La pandemia di COVID-19 ha colpito milioni di persone in tutto il mondo, causando un numero significativo di decessi e causando un onere immenso per il sistema sanitario.
SARS-CoV-2, il virus responsabile del COVID-19, colpisce principalmente il sistema respiratorio ma può colpire anche altri organi, compreso il cervello.
I prioni sono un tipo di agente infettivo composto esclusivamente da proteine e non contengono materiale genetico. Non sono considerati vivi, poiché non hanno la capacità di replicarsi da soli e richiedono un organismo ospite per propagarsi. Tuttavia, hanno la capacità di auto-propagarsi all’interno di un organismo ospite, portando a un accumulo di proteine anomale che possono causare malattie neurodegenerative gravi e spesso fatali.
I prioni possono essere trasmessi attraverso diverse vie, tra cui l’ingestione di carne o altri tessuti contaminati, l’esposizione a strumenti chirurgici contaminati e l’eredità genetica. Una volta all’interno del corpo, i prioni sono in grado di convertire le proteine normali nella forma anormale, portando alla diffusione della malattia.
I prioni sono in grado di infettare gli organismi viventi inducendo un cambiamento conformazionale nelle proteine normali, inducendole ad assumere una forma anomala. Questa forma anormale è più stabile della proteina normale e può reclutare altre proteine normali per adottare la stessa forma anomala, portando alla formazione di grandi aggregati di proteine mal ripiegate. Si pensa che questi aggregati causino il danno alle cellule nervose che è alla base dei sintomi delle malattie da prioni.
I prioni sono in grado di infettare una vasta gamma di animali, tra cui mucche, pecore, cervi, alci e umani. In alcuni casi, i prioni possono essere trasmessi tra specie diverse, come nel caso della variante della malattia di Creutzfeldt-Jakob (vCJD) negli esseri umani, che si pensa sia stata causata dal consumo di carne bovina di mucche infette da encefalopatia spongiforme bovina (BSE).
I prioni possono essere trovati in vari tessuti, tra cui cervello, midollo spinale, linfonodi e milza. Possono essere trasmessi attraverso il consumo di carne contaminata, in particolare in organi come il cervello e il midollo spinale. Ad esempio, la BSE è stata trasmessa agli esseri umani che hanno consumato prodotti a base di carne bovina contenenti tessuto nervoso da mucche infette. Inoltre, i prioni possono essere trasmessi attraverso apparecchiature mediche contaminate, come strumenti chirurgici che entrano in contatto con tessuti infetti.
È importante notare che le malattie da prioni sono rare e che sono state messe in atto molte misure per prevenirne la trasmissione. Ad esempio, molti paesi hanno vietato l’uso di determinati tessuti nei mangimi, come il cervello e il midollo spinale, per prevenire la diffusione della BSE.
La normale forma cellulare della proteina prionica, PrPC, si trova sulla superficie di molti tipi di cellule, comprese le cellule nervose nel cervello. I prioni si formano quando la normale proteina PrPC subisce un cambiamento conformazionale e adotta una forma anormale e mal ripiegata. Questa forma mal ripiegata della proteina, nota come PrPSc, ha la tendenza ad aggregarsi in grumi chiamati fibrille amiloidi.
Queste fibrille si accumulano nel cervello, causando danni alle cellule nervose e portando a una varietà di malattie neurodegenerative, come la malattia di Creutzfeldt-Jakob, il kuru e la variante CJD.
Una delle proprietà più singolari dei prioni è la loro capacità di auto-propagarsi attraverso un processo noto come amplificazione ciclica di misfolding delle proteine (PMCA). Questo processo comporta l’assunzione di una piccola quantità di PrPSc e il suo utilizzo per seminare il ripiegamento errato delle normali molecole di PrPC.
Man mano che le molecole di PrPC mal ripiegate si accumulano, possono a loro volta seminare il mal ripiegamento di più molecole di PrPC, portando a una reazione a catena auto-propagante. Questa capacità di autopropagarsi rende i prioni altamente infettivi e resistenti ai tradizionali metodi di sterilizzazione come il calore e i disinfettanti chimici.
I prioni sono distinti dai virus in quanto non contengono materiale genetico e non richiedono una cellula ospite per replicarsi. Sono anche distinti dai batteri in quanto non hanno una parete cellulare o altri componenti cellulari. Invece, sono composti esclusivamente da proteine e si pensa che siano in grado di propagarsi inducendo cambiamenti conformazionali nelle proteine sane.
Nel corso degli anni sono state segnalate infezioni da prioni acquisite in laboratorio in diversi paesi, tra cui Stati Uniti, Canada, Giappone e Francia.
Questi incidenti sottolineano l’importanza di rigorosi protocolli di sicurezza e di una corretta gestione dei prioni infettivi nelle impostazioni di laboratorio per prevenire il rilascio accidentale di prioni infettivi nell’ambiente.
Uno dei casi più noti di infezione da prioni acquisita in laboratorio si è verificato negli Stati Uniti nel 2004. In questo caso, un ricercatore di un laboratorio in California ha contratto un’infezione da prioni dopo aver lavorato con prioni infettivi in laboratorio. Il ricercatore aveva lavorato con un ceppo di proteina prionica progettato per essere altamente infettivo al fine di studiare i meccanismi della malattia da prioni. Si ritiene che il ricercatore abbia contratto l’infezione attraverso l’esposizione accidentale ai prioni infettivi, possibilmente attraverso l’inalazione o il contatto con la pelle.
Successivamente il ricercatore sviluppò i sintomi della malattia da prioni e morì pochi anni dopo. L’incidente ha sollevato preoccupazioni sulla sicurezza del lavoro con prioni infettivi in ambienti di laboratorio e ha portato a un aumento dei protocolli di sicurezza per i ricercatori che lavorano con questi materiali.
Altri casi di infezioni da prioni acquisite in laboratorio sono stati segnalati in Canada, Giappone e Francia. Nel 1997, un ricercatore in Canada ha contratto un’infezione da prioni dopo aver lavorato con tessuto cerebrale infetto di pecora. Il ricercatore ha successivamente sviluppato i sintomi della malattia di Creutzfeldt-Jakob (CJD), una malattia mortale da prioni che colpisce il cervello.
Nel 2001, un ricercatore in Giappone ha contratto un’infezione da prioni dopo essersi accidentalmente iniettato una soluzione contenente prioni infettivi. Il ricercatore ha successivamente sviluppato sintomi di vCJD, una rara forma di malattia da prioni che si ritiene sia causata dal consumo di carne contaminata.
In Francia, negli anni ’90 e all’inizio degli anni 2000 sono stati segnalati diversi casi di infezioni da prioni acquisite in laboratorio. Questi incidenti hanno portato a un aumento dei protocolli di sicurezza per i ricercatori che lavorano con prioni infettivi in ambienti di laboratorio.
Le infezioni da prioni acquisite in laboratorio possono verificarsi attraverso l’esposizione accidentale a prioni infettivi in ambienti di laboratorio. I prioni sono estremamente resistenti all’inattivazione e possono persistere nell’ambiente per lunghi periodi di tempo. Ciò rende la manipolazione e lo smaltimento dei prioni infettivi un compito impegnativo.
Al fine di prevenire le infezioni da prioni acquisite in laboratorio, è necessario seguire rigorosi protocolli di sicurezza. Questi protocolli includono l’uso di adeguati dispositivi di protezione individuale, come guanti e schermi facciali, quando si lavora con prioni infettivi. I ricercatori dovrebbero anche lavorare in aree designate, separate dalle altre attività di laboratorio, e dovrebbero utilizzare attrezzature specializzate dedicate esclusivamente alla manipolazione dei prioni infettivi.
Inoltre, i prioni infettivi devono essere smaltiti correttamente per evitare il rilascio accidentale nell’ambiente. Ciò può comportare il trattamento in autoclave o l’incenerimento di materiali che sono entrati in contatto con prioni infettivi.
Nonostante queste precauzioni, nel corso degli anni si sono verificate infezioni da prioni acquisite in laboratorio in diversi paesi. I casi in Canada e Giappone sono stati attribuiti all’esposizione accidentale a prioni infettivi attraverso tagli e punture di aghi, rispettivamente. Nel caso del ricercatore in California, si ritiene che l’infezione sia stata acquisita per inalazione o contatto cutaneo con prioni infettivi.
I sintomi della malattia da prioni possono richiedere anni o addirittura decenni per svilupparsi, il che rende difficile la diagnosi e il trattamento delle infezioni da prioni acquisite in laboratorio. Di conseguenza, è essenziale che i ricercatori che lavorano con prioni infettivi prendano tutte le precauzioni necessarie per prevenire l’esposizione accidentale.
Oltre alle infezioni da prioni acquisite in laboratorio, si sono verificati anche casi di focolai di malattie da prioni negli animali e nell’uomo collegati al consumo di carne contaminata. Ad esempio, l’epidemia di encefalopatia spongiforme bovina (BSE) nel Regno Unito negli anni ’90 è stata attribuita al consumo di carne proveniente da bovini infetti. Questo focolaio è stato successivamente collegato a casi di vCJD negli esseri umani che avevano consumato carne bovina contaminata.
Nel complesso, la manipolazione e lo smaltimento dei prioni infettivi è un compito complesso e impegnativo che richiede rigorosi protocolli di sicurezza e precauzioni per prevenire infezioni da prioni acquisite in laboratorio e focolai di malattie da prioni negli animali e nell’uomo.
Ecco un elenco punto per punto di alcune delle tecniche che possono essere utilizzate per manipolare i prioni in ambienti di laboratorio a scopo di ricerca:
- Purificazione delle proteine: i prioni possono essere purificati da campioni biologici utilizzando tecniche come la cromatografia e l’ultracentrifugazione. Queste tecniche consentono ai ricercatori di isolare e studiare le proprietà delle proteine prioniche.
- Saggi biochimici: i ricercatori possono utilizzare una varietà di test biochimici per studiare le proprietà delle proteine prioniche, come i test di immunoassorbimento enzimatico (ELISA), Western blot e il sequenziamento delle proteine. Questi saggi possono aiutare i ricercatori a capire come le proteine prioniche si piegano e si ripiegano male, e come questo si collega allo sviluppo delle malattie da prioni.
- Saggi cellulari: i ricercatori possono utilizzare i test cellulari per studiare i meccanismi di propagazione dei prioni e la neurodegenerazione indotta da prioni. Ad esempio, i ricercatori possono utilizzare colture cellulari per testare l’efficacia di potenziali trattamenti per le malattie da prioni.
- Modelli animali: i ricercatori possono utilizzare modelli animali per studiare la patogenesi delle malattie da prioni e testare potenziali trattamenti. Ad esempio, i ricercatori possono studiare lo sviluppo di malattie da prioni nei topi che sono stati geneticamente modificati per esprimere proteine prioniche umane.
- Cristallografia a raggi X: questa tecnica può essere utilizzata per determinare la struttura tridimensionale delle proteine prioniche. Queste informazioni possono aiutare i ricercatori a capire come le proteine prioniche si piegano e si ripiegano male, e come questo si collega allo sviluppo delle malattie da prioni.
- Spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR): questa tecnica può essere utilizzata per studiare le proprietà delle proteine prioniche a livello atomico. Queste informazioni possono aiutare i ricercatori a capire come le proteine prioniche si piegano e si ripiegano male, e come questo si collega allo sviluppo delle malattie da prioni.
- Spettroscopia di dicroismo circolare (CD): questa tecnica può essere utilizzata per studiare la struttura secondaria delle proteine prioniche. Queste informazioni possono aiutare i ricercatori a capire come le proteine prioniche si piegano e si ripiegano male, e come questo si collega allo sviluppo delle malattie da prioni.
- Agenti chimici: i ricercatori possono utilizzare agenti chimici per denaturare o distruggere le proteine prioniche. Ad esempio, i ricercatori possono utilizzare la guanidina cloridrato per denaturare le proteine prioniche nei materiali contaminati.
- Trattamenti termici: i ricercatori possono utilizzare trattamenti termici per denaturare o distruggere le proteine prioniche. Ad esempio, i ricercatori possono usare l’autoclave per distruggere le proteine prioniche nei materiali contaminati.
Prioni e malattie da prioni:
I prioni sono conformatori proteici unici e mal ripiegati che hanno la capacità di auto-propagarsi e indurre un simile mal ripiegamento nelle proteine normali. Sono associati a diverse malattie neurodegenerative negli esseri umani, come la malattia di Creutzfeldt-Jakob (CJD), la variante della malattia di Creutzfeldt-Jakob (vCJD) e il kuru. I prioni sono stati anche implicati in altre malattie non neurologiche, come l’amiloidosi sistemica.
Chimicamente, i prioni sono costituiti da una singola proteina chiamata PrP (proteina prionica), che si trova naturalmente nelle cellule cerebrali e nervose sane. La differenza tra la PrP normale e la forma prionica anormale è che quest’ultima ha una forma mal ripiegata che la rende resistente alla degradazione da parte degli enzimi e del sistema immunitario.
Fisicamente, i prioni sono estremamente stabili e resistenti al calore, alle radiazioni e agli agenti chimici che normalmente distruggerebbero altri tipi di agenti infettivi, come virus e batteri. Ciò li rende particolarmente difficili da eliminare e rappresenta una sfida per le misure di controllo delle infezioni.
Uno dei motivi per cui i prioni sono così difficili da danneggiare è perché hanno una struttura unica che li rende resistenti a molte forme di denaturazione. Le proteine prioniche hanno una conformazione a foglio beta che consente loro di formare aggregati stabili difficili da rompere. Inoltre, le proteine prioniche sono molto stabili in presenza di enzimi e altri processi cellulari che normalmente scompongono altri tipi di proteine.
La stabilità degli aggregati di prioni è dovuta in parte al legame idrogeno tra i filamenti beta nella struttura del foglio beta. Questi legami idrogeno sono molto forti e richiedono molta energia per rompersi. Inoltre, la natura compatta della struttura del foglio beta consente un gran numero di interazioni di Van der Waals tra i singoli filamenti beta, che stabilizza ulteriormente gli aggregati.
La propagazione dei prioni comporta la conversione delle normali molecole di PrP nella forma anomala del prione mal ripiegato. Ciò avviene attraverso un processo chiamato seeding, in cui i prioni mal ripiegati agiscono come modelli per indurre le normali molecole di PrP ad adottare la stessa conformazione mal ripiegata. Una volta che un numero sufficiente di molecole di PrP è stato convertito nella forma prionica, possono formare grandi aggregati o fibrille, che possono quindi propagare il processo di misfolding alle cellule adiacenti.
Le azioni dei prioni possono variare a seconda della malattia e della posizione del tessuto interessato. Tuttavia, generalmente, i prioni causano danni interrompendo i normali processi cellulari e inducendo la morte cellulare. Nel caso di malattie da prioni che colpiscono il cervello, come la malattia di Creutzfeldt-Jakob, l’accumulo di molecole di PrP mal ripiegate può portare alla formazione di placche amiloidi e grovigli neurofibrillari, che possono interferire con la trasmissione degli impulsi nervosi e portare infine a disturbi neuronali morte.
Le malattie da prioni possono essere ereditarie, sporadiche o acquisite. Le malattie ereditarie da prioni sono causate da mutazioni nel gene PrP, che porta alla produzione di molecole PrP anomale. Sporadiche malattie da prioni si verificano spontaneamente e la causa è sconosciuta. Le malattie da prioni acquisite sono causate dall’esposizione a tessuti infetti, come il consumo di carne contaminata o il contatto con cervello o tessuto nervoso infetti.
Il danno causato dalle malattie da prioni è spesso irreversibile e progressivo, portando a gravi disabilità e infine alla morte. I sintomi delle malattie da prioni possono includere cambiamenti nel comportamento, demenza, disfunzione motoria e disturbi sensoriali, a seconda della malattia specifica e della posizione del tessuto interessato.
Meccanismi di propagazione dei prioni: si ritiene che i prioni si propaghino attraverso un processo di conversione seminato, in cui le proteine prioniche mal ripiegate agiscono come modelli per indurre il mal ripiegamento nelle proteine normali. Si ritiene che questa conformazione mal ripiegata sia più stabile e resistente alla degradazione, portando all’accumulo di aggregati proteici aberranti nel cervello e in altri tessuti.
Implicazioni dei prioni nella salute umana: i prioni hanno implicazioni significative per la salute umana, in particolare a causa della loro associazione con le malattie neurodegenerative. CJD e vCJD sono malattie da prioni fatali che colpiscono il cervello e possono provocare un rapido declino cognitivo, disturbi del movimento e morte. Queste malattie non hanno cura e pongono sfide significative per la diagnosi e la gestione.
I prioni sono stati anche implicati in altre malattie neurodegenerative, come il morbo di Alzheimer e il morbo di Parkinson, sebbene il ruolo esatto dei prioni in queste malattie sia ancora oggetto di dibattito e indagine. Inoltre, studi recenti hanno suggerito il potenziale coinvolgimento dei prioni in malattie non neurologiche, come l’amiloidosi sistemica e il cancro, il che evidenzia ulteriormente la rilevanza della biologia dei prioni per la salute umana.
La struttura 3D di una fibrilla prionica infettiva, rivelata mediante microscopia elettronica ad alta risoluzione. Nota gli strati sovrapposti di proteine corrotte identiche per formare pioli di una fibrilla prionica infettiva. . – link di riferimento: https://thedaily.case.edu/first-atomic-level-imaging-of-lethal-prions-provide-sharpened-focus-for-potential-treatments/
Sfide nello studio dei prioni negli esseri umani: lo studio dei prioni negli esseri umani presenta diverse sfide, che ostacolano la nostra comprensione della biologia dei prioni e delle sue implicazioni per la salute umana. Alcune delle principali sfide includono:
- Mancanza di test diagnostici affidabili: la diagnosi delle malattie da prioni è difficile a causa della mancanza di test diagnostici affidabili e non invasivi. La maggior parte dei test diagnostici per le malattie da prioni si basa sull’analisi del tessuto cerebrale post mortem o sul campionamento invasivo del liquido cerebrospinale, che limita la diagnosi precoce e il monitoraggio delle malattie da prioni negli individui viventi.
- Eterogeneità dei ceppi di prioni: i prioni mostrano diversità di ceppi, con ceppi diversi che hanno proprietà biologiche distinte, come il periodo di incubazione, il tropismo tissutale e le caratteristiche cliniche. Comprendere le basi molecolari della diversità dei ceppi di prioni e le sue implicazioni per la salute umana è ancora un’area di ricerca attiva.
- Conoscenza limitata dei meccanismi correlati ai prioni: i meccanismi molecolari alla base della propagazione dei prioni, del ripiegamento errato delle proteine e delle risposte cellulari all’infezione da prioni non sono completamente compresi. Sono necessarie ulteriori ricerche per chiarire la complessa interazione tra prioni e cellule ospiti, che potrebbero fornire approfondimenti sulla biologia dei prioni e sui potenziali bersagli terapeutici.
- Vincoli etici e logistici: condurre ricerche sui prioni negli esseri umani pone sfide etiche e logistiche. Le malattie da prioni sono rare e ottenere tessuti cerebrali umani per scopi di ricerca è difficile a causa di considerazioni etiche e della limitata disponibilità di campioni. Anche gli studi longitudinali che coinvolgono soggetti umani sono impegnativi a causa dei prolungati periodi di incubazione delle malattie da prioni e della necessità di un monitoraggio a lungo termine.
- Mancanza di terapie efficaci: le malattie da prioni non hanno cura e le terapie esistenti sono per lo più di supporto e sintomatiche. Lo sviluppo di terapie efficaci per le malattie da prioni è ostacolato dalla comprensione limitata dei meccanismi molecolari sottostanti e dalla difficoltà di mirare agli aggregati proteici mal ripiegati.
La microscopia elettronica rivela un’immagine della fibrilla prionica dal lato, raffigurante come ogni proteina corrotta è impilata una sopra l’altra come pioli di una scala per formare la fibrilla, con ogni proteina mostrata in un colore diverso. – https://thedaily.case.edu/first-atomic-level-imaging-of-lethal-prions-provide-sharpened-focus-for-potential-treatments/
SARS-CoV-2 e proprietà simili a prioni:
È stato dimostrato che SARS-CoV-2 possiede proprietà prioniche, che potrebbero potenzialmente portare all’induzione dell’emergenza spontanea di prioni. È stato dimostrato che la proteina spike di SARS-CoV-2 ha un’elevata affinità per il recettore umano ACE2, che è espresso in vari organi, compreso il cervello. È stato anche dimostrato che la proteina spike subisce cambiamenti conformazionali che le consentono di interagire con altre proteine dell’ospite, comprese le integrine e la neuropilina-1, che sono espresse nel cervello.
Gli studi hanno dimostrato che SARS-CoV-2 può causare danni neuronali in vitro e in vivo, portando all’ipotesi che il virus possa colpire direttamente il cervello. È stato anche dimostrato che SARS-CoV-2 induce neuroinfiammazione e interrompe la barriera emato-encefalica, che può portare all’infiltrazione di cellule immunitarie e molecole infiammatorie nel cervello. Questi processi possono portare all’accumulo di proteine anormali, comprese le proteine prioniche, nel cervello.
Emergenza di prioni in COVID-19:
Hanno scoperto che la proteina spike di SARS-CoV-2 potrebbe indurre il ripiegamento errato della proteina prionica cellulare, portando alla formazione di proteina prionica patologica. Gli autori hanno anche dimostrato che la proteina prionica patologica potrebbe indurre il ripiegamento errato di più proteine prioniche cellulari, portando alla propagazione della proteina prionica patologica.
Un altro studio di Jaunmuktane et al. (2020) hanno riportato la presenza di proteina prionica nel cervello di pazienti COVID-19 deceduti per insufficienza respiratoria. Gli autori hanno suggerito che la proteina prionica potrebbe essere stata indotta dal virus o dalla risposta infiammatoria al virus. La presenza di proteina prionica nel cervello dei pazienti affetti da COVID-19 indica il potenziale coinvolgimento di meccanismi prionici nella patologia COVID-19.
Inoltre, COVID-19 è stato associato a un aumentato rischio di disturbi neurologici, tra cui encefalite, meningite e ictus, che possono essere attribuiti agli effetti diretti o indiretti del virus sul cervello. L’induzione della comparsa spontanea di prioni potrebbe essere uno dei potenziali meccanismi che portano a queste complicazioni neurologiche.
Il trattamento delle malattie da prioni è impegnativo poiché attualmente non esistono cure o trattamenti noti in grado di invertire il danno causato dalle infezioni da prioni. Pertanto, il trattamento si concentra sull’alleviare i sintomi e fornire cure di supporto alle persone colpite.
In alcuni casi, i farmaci possono essere utilizzati per gestire i sintomi, come farmaci antiepilettici per controllare le convulsioni o farmaci antipsicotici per gestire i cambiamenti comportamentali. Inoltre, la terapia fisica e la riabilitazione possono essere utili per mantenere la mobilità e la funzione nelle persone affette.
Le misure preventive sono fondamentali anche per limitare la diffusione delle malattie da prioni. Ciò include evitare l’esposizione a tessuti infetti e seguire rigorosi protocolli di controllo delle infezioni nelle strutture sanitarie. Inoltre, misure come lo screening delle donazioni di sangue e organi per i prioni e l’attuazione di adeguate procedure di sterilizzazione e decontaminazione possono aiutare a prevenire la diffusione delle infezioni da prioni.
La ricerca sulle malattie da prioni è in corso e gli scienziati stanno esplorando potenziali trattamenti come l’immunoterapia, che prevede l’uso di anticorpi per mirare e rimuovere le molecole di PrP mal ripiegate. Tuttavia, resta ancora molto lavoro da fare prima che possano essere sviluppati trattamenti efficaci.
Ruolo dei mitocondri nella patogenesi delle malattie da prioni
Secondo le stime attuali, circa 1-2 milioni di persone in tutto il mondo sono affette da malattie da prioni (Zambrano et al. 2022). Queste proteine prioniche infettive e in propagazione si raggruppano nelle cellule cerebrali dove inducono la morte cellulare e la degenerazione dei tessuti. Meccanicamente, i prioni inducono cambiamenti patologici nel metabolismo cellulare e nella produzione di energia attraverso la loro capacità di danneggiare i mitocondri e compromettere la funzione mitocondriale (Zambrano et al. 2022).
Inoltre, i criceti con malattia da prioni mostrano una diminuzione statisticamente significativa della respirazione mitocondriale insieme a un aumento dello stress ossidativo (Faris et al. 2017; Choi et al. 1998). Zambrano e colleghi (Zambrano et al. 2022) hanno ipotizzato che gli interventi progettati per preservare la funzione mitocondriale potrebbero aiutare le cellule a resistere alla rapida diffusione di questi agenti e al danno provocato da queste proteine prioniche mal ripiegate, e potrebbero persino promuoverne l’eliminazione.
Seguendo questa linea di pensiero, ipotizziamo che i mitocondri disfunzionali possano essere più suscettibili alle infezioni e più efficaci nel generare e propagare proteine prioniche mal ripiegate, contribuendo così alla patogenesi della malattia da prioni.
Il targeting mitocondriale e la loro maggiore sensibilità alle specie reattive dell’ossigeno e dell’azoto (ROS e RNS, rispettivamente) sottolineano il ruolo di questi organelli nella patogenesi dei disordini da prioni. La sovrapproduzione e l’accumulo sia di ROS che di RNS, combinati con una risposta inadeguata da parte dei sistemi enzimatici antiossidanti, distrugge i lipidi cellulari, le proteine, il DNA e l’RNA (Islam 2017; Benz et al. 2002), compresi quelli associati ai mitocondri.
I contributi dello stress ossidativo sono stati collegati alle eziologie di numerose malattie neurodegenerative (NDD), tra cui il morbo di Alzheimer, la sclerosi laterale amiotrofica, l’atassia di Friedreich, la malattia di Huntington, la sclerosi multipla e il morbo di Parkinson (Islam 2017; de la Torre e Stefano 2000). . Inoltre, si può supporre che lo stress ossidativo in corso possa esacerbare il ripiegamento errato delle proteine e portare ad altri NDD (Islam 2017; de la Torre e Stefano 2000).
In particolare, il controllo di qualità mitocondriale aberrante (cioè la mitofagia disfunzionale) è stato implicato come contributo alla patogenesi di numerose malattie umane, tra cui cancro, disfunzione cardiaca e disturbi neurologici, in particolare la malattia da prioni (Kim et al. 2022). Ad esempio, Kim e colleghi (Kim et al. 2022). ha utilizzato modelli sperimentali con infezione da scrapie per esplorare il ruolo del controllo di qualità mitocondriale nella patogenesi della malattia.
Tra le loro scoperte, hanno riferito che l’infezione da scrapie ha portato all’induzione di specie mitocondriali reattive dell’ossigeno (mtROS) e alla perdita del potenziale di membrana mitocondriale (ΔΨm). Queste risposte iniziali hanno portato a una maggiore fosforilazione della proteina 1 correlata alla dinamina (Drp1) a Ser616 e seguita dalla sua traslocazione nei mitocondri seguita da un’eccessiva mitofagia.
La fissione mitocondriale aberrante associata all’infezione e la mitofagia hanno anche portato ad un aumento della segnalazione apoptotica, cioè l’attivazione della caspasi 3 e la scissione della poli (ADP-ribosio) polimerasi. Questi risultati suggeriscono che l’infezione da scrapie ha portato a compromissioni nei processi di controllo della qualità mitocondriale seguiti dalla morte delle cellule neuronali. Collettivamente, questi meccanismi possono svolgere ruoli importanti nella neuropatogenesi delle malattie da prioni.
Malattie da prioni e SARS-CoV-2
Secondo la nostra attuale comprensione, il ripiegamento errato della proteina prionica cellulare (PrPC) nella sua isoforma patologica (PrPSc) è patognomonico della malattia prionica primaria (Hara et al. 2021). È interessante notare che Hara e colleghi (Hara et al. 2021) hanno eseguito una serie di esperimenti che hanno rivelato che l’infezione con un ceppo neurotropico del virus dell’influenza A (IAV/WSN) ha provocato l’errato ripiegamento di PrPC in PrPSc e la generazione di prioni infettivi nel topo cellule di neuroblastoma.
Questi risultati suggeriscono che l’infezione con un virus non correlato può indurre il misfolding di PrPC in PrPSc e la formazione di prioni infettivi. Recentemente, Young e colleghi (Young et al. 2020) hanno descritto un uomo le cui prime manifestazioni della malattia di Creutzfeldt-Jakob (CJD) si sono verificate in tandem con l’insorgenza sintomatica della malattia da Coronavirus-2019 (COVID-19).
La proteina prionica cellulare (PrPC) e la sua isoforma patologica (PrPSc) sono due diverse conformazioni della stessa proteina, PrP, che svolge un ruolo critico nello sviluppo delle malattie da prioni. La PrPC è la forma normale e sana della proteina presente sulla superficie di molti tipi di cellule, in particolare nel cervello e nel sistema nervoso. La PrPSc, d’altra parte, è la forma mal ripiegata e patologica della proteina associata alle malattie da prioni.
La conversione di PrPC in PrPSc comporta un cambiamento conformazionale nella struttura proteica. Il PrPC ha una struttura prevalentemente alfa-elicoidale ed è solubile, il che significa che è facilmente solubile in acqua. Al contrario, PrPSc ha un contenuto di fogli beta più elevato, che gli fa adottare una forma aggregata insolubile resistente alla degradazione da parte degli enzimi cellulari.
Il meccanismo preciso con cui PrPSc induce il misfolding di PrPC non è ancora del tutto chiaro. Tuttavia, si ritiene che PrPSc agisca come un modello, legandosi a PrPC e inducendolo a subire un cambiamento conformazionale, portando alla conversione di PrPC in PrPSc. Questa conversione si traduce nell’accumulo di aggregati di PrPSc, che possono ulteriormente indurre il ripiegamento errato di più molecole di PrPC in modo autopropagante.
L’accumulo di aggregati di PrPSc è un segno distintivo delle malattie da prioni e si ritiene che questi aggregati interrompano i normali processi cellulari e inducano tossicità cellulare, portando al danno osservato nelle malattie da prioni. Gli esatti meccanismi con cui gli aggregati di PrPSc causano danni cellulari sono complessi e sfaccettati. Possono innescare risposte allo stress cellulare, interrompere le membrane cellulari, interferire con la normale omeostasi proteica e indurre infiammazione, portando a disfunzione neuronale e alla fine alla morte cellulare.
Inoltre, gli aggregati di PrPSc possono propagarsi e diffondersi alle cellule vicine, amplificando l’accumulo di PrP mal ripiegato e il conseguente danno. Questo processo di propagazione può avvenire attraverso vari meccanismi, tra cui il contatto diretto cellula-cellula, il rilascio di aggregati di PrPSc nello spazio extracellulare e l’assorbimento di aggregati di PrPSc da parte delle cellule vicine. Una volta all’interno delle cellule, la PrPSc può innescare un ulteriore ripiegamento errato della PrPC, perpetuando il ciclo di propagazione della PrPSc e il danno cellulare.
L’accumulo di PrPSc nelle malattie da prioni è stato collegato a varie patologie cellulari, tra cui disfunzione sinaptica, neuroinfiammazione e morte neuronale. Queste patologie possono provocare una vasta gamma di sintomi clinici, a seconda della posizione e dell’entità del danno nel cervello.
Ad esempio, nella malattia di Creutzfeldt-Jakob (CJD), la malattia da prioni umana più comune, l’accumulo di PrPSc colpisce principalmente il cervello e porta a demenza rapidamente progressiva, rigidità muscolare e movimenti involontari. Al contrario, nella variante CJD (vCJD), che si pensa sia causata dall’esposizione all’encefalopatia spongiforme bovina (BSE), l’accumulo di PrPSc si verifica principalmente nei tessuti linfatici, con successiva diffusione al cervello. La vCJD è associata a una presentazione clinica distinta, inclusi sintomi psichiatrici, disturbi sensoriali e un decorso della malattia più prolungato.
Le malattie da prioni sono anche associate ad altri disturbi neurodegenerativi, come l’Alzheimer e il Parkinson, che sono caratterizzati dall’accumulo di proteine mal ripiegate nel cervello. Ci sono prove che la diffusione di PrPSc nel cervello possa condividere alcune somiglianze con la diffusione di proteine patologiche in queste altre malattie neurodegenerative, incluso il coinvolgimento di percorsi cellulari come l’autofagia e la degradazione lisosomiale.
Attingendo da recenti scoperte incentrate sulla patogenesi della malattia da prioni insieme alla nostra attuale comprensione delle risposte immunitarie a SARS-CoV-2, Young e colleghi (Young et al. 2020) hanno ipotizzato che la cascata di mediatori infiammatori sistemici sintetizzati e rilasciati in risposta all’infezione da SARS-CoV-2 servono ad accelerare lo sviluppo della malattia da prioni preesistente.
Recentemente, il nostro gruppo e altri hanno speculato sulla natura di potenziali nuovi meccanismi neuropatologici molecolari associati a COVID-19, che coinvolgono la bioenergetica mitocondriale (Singh et al. 2020; Wu et al. 2020; Wang et al. 2020) e il targeting di mediata dai mitocondri percorsi di segnalazione in risposta alle sequele infiammatorie dell’infezione da SARS-CoV-2 (Stefano e Kream 2022b; Stefano et al. 2022).
È interessante notare che il trasferimento del DNA dai mitocondri al genoma delle cellule eucariotiche rappresenta un vecchio fenomeno evolutivo, precedente alla speciazione umana (Wei et al. 2022). Tuttavia, una recente ricerca di Wei e colleghi dimostra che è in corso un trasferimento di DNA mitocondriale nel genoma contenente il nucleo (segmenti mitocondriali nucleari (NUMT)).
Inoltre, i processi di metilazione hanno inibito l’espressione di questo materiale genetico, tuttavia alcuni segmenti, una minoranza, sono espressi. Ipotizziamo che questo fenomeno comune e antico possa essere coinvolto nella strategia virale di colpire i mitocondri, portando all’alterazione del genoma delle cellule eucariotiche e all’accesso da cui emergono proteine aberranti. Qui, questo fenomeno può diventare più evidente dal punto di vista comportamentale nei neuroni accoppiati alla cognizione poiché sono suscettibili a un ridotto apporto energetico.
I mitocondri sono fonti critiche di ATP e sono quindi di fondamentale importanza nelle cellule eucariotiche, in particolare quelle che contribuiscono alla funzione del sistema nervoso, cardiaco e immunitario. L’ATP è richiesto anche dai sistemi responsabili dell’eliminazione dei depositi patologici, comprese le placche di amiloide-beta nel cervello che sono caratteristiche della malattia di Alzheimer (Zattoni et al. 2022; Colini Baldeschi et al. 2022). Pertanto, le sequele neurologiche a lungo termine dell’infezione da SARS-CoV-2 potrebbero comportare un’infezione virale diretta dei mitocondri.
In alternativa, l’infezione virale può avere un impatto indiretto su questo organello attraverso un meccanismo che si traduce in una compromissione a lungo termine e nell’incapacità di svolgere le sue attività biologiche. I risultati di un recente studio di modellazione computazionale hanno rivelato un arricchimento localizzato di sequenze genomiche e subgenomiche di SARS-CoV-2, in particolare sequenze di RNA non tradotte 5′ e 3′, all’interno di una matrice mitocondriale della cellula ospite e in strutture nucleolari.
La possibilità che il materiale genetico SARS-CoV-2 possa risiedere nei mitocondri dell’ospite e potenzialmente integrarsi nel genoma mitocondriale dell’ospite suggerisce che questo virus possa avere accesso diretto al centro metabolico della cellula e sovvertire il sistema metabolico dell’ospite in condizioni favorevoli per crescita e replicazione del virus (Stefano et al. 2021; Stefano e Kream 2022a; Singh et al. 2020). Un meccanismo che coinvolge il controllo virale del metabolismo mitocondriale potrebbe anche spiegare la disfunzione neurologica a lungo termine che spesso deriva dall’infezione da SARS-CoV-2.
L’infezione della microglia può portare a una compromissione dell’idoneità metabolica e quindi alla riduzione dell’autofagia e al supporto metabolico delle funzioni di base, come la rimozione di placche e depositi patologici. A lungo termine, la disfunzione microgliale associata al virus potrebbe portare al declino neurocognitivo, che è tra i concetti emergenti nella fisiopatologia della malattia di Alzheimer (Ulland et al. 2017; Stefano et al. 2020).
È importante riconoscere che il dirottamento virale della funzione metabolica cellulare non è esclusivo della SARS-CoV-2 o persino dei coronavirus. Questo meccanismo è stato proposto per spiegare le sequele di altre infezioni da virus, tra cui Ebola, Zika e influenza A (Dutta et al. 2020). Ipotizziamo che anche la disfunzione mitocondriale possa contribuire alla patogenesi delle malattie da prioni.
In un’analisi dettagliata recentemente pubblicata della fase post-acuta di COVID-19, Xu e colleghi (Xu et al. 2022) hanno documentato che gli individui che si erano ripresi da questa malattia erano a maggior rischio di numerose sequele neurologiche, tra cui ischemiche ed emorragiche ictus, disturbi cognitivi e della memoria, disturbi del sistema nervoso periferico, disturbi episodici (p. es., emicrania e convulsioni), disturbi extrapiramidali e del movimento, disturbi della salute mentale, disturbi muscoloscheletrici, disturbi sensoriali, sindrome di Guillain-Barré ed encefalite/encefalopatia, compresi quelli che non ha richiesto il ricovero per malattia acuta (Xu et al. 2022). Presi insieme, questi risultati forniscono la prova di un aumento del rischio di disturbi neurologici a lungo termine in associazione con COVID-19.
In un recente rapporto è stato determinato che la stima dei livelli di cellule eucariotiche e batteriche umane è la stessa (circa 1013), che si verifica alla stessa concentrazione osservata per i virus pari alla concentrazione batterica totale (Liang e Bushman 2021; Shkoporov e Hill 2019) .
Considerando l’origine procariotica dei mitocondri e che le cellule eucariotiche hanno il potenziale per ospitare migliaia di questi organelli fondamentalmente distinti, si può supporre che la “cellula più avanzata” dipenda fortemente da entità che si sono evolute molto prima nell’evoluzione. Pertanto, la natura simultanea e interattiva dell’evoluzione che coinvolge queste entità emerge come componenti più complesse e diversificate della vita di una cellula eucariotica.
Pertanto, fattori che modificano e/o inibiscono la normale comunicazione batterica e virale con l’“ospite” modificherebbero anche i processi cellulari eucariotici, contribuendo alla disfunzione di un organismo. Ciò spiegherebbe anche l’impatto negativo dei microbi non indigeni. Inoltre, poiché virus, batteri e cellule eucariotiche, in parte, comunicano e dirigono la sintesi delle proteine per svolgere le loro strategie riproduttive associate per l’esistenza, queste proteine potrebbero casualmente dirigere la propria sintesi, cioè bypassare la necessità di direzione dell’acido nucleico, ad esempio, prioni. Ipotizziamo che il prione rappresenti un passo falso nell’evoluzione dato il potenziale delle proteine di cambiare forma e il loro aspetto spontaneo sotto stress cellulare e stabilità per il trasferimento inter-organismico e quindi l’emergere come entità patologiche.
collegamento di riferimento:
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