Dai topi alle scimmie, gli animali studiati per le risposte al coronavirus

https://science.sciencemag.org/content/368/6488/221

 

Approfondimento COVID 19

 

Dai topi alle scimmie, gli animali studiati per le risposte al coronavirus

 

  1. Jon Cohen

Science 17 aprile 2020:

Vol. 368, Edizione 6488, pagg. 221-222

DOI: 10.1126/science.368.6488.221

 

Il servizio d’informazioni di Science sul COVID-19 è supportato dal Pulitzer Center.

Amati come animali domestici, i criceti siriani stanno conquistando un altro tipo di attenzione da parte degli scienziati, che cercano di capire e sconfiggere il COVID-19. Quindici anni fa, gli scienziati hanno scoperto che i criceti potevano essere facilmente infettati dal coronavirus, che causa una grave sindrome respiratoria acuta (SARS). I loro sintomi erano tenui; quindi, gli animali non hanno ricevuto molta attrazione, come modelli per la malattia. Ma, col COVID-19, causato da un virus correlato, il SARS-CoV-2, le prospettive del modello sembrano più ampie.

Quando il medico scienziato Jasper Fuk-Woo Chan, dell’Università di Hong Kong (HKU) e i suoi colleghi hanno recentemente infettato otto criceti, gli animali hanno perduto peso, sono diventati letargici e hanno sviluppato una pelliccia arruffata, una postura curva e un respiro corto. Alti livelli di SARS-CoV-2 sono stati riscontrati nei polmoni e nell’intestino dei criceti, tessuti tempestati di ‘obiettivi’ del virus, un recettore proteico chiamato enzima convertitore                dell’angiotensina 2 (ACE2). Questi risultati “assomigliano molto alle manifestazioni dell’infezione del tratto respiratorio superiore e inferiore nell’uomo”, hanno riportato Chan e co-autori in un articolo del 26 marzo, sulla rivista Clinical Infectious Diseases.

Questa squadra è solo una delle dozzine di gruppi che operano per sviluppare modelli animali, che possano aiutare a trovare vaccini e trattamenti efficaci contro il COVID-19, e chiarire con precisione come il SARS-CoV-2 causi la malattia. Le squadre sono spesso a corto di personale, a causa della quarantena per la pandemia, ma stanno collaborando intensamente.

Ogni giovedì, l’Organizzazione Mondiale della sanità organizza una videoconferenza con circa 100 scienziati, regolatori e finanziatori, che lavorano collettivamente con un serraglio di animali da laboratorio, tra cui topi, furetti e diverse specie di scimmie. “Molti dei tradizionali silos di informazioni stanno davvero calando”, afferma il copresidente del gruppo, William Dowling, che lavora allo sviluppo di vaccini alla Coalition for Epidemic Preparedness Innovations.

Il gruppo scambia i dati e i suggerimenti più recenti, come l’efficacia delle diverse vie di infezione e i luoghi più probabili per trovare l’agente patogeno negli animali. “Ognuno di noi è in corsa per ottenere un modello animale fedele alla condizione umana e riproducibile”, afferma Chad Roy del Tulane National Primate Research Center.

Uno studio sulle scimmie ha già prodotto risultati incoraggianti, suggerendo che l’infezione produce quanto meno un’immunità di breve durata. Ma una vasta gamma di specie può essere una risorsa. “Hai bisogno del modello giusto, per la domanda giusta”, afferma Vincent Munster della sezione Rocky Mountain Laboratories dell’Istituto Nazionale Americano delle Allergie e Malattie Infettive, il cui team si concentra sulle scimmie.

Costui mette in guardia dallo scartare un modello animale, semplicemente perché il SARS-CoV-2 produce un effetto, come la morte per un’infezione cerebrale, che non riflette la tipica malattia nell’uomo. “Questo è un grosso malinteso”, dice, osservando che ” gli umani non hanno nemmeno una coda”.

Una delle massime priorità è quella di testare i vaccini sperimentali immunizzando gli animali e, poi, ‘attaccandoli’ con il virus; tali esperimenti devono essere condotti nei laboratori di livello 3 di bio-sicurezza.

I modelli animali potrebbero anche mettere in guardia dai pericoli di vaccini e farmaci contro il COVID-19; alcuni vaccini sperimentali contro il correlato virus SARS, ad esempio, hanno innescato anticorpi che hanno aumentato la gravità della malattia, quando gli animali da test sono stati sollecitati. Inoltre, gli esperimenti con animali possono spiegare perché i bambini sviluppano raramente i sintomi, quanto facilmente il SARS-CoV-2 si trasmette attraverso sottili particelle aerosolizzate e se i fattori genetici dell’ospite rendono alcune persone più suscettibili alle gravi malattie.

I topi — facili da maneggiare e da allevare — sono stati a lungo il pilastro della bio-medicina, e un buon modello di topo sarebbe un vantaggio, nella ricerca per il COVID-19. Ma i topi sono insensibili all’infezione da SARS-CoV-2, perché l’ACE2 del topo presenta differenze-chiave, rispetto a quello umano. “È divertente come il virus possa avere effetti così devastanti nell’uomo, ma puoi dare a un topo un milione di particelle, e questo rimarrà inerte”, afferma Timothy Sheahan, che sta sviluppando modelli COVID-19 di topo all’Università della Carolina del Nord (UNC), Chapel Hill.

Chan, in collaborazione col microbiologo della HKU Kwok-Yung Yuen e altri, ha individuato il problema facendo un confronto tra specie della regione di ACE2 a cui il SARS-CoV-2 si lega inizialmente. Nel topo, 11 dei 29 amminoacidi di questo dominio differivano dalla versione umana. I ratti avevano 13 differenze, ma i criceti ne avevano solo quattro.

Un modo per aggirare il posto di blocco è quello di ‘progettare’ topi che esprimono le versioni del gene del recettore, ACE2, sia del topo che dell’uomo. Nel 2007, Stanley Perlman, dell’Università dell’Iowa, fece proprio questo, per studiare la SARS. Sebbene il coronavirus della SARS possa infettare i topi attraverso il loro ACE2, essi sviluppano solo sintomi lievi. Equipaggiati con l’ACE2 umano, i topi soccombono a una malattia cerebrale letale. Questo modello ha aiutato a valutare potenziali vaccini e trattamenti per la SARS, e ha anche rilevato l’impatto delle diverse risposte immunitarie.

Ma la domanda per gli animali modificati è diminuita, dopo che l’epidemia di SARS si è placata nel 2003, e Perlman li ha consegnati al Jackson Laboratory (JAX), un imponente fornitore nonprofit di topi.

Questo congelò lo sperma degli animali e, sin da quando emerse il SARS-CoV-2, tornò ad allevare nuovamente i topi. “Sinora, abbiamo ricevuto oltre 1.000 richieste”, afferma Nadia Rosenthal, direttrice scientifica dello JAX.

Un team cinese, che ha anche progettato topi che esprimano la proteina umana ACE2 per studiare la SARS, ha tenuto alcuni degli animali transgenici e li ha già infettati col SARS-CoV-2. Essi hanno peduto peso e hanno mostrato segni di polmonite, ma poco altro, secondo quanto riferito da Qin Chuan del Peking Medical Union College e colleghi, in una prestampa pubblicata su bioRxiv il 28 febbraio. “Si tratta di una malattia molto, molto lieve”, afferma Perlman.

Perlman sta aspettando che lo JAX fornisca i topi modificati ma, come misura di ripiego, ha ricucito il gene umano per l’ACE2 in un adenovirus, che ha usato per infettare i topi, in modo che alcune delle loro cellule polmonari formassero il recettore. In caso di infezione da SARS-CoV-2, i topi hanno perso il 20% del loro peso – più del doppio, rispetto a quanto riscontrato dal team di Qin – ma nessuno di loro è morto.

Per creare quello che Rosenthal definisce un modello di topo più “autentico”, i ricercatori dello JAX stanno utilizzando l’editor del genoma CRISPR per modificare la sequenza del mouse nativo ACE2, in modo che la proteina codificata sia riconosciuta dal virus. Sheahan, in collaborazione con Ralph Baric dell’UNC, sta invece adattando il virus al topo, modificando geneticamente le sue proteine di superficie, in modo che esso possa infettare i topi inalterati.

Altri ricercatori del SARS-CoV-2 si stanno rivolgendo ai ratti. Questi non sono più sensibili al COVID-19, rispetto ai topi, ma la loro maggior dimensione rappresenta un vantaggio. “Spesso vorresti procedere a sanguinamenti ripetuti, in un esperimento, e non puoi farlo con i topi”, afferma Prem Premsrirut della Mirimus, una società che sta collaborando con un gruppo accademico per progettare un modello di ratto, alterandone il recettore ACE2. Gli studi sui vaccini, ad esempio, valutano spesso in che modo le diverse dosi influenzino la risposta anticorpale, per diversi giorni. Premsrirut osserva che anche “la maggior parte degli studi tossicologici” sui farmaci inizia sui ratti. “Se riesci a studiare un farmaco direttamente sui ratti, sei sulla buona strada”.

I furetti sono un pilastro della ricerca su un’altra malattia respiratoria, l’influenza, perché il virus dell’influenza non solo li infetta, ma produce sintomi simili a quelli della malattia umana. I furetti infetti starnutiscono persino, diffondendo prontamente l’influenza nell’aria. Tuttavia, gli animali potrebbero non rivelarsi un modello fedele per il COVID-19. Il virus li infetta e causa un aumento della temperatura corporea, hanno riferito online Young Ki Choi della Chungbuk National University e i suoi colleghi, il 6 aprile, su Cell Host & Microbe. Ma ciò non si è replicato ad alti livelli, e i furetti non hanno sviluppato altri sintomi.

Il team ha trovato prove per cui i furetti potrebbero imitare un aspetto del COVID-19: la trasmissione respiratoria. Gli animali che hanno infettato non solo hanno diffuso il SARS-CoV-2 ai compagni di gabbia, ma anche a due dei sei furetti nelle gabbie adiacenti. Sebbene i ricercatori sospettino che il SARS-CoV-2 si trasmetta principalmente attraverso goccioline respiratorie relativamente grandi, che cadono rapidamente sulle superfici, questa scoperta suggerisce che anche le particelle più sottili, in grado di fluttuare nell’aria per periodi più lunghi e su distanze più lunghe, possono trasportare virus infettivi. “L’infezione da aerosol non è così efficiente come il contatto diretto, ma è possibile”, conclude il coautore Jae Jung dell’Università della California del Sud.

Gli animali che probabilmente hanno il maggior peso, nel valutare potenziali farmaci e vaccini, sono le scimmie. Sebbene esse siano costose e difficili da gestire, la loro stretta relazione genetica con l’uomo le rende spesso le ‘guardie del portone’ per gli studi clinici su farmaci e vaccini. “Questo sarà il nostro modello quasi clinico, a cui affidarsi con decisione”, afferma Roy. Gli sforzi intensi per infettare quattro diverse specie di scimmie col SARS-CoV-2 sono iniziati poco dopo l’isolamento del virus dalle persone. “Non c’è stata una specie emergente, che possa portarmi a dire che è così”, dice Roy, che sta testando i macachi africani verdi e quelli rhesus, e ha esaminato attentamente i dati dell’infezione delle scimmie cynomolgus e le bertucce.

In uno studio olandese su otto scimmie cynomolgus, infettate con SARS-CoV-2, le quattro più vecchie hanno sviluppato livelli più alti di virus nei tamponi del naso e della gola, rispetto alle più giovani. Nessuna di loro ha sviluppato una malattia sintomatica, ma le autopsie hanno riscontrato danni ai polmoni in due animali su quattro. “Questo sembra ciò che vedi nei casi lievi degli esseri umani”, afferma Bart Haagmans dell’Erasmus University Medical Center, il cui team ha pubblicato i suoi dati il 17 marzo su bioRxiv.

Gli studi sulle scimmie hanno iniziato anche a fare indagini sulla protezione immunitaria. Due scimmie rhesus, guarite dall’infezione da SARS-CoV-2 al Peking Union Medical College, erano resistenti alla re-infezione, 4 settimane dopo. Questa scoperta è una buona notizia, in quanto suggerisce che sia le infezioni naturali che l’immunità innescata dal vaccino forniranno, almeno, una protezione successiva.

Come i furetti, le scimmie vengono utilizzate per affrontare il controverso problema di quanti rischi le persone affrontino dalla trasmissione via aerosol del SARS-CoV-2, che potrebbe indirizzare i dibattiti sul valore delle mascherine facciali fatte in casa. Roy e, separatamente, Douglas Reed presso l’Università di Pittsburgh, stanno organizzando esperimenti con camere d’aria, che tentano di infettare le scimmie attraverso questo percorso. Gli esseri umani con gravi sofferenze per COVID-19 hanno spesso patologie di base, come l’ipertensione o il diabete, e Roy afferma che i ricercatori potrebbero dover trovare – o creare – scimmie con queste comorbilità, per sviluppare il modello più indicativo.

Probabilmente, l’elenco dei modelli animali crescerà rapidamente. Ad esempio, uno studio pubblicato online l’8 aprile da Science ha riferito che il virus può infettare i gatti. Le autopsie hanno mostrato che l’infezione ha portato a lesioni ‘gravi’ nei loro passaggi nasali, nella trachea e nei polmoni.

Dave O’Connor, dell’Università del Wisconsin, Madison, che sta studiando il SARS-CoV-2 nelle scimmie cynomolgus, afferma che il campo alla fine selezionerà i modelli. “Potrebbe risultare che alcuni modelli non valgano davvero la pena di essere perseguiti, dopo aver svolto questo tipo di lavoro di base; ma non credo che ci siamo ancora. Dobbiamo lasciare che i dati ci guidino”.

 

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