’ingresso di agenti patogeni nella cellula ospite e protegge il virus dalla sorveglianza dell’ospite. In individui normali, l’infezione virale può essere verificato dal, ( un ) rilascio di citochine da pneumociti di tipo II, calice, nasale epiteliale / ciliate e cellule della mucosa orale e ( b) infiltrazione di cellule immunitarie (macrofagi, neutrofili e linfociti) nel sito di infezione, per contenere un’ulteriore diffusione. Il fumo indebolisce il sistema immunitario consentendo un facile ingresso nella cellula ospite, una rapida moltiplicazione del virus seguita da una risposta iperinfiammatoria innescata da una “ tempesta di citochine ” nel corpo ospite che alla fine porta al tessuto polmonare danneggiato

Fumare / svapare provoca stress ossidativo e risposte infiammatorie nei polmoni che rendono i fumatori / svapatori più suscettibili alle infezioni batteriche / virali [23,24,25]. Lo stress ossidativo ha effetti negativi sulla permeabilità epiteliale e sull’espressione di ACE2, che possono avere gravi implicazioni nei fumatori / vapers [26, 27]. ACE2 esiste in più isoforme con predominanza di 90 kDa nei polmoni e 120 kDa nei reni [26].

Può essere modificato post-traduzionalmente da ossidanti / carbonili. Quindi la generazione di ROS dovuta al fumo o allo svapo potrebbe influenzare negativamente l’asse ACE2 / Angiotensina (1-7) / Mas [28]. Allo stesso modo, lo stress ossidativo dovuto al fumo di sigaretta o agli aerosol di sigarette elettroniche provoca una disfunzione della barriera epiteliale che aumenta la permeabilità della membrana e la suscettibilità alle infezioni virali / batteriche [28,29,30] (Fig. 1).

I geni correlati al Covid-19, come ACE2 e TMPRSS2, sono colpiti nei pazienti con asma e sono collegati ai corticosteroidi inalatori [31]. Ciò suggerisce che la resistenza agli steroidi osservata dal fumo in pazienti con BPCO può avere ramificazioni nella suscettibilità a COVID-19 tramite ACE2 e TMPRSS2.

La complicanza più comune dovuta all’infezione da SARS-CoV2, la sindrome da distress respiratorio acuto (ARDS), è il risultato della “tempesta di citochine” causata dal rilascio incontrollato di citochine / chemochine proinfiammatorie da parte delle cellule immunitarie effettrici [32]. Questi mediatori pro-infiammatori includono IP-10, MCP-3, HGF, MIG, MIP-1α, IL-6, TNF-α, IFN-γ, IL-2, IL-7 e GM-CSF.

Infatti, durante lo studio della risposta trascrizionale all’infezione utilizzando il modello in vitro, Blanco-Melo et al. hanno scoperto che l’infezione da SARS-CoV-2 in cellule epiteliali bronchiali umane normali determina una riduzione delle risposte mediate da IFN insieme a una maggiore produzione di citochine / chemochine che consente una replicazione virale sostenuta [33].

Di interesse, l’espressione di IL-6, TNF-α e altre citochine pro-infiammatorie è sovraregolata in condizioni di fumo cronico, così come i bassi livelli di espressione di perforina e granzima B, le due principali proteine ​​effettrici di natural killer (NK) e Cellule T CD8 [34].

Inoltre, l’autopsia polmonare di pazienti COVID-19 ha dimostrato infiltrazione di neutrofili nei capillari polmonari con deposizione di fibrina e stravaso di neutrofili nello spazio alveolare [35]. Queste osservazioni indicano la formazione di trappole extracellulari neutrofili (NET) che possono contribuire al danno d’organo, al rimodellamento polmonare e alla mortalità nei pazienti COVID-19.

L’evidenza suggerisce che il fumo influisce sul traffico di neutrofili, sulla formazione di NET, sulle risposte immunitarie umorali e cellulo-mediate, come mostrato in Fig. 1. Ciò potrebbe portare alla suscettibilità verso lo sviluppo di ARDS aumentando ulteriormente la patogenesi della malattia [35].

A questo proposito, è importante menzionare la suscettibilità dei vecchi fumatori / vapers con comorbidità come la BPCO o l’IPF. È noto che i pazienti più anziani hanno maggiori probabilità di sviluppare polmonite e insufficienza respiratoria a causa dell’infezione da SARS-CoV-2, il che suggerisce che la senescenza cellulare potrebbe svolgere un ruolo importante nella patogenesi della malattia per COVID-19 [35].

È stato dimostrato che un’espressione ridotta di proteine ​​regolatrici come TRIB3 (regolatore negativo della segnalazione NF-kappaB) e SIRT1 (anti-invecchiamento e antinfiammatorio) tra gli individui anziani / anziani, rendendoli più inclini alle infezioni [36, 37] . È interessante notare che il nostro gruppo ha dimostrato che l’espressione di SIRT1 è ridotta nei polmoni dei fumatori e dei pazienti con BPCO [37].

Ciò evidenzia il possibile coinvolgimento della SIRT1 e delle vie associate alla senescenza nella modulazione della patogenesi della SARS-CoV-2 negli esseri umani, mettendo così i fumatori / vapers a un rischio maggiore di contrarre un’infezione. Inoltre, il gene omologo 3 (TRIB3) diminuisce durante l’invecchiamento nel maschio e la sua proteina interagisce con la proteina nucleocapside e la polimerasi RNA dipendente del virus [36].

Lo stesso potrebbe essere il caso dei vapers che usano le sigarette elettroniche. Considerando il rapido aumento dei casi di patologie polmonari indotte da vaping, CDC ha coniato il termine “ e-sigaretta o prodotto da svapo associato a danno polmonare (EVALI) ” per caratterizzare condizioni come danno polmonare acuto, polmonite fibrinosa acuta, danno alveolare diffuso o polmonite accompagnato da bronchiolite. Tali insulti aumentano il possibile rischio tra i vapers.

Al contrario, i costituenti dell’e-liquid interagiscono con i tensioattivi polmonari, cioè la dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC), che potrebbe portare all’induzione di risposte immunitarie innate negli utenti di ENDS. La disregolazione lipidica nelle vie aeree degli utenti di ENDS potrebbe renderli più inclini all’infezione da COVID-19 [38]. Inoltre, è possibile che EVALI e COVID-19 abbiano somiglianze poiché entrambi sviluppano polmonite interstiziale che porta all’ARDS [38].

Infatti sia EVALI che COVID-19 sono caratterizzati da ridotta saturazione arteriosa di ossigeno e polmonite bilaterale, rendendo così difficile l’individuazione delle due condizioni [39, 40] Inoltre, considerando che molte persone con infezione da COVID-19 non mostrano alcun sintomo della malattia, è probabile che i vapers con EVALI siano i portatori asintomatici di COVID-19 [41].

Inoltre, è necessaria la ricerca per testare l’ipotesi che COVID-19 e lo svapo siano associati a EVALI gravi. Analogamente a EVALI, i pazienti con COVID-19 hanno mostrato livelli elevati di diverse citochine (CCL2 / MCP-1, CXCL10 / IP-10, CCL3 / MIP-1A e CCL4 / MIP1B) nel BALF e nelle cellule mononucleate del sangue periferico [42].

È anche possibile che esosomi / vescicole extracellulari rilasciate dalle cellule epiteliali polmonari possano intrappolare SARS-CoV2 e i loro rispettivi miRNA / RNA, che innescherebbero una tempesta di citochine ad altre cellule vicine in risposta al fumo [43]. Le cellule ACE2 positive possono svolgere un ruolo nell’ingresso virale [44]. Gli esosomi possono essere pro-infiammatori o possono essere sfruttati farmacologicamente nelle malattie polmonari [45, 46].

Tabella 1 Opzioni terapeutiche per COVID-19 rispetto alle tempeste di citochine polmonari da COVID-19

Da:  suscettibilità SARS-CoV-2 COVID-19 e tempesta infiammatoria polmonare fumando e svapando

Opzioni di trattamento / profilassiFondamento logicoProfessionistiControRiferimento
Target del sistema immunitario dell’ospite
(bloccanti IL6: Actemra, Tocilizumab.
Anticorpi monoclonali: Kevzara-sarilumab)
Prevenire risposte infiammatorie eccessive.La modulazione delle risposte immunopatologiche dell’ospite ridurrebbe i rischi di ARDS.La modulazione immunitaria potrebbe avere effetti negativi[48]
ACE inibitori ( es. Umifenovir)Gli ACE inibitori possono colpire il dominio S1 e l’interazione ACE2, impedendo così l’ingresso del virus.La modulazione ACE è stata impiegata con successo nel trattamento di condizioni come ipertensione, insufficienza cardiaca e aterosclerosi.Il ruolo degli ACE inibitori in COVID-19 non è chiaro.[9, 49]
TMPRSS2 inhibitor (e.g.Camostat, Nafamostat)L’inibizione di TMPRSS2 potrebbe impedire l’attivazione virale impedendo l’ingresso del virus.L’inibizione di TMPRSS2 può avere pochi effetti collaterali sul bersaglio.Proteasi diverse da TMPRSS2 (ad es. Cathepsin L, TTSP) potrebbero avere un ruolo nell’attivazione virale.[50, 51]
Clorochina / idrossiclorochinaPotrebbe impedire l’ingresso virale e avere altri effetti immunomodulatori.Le sue proprietà antinfiammatorie potrebbero aiutare a monitorare le risposte immunopatologiche nei pazienti.È associato a effetti collaterali come nausea, mal di testa, visione offuscata, vomito, crampi e diarrea.[52,53,54]
Anti-viral agents (e.g.remdesivir, favipiravir, ripavirin)Mirano alla replicazione virale inibendo l’enzima RNA polimerasi.Questi agenti hanno mostrato risultati promettenti durante gli studi clinici iniziali.L’uso di antivirali ha il rischio di sviluppare resistenza in alcune popolazioni di pazienti.[47, 55]
Plasma convalescenteImplica l’uso di una terapia anticorpale passiva per fornire la neutralizzazione virale.Può essere utilizzato sia per la profilassi che per il trattamento. La sua efficacia è stata testata in precedenti infezioni come SARS, Ebola ed epatite.Presenta un rischio noto di infezione involontaria dovuta al trasferimento di sangue e all’aumento dell’infezione dipendente da anticorpi (ADE).[56]
Obiettivi dalla struttura virale (come; proteina E, M pro 3CL pro , sito di scissione simile alla furina)Mirare alla struttura virale impedirebbe l’ingresso e la replicazione della cellula ospite virale.Questo metodo progetterebbe un trattamento specifico per SARS-CoV2Trovare una potenziale cura con questo metodo potrebbe richiedere del tempo prima che raggiunga la clinica.[57,58,59]

link di riferimento: https://journal-inflammation.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12950-020-00250-8


link di riferimento: https://www.sanger.ac.uk/news_item/sars-cov-2-infects-cells-via-specific-viral-entry-factors-that-are-more-abundant-in-elderly-men -e-fumatori /

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