Immagine: immagine al microscopio elettronico a scansione mostra SARS-CoV-2 (arancione), noto anche come 2019-nCoV, il virus che causa COVID-19, isolato da un paziente negli Stati Uniti, che emerge dalla superficie delle cellule (verdi) coltivate negli laboratorio. Credit: NIAID-RML.
Ricercatori del MIT; il Ragon Institute di MGH, MIT e Harvard; e il Broad Institute of MIT e Harvard, insieme a colleghi di tutto il mondo, hanno identificato specifici tipi di cellule che sembrano essere bersagli del coronavirus SARS-CoV-2 che sta causando la pandemia di Covid-19.
Utilizzando i dati esistenti sull’RNA trovati in diversi tipi di cellule, i ricercatori sono stati in grado di trovare le cellule che esprimono le due proteine che aiutano il virus SARS-CoV-19 a entrare nelle cellule umane. Hanno trovato sottoinsiemi di cellule polmonari, passaggi nasali e intestino che esprimono l’RNA per entrambe queste proteine molto più di altre cellule.
I ricercatori sperano che le loro scoperte aiuteranno gli scienziati che stanno lavorando allo sviluppo di nuovi trattamenti farmacologici o alla sperimentazione di farmaci esistenti che potrebbero essere riproposti per il trattamento di Covid-19.
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“Il nostro obiettivo è quello di fornire informazioni alla comunità e di condividere i dati non appena umanamente possibile, in modo da poter aiutare ad accelerare gli sforzi in atto nelle comunità scientifiche e mediche”, afferma Alex K. Shalek, Pfizer-Laubach Career Development Professore associato di Chimica, membro principale dell’Institute for Medical Engineering and Science (IMES) del MIT, membro extramurale del Koch Institute for Integrative Cancer Research, membro associato del Ragon Institute e membro dell’Istituto presso il Broad Institute.
Shalek e Jose Ordovas-Montanes, un ex postdoc del MIT che ora gestisce il suo laboratorio al Boston Children’s Hospital, sono gli autori senior dello studio, che appare oggi in Cell. Gli autori principali del documento sono gli studenti del MIT Carly Ziegler, Samuel Allon e Sarah Nyquist e Ian Mbano, ricercatore presso l’Africa Health Research Institute di Durban, in Sudafrica.
Scavando nei dati
Non molto tempo dopo l’inizio dell’epidemia di SARS-CoV-2, gli scienziati hanno scoperto che la proteina “spike” virale si lega a un recettore sulle cellule umane noto come enzima di conversione dell’angiotensina 2 (ACE2). Un’altra proteina umana, un enzima chiamato TMPRSS2, aiuta ad attivare la proteina spike del coronavirus. L’associazione e l’attivazione combinate consentono al virus di entrare nelle cellule ospiti. “Non appena ci siamo resi conto che il ruolo di queste proteine era stato confermato biochimicamente, abbiamo iniziato a cercare di vedere dove fossero quei geni nei nostri set di dati esistenti”, afferma Ordovas-Montanes. “Eravamo davvero in una buona posizione per iniziare a indagare quali sono le cellule che questo virus effettivamente colpisce”.
Il laboratorio di Shalek e molti altri laboratori in tutto il mondo hanno condotto studi su larga scala su decine di migliaia di cellule umane, primati e di topo, usando la tecnologia di sequenziamento dell’RNA a cellula singola per determinare quali geni sono attivati in un dato tipo di cellula. Dall’anno scorso, Nyquist ha creato un database con i partner del Broad Institute per archiviare una vasta raccolta di questi set di dati in un unico posto, consentendo ai ricercatori di studiare i ruoli potenziali di determinate cellule in una varietà di malattie infettive.
Gran parte dei dati provengono da laboratori appartenenti al progetto Human Cell Atlas, il cui obiettivo è quello di catalogare i modelli distintivi dell’attività genetica per ogni tipo di cellula nel corpo umano. I set di dati utilizzati dal team del MIT per questo studio includevano centinaia di tipi di cellule provenienti da polmoni, passaggi nasali e intestino. I ricercatori hanno scelto quegli organi per lo studio Covid-19 perché prove precedenti avevano indicato che il virus può infettare ciascuno di essi. Hanno quindi confrontato i loro risultati con i tipi di cellule di organi non affetti.
Nei passaggi nasali, i ricercatori hanno scoperto che le cellule calciformi, che producono muco, esprimono RNA per entrambe le proteine che SARS-CoV-2 utilizza per infettare le cellule. Nei polmoni, hanno trovato gli RNA per queste proteine principalmente nelle cellule chiamate pneumociti di tipo II. Queste cellule rivestono gli alveoli (sacche d’aria) dei polmoni e sono responsabili di tenerli aperti. Nell’intestino, hanno scoperto che le cellule chiamate enterociti assorbenti, che sono responsabili dell’assorbimento di alcuni nutrienti, esprimono gli RNA per queste due proteine più di qualsiasi altro tipo di cellula intestinale. “Questa potrebbe non essere la storia completa, ma sicuramente dipinge un quadro molto più preciso di dove può trovarsi il virus, rispetto a quello che sapevamo prima”, dice Ordovas-Montanes. “Ora possiamo dire con un certo livello di fiducia che questi recettori sono espressi su queste cellule specifiche in questi tessuti”.
Combattere l’infezione
Nei loro dati, i ricercatori hanno anche visto un fenomeno sorprendente: l’espressione del gene ACE2 sembrava essere correlata con l’attivazione di geni che sono noti per essere attivati dall’interferone, una proteina che il corpo produce in risposta all’infezione virale. Per esplorare ulteriormente questo risultato, i ricercatori hanno eseguito nuovi esperimenti in cui hanno trattato le cellule che rivestono le vie aeree con l’interferone e hanno scoperto che il trattamento ha effettivamente attivato il gene ACE2.
L’interferone aiuta a combattere le infezioni interferendo con la replicazione virale e aiutando ad attivare le cellule immunitarie. Accende anche un insieme distintivo di geni che aiutano le cellule a combattere le infezioni. Precedenti studi hanno suggerito che l’ACE2 svolge un ruolo nell’aiutare le cellule polmonari a tollerare il danno, ma questa è la prima volta che l’ACE2 è stato collegato alla risposta dell’interferone.
La scoperta suggerisce che i coronavirus potrebbero essersi evoluti per sfruttare le difese naturali delle cellule ospiti, dirottando alcune proteine per il loro uso.
“Poiché disponiamo di questo incredibile archivio di informazioni, siamo stati in grado di iniziare a esaminare quali potrebbero essere le cellule bersaglio dell’infezione“, afferma Shalek.
“Questo non è l’unico esempio”, dice Ordovas-Montanes.” Ci sono altri esempi di coronavirus e altri virus che in realtà colpiscono i geni stimolati dall’interferone come modi per entrare nelle cellule. In un certo senso, è la risposta più affidabile dell’host”. Poiché l’interferone ha così tanti effetti benefici contro l’infezione virale, a volte viene usato per trattare infezioni come l’epatite B e l’epatite C. I risultati del team del MIT suggeriscono che il potenziale ruolo dell’interferone nella lotta contro Covid-19 può essere complesso. Da un lato, può stimolare i geni che combattono le infezioni o aiutare le cellule a sopravvivere ai danni, ma dall’altro può fornire obiettivi extra che aiutano il virus a infettare più cellule.
“È difficile trarre delle conclusioni generali sul ruolo dell’interferone contro questo virus. L’unico modo in cui inizieremo a capire è attraverso studi clinici attentamente controllati”, afferma Shalek. “Quello che stiamo cercando di fare è diffondere informazioni per aiutare le tante risposte cliniche”.
