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Introduzione

L’intenzione di questo articolo è di fornire alcune conoscenze generali sui virus, come portano all’infezione e come il sistema immunitario del corpo risponde. Anche se minuscoli, i virus sono entità complesse e diverse che hanno la capacità di infettare gli ospiti, replicarsi e poi diffondersi ad altri ospiti. Inoltre, i virus possono a volte trasferirsi tra specie ospiti, o possono mutare e reinfettare la specie ospite originale.

Cos’è un virus?

I virus sono pacchetti microscopici di informazioni genetiche (DNA o RNA, a seconda del tipo di virus), avvolti in un mantello proteico. Possono variare in forma e dimensione, e tipicamente variano da 20 a 300 nanometri (un nanometro è un metro diviso per mille milioni) (Figura 1). I virus possono esistere al di fuori del loro ospite, ma non possono replicarsi in modo isolato, non hanno nessuno dei “macchinari” cellulari di una cellula normale, né alcun metabolismo. In effetti, c’è un dibattito sul fatto che i virus siano effettivamente una forma di vita e sono a volte considerati ai “margini della vita”. Come le vere forme di vita, i virus possiedono materiale genetico, possono riprodursi e si evolvono attraverso processi che coinvolgono la mutazione e la selezione naturale (anche se la mutazione richiede cellule ospiti piuttosto che avvenire autonomamente; a differenza degli organismi viventi).

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Figura 1. Morfologia e dimensioni relative approssimative di diverse famiglie di virus. I virus sono costituiti da DNA o RNA che è spesso strettamente associato a proteine per dare maggiore stabilità. Il materiale genetico (DNA o RNA) può essere contenuto all’interno di proteine di forma regolare che danno forme geometriche (capside) o hanno un rivestimento di membrana più lasco, o entrambi.

Dopo aver infettato un ospite, un virus entrerà nelle cellule dell’ospite (in un tessuto specifico o più generalmente, a seconda del virus), e prenderà il controllo dei sistemi cellulari trasformando così la cellula in una fabbrica di virus che produce molte nuove particelle virali. Questa invasione e questa funzione alterata possono causare cambiamenti drammatici alle cellule dell’ospite, che possono danneggiarle o ucciderle. La produzione di nuove particelle virali porta all’infezione di un maggior numero di cellule dell’ospite ed è alla base della trasmissione del virus a un nuovo ospite.

Si stima che ogni millilitro di acqua marina contenga fino a 100 milioni di virus, mentre i sedimenti lacustri contengono circa 20 miliardi di virus per grammo.Quanto tempo un virus può rimanere vitale al di fuori del suo ospite dipende dal virus e dal suo ambiente. Alcuni virus possono sopravvivere nell’aria o su superfici solide per diversi giorni o settimane. Mentre i virus in acqua tendono a sopravvivere più a lungo – fino a un anno in acqua fredda e pulita. Il calore, il detergente o i raggi UV possono inattivare i virus in pochi minuti. Al contrario, le temperature di congelamento possono conservare i virus.

Ci sono molti tipi diversi di virus e sono ovunque. Per esempio, si stima che ogni millilitro di acqua di mare contenga fino a 100 milioni di virus, mentre i sedimenti dei laghi contengono circa 20 miliardi di virus per grammo. Gli individui infetti possono spargere molte particelle di virus. I pazienti con il virus dello stomaco, il rotavirus, rilasciano fino a 10 miliardi di particelle di virus per grammo di feci.

La gamma di organismi viventi che i virus infettano è vasta. Infatti, si ritiene che tutti gli organismi, da entità unicellulari come i batteri, a piante e animali multicellulari più complessi, siano suscettibili di essere infettati da diversi tipi di virus. Alcuni virus infettano specificamente alcune specie ospiti, mentre altri infettano una vasta gamma di specie diverse. Anche le conseguenze dell’infezione virale variano enormemente tra particolari interazioni ospite-virus. Generalmente, anche se non sempre, l’infezione virale risulta in una malattia dell’organismo ospite.

Da dove vengono i virus?

Ci sono diverse teorie sull’origine dei virus. Il fatto che infettino tutte le forme di vita suggerisce che hanno origini antiche.Ci sono diverse teorie sull’origine dei virus. Il fatto che infettino tutte le forme di vita suggerisce che hanno origini antiche. Come già detto, i virus sono essenzialmente materiale genetico (DNA o RNA) circondato da un mantello proteico. Per avere successo, il materiale genetico dei virus (comunemente descritto come “genoma virale”) deve codificare un numero sufficiente di geni in modo che un virus possa realizzare il ciclo di infezione-replicazione-re-infezione. La quantità di informazioni genetiche all’interno di un virus è minuscola. Per esempio, i genomi dei coronavirus contengono circa 30.000 basi nucleotidiche, mentre il genoma umano è circa 10.000 volte più grande, consistendo di oltre 3 miliardi di coppie di basi (‘basi’ e ‘coppie di basi’ sono terminologia di biologia che si riferisce a strutture chimiche in RNA e DNA; sequenze di basi in RNA e DNA codificano per tutte le proteine e determinano le caratteristiche fisiche degli organismi).

Ma come sono nati i virus? Un’idea è che i virus si siano evoluti da brevi sequenze di materiale genetico che erano originariamente parte di un’entità più grande. Si suggerisce che queste brevi sequenze di materiale genetico, che incapsulano un genoma virale vitale, siano fuggite dalla cellula originale. Infatti, è noto che alcune sequenze di DNA hanno la capacità di tagliarsi fuori dal genoma di una cellula e reinserirsi in un’altra parte del genoma. Se tali “elementi trasponibili” si legassero in un pezzo di membrana cellulare e sfuggissero alla cellula, potrebbero trasferirsi in un’altra cellula – un po’ come farebbe un virus. Tuttavia, un altro punto di vista propone che i virus siano in realtà più antichi delle altre cellule. Questo perché la maggior parte delle proteine virali non hanno alcuna somiglianza con le proteine di altri organismi, suggerendo che i loro genomi sono distinti e che sono precedenti alla vita cellulare. Poiché ci sono così tanti tipi diversi di virus, è possibile che entrambe le idee siano corrette e che diverse famiglie di virus siano nate indipendentemente.

I diversi tipi di virus impiegano diverse strategie di replicazione quando infettano una cellula. I retrovirus, per esempio, hanno un genoma a RNA. I retrovirus possiedono anche un enzima che può utilizzare il modello RNA per produrre DNA, che può poi inserirsi nel DNA della cellula ospite. Questo significa che la cellula infettata e qualsiasi sua progenie conterrà il DNA virale. Un esempio di retrovirus è il virus dell’immunodeficienza umana (HIV). Questo processo di integrazione del genoma virale nei genomi delle cellule ospiti avviene da milioni di anni e si stima che circa l’8% del nostro DNA provenga dai virus.

Come ci infettano i virus?

La superficie della maggior parte dei virus è costellata di proteine che permettono alle particelle del virus di attaccarsi alle cellule ospiti e di entrare. L’interazione tra virus e cellule ospiti avviene attraverso l’interazione di specifiche proteine del virus e della cellula ospite: bloccare questa interazione è un modo potenziale per inibire le infezioni virali. Una volta all’interno di una cellula, le particelle virali si disassemblano, e le informazioni genetiche virali diventano un modello per la cellula ospite per iniziare a creare nuove proteine e genomi virali. Le nuove particelle virali vengono rilasciate dalla cellula ospite mentre questa continua a funzionare, oppure la cellula ospite scoppia e muore, rilasciando così le particelle virali al suo interno.

Come risponde il corpo a un virus?

Le diverse specie hanno sviluppato strategie diverse per superare le infezioni virali. Negli esseri umani, il sistema immunitario può essere classificato in due tipi: innato e adattativo, entrambi i quali forniscono protezione dalle infezioni virali. Il sistema immunitario innato comprende barriere fisiche (per esempio, mucose), messaggeri chimici (per esempio, citochine; un tipo di molecola di segnalazione usata dalle cellule) e vari tipi di cellule (per esempio, leucociti; globuli bianchi) ed è la prima linea di difesa contro i microorganismi invasori. Una citochina particolarmente importante è l’interferone, che viene rilasciato dalle cellule quando sono infettate da particelle di virus. Le molecole di interferone rilasciate da una cellula infetta possono attivare meccanismi di segnalazione nelle cellule vicine per inibire ulteriori infezioni virali. È stato suggerito che le cellule infettate dalla SARS-CoV-2 potrebbero non rilasciare interferoni allo stesso livello di altre infezioni virali.

A differenza del sistema immunitario innato, il grande vantaggio del sistema immunitario adattativo è che ricorda i virus e i batteri che ha incontrato. Il sistema immunitario adattativo coinvolge anche i leucociti, come i linfociti che riconoscono le proteine estranee e producono anticorpi. Un anticorpo si lega a una regione specifica (nota come epitopo) su una proteina estranea, permettendo così che solo il materiale invasore venga preso di mira per essere eliminato. La produzione di anticorpi attraverso il sistema immunitario adattativo può richiedere diversi giorni per svilupparsi, quindi ci può essere un ritardo tra l’inizio dell’infezione e la capacità di montare una risposta. Tuttavia, a differenza del sistema immunitario innato, il grande vantaggio del sistema immunitario adattativo è che ricorda i virus e i batteri che ha incontrato. Di conseguenza, se il corpo è esposto di nuovo allo stesso agente patogeno, può aumentare rapidamente la produzione di quegli anticorpi specifici. Questa immunità può diminuire nel tempo quando le cellule che ricordano l’agente patogeno diminuiscono, ed è per questo che le persone potrebbero aver bisogno di essere rivaccinate contro una specifica malattia.

Al fine di prevenire la diffusione del virus nel nostro corpo, alcune cellule infette subiscono un tipo specializzato di morte noto come apoptosi (chiamato anche ‘morte cellulare programmata’). L’apoptosi è un processo fisiologico ed è una parte normale della vita che viene utilizzata in modo altamente regolato per rimuovere le cellule danneggiate, indesiderate o infette in tutti i tessuti. Le cellule infettate da un virus possono innescare l’apoptosi e quindi morire. Questo sembra un modo drastico di agire, ma limita efficacemente il continuo rilascio di nuovi virus da una cellula.

Non tutti i virus sono ‘cattivi’

Negli ultimi anni, molti batteri sono diventati resistenti agli antibiotici. I virus che infettano e distruggono i batteri sono quindi diventati un obiettivo della ricerca medica. Questi virus, noti come batteriofagi, non infettano le cellule umane, quindi possono essere utilizzati come agenti antibiotici selettivi. Altri virus che infettano selettivamente le cellule umane possono essere usati per trasportare il DNA terapeutico nelle cellule dei pazienti, una tecnica nota come terapia genica.

Cosa sappiamo del nuovo coronavirus che causa la COVID-19?

COVID-19 è una malattia causata da un nuovo tipo riconosciuto di coronavirus chiamato SARS-CoV-2. Sono state proposte teorie su come questo nuovo coronavirus sia emerso, ma sono necessarie ulteriori informazioni prima che la sua origine possa essere stabilita. Altri membri della famiglia dei coronavirus includono i virus responsabili della sindrome respiratoria acuta grave (SARS) e della sindrome respiratoria mediorientale (MERS) che causano anche gravi infezioni del tratto respiratorio superiore nell’uomo. Questi stessi virus possono infettare anche gli animali. Nei polli causano anche un’infezione del tratto respiratorio, mentre nelle mucche e nei maiali causano diarrea. I dati attuali suggeriscono che la SARS-CoV-2 causa un rischio di mortalità minore (~1% delle persone infette muore) rispetto alla SARS (10%) e alla MERS (37%), ma superiore all’influenza (0,1%).

La superficie della SARS-CoV-2 è coperta da gruppi di proteine “spike” (Figura 2). Queste proteine si legano specificamente a una proteina chiamata enzima di conversione dell’angiotensina 2 (ACE2), che è presente sulla superficie delle cellule dei polmoni e di altri organi come il cuore, i reni e l’intestino. Una volta attaccato, il SARS-CoV-2 viene internalizzato nella cellula, la particella virale si apre e rilascia il suo genoma RNA, che viene poi usato come modello per fare altro RNA virale e proteine. Si è scoperto che le cellule coinvolte nel sistema immunitario innato e adattativo possono impoverirsi rapidamente in seguito all’infezione da SARS-CoV-2, compromettendo così gravemente l’immunità antivirale.

The Open University sotto licenza Creative Commons BY-NC-SA 4.0

Figura 2. Diagramma della struttura del coronavirus.

L’illustrazione mostra la struttura di un coronavirus in sezione trasversale. Il genoma del coronavirus è un lungo filamento di RNA avvolto intorno a una proteina e assemblato all’interno di un guscio di proteine di membrana. Questa struttura è circondata da un involucro, contenente altre due proteine, una delle quali, la proteina spike, è responsabile dell’attaccamento del virus alla cellula bersaglio prima dell’infezione. Per maggiori dettagli vedi: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22816037.

Una notevole enfasi è attualmente posta sui modelli matematici della trasmissione della SARS-CoV-2, che informano le decisioni di salute pubblica per evitare di sommergere l’assistenza sanitaria. La modellazione matematica va oltre lo scopo di questo articolo, ma il lettore interessato è rimandato a un video informale che spiega un “modello SIR” (Susceptible, Infected, Recovered/Removed) di trasmissione della malattia che può applicarsi a COVID-19: https://www.youtube.com/watch?v=k6nLfCbAzgo.

Cos’è l'”immunità di gregge”?

Un’infezione virale può diffondersi in una popolazione solo se gli individui suscettibili vengono a contatto con particelle virali. Se le persone si isolano, allora ci sono molte meno possibilità di incontrare il virus o di passarlo a individui suscettibili. Inoltre, una volta che qualcuno ha avuto un’infezione virale e ha sviluppato anticorpi protettivi contro di essa, non è generalmente suscettibile di una nuova infezione. Più persone all’interno di una popolazione sono guarite dal virus, minore è la possibilità che il virus incontri una persona suscettibile e minore è la possibilità che si diffonda. Questo concetto è noto come immunità di gregge.

La proporzione della popolazione che deve essere immune all’infezione per raggiungere l’immunità di gregge dipende da diversi fattori. Un fattore critico è la quantità di contatto tra le persone, poiché questo può essere il modo in cui le particelle del virus possono diffondersi. In una popolazione che si mescola liberamente, l’immunità di gregge dipende dal numero di persone che, in media, vengono infettate da un individuo (noto come “numero di riproduzione di base”; R0). Il valore di R0 varia a seconda del tipo di virus. Si stima che il COVID-19 abbia un R0 di circa 2,5. Al contrario, il morbillo si diffonde molto più facilmente, con un R0 di 12-18. La proporzione della popolazione che è necessaria per essere immune a una malattia e quindi fermare efficacemente la sua diffusione è nota come “soglia di immunità di gregge”, e può essere calcolata utilizzando R0 nella seguente equazione:

Soglia di immunità di gregge = (R0 – 1)

Quindi, per COVID-19 con un R0 di 2.5, l’equazione sarebbe:

Soglia di immunità di gregge COVID-19 = (2,5 – 1)

Quindi, circa il 60% della popolazione deve essere immune al COVID-19 per prevenire un’ulteriore diffusione.

L’immunità erbivora può essere raggiunta attraverso persone che si infettano e il loro sistema immunitario sviluppa una resistenza, o attraverso vaccinazioni che utilizzano pezzi del virus che innescano una risposta del sistema immunitario adattativo senza provocare la malattia. Più una malattia è infettiva, maggiore è la proporzione di persone che devono essere vaccinate. Nel caso del morbillo, per esempio, che ha un R0 di 12-18, l’Organizzazione Mondiale della Sanità raccomanda un tasso di vaccinazione del 95% per eliminare la malattia, cosa che il Regno Unito sta attualmente lottando per raggiungere.

Al momento non esiste un vaccino per il COVID-19, il che significa che l’immunità di gregge potrebbe avvenire solo con circa il 60% della popolazione che si infetta e sviluppa l’immunità. Per il Regno Unito, questo richiederebbe quasi 40 milioni di persone infettate per raggiungere l’obiettivo dell’immunità di gregge. Tuttavia, con un rischio di mortalità di ~1%, molte migliaia di persone morirebbero per l’infezione. Inoltre, molte decine di migliaia di persone infette soffrirebbero di stress respiratorio e richiederebbero l’ospedalizzazione e questi numeri, tutti insieme, travolgerebbero il sistema sanitario. A lungo termine, la popolazione mondiale potrebbe sviluppare un’immunità al COVID-19 che attenuerebbe ulteriori epidemie, ma l’immunità di gregge non è una soluzione plausibile all’attuale crisi del COVID-19.

Producendo proteine diverse, i virus possono aggirare l’immunità acquisita tramite la vaccinazione o una precedente esposizione al virus originale.È stato dimostrato che gli anticorpi diretti contro la proteina spike della SARS-CoV-2 possono impedire al virus di entrare nelle cellule. Questi progressi nella nostra conoscenza della SARS-CoV-2 porteranno allo sviluppo di test che mostrano se una persona è stata infettata e non è più suscettibile, nonché di vaccini terapeutici.

Un’informazione critica che è necessaria nella lotta contro la COVID-19 è sapere quanto il genoma del virus SARS-CoV-2 può subire mutazioni. Una mutazione deriverebbe da un cambiamento di sequenze di basi nel suo genoma RNA, che porterebbe alla produzione di una proteina diversa. Producendo proteine diverse, i virus possono aggirare l’immunità ottenuta tramite la vaccinazione o una precedente esposizione al virus originale. È noto che la SARS-CoV-2 può mutare, e infatti il virus che si sta diffondendo attualmente nel mondo avrebbe subito delle mutazioni durante il trasferimento dalla sua specie originaria all’uomo. Inoltre, è noto che ci sono differenze genetiche tra la SARS-CoV-2 originale che si è sviluppata a Wuhan, in Cina, e i ceppi del virus che attualmente causano la COVID-19 negli Stati Uniti. Questo significa che la SARS-CoV-2 sta mutando mentre passa attraverso gli ospiti umani. Tuttavia, la buona notizia è che il tasso di mutazione della SARS-CoV-2 non è così alto se paragonato ad altri virus come quelli che causano l’influenza.

Un numero considerevole di ricercatori biomedici, farmaceutici e clinici ha rivolto la propria attenzione alla SARS-CoV-2. Un rapido controllo dei database di pubblicazione della ricerca, come PubMed, mostra che ci sono stati 695 articoli pubblicati sul Coronavirus in tutto il 2019. Mentre, il conteggio è già di 1.818 pubblicazioni per i primi 3 mesi del 2020. Con ogni nuova informazione, ci avviciniamo alla comprensione del virus e allo sviluppo di soluzioni per difendersi da esso.