Gli astrociti sono suscettibili all’infezione da SARS-CoV-2

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I sintomi neurologici sono tra le complicanze extrapolmonari più diffuse del COVID-19, interessando oltre il 30% dei pazienti. In questo studio, forniamo prove che la sindrome respiratoria acuta grave coronavirus 2 (SARS-CoV-2) si trova nel cervello umano, dove infetta gli astrociti e, in misura minore, i neuroni. 

questo studio è stato pubblicato in:   Proceedings of the National Academy of Sciences  (2022). DOI: 10.1073/pnas.2200960119

Il nostro studio dimostra alterazioni strutturali e funzionali nel tessuto cerebrale dei pazienti con COVID-19, che sono parallele ai risultati in vivo di atrofia corticale, sintomi neuropsichiatrici e disfunzioni cognitive. Un recente studio longitudinale con 401 individui (età media di 62 anni, infettati tra marzo 2020 e aprile 2021, scansionata prima e dopo l’infezione) ha riportato atrofia nelle regioni orbitofrontali e paraippocampali e deterioramento cognitivo (determinato dai test Color Trail) (48).

I pazienti che abbiamo analizzato sono stati infettati tra marzo e luglio 2020 (e quindi molto probabilmente sono stati infettati dal ceppo SARS-CoV-2 originale) e abbiamo anche osservato atrofia nell’area orbitofrontale e disfunzione cognitiva (tempo più lungo per eseguire i test Color Trail e prestazioni di compiti di memoria verbale più scarse).

È interessante notare che i pazienti con COVID-19 solo lieve hanno anche mostrato atrofia corticale nel giro temporale superiore, che era stata precedentemente descritta in un gruppo di pazienti con grave infezione da SARS-CoV-2 (49). Abbiamo anche osservato che livelli più elevati di sintomi di ansia erano correlati con l’atrofia della corteccia orbitofrontale, una regione precedentemente collegata a disturbi d’ansia (50).

I nostri risultati suggeriscono che i sintomi di ansia e depressione sono almeno parzialmente associati all’infezione da SARS-CoV-2, un’ipotesi supportata da un’associazione recentemente scoperta tra ansia e astrogliosi reattiva nei pazienti dopo COVID-19 (51).

Questo studio e altri rapporti che mostrano alterazioni della struttura cerebrale e la manifestazione di sintomi neurologici nei pazienti COVID-19 (52-54) sollevano un dibattito sul fatto che queste caratteristiche cliniche siano una conseguenza di cambiamenti periferici o piuttosto, un’invasione virale del SNC. 

Entrambe le ipotesi sono possibili poiché abbiamo rilevato alterazioni istopatologiche associate alla presenza di SARS-CoV-2 nel tessuto cerebrale raccolto da 5 pazienti deceduti, mentre 21 individui deceduti per COVID-19 non hanno mostrato alterazioni del tessuto cerebrale.

Tuttavia, poiché la regione di campionamento era piccola, rimane la possibilità che altre regioni del cervello possano presentare alterazioni istopatologiche correlate a COVID-19. In effetti, il numero limitato di individui che hanno mostrato alterazioni cerebrali associate al rilevamento di SARS-CoV-2 del SNC e la natura imprecisa ed eterogenea della raccolta di campioni post mortem negli studi possono spiegare la discussione sulle potenziali correlazioni tra neuroinvasione e sintomi di COVID-19 (22, 25–27, 55, 56).

Sebbene alcuni studi non siano riusciti a rilevare il virus nel SNC (57), altri hanno trovato particelle virali nel cervello (21) localizzate nel microcircolo e nei neuroni (22), nel plesso coroideo (58) o nelle meningi (59). Modelli in vitro, come cellule neurali derivate da cellule staminali e organoidi cerebrali, hanno anche dimostrato che SARS-CoV-2 infetta potenzialmente le cellule cerebrali (22, 25–27, 55).

Tuttavia, l’entità dell’infezione del SNC, la sua distribuzione all’interno del tessuto cerebrale e le basi molecolari e cellulari alla base del fenomeno non erano state esplorate a fondo. Qui, mostriamo che gli astrociti sono il sito principale dell’infezione – e forse della replicazione – di SARS-CoV-2 nel cervello dei pazienti COVID-19, come evidenziato dal rilevamento del genoma virale, la proteina spike SARS-CoV-2 e dsRNA nel tessuto cerebrale post mortem, fette di cervello ex vivo e astrociti infetti in vitro.

Questi risultati corroborano altri studi che hanno dimostrato che gli astrociti del tessuto corticale umano primario e degli organoidi corticali derivati ​​dalle cellule staminali sono suscettibili all’infezione da SARS-CoV-2 (22, 55, 60).

Recentemente, Meinhardt et al. (61) hanno descritto che SARS-CoV-2 potrebbe accedere al SNC attraverso l’interfaccia neurale-mucosa nella mucosa olfattiva, entrando così nei centri di controllo respiratorio e cardiovascolare primari nel midollo allungato. Altre vie proposte di neuroinvasione SARS-CoV-2 includono cellule endoteliali cerebrali (28–30, 32, 61, 62).

Oltre alla risposta infiammatoria prodotta dall’infezione da SARS-CoV-2, l’infezione delle cellule endoteliali potrebbe anche causare disfunzioni nell’integrità della BBB e facilitare un ulteriore accesso del virus al cervello (28–30, 32, 61, 62). Nonostante i progressi che sono già stati fatti, c’è ancora molto da imparare sui percorsi che SARS-CoV-2 può intraprendere per invadere il cervello e su come il virus naviga attraverso diverse regioni del cervello.

Mentre ACE2 è il recettore cellulare meglio caratterizzato per l’ingresso di SARS-CoV-2 nelle cellule attraverso l’interazione con la proteina spike virale, anche altri recettori sono stati identificati come mediatori dell’infezione (63). Secondo i nostri dati e altri (21), gli astrociti non esprimono ACE2; piuttosto, mostrano un’elevata espressione di NRP1, un altro bersaglio della punta SARS-CoV-2 che è abbondantemente espresso nel SNC, in particolare negli astrociti (Fig. 5C) (38, 39, 64).

Quando NRP1 viene bloccato con anticorpi neutralizzanti, l’infezione da SARS-CoV-2 in queste cellule viene notevolmente ridotta. Questi risultati indicano che SARS-CoV-2 infetta gli astrociti in vitro tramite il recettore NRP1, anche se questo deve ancora essere confermato in vivo.

Per comprendere le conseguenze dell’infezione da SARS-CoV-2 negli astrociti derivati ​​da NSC, abbiamo cercato i cambiamenti nel proteoma in modo non guidato da ipotesi. L’infezione da SARS-CoV-2 ha portato a marcati cambiamenti proteomici in diversi processi biologici, compresi quelli associati al metabolismo energetico, in linea con precedenti rapporti su altri tipi cellulari infettati da SARS-CoV-2 (65-67).

È interessante notare che le proteine ​​differenzialmente espresse nei cervelli post mortem COVID-19 sono state arricchite per le proteine ​​astrocitiche più degli oligodendrociti, dei neuroni o delle cellule di Schwann, rafforzando i nostri risultati secondo cui queste sono le cellule più colpite dall’infezione da SARS-CoV-2 nel cervello umano. I nostri dati proteomici hanno anche evidenziato cambiamenti nei componenti delle vie del metabolismo del carbonio, in particolare nel metabolismo del glucosio, sia negli astrociti infetti in vitro che nel tessuto cerebrale post mortem di pazienti affetti da COVID-19.

Poiché il metabolismo degli astrociti è fondamentale per supportare la funzione neuronale, i cambiamenti nel metabolismo degli astrociti potrebbero influenzare indirettamente i neuroni. Abbiamo scoperto che una delle alterazioni più critiche causate dall’infezione da SARS-CoV-2 negli astrociti era una diminuzione dei livelli di piruvato e lattato. L’esportazione del lattato è uno dei modi in cui gli astrociti supportano metabolicamente i neuroni (63), spostando questa fonte di carbonio attraverso il meccanismo della navetta astrociti-neurone lattato (ANLS).

Nell’ANLS, l’attività neuronale migliora anche l’assorbimento del glutammato da parte degli astrociti (68). Il lattato stesso è essenziale per il supporto dell’attività neuronale e delle funzioni cerebrali, agendo come agente neuroprotettivo e come segnale chiave per regolare il flusso sanguigno (69). Questi cambiamenti metabolici, in particolare le riduzioni di lattato e piruvato associate alla diminuzione dell’espressione di MCT1 e MCT2 negli astrociti infetti da SARS-CoV-2, supportano l’ipotesi di un’interruzione dell’ANLS.

Inoltre, anche gli intermedi del metabolismo della glutammina, come il glutammato e il GABA, sono stati ridotti negli astrociti infetti da SARS-CoV-2. Detto questo, non ci sono stati cambiamenti significativi in ​​nessun intermedio centrale del ciclo TCA. Insieme a un aumento del consumo di ossigeno degli astrociti infetti da SARS-CoV-2, questi risultati suggeriscono che la glicolisi e la glutamminolisi vengono utilizzate per alimentare i carboni nel ciclo del TCA per sostenere l’aumento del metabolismo ossidativo degli astrociti infetti.

Recentemente, de Oliveira et al. (24) hanno mostrato che i livelli di glutammina sono stati trovati ridotti anche nelle cellule gliali miste infettate da SARS-CoV-2 e che l’inibizione della glutamminolisi ha ridotto la replicazione virale e la risposta proinfiammatoria, rafforzando ulteriormente che la glutammina potrebbe essere utilizzata per alimentare il ciclo del TCA negli astrociti infetti .

Mentre il lattato derivato dagli astrociti è necessario per il metabolismo neuronale (47, 70), come accennato in precedenza, la glutammina è utilizzata nella sintesi di neurotrasmettitori, come il glutammato e il GABA (71). Gli astrociti svolgono anche un ruolo vitale nell’omeostasi a livello di glutammato (72, 73) e nel riciclo dei neurotrasmettitori, processi cruciali per il mantenimento della trasmissione sinaptica e dell’eccitabilità neuronale.

Alle sinapsi glutamatergiche, l’assorbimento del glutammato da parte dell’astroglia previene l’eccitotossicità (74), dopodiché la glutammina sintetasi converte il glutammato in glutammina, che può quindi essere ritrasferita ai neuroni, chiudendo così il ciclo glutammato-glutammina (75). Alle sinapsi GABAergiche, il GABA viene assorbito dagli astrociti e prima metabolizzato in glutammato prima di essere convertito in glutammina (76).

Data l’importanza dell’accoppiamento metabolico tra astrociti e neuroni, si prevede che alterazioni del metabolismo del glucosio astrocitico e della glutammina compromettano il metabolismo neuronale, la plasticità e la funzione sinaptica (77). Con l’analisi PET 18F-FDG, Guedj et al. (78) hanno riportato l’ipometabolismo in quattro diversi gruppi di regioni cerebrali in pazienti affetti da COVID-19 lungo, compreso il giro rettale/orbitale bilaterale e il giro olfattivo (78).

In quanto regolatori chiave del metabolismo del SNC, le alterazioni del metabolismo degli astrociti contribuiscono al segnale PET 18F-FDG (79-81). Pertanto, le disfunzioni nel metabolismo energetico degli astrociti, come quelle osservate qui, potrebbero spiegare, almeno in parte, l’ipometabolismo cerebrale nei pazienti con COVID-19 (78, 82-85).

Oltre ai cambiamenti metabolici osservati negli astrociti infetti da SARS-CoV-2 che possono portare a disfunzioni neuronali, abbiamo scoperto che l’infezione da SARS-CoV-2 provoca un fenotipo secretorio neurotossico negli astrociti che si traduce in un aumento della morte neuronale. Un fenomeno simile è stato osservato quando gli astrociti sono attivati ​​da fattori infiammatori (43, 86, 87).

Le alterazioni dello spessore corticale che abbiamo osservato nei pazienti COVID-19 potrebbero essere spiegate da questa morte neuronale, almeno in parte, così come da altri meccanismi, tra cui l’astrogliosi reattiva e le alterazioni nella specificazione e morfogenesi degli astrociti, come precedentemente descritto nel morbo di Alzheimer, l’autismo e schizofrenia (88–90), così come epilessia, autismo e autolesionismo (91–94).

Matschke et al. (21) hanno riportato l’astrogliosi nell’86% delle persone decedute a seguito di una diagnosi di infezione da SARS-CoV-2. D’accordo, i dati snRNA-seq mostrano che i principali marcatori di astrociti reattivi (95) sono arricchiti in campioni della corteccia frontale mediale di pazienti con COVID-19 rispetto a pazienti non infetti, supportando l’ipotesi che l’astrogliosi reattiva sia una caratteristica di COVID- 19 (SI Appendice, Fig. S11).

Gli astrociti sono anche rilevanti nella regolazione delle sinapsi (e delle reti neurali) e sono stati collegati alla manifestazione di depressione (96), sintomi di ansia (97) e compromissione della memoria (98), che sono stati tutti osservati nel nostro post- Coorte di infezione da COVID.

In sintesi, i nostri risultati sono coerenti con un modello in cui SARS-CoV-2 è in grado di raggiungere il sistema nervoso centrale dei pazienti COVID-19, infettare gli astrociti tramite l’interazione NRP1 e compromettere secondariamente la funzione e la vitalità neuronali. Questi cambiamenti possono contribuire alle alterazioni della struttura cerebrale osservate qui e altrove, determinando così le disfunzioni neurocognitive e neuropsichiatriche manifestate da alcuni pazienti con COVID-19.

Il nostro studio viene come una nota cautelativa che i meccanismi di neuroinvasione nel COVID-19 fatale potrebbero essere operativi anche nel COVID-19 lieve. Tuttavia, è importante notare che lo studio era limitato in quanto il neuroimaging e i test cognitivi sono stati ottenuti da una coorte diversa da quella fatale COVID-19, in cui solo una minoranza di individui ha mostrato prove di invasione astrocitica.

Tuttavia, gli interventi diretti al trattamento del COVID-19 dovrebbero anche prevedere modi per prevenire l’invasione da SARS-CoV-2 del SNC e/o la replicazione negli astrociti.

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