Immunologia di SARS-CoV-2

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Di Thomas Kamradt

Traduzione:
Stefano Lazzari

 

Fino ad oggi, si sa disperatamente poco delle risposte immunitarie contro SARS-CoV-2. Alcune delle domande più importanti e urgenti sono:

  • Una persona che ha superato Covid-19, la malattia causata da SARS-CoV-2, è protetta da un secondo episodio della malattia di Covid-19?
  • Se sì, quanto dura la protezione immunitaria?
  • Quali sono i correlati immunologici di protezione?
  • Perché i bambini e i giovani adulti sembrano sviluppare solo lievi o nessun segno e sintomo di Covid-19 e 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 avverse?
  • Possiamo utilizzare i parametri immunologici per prevedere il rischio in un singolo paziente di sviluppare una malattia grave?
  • Possiamo sviluppare un vaccino contro la SARS-CoV-2?

Oggi non conosciamo la risposta a nessuna di queste domande.

Anticorpi protettivi

In assenza di solidi dati sperimentali o clinici sulle risposte immunitarie indotte da SARS-CoV-2, possiamo formulare ipotesi basate su esperienze precedenti con coronavirus endemici (ad es. 229E o OC43) ed i virus SARS-CoV e MERS-CoV.  Studi sperimentali, sierologici e sero-epidemiologici suggeriscono fortemente che i coronavirus, incluso il SARS-CoV-2, inducano 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 delle cellule T contro i coronavirus, 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 di Covid-19. Pertanto, questi risultati devono essere interpretati con cautela. Le cellule T umane della mucosa respiratoria delle persone malate e convalescenti potrebbero essere utili per chiarire il loro ruolo, ma sono difficili da trovare.

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

La ricerca di un vaccino

Concetti fondamentali:

  • La guarigione dalle infezioni induce spesso un’immunità a lungo termine e 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, sieri iperimmuni, o con anticorpi monoclonali neutralizzanti.

Plasma di convalescente

Il trattamento dei pazienti con plasma di convalescente si basa sull’idea che qualcuno che si è ripreso da un’infezione avrà 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 et al., 2004). L’esperienza passata 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. Purtroppo, questo non è stato fatto nel contesto di studi clinici controllati. Una meta-analisi ha quindi solo potuto concludere che il trattamento era probabilmente sicuro e forse utile (1). 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 se tutti i pazienti che sono guariti da Covid-19 hanno titoli abbastanza alti di anticorpi neutralizzanti da conferire protezione con il trasferimento del plasma. Anche i test per determinare la concentrazione di anticorpi neutralizzanti non sono ancora standardizzati nè facilmente disponibili.

Attualmente, il plasma di convalescente viene somministrato ai pazienti Covid-19 (2). Sebbene ciò non avvenga spesso nel contesto di studi clinici, sono in corso diversi studi clinici randomizzati. Esempi includono lo studio multicentrico CONCOR-1 in Canada, che dovrebbe iniziare il 27 aprile con 1200 partecipanti, e lo studio CONCOVID nei Paesi Bassi con un numero previsto di oltre 400 pazienti. Questi e altri studi simili chiariranno se il trattamento è sicuro ed efficace.

Data la possibilità di un meccanismo del potenziamento mediato da anticorpi (ADE), la sicurezza è una considerazione importante in questi studi. Uno studio sui macachi ha scoperto che il trasferimento passivo dell’immunoglobulina anti-SARS-CoV-S da scimmie immunizzate a riceventi naive 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 et al., 2019).

Una patologia polmonare accentuata dopo il trasferimento di anticorpi è stata osservata anche in un modello di MERS nel coniglio (Houser et al., 2017).  Plasma di convalescente è stato somministrato a pazienti con MERS e in un caso clinico pubblicato suggerisce la possibilità di lesioni polmonari acute a seguito di trasfusione di plasma di convalescente (Chun et al., 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, ad es. le immunoglobuline di citomegalovirus (CMVIG), raccolte da molti donatori diversi, sono attualmente la forma di trasferimento di anticorpi passivi più frequentemente utilizzata. Questi preparati contengono concentrazioni più elevate di anticorpi specifici rispetto al plasma 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 (mab) neutralizzanti è una plausibile opzione terapeutica contro le malattie infettive (Marston 2018). Ad esempio, l’uso di un anticorpi monoclonali è autorizzato per la profilassi contro il virus respiratorio sinciziale nei neonati a rischio e i mab sono stati usati per trattare 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 contro SARS-CoV-2. Come spiegato sopra (vedere la sezione sull’ADE), la possibilità di un potenziamento della malattia mediato da anticorpi deve essere esclusa prima che tali mabs 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 studi clinici (https://www.nature.com/articles/d41573-020-00073-5 ).

La velocità di sviluppo del 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. La proteina S si lega al suo recettore cellulare, ACE2, per infettare le cellule umane. 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. Gli strumenti di biologia sintetica hanno consentito lo sviluppo di un candidato al vaccino entro 8 giorni e il vaccino ha dimostrato di indurre anticorpi nei topi (https://doi.org/10.1038/emi.2013.54).

Perché, quindi, aspettiamo ancora un vaccino efficace e sicuro contro la SARS-CoV-2? Ci sono ancora alcuni ostacoli da superare.

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

Molte strategie fondamentalmente diverse tra loro sono attualmente utilizzate per sviluppare un vaccino contro Covid-19 (Amanat e Krammer, 2020).

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

Un altro approccio consiste nell’utilizzare proteine virali ricombinanti come vaccino; esempi 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, che si basa su di un virus della stomatite vescicolare modificato. Un vaccino ricombinante contro Covid-19 a base di adenovirus 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 ma 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 contro 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 presentanti l’antigene geneticamente modificate, 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.

Raramente, i vaccini possono intensificare le malattie anziché proteggerci (Openshaw et al., 2001). I vaccini vengono somministrati a persone sane. SARS-CoV-2 provoca una lieve, quando non clinicamente inapparente, malattia 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 insolitamente 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 erano più suscettibili all’infezione con FIPV virulento rispetto ai controlli non vaccinati (Pedersen e Black, 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 et al., 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 e Dandekar, 2005; Weiss e Scott, 1981).

Immunopatologia osservata nei vaccini sperimentali contro la SARS

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

L’immunizzazione con il virus del 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 et al., 2004). In seguito ad inoculazione con il virus, 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 et al., 2004). I furetti sono anche altamente sensibili all’infezione da SARS-CoV-2 (Kim et al., 2020) e sono quindi adatti per la valutazione della sicurezza dei futuri candidati al vaccino.

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

Bolles et al. (Bolles et al., 2011) hanno utilizzato virus inattivato con o senza adiuvante per immunizzare i topi contro SARS-CoV. Il vaccino ha ridotto negli animali più giovani e, in misura minore, in quelli adulti la morbilità e la mortalità a seguito di una inoculazione virale ad alte dosi. Tuttavia, la inoculazione con un virus eterologo ha prodotto infiltrati infiammatori ed eosinofilia polmonare che erano più gravi negli animali vaccinati. Inoltre, nei topi adulti il vaccino non conferiva protezione ma provocava comunque infiltrazioni infiammatorie nel polmone. La comparsa dell’immunopatologia polmonare dopo somministrazione di questo vaccino è stata successivamente confermata ed estesa da un altro studio (Tseng et al., 2012). Gli 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 et al., 2008; Tseng et al., 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 et al., 2007). Inoltre, sono stati segnalati patologia polmonare e persino polmonite in topi immunizzati con il virus ricombinante del vaccino (VV) che esprimeva le proteine ​​SARS-CoV S e nucleocapside (N) (Yasui et al., 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 et al., 2006).

Sfortunatamente, anche se non sorprendentemente, risultati simili sono stati descritti per i candidati al vaccino MERS-CoV. Un vaccino MERS-CoV inattivato ha indotto anticorpi neutralizzanti nei topi e ha anche portato a una patologia polmonare aggravata di tipo 2, cioè con infiltrati eosinofili e aumentate concentrazioni di IL-5 e IL-13 (Agrawal et al., 2016).

Alcuni studi suggeriscono che questa patologia di tipo 2 può essere ridotta o prevenuta utilizzando gli agonisti del recettore Toll-Like (Iwata-Yoshikawa et al., 2014) o delta inulin (Honda-Okubo et al., 2015) come adiuvanti 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 di 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 inoculati con SARS-CoV dopo 8 settimane (Liu et al., 2019). La vaccinazione ha indotto alti livelli anticorpali e ridotto il carico virale.  Tuttavia, le scimmie vaccinate presentavano un danno alveolare diffuso (DAD) (Liu et al., 2019). Uno studio precedente aveva utilizzato SARS-CoV inattivato per vaccinare quattro macachi. Tre scimmie sono state protette dopo inoculo virale, mentre un macaco presentava una patologia polmonare compatibile con un potenziamento mediato da anticorpi (ADE) (Wang et al., 2016). Questi autori hanno inoltre suggerito che l’ADE fosse mediato da anticorpi contro alcuni epitopi di SARS-CoV S ma non contro altri (Wang et al., 2016).

Gli anticorpi anti-S migliorano 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 et al., 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 et al., 2011). Mentre la rilevanza in vivo di questi risultati resta da definire, essi si aggiungono all’elenco delle preoccupazioni che devono essere tenute 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 sviuppare 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 salteranno dai loro serbatoi di animali agli umani con sempre maggior frequenza. Dato che non sono molti i virus diversi 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 che l’umanità dovrà affrontare.

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