(Immagine: cellule polmonari umane (blu) infettate da SARS-CoV-2 (rosso). Per gentile concessione di Hekman, et al. Credito: Hekman, et al.).
E se gli scienziati sapessero esattamente quale impatto ha il virus SARS-CoV-2 all’interno delle nostre cellule polmonari, entro le prime ore dall’infezione? Potrebbero usare queste informazioni per trovare farmaci che interrompano il processo di replicazione del virus prima che sia completamente avviato?
La scoperta che diversi farmaci esistenti approvati dalla FDA, inclusi alcuni originariamente progettati per combattere il cancro, possono fermare il coronavirus nelle sue tracce indica che la risposta è un clamoroso sì.
Un team di ricercatori della Boston University, provenienti dai National Emerging Infectious Diseases Laboratories (NEIDL) della BU, dal Center for Regenerative Medicine (CReM) presso il Medical Campus della BU e dal Center for Network Systems Biology (CNSB) della BU – si è imbarcato per un mese in una ricerca collaborativa e interdisciplinare, combinando più aree di competenza in virologia, ingegneria del tessuto polmonare derivato da cellule staminali e sequenziamento molecolare profondo per iniziare a rispondere a queste domande. I ricercatori hanno infettato simultaneamente decine di migliaia di cellule polmonari umane con il virus SARS-CoV-2, quindi hanno monitorato con precisione cosa accade in tutte quelle cellule durante i primi istanti dopo l’infezione.
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Come se non fosse abbastanza complicato, il team ha dovuto raffreddare l’intera struttura di ricerca ad alto contenimento all’interno del NEIDL a un vivace 61 gradi Fahrenheit.
Qual’è il risultato di quell’impresa impegnativa e massiccia? Il team della BU ha rivelato la mappa più completa fino ad oggi esistente di tutte le attività molecolari che vengono attivate all’interno delle cellule polmonari all’inizio dell’infezione da coronavirus SARS-CoV-2. I ricerrcatori hanno anche scoperto che esistono almeno 18 farmaci approvati dalla FDA che potrebbero essere riutilizzati per combattere le infezioni da COVID-19 poco dopo che una persona è stata infettata. Sperimentalmente, cinque di questi farmaci hanno ridotto la diffusione del coronavirus nelle cellule polmonari umane di oltre il 90%.
I risultati di questo studio sono stati recentemente pubblicati su Molecular Cell.
Ora, i ricercatori rivelano che i collaboratori accademici e industriali di tutto il mondo sono in contatto con il team sui prossimi passi per avviare sperimentazioni cliniche.
(Sebbene i vaccini COVID-19 stiano iniziando a essere lanciati, si prevede che ci vorrà almeno un anno affinché un numero sufficiente di persone venga vaccinato per creare l’immunità di gregge. E non ci sono garanzie che le attuali formulazioni di vaccini saranno altrettanto efficaci contro i futuri ceppi di SARS-CoV-2 che potrebbero emergere nel tempo).
Interventi terapeutici più efficaci e tempestivi potrebbero aiutare a ridurre il numero complessivo di decessi correlati alle infezioni da COVID-19.
“L’aspetto più sorprendente è il numero di percorsi molecolari influenzati dal virus”, afferma Andrew Emili, un altro dei ricercatori senior dello studio e Direttore del CNSB di BU, specializzato in proteomica e sequenziamento profondo delle interazioni molecolari. “Il virus rimodella integralmente le cellule polmonari: è sorprendente il grado in cui il virus requisisce le cellule che infetta“.
I virus non possono replicarsi perché mancano del meccanismo molecolare per la produzione di proteine: ecco perché si affidano alle cellule infettate per dirottare il meccanismo interno delle cellule e utilizzarlo per diffondere il proprio materiale genetico. “Quando SARS-CoV-2 prende il sopravvento, cambia completamente i processi metabolici delle cellule”, dice Emili, “e danneggia persino le membrane nucleari delle cellule entro tre o sei ore dall’infezione”, cosa che il team ha trovato sorprendente.” Al contrario, le cellule infettate dal virus mortale Ebola non mostrano alcun evidente cambiamento strutturale in questi primi momenti di infezione e anche nelle fasi avanzate dell’infezione, la membrana nucleare è ancora intatta”, dice Mühlberger.
La membrana nucleare circonda il nucleo, che contiene la maggior parte delle informazioni genetiche di una cellula, controlla e regola le normali funzioni cellulari. Con il nucleo cellulare compromesso da SARS-CoV-2, le cose prendono rapidamente una brutta piega per l’intera cellula. Sotto assedio, le cellule – che normalmente svolgono un ruolo nel mantenere lo scambio essenziale di ossigeno e anidride carbonica che si verifica quando respiriamo – muoiono. Quando le cellule muoiono, emettono anche segnali di angoscia che aumentano l’infiammazione, innescando una cascata di attività biologica che accelera la morte cellulare e può eventualmente portare a polmonite, distress respiratorio acuto e insufficienza polmonare.
“Non avrei potuto prevedere molti di questi percorsi, la maggior parte dei quali erano una novità per me”, afferma Andrew Wilson, uno degli autori senior dello studio, uno scienziato CReM e pneumologo presso il Boston Medical Center (BMC). Al BMC, l’Ospedale della rete di sicurezza di Boston, Wilson è stato in prima linea nella pandemia COVID-19 da marzo 2020, cercando di curare e salvare i pazienti più malati nella terapia intensiva dell’Ospedale.
Il team ha sfruttato l’esperienza degli organoidi del CReM per far crescere le cellule del sacco d’aria polmonare umano, il tipo di cellula che riveste l’interno dei polmoni. Le cellule del sacco d’aria sono generalmente difficili da coltivare e mantenere nella coltura tradizionale e difficili da estrarre direttamente dai pazienti per scopi di ricerca. Ecco perché molte ricerche sul coronavirus fino ad oggi da parte di altri laboratori si sono basate sull’uso di tipi di cellule più prontamente disponibili, come le cellule renali delle scimmie. Il problema è che le cellule renali delle scimmie non reagiscono all’infezione da coronavirus allo stesso modo delle cellule polmonari umane, rendendole un modello scadente per lo studio del virus – qualunque cosa si apprenda da esse non si traduce facilmente in risultati clinicamente rilevanti per il trattamento di pazienti umani.
“I nostri organoidi, sviluppati dalla nostra facoltà CReM, sono progettati a partire da cellule staminali: non sono identiche alle cellule viventi e respiranti all’interno del nostro corpo, ma sono la cosa più vicina ad esse”, afferma Darrell Kotton, uno degli autori senior dello studio. Kotton è Direttore del CReM e pneumologo presso BMC, dove ha lavorato al fianco di Wilson in terapia intensiva curando i pazienti COVID-19. I due hanno spesso collaborato con Mühlberger, Emili e altri membri del loro gruppo di ricerca.
In un altro recente studio che utilizza le cellule polmonari umane ingegnerizzate dal CReM, il team di ricerca ha confermato che i farmaci esistenti Remdesivir e Camostat sono efficaci nella lotta contro il virus, sebbene nessuno dei due sia una soluzione perfetta per controllare l’infiammazione causata da COVID-19. Remdesivir, un antivirale ad ampio uso, è già stato utilizzato clinicamente nei pazienti con coronavirus. Ma sulla base dei risultati del nuovo studio secondo cui il virus arreca seri danni alle cellule in poche ore, innescando l’infiammazione, i ricercatori affermano che probabilmente non c’è molto che i farmaci antivirali come il Remdesivir possano fare una volta che l’infezione è avanzata al punto in cui qualcuno avrebbe bisogno di un ventilatore in terapia intensiva. “Somministrare Remdesivir non può salvare vite umane se la malattia è già progredita“, dice Emili.
Vedendo quanto magistralmente SARS-CoV-2 requisisce cellule umane e le sovverte per svolgere il lavoro di produzione della replica del genoma virale, ha ricordato ai ricercatori un altro invasore mortale: il tumore.
“Sono rimasto sorpreso dal fatto che ci siano così tante somiglianze tra le cellule tumorali e le cellule infettate da SARS-CoV-2“, dice Mühlberger. Il team ha esaminato una serie di farmaci contro il cancro come parte dello studio e ha scoperto che molti di essi sono in grado di bloccare la moltiplicazione di SARS-CoV-2. Come i virus, le cellule cancerose vogliono replicare i propri genomi, dividendosi più e più volte. Per fare ciò, devono produrre molta pirimidina, un elemento fondamentale per il materiale genetico. L’interruzione della produzione di pirimidina, utilizzando un farmaco contro il cancro progettato a tale scopo, blocca anche la costruzione del genoma del SARS-CoV-2. Ma Mühlberger avverte che i farmaci antitumorali in genere hanno molti effetti collaterali. “Vogliamo davvero usare quei farmaci pesanti contro un virus?” dice. Saranno necessari ulteriori studi per valutare i pro e i contro di un tale approccio.
Fonte:Molecular Cell
I risultati del loro ultimo studio hanno impiegato i quattro ricercatori e scienziati senior, borsisti post-dottorato e studenti laureati dei loro laboratori per quasi quattro mesi, lavorando quasi tutto il giorno, per completare la ricerca. Di fondamentale importanza per i leader del team è stato assicurarsi che la configurazione sperimentale avesse basi solide come la roccia per imitare ciò che sta realmente accadendo quando il virus SARS-CoV-2 infetta le persone.
“La scienza è la risposta: se usiamo la scienza per chiedere alle cellule polmonari cosa va storto quando vengono infettate dal coronavirus, le cellule ce lo diranno”, dice Kotton. “Dati scientifici oggettivi ci danno suggerimenti su cosa fare e hanno lezioni da insegnarci. Possono rivelare una via per uscire da questa pandemia”.
È particolarmente entusiasta del raggio di azione che il team ha ricevuto dai collaboratori di tutto il mondo. “Le persone con esperienza nei supercomputer e nell’apprendimento automatico sono entusiaste di utilizzare questi strumenti e i set di dati della nostra pubblicazione per identificare i bersagli farmacologici più promettenti [per il trattamento di COVID-19]”, afferma.
Kotton afferma che il tema che è diventato ovvio tra i medici e gli scienziati di COVID-19 è capire che il tempismo è la chiave. “Una volta che un paziente è su un ventilatore in terapia intensiva, ci sentiamo limitati in quello che possiamo fare per il loro corpo”, dice. “Il tempismo è tutto, è fondamentale identificare le prime finestre di opportunità di intervento. Puoi continuare a indovinare e sperare che saremo fortunati, oppure [fai la ricerca] per comprendere effettivamente l’infezione sin dal suo inizio e per eliminare le congetture dallo sviluppo del farmaco . “
“Ciò che rende insolita questa ricerca è che abbiamo esaminato i punti temporali [dell’infezione] molto precoci, appena un’ora dopo che il virus ha infettato le cellule polmonari. È stato spaventoso vedere che il virus inizia già a danneggiare le cellule così presto durante l’infezione, “dice Elke Mühlberger, uno dei ricercatori senior dello studio e virologo presso il NEIDL della BU. Di solito lavora con alcuni dei virus più letali al mondo come Ebola e Marburg.
