I ricercatori hanno dimostrato in uno studio preclinico che i farmaci senolitici hanno ridotto significativamente la mortalità in seguito all’infezione da un beta-coronavirus strettamente correlato al SARS-CoV-2 nei topi più anziani.
Lo studio pubblicato su Science è stato co-diretto da Laura Niedernhofer, MD, Ph.D. e Paul Robbins, Ph.D., entrambi professori del Dipartimento di Biochimica, Biologia Molecolare e Biofisica e co-direttori dell’Istituto di biologia dell’invecchiamento e del metabolismo presso la U of M Medical School, e Sara Hamilton, Ph.D. ., ricercatore presso il Dipartimento di Medicina e Patologia di Laboratorio.
Le cellule senescenti, che sono cellule del corpo danneggiate, contribuiscono all’infiammazione, a molteplici malattie croniche e alla perdita di resilienza legata all’età e si accumulano nel nostro corpo con l’avanzare dell’età. I farmaci senolitici, precedentemente scoperti dalla U of M Medical School e dai ricercatori della Mayo Clinic, rimuovono selettivamente le cellule senescenti dal corpo.
La pandemia di COVID-19 ha rivelato la spiccata vulnerabilità degli anziani e dei malati cronici alla morbilità e alla mortalità indotta da SARS-CoV-2. Il team di ricerca ha cercato di scoprire perché le persone anziane sono più vulnerabili a questi esiti negativi.
Il team ha ipotizzato che si trattasse di cellule senescenti e rimuoverle con i senolitici ridurrebbe l’infiammazione e consentirebbe una migliore risposta all’infezione virale.
“Volevamo determinare se il targeting terapeutico dei meccanismi fondamentali dell’invecchiamento, come la senescenza cellulare, potesse ridurre la morbilità e la mortalità a seguito di un’infezione virale”, ha affermato Christina Camell, Ph.D., assistente professore presso il Dipartimento di Biochimica, Biologia Molecolare e Biofisica, e primo autore dello studio.
I ricercatori hanno scoperto che i topi più anziani esposti per la prima volta a un beta-coronavirus di topo hanno sperimentato quasi il 100% di mortalità, mentre i topi giovani si sono ammalati a malapena. Quando hanno trattato i topi più anziani con farmaci senolitici dopo l’infezione, il loro tasso di sopravvivenza è aumentato al 50%.
I farmaci senolitici hanno ridotto la mortalità, la senescenza cellulare e i marker infiammatori e hanno aumentato gli anticorpi antivirali.
“Abbiamo lavorato su un nuovo approccio per aiutare gli anziani a rimanere in salute, ovvero trovare terapie per curare l’invecchiamento piuttosto che curare ogni singola malattia associata alla vecchiaia. Il fatto che i senolitici abbiano funzionato per proteggere i vecchi organismi da un’infezione virale dimostra che l’approccio è accurato”, ha affermato Robbins.
“Sbarazzandosi di un pezzo di biologia che invecchia, le cellule senescenti, con i senolitici, i topi più anziani sono stati in grado di resistere allo stress dell’infezione. Ciò suggerisce che ridurre il carico delle cellule senescenti negli individui malati o anziani potrebbe migliorare la loro resilienza e ridurre il rischio di morire di COVID-19».
Questi risultati nei topi hanno supportato l’avvio di due studi clinici per ridurre la mortalità nei pazienti anziani COVID-19. Il team prevede anche di studiare se le cellule senescenti contribuiscono all’effetto a lungo raggio in molti sopravvissuti al COVID-19.
Senescenza cellulare e risposta infiammatoria
La senescenza cellulare comporta una moltitudine di processi che culminano in uno stato di arresto irreversibile del ciclo cellulare in cui le cellule subiscono alterazioni fenotipiche distintive, tra cui profonde alterazioni della cromatina e morfologiche, aumento dell’attività lisosomiale e livelli di soppressori tumorali, tra cui p53, p16 (Cdkn2a), e p21 (Cdkn1a), oltre a significativi cambiamenti del secretoma [30].
La senescenza cellulare è considerata un importante meccanismo antitumorale nonché un processo fisiologico per la rigenerazione dei tessuti. Tuttavia, l’eccessivo accumulo di cellule senescenti osservato nell’invecchiamento e nelle malattie legate all’età sembra contribuire all’infiammazione cronica e alla disfunzione di organi e tessuti.
Pertanto, è ragionevole ipotizzare il coinvolgimento della senescenza cellulare nell’aumento del tasso di mortalità di COVID-19 tra i pazienti anziani (comorbilità). I farmaci mirati all’IL-6 sono stati inclusi tra le potenziali strategie per inibire le conseguenze deleterie del fenotipo secretorio associato alla senescenza (SASP), il secretoma prodotto dalle cellule senescenti [31,32].
Il SASP include citochine, chemochine, proteasi e fattori di crescita, recentemente raccolti in un database proteomico [29], che collega funzionalmente l’accumulo di cellule senescenti con i suoi processi patologici [33,34]. Tuttavia, il SASP sembra essere utile o deleterio, a seconda del contesto biologico. Ad esempio, il SASP è anche responsabile dell’attivazione di una risposta di sorveglianza immunitaria per rimuovere le cellule senescenti [35].
Questa risposta sembra coinvolgere i macrofagi, le cellule T e le cellule NK e sembra differire nei diversi tessuti. In particolare, un modello di trapianto ortotopico di cellule tumorali inducibili dalla senescenza nei topi ha fornito prove che, contrariamente al fenomeno osservato nel fegato [36], le cellule NK possono limitare l’efficace clearance delle cellule senescenti nel polmone [37] . Sebbene questa osservazione possa suggerire l’ipotesi che le cellule senescenti si accumulino facilmente nei polmoni invecchiati, comprendere l’entità e il tipo di accumulo di cellule senescenti nel tessuto polmonare che invecchia è ancora una sfida.
Una recente indagine sui marcatori di cellule senescenti (presenza di cellule p16- e p21-positive) ha rilevato un aumento del numero di cellule p21-positive e p16-positive con l’età del donatore nella pelle (epidermide), nel pancreas e nel rene, ma non nel polmone [ 38]. Tuttavia, i fibroblasti senescenti, le cellule muscolari lisce e/o le cellule epiteliali alveolari sono stati implicati nell’eziologia o nella progressione di diverse malattie umane, tra cui la malattia polmonare ostruttiva cronica, la fibrosi polmonare idiopatica e l’enfisema [39].
Nei topi, l’invecchiamento non contribuisce all’induzione della senescenza cellulare da parte del fumo di sigaretta nel polmone di un modello murino di BPCO/enfisema [40], ma altri studi su topi wild type invecchiati mostrano un aumento dell’mRNA p16Ink4a e associato alla senescenza- Attività della -galattosidasi (SA-β-Gal) nel polmone rispetto ai giovani controlli [41,42]. Gli stimoli che spingono le cellule polmonari alla senescenza sono ancora compresi in modo incompleto e possono includere infezioni o infiammazioni dovute a infezioni. In particolare, le cellule senescenti non sono solo una fonte di mediatori dell’infiammazione, ma sono anche portatrici di danni aggiuntivi attraverso una diffusione contagiosa della senescenza e dell’infiammazione nei tessuti vicini e persino distanti [43].
I componenti infiammatori del SASP non sono gli unici attori di questo fenomeno. Le prove più recenti hanno dimostrato che il SASP include vescicole extracellulari (EV) attraverso le quali le cellule senescenti esercitano funzioni effettrici centrali nell’ambiente locale. Le cellule senescenti secernono veicoli elettrici con un contenuto distintivo, ma ancora non completamente caratterizzato, di miRNA, proteine e DNA che possono diffondere la senescenza nei tessuti circostanti e persino distanti [44,45,46,47], promuovendo così un’ulteriore infiammazione e conseguenze catastrofiche per il organismo [48]. È interessante notare che è stato documentato che gli esosomi sono componenti cruciali nella patogenesi dell’infezione da virus, ma mancano ancora studi specifici per SARS-CoV o SARS-CoV [49].
Senescenza cellulare e risposta ai virus
È importante sottolineare che la senescenza cellulare è stata anche descritta come un meccanismo antivirale [50]. Infatti, l’arresto del ciclo cellulare e il rilascio di citochine e chemochine proinfiammatorie che caratterizzano la senescenza cellulare sono sorprendentemente simili alle caratteristiche osservate da molte cellule durante una risposta antivirale. La senescenza può anche essere indotta dalla segnalazione prolungata di citochine, come l’interferone , in risposta all’infezione virale [51] e il SASP può indurre la senescenza nelle cellule vicine [52] che hanno un’alta probabilità di essere infettate.
Inoltre, molti virus codificano inibitori della morte cellulare programmata per sovvertire le risposte dell’ospite durante l’infezione [53], suggerendo che l’infezione virale cronica può contribuire alla resistenza all’apoptosi ipotizzata per alcune cellule senescenti che si accumulano con l’invecchiamento [30]. Questa ipotesi è stata confermata anche dall’osservazione che la replicazione del virus della stomatite vescicolare è compromessa sia nelle cellule senescenti primarie che in quelle tumorali rispetto alle cellule non senescenti [54].
Molti studi hanno descritto una maggiore prevalenza o un aumento della carica virale circolante di alcuni virus, come il citomegalovirus (CMV) [55] e il Torquetenovirus (TTV) [56,57], con l’invecchiamento. L’aumento del grado di infiammazione associato a questo fenomeno e l’associazione con la mortalità di TTV e CMV nell’anziano evidenzia il possibile coinvolgimento della senescenza cellulare. In questo contesto, la viremia TTV può predire la riattivazione del CMV [58] ed è già stato proposto un legame meccanicistico tra CMV e l’accumulo di cellule senescenti [59]. Lo stato sierologico del CMV svolge anche un ruolo di primo piano nel determinare l’entità della risposta alla vaccinazione antinfluenzale [60].
È stato dimostrato che alcuni virus inducono la senescenza cellulare, come il virus dell’immunodeficienza umana-1 [61], il virus di Epstein-Barr [62], il virus del morbillo [63] e il virus della dengue [64]. Risultati simili sono stati ottenuti utilizzando il fattore di virulenza, la proteina NS1, del virus dell’influenza A (IFV-A) [65]. Altri virus hanno sviluppato meccanismi per superare la senescenza e per eludere la risposta antivirale, come riportato per il virus delle scimmie 40 [66] e il virus del papilloma umano [67]. Più recentemente, è stato dimostrato che l’IFV e il virus Varicella Zoster mostrano una maggiore efficienza di replicazione nelle cellule epiteliali bronchiali umane senescenti e nei fibroblasti dermici umani senescenti rispetto alle cellule non senescenti [68].
I coronavirus sono simili agli IFV, in quanto entrambi sono virus a RNA, ma siamo completamente all’oscuro dei tipi di interazione e del tipo di risposta che SARS-CoV o SARS-CoV-2 possono visualizzare nelle cellule senescenti. Per quanto riguarda i bersagli molecolari del virus SARS-CoV-2, non ci sono prove che questi possano essere sovraregolati nelle cellule senescenti e alcuni studi potrebbero eventualmente suggerire che ACE2 [69] e GRP78 [70] siano sottoregolati dalla senescenza.
Tuttavia, in pochi mesi di studi sulla patogenesi del COVID-19, sono state identificate almeno quattro vie di ingresso ed è improbabile che la ridotta espressione di uno o due di questi bersagli possa prevenire l’infezione delle cellule senescenti. Al contrario, dovrebbe essere urgentemente affrontato se i risultati osservati per gli IFV normali (cioè che possono indurre la senescenza e possono usare la senescenza per aumentare il loro tasso di replicazione) possono essere estesi anche a SARS-CoV e SARS-CoV-2.
Se ciò si dimostrasse vero, potrebbe essere ragionevole ipotizzare che la massiccia presenza di cellule senescenti nei pazienti anziani e in comorbidità possa esacerbare il tasso di mortalità. L’evidenza che i pazienti con cancro, ipertensione o con abitudini al fumo (condizioni associate a un ruolo patologico della senescenza cellulare) abbiano avuto esiti peggiori da COVID-19 [71], supporta ulteriormente l’ipotesi che un accumulo di cellule senescenti possa favorire lo sviluppo di gravi eventi durante l’infezione da SARS-CoV-2.
La diffusione delle cellule senescenti attraverso l’organismo è limitata dalla sorveglianza immunitaria [72,73,74]. La ridotta sorveglianza immunitaria delle cellule senescenti può contribuire al loro accumulo durante l’invecchiamento [75] e allo sviluppo del cancro [74]. Alcuni componenti del SASP contribuiscono ad attrarre e attivare le cellule immunitarie, suggerendo così che l’alterazione di questo processo potrebbe essere particolarmente importante in caso di infezione virale. I cambiamenti associati all’età nella funzionalità delle cellule T CD4 sono stati collegati all’infiammazione cronica e alla diminuzione dell’immunità [76], nonché alla sorveglianza immunitaria della senescenza [74,77]. L’esaurimento delle cellule T CD4 ha provocato una polmonite interstiziale immuno-mediata potenziata e una clearance ritardata di SARS-CoV dai polmoni [78].
Ci sono anche meccanismi che alcuni virus si sono evoluti per superare la sorveglianza immunitaria delle cellule infette, ad esempio prendendo di mira i mitocondri.
La disfunzione dei mitocondri nelle cellule senescenti può determinare alterazioni importanti e persino specifiche del SASP [79]. Quando il sistema di controllo della qualità mitocondriale è compromesso, i mitocondri potrebbero rilasciare nello spazio extracellulare vari componenti (inclusi peptidi formil, DNA mitocondriale, TFAM, cardiolipina, ATP, succinato e citocromo C) che potrebbero promuovere o esacerbare SASP; questo fenomeno è chiamato pattern molecolari associati al danno mitocondriale (DAMP) [80].
Molti modelli di cellule senescenti sono associati a uno spostamento dei mitocondri verso più eventi di iperfusione, con conseguente presenza di mitocondri anormalmente allungati [81]. È stato inoltre dimostrato che la riduzione del contenuto mitocondriale mediante l’inibizione di mTOR previene la senescenza e attenua il SASP [82].
È stato proposto un meccanismo basato sulle alterazioni dei mitocondri per spiegare come SARS-CoV può sfuggire alla sorveglianza immunitaria innata. Una proteina codificata da SARS-CoV designata come open reading frame-9b (ORF-9b) si localizza nei mitocondri, dove promuove la degradazione proteasomica di Drp1, una proteina coinvolta nella fissione mitocondriale [83], che porta all’iperfusione mitocondriale [84], che è un fenotipo comune delle cellule senescenti e un meccanismo coinvolto nella resistenza all’apoptosi [85,86]. Il SARS-CoV ORF-9b fornisce un ambiente intracellulare ricettivo per la replicazione virale prendendo di mira il signalosoma della proteina di segnalazione antivirale mitocondriale (MAVS) [84].
Durante l’infezione da SARS-CoV, in presenza di ORF-9b, i MAVS subiscono una degradazione e questo processo è accompagnato dalla perdita di TNF Receptor Associated Factor 3 e 6, altri due intermediari chiave di segnalazione nelle difese antivirali. Ciò porta a una compromissione delle risposte IFN della cellula ospite [84]. Tuttavia, il silenziamento di MAVS induce un’azione repressiva generale su NF-κB con la successiva soppressione dell’espressione di IL-6 nelle cellule senescenti [87].
Ciò può eventualmente favorire la replicazione virale nelle fasi iniziali dell’infezione senza allertare il sistema immunitario. In accordo, una produzione significativamente aumentata di IL-6 non viene rilevata fino al giorno 4 dopo l’infezione delle cellule epiteliali polmonari umane con SARS-CoV [88]. Ciò potrebbe essere coerente con una soppressione iniziale della risposta antivirale mitocondriale seguita dal successivo sviluppo di un fenotipo senescente (Figura 1). Quindi, dovrebbe essere importante verificare se SARS-CoV e SARS-CoV-2 possono indurre un’alterazione del SASP nelle cellule senescenti attraverso un processo simile.
Modulazione della dinamica mitocondriale in caso di infezione da CoV. ORF-9b, un fattore di virulenza del coronavirus della sindrome respiratoria acuta grave (SARS-CoV), si localizza nei mitocondri e provoca l’allungamento mitocondriale innescando l’ubiquitinazione e la degradazione proteasomica della proteina dynamin-like (DRP1). Inoltre, agendo sui mitocondri ORF-9b prende di mira la molecola adattatore associata ai mitocondri MAVS signalosome usurpando la proteina 2 legante la poli(C) (PCBP2) e la ligasi E3 del dominio HECT (AID4E3) per innescare la degradazione di MAVS. Ciò riduce le risposte dell’interferone della cellula ospite e la segnalazione antivirale. Tuttavia, questi cambiamenti possono in seguito innescare la senescenza cellulare e contribuire a migliorare la risposta infiammatoria attraverso il fenotipo secretorio associato alla senescenza (SASP).
La fusione mitocondriale è generalmente richiesta per la proliferazione intracellulare dei virus e l’evasione della segnalazione immunitaria innata antivirale, come dimostrato per il meccanismo di infezione del virus dengue [89]. Nel caso dell’infezione da virus dengue, la senescenza cellulare sembra esercitare una funzione antivirale [64] ma altri virus, come l’IFV, hanno sviluppato meccanismi per aumentare la replicazione nelle cellule senescenti [68]. Queste osservazioni illustrano che il comportamento di diversi virus in risposta alla senescenza può essere diverso e che sono necessari studi specifici per ciascun virus.
Prospettive terapeutiche
Chiarire il ruolo della senescenza cellulare nell’infezione da SARS-CoV può inoltre fornire un forte razionale per l’uso di senoterapeutici, come gli inibitori SASP, nella gestione dei pazienti anziani affetti da COVID-19. Gli studi clinici in corso con inibitori SASP mirati all’IL-6 e con ruxolitinib (NCT04331665) possono fornire informazioni utili in questo campo.
Questa ricerca potrebbe eventualmente aprire la strada all’esplorazione se altri senoterapeutici, come i senolitici (composti che uccidono selettivamente le cellule senescenti) [90,91], o composti in grado di promuovere la clearance delle cellule senescenti da parte del sistema immunitario [16,92], può eventualmente fornire un ulteriore vantaggio nella terapia COVID-19.
Per quanto riguarda quest’ultimo aspetto, le cellule T ingegnerizzate per esprimere il recettore chimerico dell’antigene NKG2D (CAR), che riconosce i ligandi NKG2D sulla superficie delle SC, possono essere utilizzate per colpire le cellule senescenti [16,35]. A sua volta, la recente scoperta della dipeptidil peptidasi 4 (DPP4) come marcatore selettivo di membrana della senescenza cellulare può fornire un obiettivo per lo sviluppo della clearance immuno-mediata delle cellule senescenti [16,93].
Tuttavia, la sorveglianza immunitaria della senescenza nel polmone può funzionare attraverso meccanismi specifici e diversi da quelli riportati per altri tessuti [37]. Pertanto, affrontare questa strategia nel caso di infezioni con un bersaglio polmonare può essere molto impegnativo.
Nel caso dei senolitici, si dovrebbe anche considerare se il meccanismo utilizzato per uccidere le cellule senescenti può favorire il rilascio di particelle virali intatte nell’ambiente. Particolare attenzione meritano i risultati preliminari che indicano l’efficacia dell’azitromicina senolitica nel COVID-19. Nel documento originale che descrive l’attività senolitica di questo farmaco, è stato riportato un effetto sui mitocondri e sul tasso di consumo di ossigeno mitocondriale [21], che sono bersagli metabolici ben noti per indurre l’apoptosi nelle cellule senescenti [94,95].
L’azitromicina può anche indurre l’apoptosi down-regolando Bcl-xL [96], che è un bersaglio di vari composti senolitici tra cui ABT-263, ABT-737 e B1331852 [16]. Finora non è stata prestata molta attenzione al meccanismo d’azione dei senolitici, poiché l’obiettivo della maggior parte delle ricerche in questo settore è finalizzato alla rimozione delle cellule senescenti indipendentemente dal meccanismo d’azione. Necrosi, necroptosi, apoptosi e altre sottocategorie di processi che portano alla morte cellulare giocano un ruolo importante e differenziale nella risposta dell’ospite a diverse infezioni virali [97].
Questa è una sfida aggiuntiva, poiché dovrebbe essere attentamente valutato se il meccanismo che induce la morte delle cellule senescenti potrebbe eventualmente favorire o meno la diffusione del virus nelle cellule vicine. In questo contesto, potrebbe essere utile utilizzare il termine generale recentemente proposto di “senocidi” [90], per identificare la classe farmaceutica di farmaci che uccidono selettivamente le cellule senescenti e per discriminare tra composti che eliminano selettivamente le cellule senescenti per apoptosi (‘ senoptotici») o con mezzi non apoptotici («senolitici»).
Nel caso di pazienti anziani (comorbilità), un’eliminazione netta delle cellule senescenti infette può essere fondamentale per la cessazione dell’infezione virale senza effetti collaterali. Sebbene quest’area di ricerca sia completamente inesplorata, riteniamo che affrontare questi aspetti potrebbe portare allo sviluppo di un’ampia gamma di strategie terapeutiche per migliorare le conseguenze associate a varie infezioni virali.
Un altro aspetto che merita particolare attenzione è che le molecole senoterapeutiche hanno effetti fuori bersaglio [98] e questo è particolarmente vero per i pazienti anziani o in comorbidità, dove gli effetti collaterali della senoterapia dovuti al dosaggio sistemico potrebbero effettivamente esacerbare la malattia indotta dal virus. La somministrazione sistemica è attualmente l’unico mezzo disponibile per questi composti, per i quali abbiamo dati preclinici convincenti da studi sui roditori [16].
Tuttavia, è necessario sviluppare approcci di somministrazione più mirati in modo che i composti senoterapeutici possano raggiungere le cellule senescenti nel sito tissutale previsto. Il recente sviluppo di sistemi di rilascio basati sull’incapsulamento di agenti diagnostici o terapeutici con β(1,4)-galatto-oligosaccaridi e il loro rilascio preferenziale ai lisosomi di cellule senescenti è un passo avanti verso questo intento [99]. In particolare, questo approccio è stato efficace in vivo contro la fibrosi polmonare.
Le potenziali strategie terapeutiche e i punti chiave che devono essere affrontati per aprire la strada a queste strategie sono mostrati nella Figura 2. Questo campo di ricerca potrebbe essere importante, non solo per far fronte all’attuale emergenza SARS-CoV-2, ma anche per future emergenze legate a virus nuovi o mutati per i quali non siamo completamente preparati e per i quali non sono disponibili vaccini.
Una rappresentazione schematica delle terapie strategiche basate sulla senoterapia che possono essere utili nel trattamento delle infezioni virali. Le prove degli studi clinici in corso indicano che azitromicina e ruxolitinib sono i principali candidati in questo campo. Tre aspetti che devono essere chiariti dalla ricerca prima di affrontare la terapia adeguata sono evidenziati da punti interrogativi: (1) Informazioni sulla capacità del virus di indurre la senescenza e se il virus mostra una preferenza per replicarsi in cellule non senescenti rispetto a quelle senescenti. (2) Capire se la replicazione virale è soppressa dalla senescenza cellulare o se il virus ha evoluto meccanismi per bypassare o utilizzare la senescenza per migliorare la replicazione. (3) Nel caso di strategie basate sui senocidi, va chiarito se esistono farmaci o terapie simili che possono indurre la morte cellulare senza favorire la diffusione del virus alle cellule vicine. Gli inibitori selettivi di Bcl-xL e i composti mirati ai mitocondri sono probabili candidati per indurre un’apoptosi “pulita”, evitando la diffusione di particelle virali.
collegamento di riferimento: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7226793/
Maggiori informazioni: Christina D. Camell et al, Senolytics riduce la mortalità correlata al coronavirus nei topi anziani, Science (2021). DOI: 10.1126/science.abe4832
