La pandemia di COVID-19 ha spinto la comunità scientifica a dedicare enormi sforzi all'identificazione e allo sviluppo di nuove strategie farmacologiche per arrestare l'infezione da SARS-CoV-2 (CoV-2). La ricerca scientifica italiana sta sviluppando una nuova strategia di precisione per ostacolare l’infezione del coronavirus e la sua rapida diffusione tra le cellule, destinata a essere la base di un nuovo farmaco, per il quale è già stato depositato un brevetto.
Comprendere il Nemico: Struttura e Funzione del SARS-CoV-2
Per sconfiggere il virus, è fondamentale conoscerne la struttura e il meccanismo di infezione. Come infetta le cellule umane? Come cresce, replica e si sviluppa nelle cellule ospite? Di che cosa ha bisogno per sopravvivere? A molte di queste domande è già stato risposto.
Una particella virale e tutto il macchinario molecolare che usa per replicarsi e sopravvivere nelle cellule ospite non è né visibile a occhio nudo né usando un classico microscopio ottico. È qui che entra in gioco la biologia strutturale, il cui scopo è proprio quello di identificare la struttura tridimensionale delle macromolecole biologiche, come le proteine e gli acidi nucleici, e di correlarla con la loro funzione fisiopatologica. Questa disciplina scientifica si basa su tecniche estremamente avanzate che consentono di visualizzare e analizzare molecole invisibili e di combattere invisibili agenti patogeni.
Il primo isolamento documentato del CoV-2 a partire da campioni prelevati di pazienti infetti è stato realizzato all’ospedale Spallanzani di Roma e ha permesso di intraprendere lo studio del nuovo agente patogeno virale in diversi laboratori a livello internazionale. Le immagini delle particelle virali, isolate da persone di tutto il mondo, sono state ottenute usando un microscopio particolate che sfrutta elettroni anziché fotoni come sorgente di radiazione, ossia il microscopio elettronico a trasmissione (TEM). Le proprietà ottiche degli elettroni rendono possibile osservare oggetti fino a 1-10 000 volte più piccoli di 1 µm (10−6 m).
Ora sappiamo che il CoV-2 fa parte, più nello specifico, dei β-coronavirus, costituiti da un RNA a singolo filamento con senso positivo (v. Il mondo sorpredente del genoma di SARS-CoV-2), di circa 29,9 kilobasi (kb; 1 kilobase = 1000 basi). Una particella virale (il virione) di CoV-2 ha un nucleocapside composto dall’RNA genomico e ricoperto da proteine fosforilate che interagiscono con la membrana virale durante l’assemblaggio del virione, giocando un ruolo critico nel potenziare la replicazione del virus.
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L’RNA genomico e il nucleocapside sono avvolti da un doppio strato di fosfolipidi in cui sono immerse diverse proteine che svolgono ruoli cruciali per l’infezione e la replicazione: la proteina S, la proteina di membrana (M), l’emoagglutinina esterasi (HE) e la proteina del rivestimento (E).
Durante l’infezione della cellula ospite, il genoma virale agisce come RNA messaggero (v. Il mondo sorpredente del genoma di SARS-CoV-2) e dirige la sintesi di due grandi poliproteine (pp1a e pp1ab) che contengono al loro interno proteine più piccole necessarie alla produzione di nuove particelle virali all’interno delle cellule infette. Tale insieme di proteine comprende: un complesso di replicazione/trascrizione, diverse proteine strutturali necessarie a costruire virioni e due proteasi.
La Proteina Spike e il Recettore ACE2: Una Coppia Chiave per l'Infezione
SARS-CoV-2 è stato spesso rappresentato come un riccio ricoperto di aculei, le proteine spike, appunto, che si legano alle cellule attraverso un recettore presente sulla membrana di queste ultime, chiamato ACE2. Il virus per poter entrare nella cellula ospite sfrutta l’alta affinità di legame tra il receptorbinding domain (RBD) della proteina Spike (S) con il recettore dell’angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) espresso sulla superficie della cellula ospite. In seguito, la serina prodotta dal gene TMPRSS2 (transmembrane serine protease 2) taglia (clivage) la proteina S, costituita da due unità funzionali S1 e S2, responsabili rispettivamente del legame al recettore ACE2 e della fusione della membrana cellulare con quella virale, consentendo al virus di sfuggire al controllo da parte del sistema immunitario dell’ospite (escape).
La subunità S1 della proteina spike di SARS-CoV-2 è una regione molto flessibile e contiene il meccanismo chiamato RBD (dall’inglese receptor-binding domain, “dominio che lega il recettore”), attraverso il quale il virus è in grado di riconoscere e legare il recettore ACE2, che è la porta di ingresso del virus nelle cellule del nostro organismo. Per via della sua fondamentale importanza nel processo di infezione, la proteina spike di SARS-CoV-2 è uno dei bersagli farmacologici più studiati.
La proteina S è una delle più interessanti e studiate tra quelle che contribuiscono al legame con il recettore dell’ospite e alla patogenesi virale. La proteina S “decora” la superficie del virus ed è responsabile per l’aspetto a corona della superficie virale, da cui il nome coronavirus. Questa è usata dal virus come una chiave per entrare nelle cellule ospite. Agisce legando il recettore sulle cellule bersaglio, induce l’endocitosi dei virioni e catalizza la fusione tra le membrane cellulari e virali, assicurando l’ingresso dell’RNA genomico virale nel citoplasma delle cellule.
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La proteina S rappresenta anche il bersaglio principale del sistema immunitario, attivandolo e inducendo la produzione di anticorpi. Per questa ragione è considerata il bersaglio primario di farmaci antivirali e vaccini.
L’organizzazione strutturale di CoV-2-S è molto simile a quella delle proteina S di altri coronavirus come SARS-CoV e MERS-CoV. Essa è una proteina trimerica transmembrana formata da tre unità identiche, dette protomeri.
Ogni protomero di CoV-2-S comprende due subunità funzionali: una responsabile per il legame al recettore sulle cellule bersaglio (la subunità S1) e l’altra coinvolta nella fusione con la membrane cellulare (subunità S2). La CoV-2-S, come varie proteine spike di altri SARSr-CoV, è tagliata da proteasi cellulari al confine tra le subunità S1 ed S2, generando due regioni separate che rimangono legate in modo non covalente nella cosiddetta “conformazione di prefusione”. Infatti, CoV-2-S esiste in due differenti conformazioni, chiamate “su” (up) e “giù” (down).
Nella conformazione “giù”, la CoV-2-S non può mediare la fusione della CoV-2 con la membrana della cellula ospite.
Il Ruolo della Proteina Spike nel Danno Vascolare
Uno dei più recenti studi ha messo in luce il ruolo della proteina spike nel danno vascolare. Il lavoro pubblicato su Circulation Research mostra che il danno alle superfici interne dei vasi sanguigni, dette endoteli, può essere provocato da questa proteina da sola, anche senza il materiale genetico necessario per infettare le cellule. Ma sottolinea anche che, perché questo fenomeno avvenga, è indispensabile l’interazione tra la proteina spike e il suo recettore ACE2. Non è insomma un danno meccanico, come si potrebbe superficialmente pensare guardando le immagini in cui il virus scorre nel sangue con tutte le sue punte esposte.
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Nuove Strategie Terapeutiche: Aptameri di DNA contro il Recettore ACE2
Gli scienziati Paolo Ciana (Università degli Studi di Milano, docente di Farmacologia), Vincenzo Lionetti (Scuola Superiore Sant'Anna, docente di Anestesiologia), Angelo Reggiani (Istituto Italiano di Tecnologia, ricercatore senior and principal investigator in farmacologia) si sono interrogati sulla possibilità di prevenire il progressivo avanzamento dell’infezione da parte di qualsiasi variante di Sars-CoV-2, bloccando il recettore ACE2, ovvero la "porta" che il coronavirus usa per entrare nelle cellule umane.
Per questo scopo, gli scienziati hanno brevettato un nuovo approccio, il primo tassello di quello che diventerà un farmaco, basato sull’uso di un aptamero di DNA, ovvero un breve filamento oligonucleotidico, capace di legarsi in modo specifico al residuo K353 di ACE2 rendendolo inaccessibile alla proteina spike di qualsiasi coronavirus. I tre inventori, insieme a collaboratrici e collaboratori, hanno già identificato due aptameri anti K353, quelli capaci di inibire in modo dose-dipendente il legame della proteina virale spike all’ACE2 umana e così prevenire in modo efficace l’infezione delle cellule.
“Grazie a questo studio - commentano gli scienziati - sarà adesso possibile sviluppare un nuovo approccio terapeutico di precisione per prevenire di contrarre l’infezione da Covid-19 in forma grave, senza stimolare il sistema immunitario o avere effetti collaterali importanti correlati ai più famosi farmaci costituiti da anticorpi monoclonali o altre proteine terapeutiche. In questo senso, infatti, le potenziali tossicità degli acidi nucleici come farmaci sono di gran lunga inferiori rispetto ad altri farmaci innovativi come gli anticorpi monoclonali o altre proteine terapeutiche”.
Polimorfismi Genetici e Suscettibilità all'Infezione
Alcuni autori hanno suggerito che alcuni polimorfismi a carico dei geni coinvolti nell’ingresso del virus nelle cellule bersaglio sono associati a un rischio maggiore di sviluppare la malattia grave. IFITM3 (interferoninduced transmembrane 3) gioca un ruolo importante nell’immunità adattiva, e alcuni studi hanno dimostrato che alcune mutazioni dei polimorfismi a singolo nucleotide (SNPs) potrebbero ridurne l’attività antivirale, incrementando la sensibilità all’infezione e la severità della malattia.
Gli individui con specifiche caratteristiche genetiche sono maggiormente suscettibili all’infezione da parte di SARS-CoV-2 e allo sviluppo di malattia grave, ma alcuni quesiti riguardo l’effetto delle varianti genetiche dell’ospite e/o del virus sulla risposta immunitaria rimangono ancora senza risposte. Le caratteristiche genetiche dell’ospite hanno un ruolo fondamentale nel determinare la suscettibilità all’infezione, influenzando il riconoscimento delle particelle virali e il processo di presentazione dei peptidi virali al sistema immunitario per la neutralizzazione del virus.
La presenza di varianti genetiche può influenzare la risposta immunitaria e modificare la prognosi della malattia. Inoltre, diversi fattori come l’età, il sesso, il gruppo etnico, e la presenza di alcune patologie contribuiscono ad una diversa risposta all’infezione e allo sviluppo di malattia grave.
Tabella: Associazioni tra Polimorfismi Genetici e Suscettibilità a SARS-CoV-2
| Gene | Polimorfismo | Genotipo | Associazione con Suscettibilità all'Infezione | Associazione con Malattia Severa |
|---|---|---|---|---|
| IFITM3 | rs12252 | CC | Significativa (OR 5,67) | Significativa (OR 2,26) |
| IFITM3 | rs12252 | CT | Significativa (OR 1,64) | Non significativa |
| ACE1 | rs4646994 | DD | Non significativa | Significativa (OR 1,61) |
| ACE1 | rs1799752 | DD | Non significativa | Significativa (OR 1,61) |