(Influenza-Immagine Credito: Pixabay/CC0 di dominio pubblico).
“I movimenti respiratori dei polmoni sopprimono la replicazione del virus dell’influenza attivando risposte immunitarie innate protettive“, secondo un nuovo studio del Wyss Institute dell’Università di Harvard.
La persona media prenderà più di 600 milioni di respiri nel corso della sua vita. Ogni respiro allunga i tessuti dei polmoni ad ogni inspirazione e li rilassa ad ogni espirazione. È noto che i semplici movimenti della respirazione influenzano le funzioni vitali dei polmoni, incluso il loro sviluppo nei bambini, la produzione di fluido che migliora lo scambio d’aria sulle loro superfici interne e il mantenimento di una struttura tissutale sana.
Ora, la nuova ricerca del Wyss Institute dell’Università di Harvard ha rivelato che questo schema costante di allungamento e rilassamento fa ancora di più: genera risposte immunitarie contro i virus invasori.
Utilizzando un chip polmonare umano che replica le strutture e le funzioni del sacco aereo polmonare, o “alveolo”, il team di ricerca ha scoperto che l‘applicazione di forze meccaniche che imitano i movimenti respiratori sopprime la replicazione del virus dell’influenza attivando risposte immunitarie innate protettive. I ricercatori hanno anche identificato diversi farmaci che riducono la produzione di citochine infiammatorie negli Alveolus Chips infetti, che potrebbero essere utili nel trattamento dell’eccessiva infiammazione polmonare. Sulla base di questi studi, uno di quei farmaci è stato concesso in licenza a Cantex Pharmaceuticals per il trattamento della COVID-19 e di altre malattie infiammatorie polmonari. I dati della ricerca sono stati recentemente inclusi nell’applicazione Investigational New Drug (IND) dell’azienda per avviare una sperimentazione clinica di fase 2 per COVID-19.
“Questa ricerca dimostra l’importanza dei movimenti respiratori per la funzione polmonare umana, comprese le risposte immunitarie alle infezioni, e mostra che il nostro chip alveolare umano può essere utilizzato per modellare queste risposte nelle porzioni profonde del polmone, dove le infezioni sono spesso più gravi e portano al ricovero e alla morte“, ha affermato il co-primo autore Haiqing Bai, Ph.D., Wyss Technology Development Fellow presso l’Istituto. “Questo modello può essere utilizzato anche per test farmacologici preclinici per garantire che i farmaci candidati riducano effettivamente l’infezione e l’infiammazione nel tessuto polmonare umano funzionale”.
I risultati dello studio sono stati pubblicati oggi su Nature Communications.
Creare un’influenza su un chip
Come le prime fasi della pandemia di COVID-19 hanno reso dolorosamente chiaro, il polmone è un organo vulnerabile in cui l’infiammazione in risposta all’infezione può generare una “tempesta di citochine” che può avere conseguenze mortali. Tuttavia, anche i polmoni sono molto complessi ed è difficile replicare le loro caratteristiche uniche in laboratorio. Questa complessità ha ostacolato la comprensione da parte della scienza di come funzionano i polmoni a livello di cellule e tessuti, sia negli stati sani che in quelli malati.
I chip per organi umani del Wyss Institute sono stati sviluppati per affrontare questo problema e hanno dimostrato di replicare fedelmente le funzioni di molti diversi organi umani in laboratorio, compreso il polmone. Nell’ambito di progetti finanziati da NIH e DARPA dal 2017, i ricercatori Wyss hanno lavorato alla replica di varie malattie nelle vie aeree polmonari e nei chip alveolari per studiare come i tessuti polmonari reagiscono ai virus respiratori che hanno un potenziale pandemico e testare potenziali trattamenti.
Durante il suo dottorato di ricerca, Bai ha studiato le malattie che colpiscono le minuscole sacche d’aria in profondità all’interno dei polmoni dove l’ossigeno viene rapidamente scambiato con anidride carbonica. Quella base lo ha preparato ad affrontare la sfida di ricreare un’infezione influenzale in un chip Alveolus in modo che il team potesse studiare come questi spazi polmonari profondi generano risposte immunitarie contro gli invasori virali.
Bai e il suo team hanno prima allineato i due canali microfluidici paralleli di un Organ Chip con diversi tipi di cellule umane viventi – cellule polmonari alveolari nel canale superiore e cellule dei vasi sanguigni polmonari nel canale inferiore – per ricreare l’interfaccia tra le sacche d’aria umane e le loro capillari che trasportano il sangue. Per imitare le condizioni che gli alveoli sperimentano nel polmone umano, il canale rivestito dalle cellule alveolari è stato riempito d’aria mentre il canale dei vasi sanguigni è stato irrorato con un mezzo di coltura scorrevole contenente sostanze nutritive che vengono normalmente erogate attraverso il sangue. I canali erano separati da una membrana porosa che permetteva alle molecole di fluire tra di loro.
Precedenti studi presso il Wyss Institute hanno stabilito che l’applicazione di allungamento ciclico ad Alveolus Chips per imitare i movimenti respiratori produce risposte biologiche che imitano quelle osservate in vivo. Ciò si ottiene applicando l’aspirazione alle camere laterali cave adiacenti ai canali fluidici rivestiti di cellule per allungare e rilassare ritmicamente i tessuti polmonari del 5%, che è ciò che i polmoni umani sperimentano tipicamente ad ogni respiro.
Quando il team ha infettato questi chip Alveolus “respiranti” con l’influenza H3N2 introducendo il virus nel canale dell’aria, ha osservato lo sviluppo di diversi segni distintivi noti dell’infezione influenzale, inclusa la rottura delle giunzioni tra le cellule, un aumento del 25% della morte cellulare, e l’avvio di programmi di riparazione cellulare. L’infezione ha anche portato a livelli molto più elevati di citochine infiammatorie multiple nel canale dei vasi sanguigni, incluso l’interferone di tipo III (IFN-III), una difesa naturale contro l’infezione virale che viene attivata anche negli studi sull’infezione influenzale in vivo .
Inoltre, le cellule dei vasi sanguigni dei chip infetti esprimevano livelli più elevati di molecole di adesione, che consentivano alle cellule immunitarie tra cui cellule B, cellule T e monociti nel mezzo di perfusione di attaccarsi alle pareti dei vasi sanguigni per aiutare a combattere l’infezione. Questi risultati hanno confermato che l’Alveolus Chip stava montando una risposta immunitaria contro l’H3N2 e riassumeva ciò che accade nel polmone di pazienti umani infettati dal virus dell’influenza.
Concentrati sul respiro
Il team ha quindi eseguito lo stesso esperimento senza movimenti respiratori meccanici. Con loro sorpresa, i chip esposti ai movimenti respiratori avevano il 50% in meno di mRNA virale nei loro canali alveolari e una significativa riduzione dei livelli di citochine infiammatorie rispetto ai chip statici. L’analisi genetica ha rivelato che il ceppo meccanico aveva attivato percorsi molecolari correlati alla difesa immunitaria e più geni antivirali e queste attivazioni sono state invertite quando lo stretching ciclico è stato interrotto.
“Questa è stata la nostra scoperta più inaspettata: gli stress meccanici da soli possono generare una risposta immunitaria innata nel polmone”, ha affermato il co-primo autore dello studio Longlong Si, Ph.D., ex Wyss Technology Development Fellow che ora è professore allo Shenzhen Istituto di tecnologia avanzata in Cina.
Sapendo che a volte i polmoni subiscono uno sforzo maggiore del 5%, come nel disturbo polmonare ostruttivo cronico (BPCO) o quando i pazienti vengono sottoposti a ventilatori meccanici, gli scienziati hanno aumentato lo sforzo al 10% per vedere cosa sarebbe successo. Il ceppo meccanico più elevato ha causato un aumento dei geni e dei processi della risposta immunitaria innata, comprese diverse citochine infiammatorie.
“Poiché il livello di deformazione più elevato del polmone ha comportato una maggiore produzione di citochine, potrebbe spiegare perché i pazienti con condizioni polmonari come la BPCO soffrono di infiammazione cronica e perché i pazienti sottoposti a ventilatori ad alto volume a volte subiscono lesioni polmonari indotte dal ventilatore“, ha spiegato Si.
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Da un chip agli studi clinici
Gli scienziati hanno quindi fatto un ulteriore passo avanti confrontando le molecole di RNA presenti nelle cellule all’interno dei Chip Alveoli tesi e statici per vedere se potevano individuare come i movimenti respiratori stessero generando una risposta immunitaria. Hanno identificato una proteina legante il calcio, chiamata S100A7, che non è stata rilevata nei chip statici ma altamente espressa nei chip tesi, suggerendo che la sua produzione è stata indotta dallo stiramento meccanico. Hanno anche scoperto che una maggiore espressione di S100A7 sovraregola molti altri geni coinvolti nella risposta immunitaria innata, comprese le citochine infiammatorie multiple.
S100A7 è una delle numerose molecole correlate note per legarsi a una proteina sulle membrane cellulari chiamata recettore per i prodotti finali della glicazione avanzata (RAGE). RAGE è più espresso nel polmone che in qualsiasi altro organo del corpo umano ed è stato implicato come un importante mediatore infiammatorio in diverse malattie polmonari. Il farmaco Azeliragon è un noto inibitore della rabbia, quindi gli scienziati hanno irrorato l’azeliragon attraverso il canale dei vasi sanguigni di Alveolus Chips tesi per 48 ore, quindi hanno infettato i chip con il virus H3N2. Questo pretrattamento ha impedito la risposta simile a una tempesta di citochine che avevano osservato nei chip non trattati.
Sulla base di questo risultato promettente, il team ha quindi infettato Alveolus Chips tese con H3N2 e somministrato Azeliragon alla sua dose terapeutica due ore dopo l’infezione. Questo approccio ha bloccato significativamente la produzione di citochine infiammatorie, un effetto che è stato ulteriormente potenziato quando hanno aggiunto il farmaco antivirale Molnupiravir (che è stato recentemente approvato per i pazienti con COVID-19) al regime di trattamento.
Questi risultati hanno attirato l’attenzione di Cantex Pharmaceuticals, che possiede i diritti di brevetto sull’Azeliragon ed era interessata a usarlo per il trattamento di malattie infiammatorie. Basato in parte sul lavoro del team Wyss in Alveolus Chips, Cantex ha autorizzato Azeliragon per il trattamento di COVID-19 e altre malattie infiammatorie polmonari all’inizio del 2022. Dato l’eccellente record di sicurezza del farmaco nei precedenti studi clinici di Fase 3, l’azienda ha presentato domanda alla FDA per l’approvazione per avviare uno studio di fase 2 in pazienti con pazienti con COVID-19 e prevede di seguire ulteriori studi di fase 2 per altre malattie tra cui BPCO e asma resistente agli steroidi.
“Grazie al grande lavoro degli scienziati del Wyss Institute, ora abbiamo prove convincenti che l’Azeliragon potrebbe avere il potenziale per prevenire COVID-19 grave sotto forma di una pillola da prendere una volta al giorno. Siamo entusiasti di avere l’opportunità di condurre studi clinici sull’Azeliragon per questa malattia, cercando di portare questa terapia rivoluzionaria ai pazienti per prevenire l’infiammazione pericolosa per la vita che è una delle principali cause di ricovero e morte”, ha affermato Stephen Marcus, MD, CEO di Cantex.
Sebbene l’Azeliragon sia un promettente farmaco antinfiammatorio, gli scienziati avvertono che sono necessari ulteriori studi per determinare un regime di trattamento sicuro ed efficace negli esseri umani. RAGE è un attore fondamentale nell’iniziare un’infiammazione benefica contro i patogeni nelle prime fasi di un’infezione e inibirla troppo presto potrebbe impedire a un paziente di creare una risposta immunitaria sufficiente.
Dati i numerosi vantaggi del chip Alveolus rispetto ai modelli preclinici tradizionali, il team Wyss sta esplorando l’incorporazione di ulteriori tipi di cellule come i macrofagi nei chip per aumentarne la complessità e modellare processi più biologici, come l’immunità adattativa. Stanno anche usando il loro modello esistente per studiare l’efficacia di nuovi composti, farmaci e prodotti biologici (come le terapie dell’mRNA) contro l’influenza, SARS-CoV-2 e altre malattie.
“Questo importante documento ha portato alla scoperta della promessa degli inibitori RAGE per il trattamento delle malattie infiammatorie del polmone che è stata la base per la recente licenza di Azeliragon a Cantex e il suo movimento verso studi clinici sull’uomo per COVID-19. Sono estremamente orgoglioso di questo team e della rapidità con cui questa scoperta scientifica è stata tradotta in una commercializzazione che, si spera, porterà a un trattamento salvavita per i pazienti. Questo è ciò di cui tratta il Wyss Institute”, ha affermato l’autore senior Donald Ingber, MD, Ph.D., che è il Direttore fondatore del Wyss Institute.
Fonte:Nature
