Immunologia di SARS-CoV-2

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Di Thomas Kamradt

Traduzione:
Stefano Lazzari

 

Si stanno compiendo dei rapidi progressi nel decifrare le risposte immunitarie al SARS-CoV-2. Tuttavia, alcune delle domande più importanti e urgenti rimangono senza risposta; tra queste:

  • Chi è guarito dalla COVID-19 è protetto dalla malattia?
  • Se sì, quanto dura questa protezione immunitaria?
  • Quali sono i correlati di protezione?
  • Perché la malattia è molto più grave negli anziani?
  • In che modo la risposta immunitaria contro SARS-CoV-2 contribuisce allo sviluppo della malattia? Ci sono risposte immunitarie patogene?
  • Possiamo utilizzare i parametri immunologici per prevedere il rischio in un singolo paziente di sviluppare una forma grave della malattia?
  • Possiamo sviluppare un vaccino contro la SARS-CoV-2?

 

Lo stato aggiornato delle nostre conoscenze è magnificamente riassunto in una recente analisi approfondita (Vabret 2020).

Anticorpi protettivi

In assenza di solidi dati sperimentali o clinici sulle risposte immunitarie indotte da SARS-CoV-2, possiamo solo formulare delle ipotesi basate su esperienze precedenti con coronavirus endemici (ad es. 229E o OC43) e con i virus SARS-CoV e MERS-CoV. Studi sperimentali, sierologici e siero-epidemiologici suggeriscono fortemente che i coronavirus, incluso il SARS-CoV-2, inducono anticorpi neutralizzanti e protettivi. Questi studi sembrano anche indicare che la protezione mediata dagli anticorpi è di breve durata.

Risposta immunitaria cellulare

Le risposte immunitarie cellulari, ovvero le risposte contro i coronavirus delle cellule T, sono meno conosciute. Evidenze sperimentali da studi sui topi suggeriscono che le cellule T che risiedono nella mucosa del tratto respiratorio potrebbero essere un importante fattore di protezione. Tuttavia, sebbene i topi possano essere infettati dai coronavirus compreso il SARS-CoV, essi non sviluppano i gravi sintomi polmonari caratteristici della SARS e della Covid-19. Pertanto, questi risultati devono essere interpretati con cautela. Per chiarire il loro ruolo sarebbero necessarie delle cellule T umane provenienti dalla mucosa respiratoria delle persone malate e convalescenti, ma sono difficili da ottenere.

Queste domande non sono solo di natura accademica. Una sperimentazione razionale del vaccino si basa su solide conoscenze sull’immunità protettiva. Finché non sappiamo quale sia la risposta immunitaria protettiva che dobbiamo indurre con la vaccinazione, lo sviluppo del vaccino si basa solo su delle supposizioni.

Informazioni importanti provengono da due recenti studi sulle risposte delle cellule T contro SARS-CoV-2 in donatori sani e in pazienti con COVID-19. Alessandro Sette e collaboratori hanno esaminato le risposte delle cellule T in pazienti COVID-19 e in 11 controlli sani (Grifoni 2020). Utilizzando un pool di peptidi dalle proteine ​​SARS-CoV-2 S-, M-, N- e nsp, hanno rilevato una risposta delle cellule T CD4 + e CD8 + nel 100% e 80% dei pazienti rispettivamente. Forse più sorprendentemente hanno anche trovato delle cellule T CD4 + e CD8 + reattive nel 50% e nel 20% dei donatori sani non esposti. In uno studio simile, Andreas Thiel e collaboratori hanno utilizzato grandi pool di peptidi sovrapposti che coprono l’intera sequenza della proteina SARS-CoV-2 S e hanno trovato cellule T CD4 + S reattive nell’83% dei pazienti COVID-19 e nel 34% dei donatori sani sieronegativi (Braun 2020). L’elevata percentuale di donatori sani sieronegativi che hanno cellule T reattive SARS-CoV-2 è spiegata dalla precedente esposizione ad altri coronavirus (coronavirus del “raffreddore comune”) che hanno proteine ​​molto simili a quelle della SARS-CoV-2.

Thiel e collaboratori hanno inoltre dimostrato che le cellule T che prendono di mira il C-terminale della proteina S compaiono frequentemente sia nei pazienti che nei donatori sani, indicando una cross-reattività, mentre le cellule T che colpiscono il N-terminale si trovano frequentemente nei pazienti ma non nei donatori sani.

L’importante domanda sollevata da questi risultati è se quelle cellule T cross-reattive che compaiono frequentemente in donatori sani conferiscano un certo grado di protezione, siano irrilevanti, o possano essere addirittura potenzialmente dannose se qualcuno che possiede queste cellule viene infettato da SARS-CoV-2. Saranno necessari studi longitudinali per fornire una risposta e per determinare per quanto tempo dopo l’infezione le cellule T specifiche della SARS-CoV-2 rimarranno rilevabili nel sangue dei pazienti che sono guariti dalla malattia.

La ricerca di un vaccino

Concetti fondamentali:

  • La guarigione dalle infezioni induce spesso un’immunità a lungo termine, talvolta per tutta la vita, contro il patogeno responsabile.
  • La memoria immunologica protegge dalla reinfezione ed è mediata da anticorpi e cellule T specifiche.
  • Le immunizzazioni conferiscono un’immunità senza esposizione ad agenti patogeni virulenti. L’immunizzazione può essere passiva o attiva.
  • Nell’immunizzazione passiva gli anticorpi protettivi vengono trasferiti da un donatore a un ricevente, mentre l’immunizzazione attiva induce una risposta immunitaria protettiva nel ricevente

Immunizzazione passiva contro SARS-CoV-2

L’immunizzazione passiva contro Covid-19 può essere ottenuta con plasma da persona convalescente, con sieri iperimmuni, o con anticorpi monoclonali neutralizzanti.

Plasma di convalescente

Il trattamento dei pazienti con plasma di convalescente si basa sul concetto che un individuo che è guarito da un’infezione avrà sviluppato anticorpi contro il patogeno causale nel sangue. Il plasma di convalescente è usato per il trattamento per alcune malattie infettive tra cui la febbre emorragica argentina (Casadevall 2004). L’esperienza mostra come il trasferimento di anticorpi sia più efficace se somministrato in modo profilattico o nelle fasi iniziali della malattia

Plasma di convalescente è stato somministrato a pazienti con SARS. Sfortunatamente, questo non è stato fatto nel contesto di studi clinici controllati. Una metanalisi ha quindi solo potuto concludere che il trattamento era probabilmente sicuro e forse di una certa utilità (Mair-Jenkins 2015). Mentre farmaci o vaccini efficaci contro il Covid-19 sono ancora lontani mesi o anni, il plasma convalescente è immediatamente disponibile.

Ad oggi, non sappiamo ancora se tutti i pazienti che sono guariti dalla Covid-19 hanno titoli di anticorpi neutralizzanti sufficientemente alti da conferire protezione con il trasferimento del loro plasma. Anche i test per determinare la concentrazione di anticorpi neutralizzanti non sono ancora standardizzati né facilmente disponibili.

Il plasma di convalescente viene attualmente somministrato ai pazienti con Covid-19 (vedi il capitolo Terapia) e vari studi clinici randomizzati son in corso. Lo studio multicentrico CONCOR-1 in Canada dovrebbe iniziare il 27 aprile con 1.200 partecipanti mentre lo studio CONCOVID nei Paesi Bassi ha un numero previsto di oltre 400 pazienti. Questi e altri studi simili chiariranno se il trattamento con plasma di convalescente sia sicuro ed efficace.

Visto il rischio di un meccanismo del potenziamento dipendente da anticorpi (ADE), la sicurezza è una considerazione importante in questi studi. Una ricerca sui macachi ha trovato che il trasferimento passivo dell’immunoglobulina anti-SARS-CoV-S da scimmie immunizzate a scimmie riceventi naïve ha provocato lesioni polmonari acute dopo l’infezione. Il meccanismo proposto era una deviazione dell’attivazione dei macrofagi dalla guarigione delle ferite verso quella pro-infiammatoria (Liu 2019).

Una patologia polmonare accentuata dopo il trasferimento di anticorpi è stata osservata anche in un modello di MERS nel coniglio (Houser 2017). Il plasma di convalescente è stato somministrato a pazienti con MERS e un caso clinico pubblicato suggerisce la possibilità di lesioni polmonari acute a seguito di trasfusione di plasma di convalescente (Chun 2016).

Nel loro insieme, questi dati sottolineano la necessità di somministrare plasma di convalescente in studi controllati, che ne determineranno la sicurezza e l’efficacia.

Preparazioni di immunoglobuline in pool

Preparazioni di globuline iperimmuni raccolte da molti donatori diversi, ad es. le immunoglobuline umane anti-citomegalovirus (CMVIG), , sono attualmente la forma di trasferimento di anticorpi passivi più frequentemente utilizzata. Questi preparati contengono concentrazioni più elevate di anticorpi specifici rispetto al plasma di convalescente. Tuttavia, sono più difficili da produrre e al momento non sono disponibili preparati di globuline iperimmuni per SARS-CoV-2.

Anticorpi monoclonali

L’utilizzo di anticorpi monoclonali neutralizzanti (mab) è una plausibile opzione terapeutica contro le malattie infettive (Marston 2018). Ad esempio, l’uso di anticorpi monoclonali è autorizzato per la profilassi contro il virus respiratorio sinciziale nei neonati a rischio e i mab sono stati usati nella cura di pazienti con Ebola (Marston 2018). Anticorpi monoclonali contro SARS-CoV sono stati testati su modelli animali e alcuni sono risultati efficaci. È probabile che presto vengano sviluppati e testati dei mab specifici per il SARS-CoV-2. Come spiegato sopra (vedere la sezione sull’ADE), la possibilità di un potenziamento della malattia dipendente da anticorpi deve essere esclusa prima che tali mab possano essere utilizzati nell’uomo.

Immunizzazione attiva contro SARS-CoV-2

Al momento della stesura di questo documento, ci sono più di 100 candidati al vaccino COVID-19 in diverse fasi di sviluppo preclinico. Cinque vaccini candidati sono nella fase I degli studi clinici (Thanh Le 2020).

La velocità di ricerca e sviluppo di un vaccino è mozzafiato. L’11 gennaio 2020 i ricercatori cinesi hanno pubblicato su Internet la sequenza del genoma del SARS-CoV-2. Circa 2 mesi dopo, il 16 marzo, un vaccino a base di mRNA è entrato in uno studio clinico di fase I. Ciò è stato possibile grazie alle conoscenze acquisite nei tentativi di sviluppare vaccini contro la SARS e la MERS e la disponibilità di tecnologie innovative.

Il lavoro fatto in precedenza aveva identificato la proteina S di SARS-CoV e MERS-CoV come un bersaglio adatto per un vaccino. Per infettare le cellule umane, la proteina S si lega al suo recettore cellulare ACE2. Un alto grado di omologia tra le proteine ​​S dei tre virus è stato rapidamente stabilito dopo la scoperta di SARS-CoV-2 e si è confermata l’interazione della proteina S del SARS-CoV-2 con ACE2. Quindi, un obiettivo del vaccino è stato identificato in tempi record.

Le nuove tecnologie hanno facilitato lo sviluppo rapido di vaccini a base di mRNA. Il principio è stato utilizzato per la prima volta nel 2013. Il CDC cinese aveva scoperto l’H7N9, un nuovo ceppo del virus dell’influenza aviaria, e aveva immediatamente pubblicato online la sequenza dei relativi antigeni. L’utilizzo della biologia di sintesi ha consentito lo sviluppo di un candidato al vaccino in 8 giorni e il vaccino ha dimostrato di indurre anticorpi nei topi (Hekele 2013).

Perché, quindi, siamo ancora in attesa di un vaccino efficace e sicuro contro la SARS-CoV-2? Restano alcuni ostacoli da superare.

Diverse strategie utilizzate per sviluppare un vaccino contro la SARS-CoV-2

Varie strategie fondamentalmente diverse tra loro sono attualmente utilizzate nella ricerca di un vaccino contro la Covid-19 (Amanat 2020).

Il modo più tradizionale di produrre vaccini è l’uso di virus interi, che possono essere attenuati o inattivati. Esempi di vaccini attualmente autorizzati includono i vaccini contro il morbillo e la febbre gialla (virus attenuato) e control l’influenza e la poliomielite (virus inattivati). Sono in corso tentativi per sviluppare virus SARS-CoV-2 attenuati o inattivati da usare come vaccino.

Un altro approccio consiste nell’utilizzare come vaccino delle proteine virali ricombinanti; esempi di vaccini autorizzati all’uso umano includono i vaccini contro l’epatite B e il virus del papilloma umano. Sono in corso tentativi per sviluppare proteine virali ricombinanti di SARS-CoV-2 S come immunogeni.

Un approccio più recente consiste nell’utilizzare vettori virali ricombinanti in cui è espresso un antigene rilevante del virus patogeno. L’unico esempio attualmente autorizzato è il vaccino contro l’Ebola, basato su di un virus modificato della stomatite vescicolare. Un vaccino ricombinante a base di adenovirus contro la Covid-19 è entrato in uno studio clinico di Fase I nel marzo 2020.

Anche vaccini a DNA che hanno come obiettivo la proteina S sono in fase di sviluppo preclinico. Al momento non esistono vaccini a DNA autorizzati, il che potrebbe rallentare il processo di autorizzazione rispetto, ad es., a vaccini a base di proteine. Un vaccino a DNA per la Covid-19 è entrato in uno studio clinico di Fase I nell’aprile 2020.

Un vaccino contro l’mRNA destinato alla proteina S è stato utilizzato in uno studio clinico di Fase I iniziato il 16 marzo. Al momento non esistono vaccini a mRNA autorizzati, il che potrebbe rallentare il processo di autorizzazione rispetto, ad es., a vaccini a base di proteine.

Un vaccino basato su cellule dendritiche geneticamente modificate che esprimono un minigene SARS-CoV-2 codificato lentiviralmente e un altro studio che utilizza cellule presentanti l’antigene artificiale geneticamente modificato sono entrati in uno studio clinico di Fase I a marzo. Attualmente non esistono vaccini autorizzati basati su cellule geneticamente modificate presentanti l’antigene, il che potrebbe rallentare il processo di autorizzazione rispetto, ad es., vaccini a base di proteine.

Sebbene sia troppo presto per fare previsioni sulla sicurezza, l’immunogenicità e l’efficacia dei numerosi vaccini attualmente in fase di sviluppo, è utile vedere cosa si può imparare dai precedenti tentativi di sviluppare vaccini contro i coronavirus.

I vaccini contro i coronavirus possono indurre risposte immunitarie patologiche.

Anche se raramente, i vaccini possono a volte intensificare le malattie anziché proteggerci (Openshaw, 2001). I vaccini vengono di norma somministrati a persone sane. SARS-CoV-2 provoca una malattia lieve, a volte clinicamente inapparente, in almeno l’80% di coloro che sono infetti. Pertanto, le considerazioni sulla sicurezza sono della massima importanza. Sfortunatamente ci sono alcuni dati che suggeriscono la possibilità che lo sviluppo di un vaccino sicuro contro Covid-19 possa essere particolarmente difficile.

La risposta immunitaria indotta dal vaccino contro la FIPV è nociva nei gattini

La peritonite infettiva felina (FIP) è una malattia grave e spesso fatale nei gatti. È causata da un coronavirus (FIPV) e diversi tentativi di sviluppo del vaccino sono falliti. In uno primo studio, i gattini che erano stati vaccinati con un ceppo avirulento di FIPV risultarono più suscettibili all’infezione con FIPV virulento rispetto ai controlli non vaccinati (Pedersen, 1983). Ancora più preoccupanti sono stati i risultati di uno studio successivo in cui i gatti sono stati immunizzati con un virus vaccinico ricombinante che esprimeva la proteina FIPV S. La vaccinazione ha indotto bassi titoli di anticorpi neutralizzanti. In seguito alla esposizione al FIPV, gli animali precedentemente immunizzati non solo non erano protetti ma sono morti prima dei controlli (Vennema 1990). Si ritiene che l’infezione mediata da anticorpi dei macrofagi e la deposizione di immuno-complessi siano responsabili per la maggior gravità della malattia negli animali immunizzati (Perlman, 2005; Weiss, 1981).

Immunopatologia osservata in vaccini sperimentali contro la SARS

Effetti immunopatologici o di aggravamento della malattia sono stati segnalati da molti gruppi di ricerca che hanno utilizzato varie tecnologie e modelli animali nel tentativo di sviluppare un vaccino contro la SARS.

L’immunizzazione con il virus vaccino ricombinante modificato Ankara (rMVA) che esprime la proteina superficiale S (spike) del SARS-CoV provoca un’epatite grave nei furetti.

I furetti sono suscettibili all’infezione da SARS-CoV. Weingartl et al. hanno immunizzato dei furetti con il virus vaccinico ricombinante modificato Ankara (rMVA) che esprime la proteina SARS-CoV S (Weingartl, 2004). In seguito ad inoculazione con il virus SARS-CoV, titoli elevati di anticorpi neutralizzanti sono stati rilevati più rapidamente negli animali immunizzati rispetto ai controlli. Tuttavia, i furetti immunizzati con rMVA-S hanno sviluppato un’epatite grave non riscontrata negli animali di controllo (Weingartl, 2004). Da notare che i furetti sono anche molto sensibili all’infezione da SARS-CoV-2 (Kim, 2020) e sono quindi adatti per una valutazione della sicurezza dei futuri candidati al vaccino.

L’immunizzazione dei topi provoca risposte infiammatorie di tipo 2 nei polmoni

Ricercatori del North Carolina, USA, hanno utilizzato virus inattivato con o senza adiuvante per immunizzare i topi contro SARS-CoV (Bolles, 2011). Il vaccino ha ridotto la morbilità e la mortalità negli animali più giovani e, in misura minore, in quelli adulti a seguito di una inoculazione di virus ad alte dosi. Tuttavia, l’inoculazione con un virus eterologo ha prodotto infiltrati infiammatori ed eosinofilia polmonare più gravi negli animali vaccinati. Inoltre, nei topi di età avanzata il vaccino non conferiva protezione ma provocava comunque le infiltrazioni infiammatorie nel polmone. La comparsa dell’immunopatologia polmonare dopo somministrazione di questo vaccino è stata successivamente confermata da un altro studio (Tseng, 2012). Infiltrati polmonari eosinofili sono stati osservati anche quando una proteina S espressa da un baculovirus ricombinante o particelle simil-coronavirus (VLP) che esprimevano la proteina SARS-CoV S sono state utilizzate per immunizzare i topi (Lokugamage, 2008; Tseng, 2012). È importante notare che questi erano principalmente reperti istopatologici e che i topi vaccinati avevano titoli virali ridotti in seguito all’inoculo. Tuttavia, questi risultati istopatologici ricordano quelli associati alla patologia indotta da vaccino nei bambini che avevano ricevuto un vaccino contro il virus respiratorio sinciziale (RSV) negli anni ‘60 (Castilow, 2007). Inoltre, patologie polmonari e persino polmonite sono stati segnalati in topi immunizzati con il virus Vaccinia (VV) ricombinante che esprimeva le proteine ​​SARS-CoV S e nucleocapside (N) (Yasui, 2008). La patologia polmonare è stata osservata anche quando particelle di replicone del virus dell’encefalite equina venezuelana (VRP) che esprimono la proteina N sono state utilizzate per immunizzare i topi (Deming, 2006).

Sfortunatamente, anche se c’era da aspettarselo, risultati simili sono stati descritti per i candidati al vaccino MERS-CoV. Un vaccino MERS-CoV inattivato ha indotto anticorpi neutralizzanti nei topi ma ha anche provocato una patologia polmonare aggravata di tipo 2, cioè con infiltrati eosinofili, e aumentate concentrazioni di IL-5 e IL-13 (Agrawal, 2016).

Alcuni studi suggeriscono che questa patologia di tipo 2 possa essere ridotta o prevenuta utilizzando come adiuvanti gli agonisti dei recettori Toll-Like (Iwata-Yoshikawa, 2014) o delta inulina (Honda-Okubo, 2015) nei candidati vaccini da virus intero inattivato o ricombinanti con spike proteici.

Nell’insieme questi risultati destano preoccupazione. Un’attenta valutazione istopatologica del tessuto polmonare dovrebbe far parte dello sviluppo preclinico dei vaccini Covid-19.

L’immunizzazione nei primati non umani provoca gravi lesioni polmonari acute.

In uno studio recente, macachi cinesi sono stati vaccinati con un virus vaccino Ankara (MVA) modificato che codifica per la glicoproteina SARS-CoV S integrale (ADS-MVA) e quindi inoculati con SARS-CoV dopo 8 settimane (Liu, 2019). La vaccinazione ha indotto alti livelli anticorpali e ridotto la carica virale. Tuttavia, le scimmie vaccinate presentavano un danno alveolare diffuso (DAD) (Liu, 2019). Uno studio precedente aveva utilizzato SARS-CoV inattivato per vaccinare quattro macachi. Tre scimmie sono risultate protette dopo inoculo virale, mentre un macaco presentava una patologia polmonare compatibile con un potenziamento mediato da anticorpi (ADE) (Wang, 2016). Gli autori hanno suggerito che l’ADE fosse mediato da anticorpi contro alcuni epitopi di SARS-CoV S ma non contro altri (Wang., 2016).

Gli anticorpi anti-S rafforzano l’infezione delle cellule immunitarie umane

Gli anticorpi contro la proteina Spike de SARS-CoV possono facilitare l’ingresso del virus nelle cellule umane attraverso l’interazione con epitopi conformazionali nel dominio di legame con ACE2 (Yang, 2005). È stato descritto come il siero immune anti-Spike (S) possa promuovere l’infezione da parte del SARS-CoV delle linee cellulari ematopoietiche umane. L’ingresso del virus non era mediato dal ACE2 ma dipendeva dal recettore Fcγ II (Jaume, 2011). Mentre la rilevanza in vivo di questi risultati resta da definire, essi si aggiungono all’elenco delle preoccupazioni da tenere in considerazione nello sviluppo di vaccini sicuri ed efficaci contro Covid-19.

Prospettiva

Dati gli enormi e diversificati sforzi in corso per sviluppare un vaccino contro Covid-19, possiamo essere ottimisti sul fatto che un vaccino sicuro ed efficace sarà disponibile in un futuro non molto lontano. Lo sviluppo di un vaccino contro l’Ebola è durato cinque anni e vi è motivo di ritenere che lo sviluppo di vaccini per il Covid-19 possa avvenire anche più rapidamente. Dobbiamo tenere presente che la scoperta del vaccino e il suo sviluppo iniziale occupano solo il 30% di tutto il lavoro e il tempo necessario per far arrivare un vaccino alla popolazione.

Un problema per i ricercatori di vaccini Covid-19 è che gli anziani sono i più sensibili all’infezione e comportano un rischio particolarmente elevato di sviluppare una malattia grave o letale. A causa dell’immunosenescenza, gli anziani sono notoriamente difficili da immunizzare, richiedendo in genere dosi più elevate o particolari schemi di immunizzazione per generare una risposta immunitaria protettiva. Gli studi sui topi suggeriscono che gli animali più anziani hanno anche maggiori probabilità di sviluppare immunopatologie dopo la vaccinazione.

Una lezione che avremmo dovuto apprendere già dopo l’epidemia di SARS è che virus enzootici passeranno dai loro serbatoi animali agli esseri umani con sempre maggior frequenza. Dato che non sono molti i vari virus che possono causare infezioni respiratorie gravi e potenzialmente mortali, non dovremmo interrompere i nostri sforzi quando sarà disponibile un vaccino specifico per SARS-CoV-2. Invece, sforzi ulteriori saranno indispensabili per sviluppare una piattaforma vaccinale che possa essere rapidamente adattata ai coronavirus emergenti. Non conosciamo la data della prossima epidemia, ma possiamo essere certi che SARS-CoV-2 non è l’ultimo coronavirus con cui l’umanità dovrà fare i conti.

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