SARS-CoV-2: evoluzione di uno spillover virale

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Duccio Cavalieri

 

Duccio Cavalieri
Professore Ordinario di Microbiologia (SSID-Bio19), presso il Dipartimento di Biologia, Firenze

 

 

“Contro i tanti ostacoli che troviamo in noi stessi e che la natura ci oppone disponiamo di un’esperienza lenta e di una ragione limitata”
Denis Diderot, L’interpretazione della natura 

 

Sono passati 9 anni da quando nel 2012 David Quammen, divulgatore scientifico di fama internazionale, ha scritto un libro, edito in Italia da Adelphi (2014), dal titolo Spillover. Il libro tratta di una storia dell’evoluzione delle epidemie e delle pandemie, indicando come già all’inizio degli anni 2000 fosse stata predetta una futura pandemia (the Next Big One): una zoonosi, probabilmente trasmessa da un animale selvatico come un pipistrello e di provenienza cinese, diffusa attraverso un contatto uomo-animale verificatosi in un wet market. Quammen e la comunità scientifica che studia le dinamiche delle malattie, inclusi gli esperti del Center for Disease Control (CDCD) USA, sono arrivati a questa possibile conclusione dopo un lavoro durato anni e frutto della raccolta di dati scientifici, relativi non solo alla diffusione di malattie virali esistenti, ma anche alle dinamiche della crescita della popolazione umana con l’evoluzione dei sistemi di produzione di cibo, dalla coltivazione intensiva e la conseguente deforestazione all’allevamento intensivo. La previsione era che the Next Big One non sarebbe stato un semplice evento casuale, ma il risultato dello sfruttamento della natura da parte dell’uomo e dello stabilirsi di contatti inusuali, legati a questa invasione.

Ma cosa è lo spillover?

Lo spillover, in italiano “sversamento”, sta a indicare il momento in cui un virus passa dal suo ospite animale, qualunque esso sia, al primo ospite umano, ossia il cosiddetto “paziente zero”.

Se avessimo letto il libro di Quammen a Natale 2019 avremmo pensato di essere davanti a un’operazione fantasiosa a ponte fra il giornalismo scientifico e considerazioni ecologiste, new age. Avremmo riposto il libro sullo scaffale, convinti che questo non avrebbe riguardato il nostro tempo. Invece in modo drastico e radicale lo spillover descritto da Quammen si è materializzato e ha cambiato il nostro mondo. Ormai un anno fa venivano diagnosticati in Lombardia i primi casi dell’epidemia di coronavirus, che è stata nominata coronavirus 2019 (COVID-19), anche definita sindrome respiratoria acuta grave coronavirus 2 (SARS-CoV-2), originariamente individuata a Wuhan, Cina, probabilmente prima del dicembre 2019. Questa pandemia si è rapidamente diffusa in tutto il mondo e ha avuto un impatto senza precedenti sulla civiltà umana moderna, cambiando i nostri stili di vita e limitando le nostre libertà. A oggi il virus ha provocato oltre 3 milioni di morti a livello globale, la sua gravità è fortemente influenzata dal valore RT, l’indice di diffusione, in quanto, a parità di sintomi, è il numero di persone infettate e bisognose di cure ospedaliere a mettere a dura prova il sistema sanitario e la nostra capacità di gestire la malattia. In questo articolo proverò a rispondere ad alcune domande importanti per capire quello che sta succedendo e la sua evoluzione.

Perché era prevedibile una pandemia come quella da coronavirus?

Le pandemie svolgono un ruolo naturale di contenimento della popolazione e sono evolute con l’evoluzione delle società umane. La progressiva deforestazione ed esposizione dell’uomo e degli animali domestici a specie selvatiche può consentire il passaggio di microorganismi, specialmente virus, da “serbatoi” animali all’uomo. È accaduto nel 1918 con la Spagnola, quando un virus dell’influenza aviaria è passato prima ai suini e poi all’uomo, e periodicamente avviene. La deforestazione associata alla crescita della popolazione umana e l’allevamento intensivo riducono la biodiversità ma anche offrono opportunità per l’evoluzione di nuove varietà animali, vegetali e microbiche. Gli ecosistemi, che mantengono il proprio equilibrio grazie alla presenza di molte specie animali, vegetali, di funghi, virus e batteri, devono fare i conti con l’intervento aggressivo dell’uomo. Abbattiamo gli alberi, scaviamo pozzi e miniere, catturiamo animali, spesso uccisi o venduti vivi nei mercati dei Paesi in via di sviluppo o in rapida e incontrollata evoluzione. Compromettiamo quindi gli ecosistemi e così diventiamo i potenziali ospiti di virus di cui erano portatori solo gli animali selvatici. Le radici profonde dello spillover stanno proprio nel nostro rapporto con la natura e con il mondo animale. E una volta avvenuto il passaggio del virus all’uomo non è affatto improbabile che questo si diffonda in maniera esponenziale a tutta l’umanità, trasformandosi in una pandemia. Siamo 7,7 miliardi di esseri umani interconnessi l’uno all’altro e sono proprio la globalizzazione e la velocità dei trasporti a rendere l’evoluzione di questo virus inarrestabile.

Perché le zoonosi sono in genere più difficili da comprendere e da controllare?

Quando avviene uno spillover il virus entra in un nuovo ospite e si instaurano nuove relazioni. L’equilibrio precedente si rompe. Una volta entrato in un organismo a lui non familiare, il virus può trasformarsi in un innocuo passeggero, in una moderata seccatura o in una piaga biblica. Il passaggio da un ospite a un altro, infatti, di solito è associato alla comparsa di sostanziali novità.

Nel nostro caso sappiamo che i coronavirus sono una classe di virus che coesiste da sempre con gli umani. Esistono almeno 40 ceppi di coronavirus diversi per cui è noto un contatto con la nostra specie. La maggior parte di essi causa sintomi minimi, come raffreddore e un po’ di tosse, e quindi non rappresenta una minaccia, perché le persone sono diventate immuni.

Il coronavirus che determina l’attuale pandemia, il SARS-CoV-2, è invece preoccupante perché, avendo fatto il salto di specie recentemente (probabilmente direttamente dai pipistrelli a noi, forse senza un ospite intermedio), è particolarmente aggressivo.

L’esistenza di un ospite intermedio dopo il pipistrello è ancora oggi ignota ma preoccupante in quanto la possibilità che l’epidemia arrivi a diffondersi di ritorno da noi, tramite furetti, suini o altri mammiferi da carne, è da tenere seriamente in considerazione. Se, ad esempio, il virus “ripassasse” secondariamente ai suini e poi dai suini all’uomo, come già successo per la Spagnola, o H1N1, il suo ritorno potrebbe essere particolarmente pericoloso.

Perché SARS-CoV-2 è riuscito a causare una pandemia?

Nel 2003/2004 avevamo già visto la comparsa di un coronavirus molto aggressivo, il virus della SARS. Questo virus ha circolato limitatamente in Asia e la sua diffusione è stata controllata in modo molto efficace.

La ragione per cui SARS-CoV-2 ha causato una pandemia è verosimilmente da ricercare in tre principali differenze rispetto al virus originario.

La prima differenza è che questa forma virale vede la comparsa di una nuova tipologia di spike, mai riscontrata in nessun coronavirus. Una caratteristica che rende questo virus particolare è la sua variabilità, rispetto al ceppo della SARS, relativa proprio al sito di legame al recettore (presente sulle cellule), pur nel mantenimento dello stesso recettore della SARS (ACE2). Oggi sappiamo con certezza che il virus si lega ad ACE2 e con minore efficienza anche ad altre proteine di membrana, ma molti dati indicano che proprio il sito deputato al legame sia in costante mutamento e che l’adattamento al recettore possa essere avvenuto proprio attraverso il passaggio all’uomo.

ACE2 (Angiotensin Converting Enzyme - 2) è associato alla formazione di angiotensina 1-7, un ormone che determina vasodilatazione e contribuisce all’abbassamento della pressione arteriosa. Il numero di recettori esposti sulla membrana cellulare può variare quindi da individuo a individuo, per ragioni sia genetiche che cliniche. Pertanto il numero di recettori e l’efficacia della chiave spike nel riconoscere la serratura “recettore” spiegano l’aumentata capacità di infettare l’ospite.

La seconda caratteristica che ha contribuito al successo infettivo di SARS-CoV-2 è la sua capacità di nascondersi al sistema immunitario. Covid-19 è in grado di nascondersi al sistema immunitario dell’ospite grazie a uno scudo costituito da glicani (zuccheri) legati a un aminoacido (prolina), in una sequenza virale riconosciuta e tagliata da una proteina dell’ospite, la serpina. Queste sequenze sono assenti dai genomi dei virus del pipistrello, del pangolino e da quelli del SARS-CoV-1 del 2003/2004 e suggeriscono un’evoluzione in risposta a un attacco del sistema immunitario, dunque un’evoluzione in vivo del virus.

La terza ragione è probabilmente legata alla sua resistenza nell’ambiente e alla capacità di rimanere asintomatico. Il principale modo di trasmissione del virus è quello persona-persona, attraverso goccioline di liquido contenenti particelle virali. Il fatto che l’influenza ha un tasso netto medio di riproduzione della trasmissione di 1,3 mentre SARS-CoV-2 ne ha uno stimato tra 2,13 e 4,82 è la ragione della particolare diffusione di questo virus. Ciò è forse dovuto a una combinazione di tre fattori: 1) la presenza di molti portatori asintomatici; 2) la tardiva manifestazione dei sintomi – fra il quarto e il settimo giorno in più del 95% dei casi –; 3) la possibilità del virus di rimanere infettivo anche al di fuori del corpo del portatore per un periodo di tempo più lungo di altri virus.

Sappiamo, in relazione all’esperienza cinese, che il coronavirus può sopravvivere più di 5 giorni nelle feci o nei liquidi corporei. Studi autorevoli indicano poi come molti virus della famiglia coronavirus, incluso quello della SARS, possano rimanere infettivi sulle superfici (maniglie, porte, tavoli, vetri, contenitori, merci) fino a 2 giorni. SARS-CoV-2 può rimanere infettivo molto più a lungo. Il primo esperimento rigoroso condotto con l’attuale coronavirus per comprenderne la capacità di sopravvivenza in forma attiva al di fuori dell’organismo è stato condotto dagli scienziati del laboratorio di virologia del National Institute of Allergy and Infectious Diseases (l’Istituto statunitense per le malattie infettive). I risultati sono stati pubblicati sul New England Journal of Medicine il 17 marzo. Spruzzato sotto forma di aerosol in condizioni di laboratorio, il coronavirus sopravvive fino a tre ore. Tra il momento in cui viene nebulizzato e lo scadere delle tre ore, la sua quantità si riduce molto (diventa la metà nel giro di un’ora). Il virus rimane infettivo per 1 giorno su cartone e banconote o carta, e fino a 3 giorni su metallo, plastica o vetro. Questo studio suggerisce che non può essere escluso un passaggio tramite un oggetto o nell’aria come evento intermedio e aggiuntivo al passaggio uomo-uomo.

Il maggior limite attuale per valutare la probabilità di una contaminazione indiretta, uomo-aria o superfice contaminata-uomo, rimane a oggi l’incertezza sulla dose infettiva, cioè sulla dose virale minima necessaria a scatenare l’infezione e la malattia. Questa dose varia da individuo a individuo e dipende da fattori quali età, sesso, stato di salute, stato del sistema immune. Recentemente sono stati condotti studi con il campionamento dell’aria da parte delle persone quando parlano, respirano, tossiscono e starnutiscono, valutando la presenza di virus con metodi quantitativi basati sul sequenziamento, associato poi a test sulla capacità infettiva del virus, condotti sia su culture cellulari che, idealmente, su un modello animale. I risultati di questi studi hanno evidenziato come in media la distanza di un metro e mezzo sia sufficiente per garantire una sicurezza dal contagio, all’aperto. La cosa cambia se si considerano ambienti chiusi, treni o altri mezzi di trasporto. La permanenza di più di 15 minuti in un ambiente chiuso dove si concentrano potenziali malati ha dimostrato una trasmissione attraverso aerosol di dimensioni tali che le semplici mascherine chirurgiche non possono offrire una reale protezione. È oggi chiaro che gli ambienti a rischio sono gli ambienti interni, gli spazi ristretti, come i bagni, gli ascensori o le stanze piccole, con sistemi di areazione che ricircolano l’aria in ambienti chiusi, dove per proteggersi è necessario avere mascherine FP2.

Clima e inquinamento possono avere un ruolo nella trasmissione del virus?

Studi di epidemiologia, statistica e meteorologia hanno evidenziato una impressionante similitudine delle condizioni meteo a Wuhan e nella valle del Po nel momento di inizio dell’epidemia, suggerendo un ruolo del particolato nel trasporto del virus nel momento di diffusione dell’infezione. Ormai sono molti gli studi che mostrano come batteri e funghi possano muoversi anche su lunghissime distanze e rimanere vivi per lunghi periodi di tempo. Nulla è noto, invece, relativamente ai coronavirus, ma certamente la cosa merita di essere investigata. Per ora questi studi sono correlazioni che non provano meccanismi e causalità, ma potrebbero essere più di semplici suggestioni e meritano approfondimenti accurati prima di escludere un ruolo del clima sulla diffusione della malattia. Anche le polveri sottili giocano molto probabilmente un ruolo importante nella trasmissione del virus. L’inquinamento dell’aria e i conseguenti danni ai polmoni e alle vie respiratorie rendono più suscettibili le persone al virus.

La teoria dell’evoluzione e i virus: possiamo usare Darwin per capire le dinamiche della pandemia?

Studi recenti indicano come il virus sia in costante evoluzione durante lo svilupparsi dell’epidemia. Quindi diventa cruciale comprendere dove si diriga questa evoluzione, che – se Darwin ha ragione – dovrebbe favorire l’evoluzione di ceppi attenuati, meno virulenti (altrimenti, se diventa troppo aggressivo, il virus rischia di non avere più organismi-contenitori in cui duplicarsi). Per capire quello che accade e prevedere quali proteine del virus sono i migliori target per i vaccini è necessario sequenziare un grandissimo numero di ceppi da diverse regioni del mondo, sia in pazienti asintomatici che in malati gravi.

I virus a RNA hanno un tasso di mutazione più elevato dei virus a DNA, ma la presenza di una funzione di correzione di bozze nel genoma dei coronavirus aveva fatto supporre una replicazione virale più fedele e una maggiore stabilità, per cui il tasso di mutazione veniva stimato a 9,8 × 10−4 sostituzioni per sito per anno.

Per questo inizialmente la comunicazione al pubblico insisteva sul fatto che il virus non fosse mutato e fino ad alcuni mesi fa molti epidemiologi e immunologi sostenevano che il virus fosse stabile e che le mutazioni dell’RNA di SARS-CoV-2 non avessero effetti sostanziali sulla sua diffusione e pericolosità.

Oggi sappiamo che non è così: la diffusione pandemica del virus vede profonde alterazioni nella patogenesi, nella virulenza e/o nella trasmissibilità del virus.

Il virus è in rapida evoluzione e quello che preoccupa delle nuove varianti è la possibilità che diventino più diffusibili, aumentando l’indice di contagio Rt, ma anche meno sensibili a strategie vaccinali, oltre che più virulente.

In realtà il virus accumula mutazioni man mano che si trasmette da un paziente a un altro e quanto maggiore è il numero di pazienti, tanto maggiore è il numero di mutazioni che vengono esposte a selezione naturale. L’analisi di circa 10.000 genomi dei virus isolati nella prima ondata dell’infezione (https://www.gisaid.org) ha evidenziato almeno 5.000 mutazioni emerse indipendentemente, di cui l’80% non sinonime, ossia fonte di cambiamenti nelle proteine virali. Inoltre, 400 di queste erano in omoplasia: in altre parole il virus si starebbe adattando all’uomo. Infine, circa 185 mutazioni erano emerse indipendentemente almeno 3 volte (omeoplastiche ricorrenti).

Almeno 8 di queste mutazioni si rivelano soggette a selezione per il fatto di avere un tasso di sostituzioni non sinonime (DN/DS) statisticamente significativo. Il tasso di sostituzioni non sinonime è un indice di presenza di selezione naturale, cioè segnala un accumulo di mutazioni non spiegabile con fluttuazioni casuali, ma risultato di un vantaggio selettivo.

Uno degli hotspot di mutazioni è nella regione della spike chiamata D614G e vi trae origine il ceppo chiamato SARS-CoV-2 S. Questa mutazione emersa da qualche parte fra la Germania e la Lombardia a marzo 2020 è divenuta il modello da cui si sta evolvendo la forma più diffusa a livello globale. I pazienti infettati con la variante D614G sono associati a cariche virali del tratto respiratorio superiore più elevate rispetto a quelle osservate con il ceppo ancestrale, ma che non hanno alterato la gravità della malattia. La sostituzione D614G mostra anche una maggiore infettività in linee cellulari e differenti sensibilità alla neutralizzazione anticorpale. Le analisi strutturali hanno anche rivelato che i domini di legame del recettore (RBD) nella proteina S della forma G614 occupano una percentuale più alta nella conformazione aperta rispetto alla forma D614, il che implica una migliore capacità di legarsi al recettore dell’enzima di conversione dell’angiotensina 2 (ACE2).

Nulla in biologia può essere compreso se non alla luce dell’evoluzione, diceva Theodus Dobzhansky (https://en.wikipedia.org/wiki/Nothing_in_Biology_Makes_Sense_Except_in_the_Light_of_Evolution), e in un meraviglioso lavoro pubblicato dal gruppo di Sara Otto a fine primavera 2020 anche per la pandemia COVID-19 i modelli di biologia evoluzionistica prevedevano una seconda ondata e un’evoluzione del virus verso una forma più trasmissibile ma non più cruenta e letale.

Prove sperimentali, ottenute anche grazie a modelli sperimentali sempre più appropriati, hanno oggi provato in modo certo che la variante SARS-CoV-2 S era già su questa traiettoria a marzo, quando aveva ormai sostituito in quasi tutto il mondo la variante originale di Wuhan.

Oggi sappiamo però che questa variante non aveva raggiunto il massimo limite di diffusione potenziale. Sappiamo con certezza che la nuova variante inglese, che si origina da essa, ha ancor più ottimizzato il sito della spike e ha una capacità del 40% superiore di trasmettersi e infettare. La nuova variante isolata per la prima volta in un paziente inglese e adesso in espansione nel resto dell’Europa e nel mondo ha, rispetto al ceppo originario di Wuhan, un totale 17 di mutazioni codificanti (in ognuna cambia o manca un aminoacido), in quattro diverse proteine del virus. Otto mutazioni sono nella proteina spike, quella contro cui sono stati sviluppati i vaccini di BioNtech, Moderna e AstraZeneca. Una di queste potrebbe alterare il legame del virus alle nostre cellule, un’altra ha un ruolo immunologico ed è associata a un possibile minore riconoscimento nella diagnosi, una terza è nel sito di maturazione della spike, ossia nel sito tagliato da un nostro enzima con un ruolo cruciale nel favorire l’infezione.

Mentre questo articolo va in stampa sono apparse due nuove varianti, quella Brasiliana e quella Sudafricana, che potrebbero porre dei problemi relativamente al riconoscimento degli anticorpi prodotti dopo la vaccinazione con AstraZeneca. È un processo perfettamente coerente con le predizioni dei modelli evoluzionistici: la velocità tenderà ad aumentare, come la capacità di sfuggire al sistema immune. Su ogni altro effetto non si può dire nulla al momento, ma è decisamente importante sapere che un’altra delle predizioni dei modelli è che la letalità del virus dovrebbe lentamente diminuire aumentando la frazione dei portatori paucisintomatici.

Di certo sappiamo che è fondamentale costruire un sistema di monitoraggio dell’evoluzione virale che per i casi positivi ci indichi quale ceppo virale ha causato l’infezione e come questo si stia diffondendo, permettendoci di acquisire informazioni essenziali sulle dinamiche evolutive dell’infezione stessa. Ciò servirà per sviluppare e adattare i vaccini all’evoluzione del virus, almeno fino a quando questo non sarà sostituito dal prossimo.

cavalieri.unifi@gmail.com


“È dunque innanzitutto perché gli uomini si sentono male che vi è una medicina. È solo secondariamente, per il fatto che vi è una medicina, che gli uomini sanno di cosa sono malati”
George Canguilhem, Saggio sul normale e il patologico

“Questo libro (Il Saggiatore) se ne sta su conclusioni naturali trattate con astronomiche e geometriche dimostrazioni, fondate prima sopra sensate esperienze e accuratissime osservazioni”
Galileo Galilei, Lettera a Cristina Di Lorena

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