Stato dell’arte
Già dall’inizio della pandemia, alcuni studi hanno sottolineato il ruolo importante svolto dall’apparato gastrointestinale nell’influenzare la gravità dell’infezione.
Cosa aggiunge questa ricerca
Grazie all’utilizzo della spettrometria di massa è stato possibile ricostruire il profilo del microbiota in pazienti con COVID-19 e sintomi gastrointestinali focalizzandosi su batteri, archea, lieviti e funghi.
Conclusioni
Grazie a questo studio è stato possibile approfondire la composizione del microbiota intestinale di pazienti COVID-19 positivi e le disbiosi associate ai pazienti con la più alta carica virale, nonché valutare i pathway metabolici alterati in questa situazione ed il loro impatto a livello biochimico.
Il microbiota intestinale potrebbe svolgere un ruolo chiave nel decorso dell’infezione da SARS-CoV-2. Lo rivela uno studio pubblicato su Environmental Microbiology da parte di un team di ricercatori coordinati da Jean Armengaud della Université Paris-Saclay, in Francia.
Il virus SARS-CoV-2 (Severe Acute Respiratory Syndrome – Coronavirus 2), agente eziologico del COVID-19 (Coronavirus Disease 19) annovera tra i sintomi, oltre a tosse, febbre e dispnea legati al coinvolgimento delle vie respiratorie, anche diarrea, vomito, nausea e dolori addominali di natura prettamente gastrointestinale.
Covid e intestino
Varie ipotesi sono state avanzate per spiegare il coinvolgimento dell’apparato gastrointestinale tra cui la perdita della capacità di assorbimento da parte degli enterociti, processi microinfiammatori ai danni della mucosa dello stomaco o dell’intestino, e compromissione della funzionalità dell’enzima di conversione dell’angiotensina (ACE 2).
Nonostante queste osservazioni preliminari, il ruolo del coinvolgimento dell’apparato gastrointestinale nella patogenesi della COVID-19 rimane da chiarire.
L’escrezione di virioni di SARS-CoV-2 nelle feci di pazienti infetti tra il primo ed il dodicesimo giorno dopo negativizzazione valutata con tampone naso-faringeo fa pensare che le particelle virali vengano secrete da cellule gastrointestinali infettate. In particolare è stato notato come SARS-CoV-2 sia in grado di penetrare attraverso la superficie apicale degli enterociti che compongono villi maturi in quanto esprimono tre proteine che il virus usa per entrare nelle cellule: ACE2, TMPRSS2 e TMPRSS4. Inoltre, poco è noto circa i cambiamenti che l’infezione da SARS-CoV-2 determina a livello gastrointestinale. Le evidenze sperimentali che suggerivano che il microbioma intestinale influenzasse l’espressione di recettori ACE2, ha portato ad ipotizzare un ruolo del microbioma anche nella COVID-19, ma i dati relativi al microbioma di pazienti SARS-CoV-2 positivi sono davvero pochi.
L’analisi dei campioni fecali
Sono stati analizzati un totale di 39 campioni fecali di cui 33 di pazienti risultati positivi alla COVID-19 con tampone nasofaringeo e 6 negativi. L’analisi con RT-qPCR eseguita sui campioni fecali ha evidenziato 10 campioni positivi tra i 33 precedentemente positivi al tampone nasofaringeo.
Nessuna associazione significativa è stata evidenziata tra la presenza sierica di proteina C reattiva ed il contenuto fecale di SARS-CoV-2 così come tra i livelli di mRNA di SARS-CoV-2 nelle feci e la positività al tampone e tra il contenuto di SARS-CoV-2 e la gravità della malattia.
I campioni risultati positivi alla presenza di mRNA di SARS-CoV-2 sono stati classificati in due gruppi: alto livello o basso livello.
Ognuno è stato poi analizzato mediante tecniche di spettrometria di massa per categorizzare, attraverso approcci di metaproteomica, il contenuto e la composizione del proteoma. Dalle prime analisi è risultato un maggiore contenuto proteico nei campioni debolmente positivi all’mRNA di SARS CoV-2 o negativi rispetto a quelli con maggiore contenuto del messaggero virale.
In generale, i microrganismi maggiormente rappresentati sono i batteri, seguiti da funghi ed archea. I phyla batterici maggiormente rappresentati sono: Firmicutes, Proteobacteria, Actinobacteria e Bacteroidetes; tra gli archea, il phylum Euryachaeota e tra gli eucarioti, il phylum Streptophyta.
Successive analisi hanno consentito di identificare dei profili di microbiota intestinale differenti per pazienti con elevati livelli di RNA di SARS-CoV-2 rispetto a quelli con una bassa carica o negativi. Inoltre, nei pazienti con alta carica virale, la diversità microbica è risultata ridotta rispetto ai pazienti negativi o con bassa carica. I pazienti positivi al tampone nasofaringeo e risultati positivi al virus anche nelle feci, hanno un’abbondanza relativa aumentata di alcuni generi di funghi come Candida, Fusarium, Penicillium, Aspergillus e Saccharomyces; per gli archea sono risultati più abbondanti nei pazienti positivi Methanosphaera ed Halobacteriales mentre, tra i batteri, per esempio, Streptomyces, Actinomadura, Amycolatopsis, Nocardia, Mycobacterium e Arthrobacter.
Al contrario, sono risultati relativamente meno abbondanti: Ruminococcaceae, Lachnospiraceae, e Firmicutes.
Metaproteomica e potenziali biomarker per l’infezione da SARS-CoV-2
Sono state successivamente raccolte informazioni funzionali sul metaproteoma dei gruppi presi in esame (SARS-CoV-2 positivi rispetto ai negativi) così come i profili del microbiota e delle proteine espresse dall’ospite. Sono stati così identificati 341 pathways le cui proteine sono risultate differentemente espresse nei due gruppi: per esempio i pathway metabolici, le vie biosintetiche di metaboliti secondari, le vie biochimiche della glicolisi e della gluconeogenesi e del metabolismo microbico.
È stato inoltre notato un aumento nei pazienti con COVID-19 dei metaboliti relativi al flusso della citrullina che suggerisce un tentativo di adattamento del phylum Firmicutes per acquisire un vantaggio energetico in condizioni stressogene.
In particolare, è stato evidenziato un aumento dei peptidi che appartengono alle vie biositetiche mcp e yesN così come quelli che derivano dalla produzione della cobalamina (cobS e cobV). Lo stesso vale per la pompa di trasporto dei farmaci, NADPH chinone reduttasi e la famiglia proteica NTA per gli Actinobacteria. Anche proteine coinvolte nel metabolismo dei solfati per i Bacteroidetes così come quelle per il metabolismo del glutatione negli Actinobacteria sono risultati aumentati nel pazienti con SARS-CoV-2 rilevato nelle feci, a riprova delle dinamiche di adattamento di questi microrganismi alle condizioni infiammatorie e stressogene alle quali l’intestino è sottoposto.
Anche l’espressione della catena pesante delle immunoglobuline, nota per essere un indice di risposta dell’ospite, è stato notato essere aumentata in concomitanza con l’aumento dell’abbondanza relativa di Firmicutes ed Actinobacteria.
Per quanto riguarda i funghi, alcune molecole funzionali hanno mostrato delle alterazioni, come quelle coinvolte nel metabolismo del retinolo (AdhP) o nelle modificazioni degli istoni (SET2), quest’ultima è anche nota per essere una molecola chiave nella risposta infiammatoria mucosale.
Alterazioni della funzionalità delle molecole dell’ospite sono state altresì notate comparando le due categorie analizzate (SARS-CoV-2 positivi rispetto ai negativi). In particolare, i pathway le cui componenti proteiche sono risultate aumentate in pazienti COVID-19 positivi includono il sistema di segnalazione dei recettori ACE2 come peptidil dipeptidasi A, amminopeptidasi, glutamil amminopeptidasi e neprilsina, ma anche i pathway che permettono di limitare lo stress ossidativo come SOD1 e SOD2, proteine di membrana poste sugli enterociti che ne mediano gli scambi reciproci.
Inoltre, i campioni con il contenuto di SARS-CoV-2 maggiore contengono quantità statisticamente maggiori di immunomodulatori come Gal-9, glutatione-S-transferasi per contrastare l’azione delle specie reattive dell’ossigeno, ed enzimi coinvolti nei pathway di degradazione lisosomiale.
Conclusioni
Nel contesto dell’infezione da SARS-CoV-2, l’apparato gastrointestinale è risultato essere di importanza fondamentale per lo sviluppo della malattia e per la sua gravità.
In particolare, è emerso che il microbioma intestinale subisce variazioni quanto a composizione e funzionalità in relazione alla presenza o all’assenza del virus negli enterociti stessi, identificabile tramite ricerca dell’mRNA virale nelle feci.
In particolare, le modificazioni identificate nei pazienti con maggiore presenza virale sono relative ai pathway proinfiammatori, attivati in seguito ai danni agli enterociti, alla permeabilità intestinale, all’attivazione della risposta immunitaria e a quelli per contenere lo stress ossidativo.
