COVID-19 è una malattia respiratoria che colpisce principalmente i polmoni. Tuttavia, il virus SARS-CoV-2 responsabile, ha sorpreso medici e scienziati causando a una percentuale insolitamente alta di pazienti complicazioni vascolari, ovvero problemi correlati al flusso sanguigno, come coaguli di sangue, infarti e ictus.
Il membro fondatore del Whitehead Institute Rudolf Jaenisch e i colleghi volevano capire come questo virus respiratorio potesse avere effetti vascolari così significativi. Hanno utilizzato cellule staminali pluripotenti per generare tre tipi di cellule vascolari e perivascolari rilevanti, cellule che circondano e aiutano a mantenere i vasi sanguigni, in modo da poter osservare da vicino gli effetti del SARS-CoV-2 sulle cellule.
Invece di utilizzare i metodi esistenti per generare le cellule, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo approccio, che ha fornito loro nuove informazioni sui meccanismi attraverso i quali il virus causa problemi vascolari.
I ricercatori hanno scoperto che SARS-CoV-2 infetta principalmente le cellule perivascolari e che i segnali provenienti da queste cellule infette sono sufficienti a causare disfunzioni nelle cellule vascolari vicine, anche quando le cellule vascolari non sono esse stesse infette.
Nel loro articolo pubblicato sulla rivista Nature Communications, Jaenisch, la ricercatrice postdoc nel suo laboratorio Alexsia Richards, il Professore dell’Università di Harvard e membro del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering David Mooney e l’allora ricercatore postdoc nei laboratori Jaenisch e Mooney, Andrew Khalil, condividono le loro scoperte e presentano un sistema modello scalabile derivato da cellule staminali con cui studiare la biologia delle cellule vascolari e testare terapie mediche.
Un nuovo problema richiede un nuovo approccio
Quando è iniziata la pandemia di COVID-19, Richards, una virologa, ha rapidamente spostato la sua attenzione sul SARS-CoV-2. Khalil, un bioingegnere, stava già lavorando a un nuovo approccio per generare cellule vascolari. I ricercatori hanno capito che una collaborazione avrebbe potuto fornire a Richards lo strumento di ricerca di cui aveva bisogno e a Khalil un’importante domanda di ricerca a cui il suo strumento avrebbe potuto essere applicato.
I tre tipi di cellule generati dall’approccio di Khalil erano cellule endoteliali (le cellule vascolari che formano il rivestimento dei vasi sanguigni) e cellule muscolari lisce e periciti (cellule perivascolari che circondano i vasi sanguigni e forniscono loro struttura e manutenzione, tra le altre funzioni). La più grande innovazione di Khalil è stata quella di generare tutti e tre i tipi di cellule nello stesso mezzo, la miscela di nutrienti e molecole di segnalazione in cui vengono coltivate le cellule derivate dalle cellule staminali.
La combinazione dei segnali nel mezzo determina il tipo di cellula finale in cui maturerà una cellula staminale, quindi è molto più facile far crescere ogni tipo di cellula separatamente in un mezzo appositamente studiato piuttosto che trovare una miscela che funzioni per tutti e tre.
“In genere“, spiega Richards, “i virologi genereranno un tipo di cellula desiderato utilizzando il metodo più semplice, ovvero coltivando ogni tipo di cellula e poi osservando gli effetti dell’infezione virale su di essa in isolamento. Tuttavia, questo approccio può limitare i risultati in diversi modi. Innanzitutto, può rendere difficile distinguere le differenze nel modo in cui i tipi di cellule reagiscono a un virus dalle differenze causate dalle cellule coltivate in diversi terreni. Costruendo queste cellule in condizioni identiche, abbiamo potuto osservare con una risoluzione molto più elevata gli effetti del virus su queste diverse popolazioni cellulari, e questo è stato essenziale per formulare una solida ipotesi sui meccanismi del rischio e della progressione dei sintomi vascolari“, afferma Khalil.
In secondo luogo, infettare tipi di cellule isolate con un virus non rappresenta accuratamente ciò che accade nel corpo, dove le cellule sono in costante comunicazione mentre reagiscono all’esposizione virale. In effetti, il lavoro di Richards e Khalil ha infine rivelato che la comunicazione tra tipi di cellule infette e non infette svolge un ruolo critico negli effetti vascolari del COVID-19.
“Il campo della virologia spesso trascura l’importanza di considerare come le cellule influenzano altre cellule e di progettare modelli che riflettano ciò“, afferma Richards. “Le cellule non vengono infettate in isolamento e il valore del nostro modello è che ci consente di osservare cosa accade tra le cellule durante l’infezione“.
L’infezione virale delle cellule muscolari lisce ha effetti più ampi e indiretti
Quando i ricercatori hanno esposto le loro cellule al SARS-CoV-2, le cellule muscolari lisce e i periciti si sono infettati, le prime a livelli particolarmente elevati, e questa infezione ha portato a una forte espressione genica infiammatoria, ma le cellule endoteliali hanno resistito all’infezione. Le cellule endoteliali hanno mostrato una certa risposta all’esposizione virale, probabilmente a causa delle interazioni con le proteine sulla superficie del virus. In genere, le cellule endoteliali premono strettamente insieme per formare una barriera solida che trattiene il sangue all’interno dei vasi sanguigni e impedisce ai virus di uscire.
Quando esposte al SARS-CoV-2, le giunzioni tra le cellule endoteliali sembravano indebolirsi leggermente. Le cellule presentavano anche livelli aumentati di specie reattive dell’ossigeno, che sono sottoprodotti dannosi di alcuni processi cellulari.
Tuttavia, grandi cambiamenti nelle cellule endoteliali si sono verificati solo dopo che le cellule sono state esposte a cellule muscolari lisce infette. Ciò ha innescato alti livelli di segnalazione infiammatoria all’interno delle cellule endoteliali. Ha portato a cambiamenti nell’espressione di molti geni rilevanti per la risposta immunitaria. Alcuni dei geni interessati erano coinvolti nei percorsi di coagulazione, che addensano il sangue e quindi possono causare coaguli di sangue ed eventi vascolari correlati.
Le giunzioni tra le cellule endoteliali hanno subito un indebolimento molto più significativo dopo l’esposizione a cellule muscolari lisce infette, il che porterebbe a perdite di sangue e diffusione virale. Tutti questi cambiamenti si sono verificati senza che SARS-CoV-2 abbia mai infettato le cellule endoteliali.
Questo lavoro dimostra che l’infezione virale delle cellule muscolari lisce e la conseguente segnalazione alle cellule endoteliali è il perno del danno vascolare causato da SARS-CoV-2. Ciò non sarebbe stato evidente se i ricercatori non fossero stati in grado di osservare le cellule interagire tra loro.
Rilevanza clinica dei risultati sulle cellule staminali
Gli effetti osservati dai ricercatori erano coerenti con i dati dei pazienti. Alcuni dei geni la cui espressione è cambiata nel loro modello derivato dalle cellule staminali erano stati identificati come marcatori di alto rischio di complicazioni vascolari nei pazienti COVID-19 con infezioni gravi.
Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che un ceppo successivo di SARS-CoV-2, una variante omicron, aveva effetti molto più deboli sulle cellule vascolari e perivascolari rispetto al ceppo virale originale. Ciò è coerente con i livelli ridotti di complicazioni vascolari osservati nei pazienti COVID-19 infettati da ceppi recenti.
Dopo aver identificato le cellule muscolari lisce come il sito principale dell’infezione da SARS-Cov-2 nel sistema vascolare, i ricercatori hanno poi utilizzato il loro sistema modello per testare la capacità di un farmaco di prevenire l’infezione delle cellule muscolari lisce. Hanno scoperto che il farmaco, N, N-dimetil-D-eritro-sfingosina, potrebbe ridurre l’infezione del tipo di cellula senza danneggiare le cellule muscolari lisce o endoteliali.
Sebbene la prevenzione delle complicazioni vascolari del COVID-19 non sia una necessità così urgente con gli attuali ceppi virali, i ricercatori vedono questo esperimento come la prova che il loro modello di cellule staminali potrebbe essere utilizzato per lo sviluppo futuro di farmaci.
Nuovi coronavirus e altri patogeni si evolvono frequentemente e quando un futuro virus causa complicazioni vascolari, questo modello potrebbe essere utilizzato per testare rapidamente i farmaci per trovare potenziali terapie mentre la necessità è ancora elevata. Il sistema modello potrebbe anche essere utilizzato per rispondere ad altre domande sulle cellule vascolari, su come queste cellule interagiscono e su come rispondono ai virus.
“Integrando strategie di bioingegneria nell’analisi di una questione fondamentale nella patologia virale, abbiamo affrontato importanti sfide pratiche nella modellazione delle malattie umane in coltura e acquisito nuove informazioni sull’infezione da SARS-CoV-2“, afferma Mooney.
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“Il nostro approccio interdisciplinare ci ha permesso di sviluppare un modello di cellule staminali migliorato per l’infezione del sistema vascolare”, afferma Jaenisch, che è anche Professore di biologia al Massachusetts Institute of Technology. “Il nostro laboratorio sta già applicando questo modello ad altre questioni di interesse e speriamo che possa essere uno strumento prezioso per altri ricercatori”.
Fonte:Nature Communications