Covid-19 ed evoluzione della patologia: analisi del Recettore ACE2

"Perché l’infezione è così diversa tra individuo e individuo, perché alcuni individui non manifestano la malattia mentre altri vanno incontro a polmoniti gravissime, spesso letali?", in questo articolo cercherò di dare una visione generale dell’importanza del Sistema Renina – Angiotensina, dei recettori correlati e della loro importanza nel decorso della patologia polmonare da coronavirus SARS-CoV2 ex Covid19.

Introduzione.

Il Coronavirus Covid-19 oggi SARS-CoV2 è l’attuale emergenza nel mondo, oramai siamo in stato di Pandemia, al 12 Marzo 2020, ci sono 12839 persone infette e più di 1000 sono decedute in Italia.

Questo virus è simile ad altri coronavirus, alcuni di questi causano solo un banale raffreddore. In particolare assomiglia al virus SARS – CoV responsabile della Sindrome respiratoria acuta grave che nel 2002 contagiò più di 8000 persone e anche in quella situazione il virus causò molti decessi per problemi respiratori con una mortalità del 10%. Questa somiglianza è importante perché ci permette di fare riferimento a studi fatti negli anni sul virus SARS. I Coronavirus hanno tropismo per gli epiteli dell’apparato respiratorio e digerente, entrano in queste cellule e si replicano nel citoplasma dove utilizzano le risorse della cellula per moltiplicarsi. Questa famiglia di virus è responsabile di infezioni nel mondo animale, per lo più gastroenteriti, sindromi simil influenzali o polmoniti, la trasmissione avviene per via oro-fecale o per aerosol di goccioline. 

Il virus CoV2 è circondato da delle proteine che al microscopio elettronico danno l’aspetto a corona, sono una sorta di protuberanze chiamate spikes e svolgono importanti funzioni nella fusione con la membrana cellulare permettendo così al virus di penetrare nella cellula. Nel dettaglio il virus SARS-CoV2 entra nelle cellule grazie a un recettore a cui si lega "ingannando" così la cellula poiché l’antirecettore virale, la glicoproteina S presente sullo spike, assomiglia al naturale ligando del recettore per ACE 2; questo fenomeno era già stato scoperto e studiato nell’infezione del virus SARS-CoV (1).　

Sistema Renina – Angiotensina – Aldosterone.

Ovviamente il recettore non è nato per fare un piacere ai virus ma fa parte di un complesso di regolazione legato al sistema Renina – Angiotensina – Aldosterone (SRAA) che regola il volume dei fluidi extracellulari, in particolare del volume sanguigno, per esempio una emorragia o una disidratazione importante porta a una riduzione del volume sanguigno attivando il sistema SRAA così avverranno delle risposte nell’organismo che porteranno le cellule mioepiteliali dell’apparato juxtaglomerulare del rene a secernere Renina che trasforma l’angiotensinogeno (prodotto dal fegato e sempre circolante) in angiotensina1 e poi un enzima detto ACE (enzima convertitore dell'angiotensina) lo trasformerà in angiotensina 2 o Ang II questa si lega ai recettori AT1 provocando vasocostrizione, infiammazione, ritenzione di sodio e acqua, grazie all’azione sull’ormone aldosterone, aumento della pressione sanguigna. I recettori AT1 sono presenti a livello delle fibrocellule muscolari lisce delle arteriole, del rene, della zona glomerulare del surrene, del fegato, del polmone, del cervello, del cuore e dell’utero (4).

Inoltre l’Ang II è induttore di stress ossidativo, attraverso il suo signalling via recettore AT1, che determina a lungo termine rimodellamento cardiovascolare e aterosclerosi, modulati dallo stress ossidativo cellulare. Il blocco del recettore AT1 porta perciò anche a un effetto anti-infiammatorio mediato dal recettore AT2.

Esistono, infatti, altri tre tipi di recettori per l’angiotensina II fra cui il recettore AT2, per noi importante poiché presente sulle cellule dell’epitelio alveolare, gastrointestinale e miocardico e anche in altri tessuti. Questo recettore sembra mediare una risposta opposta a quella del recettore AT1 anche attraverso la formazione di PGI2 ,PGE2 e NO, che contribuiscono alla riduzione della pressione arteriosa, al miglioramento della funzione cardiaca e alla riduzione dello stress ossidativo (3).

L’attivazione dei recettori AT2 induce una diminuzione di fattori pro-infiammatori, determinando quindi minori livelli plasmatici di IL-6, di MCP-1 e di NFLB e un aumento di produzione dell’IL-10, citochina antinfiammatoria (13).

Inoltre Ang II è essa stessa una citochina pro-infiammatoria, ci sono evidenze che dimostrano che attivi il fattore di trascrizione NF-kB ( che è il principale mediatore dell’infiammazione e dello stress nelle cellule ed è necessario per l’espressione di citochine pro-infiammatorie, come interleuchina-1β ed interleuchina-6). 

Esiste anche un’altra via metabolica innescata dall’enzima ACE2 (enzima convertitore dell'angiotensina 2) che trasforma l’ang II in un’altra molecola chiamata Ang 1-7, questa si lega ad uno specifico recettore

Mas-1 e produce effetti opposti, ovvero abbassa la pressione, dà vasodilatazione e stimola la diuresi.

ACE 2 è un glicoproteina integrale di membrana con la parte catalitica rivolta verso lo spazio extracellulare ed è presente nelle cellule dell’epitelio polmonare, reni, intestino, cuore e altri tessuti (18).

Ci sono ancora molte cose da scoprire sul recettore AT2 e sull’enzima ACE2, alcune risposte vengono da studi fatti con derivati batterici, per esempio B38-CAP è un derivato batterico con attività simile all’enzima ACE2, il suo utilizzo nei topi ha portato ad una riduzione della pressione arteriosa e delle disfunzioni cardiache, ACE2 ha un’attività protettiva sul cuore (2). Si potrebbe ipotizzare un utilizzo terapeutico di B38 o altre molecole similari proprio sulla base dell’attività ACE2 potrebbero legare il virus CoV e limitare o rallentarne la diffusione.  

Dallo studio del complesso sistema omeostatico della Renina –Angiotensina, molto più complesso di quanto io abbia potuto descriverlo in così breve spazio, (4) sono nate varie possibilità terapeutiche per il controllo dell’ipertensione e che cito per comprendere meglio quello che dirò più avanti:

1. • Farmaci che inibiscono la liberazione di renina (betabloccanti, alfa-2 adrenergici stimolanti)
   • Farmaci che inibiscono l’enzima ACE (ACE-inibitori)
   • Farmaci antagonisti del recettore AT1 (sartani)
   • Inibitori diretti della renina

 Ipotesi divergenti o congruenti?

Il virus SARS-CoV2 si diffonde principalmente attraverso le goccioline emesse con colpi di tosse o starnuti, più raro è il contagio attraverso superfici contaminate sulle quali il virus potrebbe sopravvivere a lungo. Esiste infine un’altra via di contagio possibile ovvero quella oro-fecale poiché il virus è stato ritrovato anche nelle feci e questa via potrebbe essere ancora attiva quando la persona non presenta più sintomi respiratori (5, 6).

Il periodo di incubazione del virus è in media di 5 giorni (7) e arriva fino a 14 giorni, per questo motivo il periodo di quarantena oggi previsto è di 14 giorni, anche se qualche raro caso si è manifestato dopo questo periodo. I primi sintomi sono febbre e dispnea, mal di gola e tosse, segno di interessamento delle prime vie aeree, nell’80% dei casi la malattia evolve in una forma leggera ma in un 20% dei casi l’interessamento polmonare si fa più grave perché?

Certo l’infezione virale ha la sua parte nel danno però ancor più conta la "risposta" immunitaria della persona affetta, in alcuni casi la risposta potrebbe essere inadatta a contenere la diffusione del virus e provocare più danni a livello degli alveoli con gravi conseguenze.

Una delle possibili spiegazioni è che di solito i casi gravi sono appannaggio di pazienti anziani con altre patologie, specialmente malattie polmonari o cardiovascolari e la spiegazione potrebbe essere legata proprio ad ACE2.

Qui però le strade divergono, un primo gruppo di ricercatori punta il dito sul fatto che ACE2 potrebbe facilitare la diffusione del virus (8)

"ACE2　potrebbe facilitare la diffusione del virus negli organi bersaglio, visto che è particolarmente presente nei polmoni, all'interno degli alveoli, dove avvengono gli scambi tra aria e sangue, e nel cuore».

Forse, anche (ma non solo) per questa "combinazione" di effetti su cuore e polmoni, i sintomi respiratori gravi, come tosse incessante e difficoltà di respiro, sarebbero　più severi nei pazienti con malattie cardiovascolari, i quali peraltro potrebbero anche avere una maggiore secrezione di ACE2 rispetto alle persone precedentemente sane. Lo stesso meccanismo, seppur non da solo, potrebbe anche entrare in gioco nel determinare la miocardite, ovvero l'infiammazione acuta delle cellule del miocardio, il tessuto muscolare del cuore." (9)

Inoltre secondo alcuni esperti l’uso di ACE inibitori, farmaci usati nella cura dell’ipertensione che bloccano l’enzima ACE e Sartani che bloccano il recettore AT1, portano a un aumento dell’espressione del recettore, di ACE2, fenomeno che si verifica in corso di blocco dei recettori AT1dovuto a questi farmaci (12) e questo potrebbe permettere al virus di diffondersi più facilmente grazie al maggior numero di recettori ACE2 presenti sulle cellule; la questione è interessante e sarà doveroso dare una risposta in tempi rapidi poiché il recettore ACE2 è importante per la diffusione nelle cellule sia del virus della SARS-Cov (11) che del CoV2.

Alcuni studi hanno mostrato che sostanze in grado di bloccare ACE2 sono state in grado di inibire l’ingresso del virus della SARS nelle cellule, per esempio 　N-(2-aminoethyl)-1 aziridine-ethanamine è una di queste piccole molecole in grado di competere con il virus nel legame con il recettore (11).

 In un’altra ricerca fatta nel 2005 da Josef Penninger dell’Istituto di Biologia Molecolare di Vienna fu trovato che il virus della SARS riduce l’espressione di ACE2 il che porterebbe a un danneggiamento dei vasi polmonari e in un altro studio pubblicato su Nature gli stessi evidenziano che il trattamento di topi con ACE2 risulta protettivo da un’altra malattia, la sindrome acuta da distress respiratorio o ARDS (1). Sia ACE2 che AT2 hanno un’azione protettiva sul polmone, nella ARDS ACE2 è marcatamente diminuito (14) e la somministrazione di ACE2 riduce il danno polmonare in topi privi dell’enzima. 

E’ interessante notare che nell’infezione da influenza aviaria H5N1 è presente un aumento di Ang II e alti livelli di Ang II correlavano con la severità della patologia almeno in una parte dei pazienti (15). Nell’infezione sperimentale di topi con H5N1 avviene una down regulation di ACE2 nel polmone e un aumento dell’Ang.II. Nei topi geneticamente privi di ACE2 l’infezione è particolarmente grave e viene migliorata dalla somministrazione di "recombinant human ACE2". Vi è il sospetto che il meccanismo molecolare di questa infezione, della ARDS e nell’infezione da SARS-CoV sia lo stesso, con una downregulation dell’enzima ACE2 (19)e questo offre una speranza di nuovi interventi terapeutici (15).

Insomma sia ACE2 che AT2 hanno un effetto protettivo sul polmone (16) per cui potrebbe sorgere qualche dubbio rispetto al meccanismo su citato.

Altre ricerche evidenziamo che ci potrebbe essere un altro meccanismo: il legame virale con ACE2 porta ad un esaurimento di quest’ultimo (17) e ad una squilibrio fra ACE /AngII/ AT1 e ACE2/ Ang 1-7 / recettore Mas con sviluppo di una infiammazione multi-organo dovuta al prevalere della via AT1. Gli autori ipotizzano che l’uso di inibitori del reccettore AT1 e ACE inibitori potrebbero avere un effetto protettivo nella polmonite da CoV-19 riducendo l’infiammazione polmonare.

Conclusioni. 

Il recettore AT2 e l’enzima ACE2 sono al centro di una disputa medica, da un lato vi può essere il sospetto che essendo ACE2 il recettore per il virus SARS-Cov2 l’utilizzo di farmaci come ACE inibitori e i Sartani possa, tramite un meccanismo di sovraespressione dei recettori, facilitare l’infezione del virus che così potrebbe dilagare portando ad una massiccia ed inefficace risposta infiammatoria. Inoltre l’uso di alcune molecole, in via sperimentale, che interferiscono con il recettore ACE2 sembrano migliorare la prognosi dell’infezione.

Uno studio sui topi dimostrerebbe che la sovraespressione di ACE2 incrementa la severità dell’infezione (20).

Nello stesso tempo però il sistema renina-angiotensina è alla base del danno polmonare e farmaci che lo blocchino sembrano essere efficaci nel ridurre il danno (17, 21).

Le ultime verifiche dimostrano che nei pazienti gravi vi è una tempesta di citochine (23) e che l’aumento di ferritina e di IL-6 è un fattore prognostico negativo.

Vi sono evidenze molteplici sull’importanza di AT2 e ACE2 nella regolazione dell’infiammazione, sia tramite attivazione del recettore AT2 via Angiotensina2, sia tramite attivazione del recettore MAS, via Ang 1-7 prodotta da ACE2, con riduzione delle interleuchine infiammatorie quali Interleuchina 6 (recentemente alla ribalta per i successi ottenuti con tocilizumab inibitore della IL-6 il che confermerebbe l’importanza del processo infiammatorio in alcuni pazienti con peggioramento polmonare), Il-5, TNF-alfa, NF-kB e altri ancora. 　Inoltre alcuni studi dimostrano che la carenza di ACE2 polmonare si correla ad una peggiore prognosi (15) poiché ACE2 e AT2 hanno un’azione protettiva sul polmone, in definitiva ACE2 non è solo il recettore per il virus ma anche il protettore dei danni polmonari (22). Alcune evidenze fanno emergere che questi coronavirus SARS-CoV1 e Cov2 sono in grado di sregolare l’equilibrio del sistema protettivo del polmone formato dal bilanciamento fra ACE / AngII / AT1 e ACE2/ AT2 / Ang 1-7 e recettore MAS. Il polmone è un obiettivo facile per il virus SARS-CoV2 non solo perché vi entra attraverso il respiro ma anche perché l’83% dei recettori ACE2 sono presenti nelle cellule epiteliali tipo 2 o pneumociti di tipo II che producono surfattante che impedisce agli alveoli di collassare. Anche l’epitelio intestinale è ricco di ACE2 il che potrebbe portare ad una trasmissione oro-fecale.

Quindi ACE2 solubile, o molecole con attività biologica identica, se fornito in eccesso potrebbe sia neutralizzare una parte dei virus che ripristinare la via ACE2 interrotta dal virus stesso con l’effetto di regolare il sistema renina-angiotensina proteggendo così il polmone dal danno (22).　

Dott. Paolo Milan

Bibliografia:

1.  that suppresses hypertension and cardiac dysfunction. NATURE COMMUNICATIONS | (2020) 11:1058 | https://doi.org/10.1038/s41467-020-14867-z |www.nature.com/naturecommunications  Position paper SIF-SIIA. Scaricabile https://siia.it/wp-content/uploads/2015/07/03-PositionPaper-43-71.pdf  Schiavoni M, Lembo G, Volpe M. Angiotensin II type 2 receptors contribute to vascular responses in spontaneously hypertensive rats treated with angiotensin II type 1 receptor antagonists. Am J Hypertens. 2005 Apr;18(4 Pt 1):493-9. Biol. 2003 Jun;35(6):881-900. 

   1. • https://www.lescienze.it/news/2005/07/20/news/identificato_un_recettore_della_sars-584668/
      • Takafumi Minato, Josef M. Penninger et altri. B38-CAP is a bacteria-derived ACE2-like enzyme
      • Dal Maso Lucia. Tesi di laurea " Effetto del blocco del recettore AT1R dell’angiotensina II sullo stress ossidativo e sul signalling mediato dallo stress ossidativo nel danno cardiovascolare ed endoteliale del paziente iperteso." Università degli Studi di Padova, Scuola di Dottorato di Ricerca in Scienze Mediche, Cliniche e Sperimentali Indirizzo: Fisiopatologia Clinica e Scienze Nefrologiche.
      • Claudio Borghi, Francesco Rossi. Ruolo del sistema renina-angiotensina aldosterone e dei farmaci che inibiscono tale sistema nelle malattie cardiovascolari: complessità e criticità.
      • Xiao F, Tang M, et al. Evidence for gastrointestinal infection of SARS-CoV-2. Gastroenterology 2020 Mar 3.　doi:10.1053/j.gastro.2020.02.055
      • Gu J, Han B, et al. COVID-19: Gastrointestinal manifestations and potential fecal-oral transmission. Gastroenterology 2020 Mar 3.　　doi:10.1053/j.gastro.2020.02.054
      • Lauer SA, Grantz KH, et al. The Incubation Period of Coronavirus Disease 2019 (COVID-19) From Publicly Reported Confirmed Cases: Estimation and Application. Ann Intern Med. 2020. Doi:　10.7326/M20-0504
      • www.ilsole24ore.com/art/coronavirus-chi-sono-persone-piu-rischio-complicazioni
      • https://www.quotidianosanita.it/scienza-e-farmaci/articolo.php?articolo_id=82351 (riporto questo articolo da cui si può risalire alle lettere dei rispettivi esperti mandate al BMJ )
      • https://www.veterinariapreventiva.it/esterne/one-health-esterne/covid-19-ipertensione-farmaci-ace-inibitori
      • Matthew J. Huentelman , Jasenka Zubcevic , Jose A. Hernández Prada , Xiaodong Xiao , Dimiter S. Dimitrov , Mohan K. Raizada , and David A. Ostrov. Structure-Based Discovery of a Novel Angiotensin-Converting Enzyme 2 Inhibitor. Hypertension. 2004;44:903–906.
      • Cosentino F, Savoia C, De Paolis P, Francia P, Russo A, Maffei A, Venturelli V,
      • Suzuki Y and Ruiz-Ortega M et al. Inflammation and angiotensin II. Int J Biochem Cell
      • Yumiko Imai1*, Keiji Kuba1*, Shuan Rao2, Yi Huan2, Feng Guo2, Bin Guan2, Peng Yang2, Renu Sarao1, Teiji Wada1,Howard Leong-Poi3, Michael A. Crackower4, Akiyoshi Fukamizu5, Chi-Chung Hui6, Lutz Hein7, Stefan Uhlig8, Arthur S. Slutsky9, Chengyu Jiang2 & Josef M. Penninge. Angiotensin-converting enzyme 2 protects from severe acute lung failure. Nature Vol 436|7 July 2005|doi:10.1038/nature03712.
      • Zou, Z. et al. Angiotensin-converting enzyme 2 protects from lethal avian influenza A H5N1 infections. Nat. Commun. 5:3594 doi: 10.1038/ncomms4594 (2014).
      • Menk M, Graw JA, von Haefen C, Steinkraus H, Lachmann B, Spies CD, Schwaiberger D. Angiotensin II type 2 receptor agonist Compound 21 attenuates pulmonary inflammation in a model of acute lung injury. J Inflamm Res 11, 169-178 2018 May 1
      • Sun ML, Yang JM, Sun YP, Su GH. Zhonghua Jie He He Hu Xi Za Zhi. 2020;43(0):E014. doi:10.3760/cma.j.issn.1001-0939.2020.0014.
      • Hamming, I., Cooper, M., Haagmans, B., Hooper, N., Korstanje, R., Osterhaus, A., Timens, W., Turner, A., Navis, G. and van Goor, H. (2007), The emerging role of ACE2 in physiology and disease. J. Pathol., 212: 1-11. doi:10.1002/path.2162.
      • Haga, S., Yamamoto, N., Nakai-Murakami, C., Osawa, Y., Tokunaga, K., Sata, T., Yamamoto, N., Sasazuki, T., and Ishizaka, Y. (2008). Modulation of TNFalpha- converting enzyme by the spike protein of SARS-CoV and ACE2 induces TNF-alpha production and facilitates viral entry. Proc. Natl. Acad. Sci.USA 105, 7809–7814.
      • Yang XH, Deng W, Tong Z, Liu YX, Zhang LF, Zhu H, Gao H, Huang L, Liu YL, Ma CM, Xu YF, Ding MX, Deng HK, Qin C (2007) Mice transgenic from human angiotensin-converting enzyme 2 provide a model for SARS coronavirus infection. Comput Med 57(5):450–459.
      • Imai Y, Kuba K, Rao S, Huan Y, Guo F, Guan B, Yang P, Sarao R, Wada T, Leong-Poi H, Crackower MA, Fukamizu A, Hui CC, Hein L, Uhlig S, Slutsky AS, Jiang C, Penniger JM (2005) Angiotensin-converting enzyme 2 protects from severe acute lung failure. Nature 436:112–116.
      • Zhang, H., Penninger, J.M., Li, Y. et al. Angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) as a SARS-CoV-2 receptor: molecular mechanisms and potential therapeutic target. Intensive Care Med (2020). https://doi.org/10.1007/s00134-020-05985-9.
      • Puja Mehta, Daniel F McAuley, Michael Brown, Emilie Sanchez, Rachel S Tattersall, *Jessica J Manson. COVID-19: consider cytokine storm syndromes and immunosuppression. www.thelancet.com Published online March 13, 2020.