SARS-CoV-2 INFECTION: EFFECT ON HOST IMMUNE SYSTEM AND ATYPICAL COVID-19 ASSOCIATED-DISEASES

SARS-CoV-2 è un Betacoronavirus, e l'agente eziologico del COVID-19 (CoronaVIrus Disease-19). Rispetto ai virus MERS e SARS-CoV, SARS-CoV-2 ha una maggiore patogenicità, dovuta al suo ampio tropismo tissutale. Infatti, SARS-CoV-2 infetta diversi tessuti grazie all’elevata distribuzione di ACE2 e CD147, due dei principali recettori usati durante la fase di ingresso virale attraverso l’interazione con la proteina Spike. Data la principale trasmissione di SARS-CoV-2 attraverso la via respiratoria, la tipica patogenesi associata è la malattia polmonare COVID-19, caratterizzata da casacata citochinica e ARDS (Sindrome da distress respiratorio acuto). Grazie all’ampia diffusione dei recettori bersaglio di SARS-CoV-2, l’infezione può indurre patologie extra-polmonari, definite long-COVID-19, a carico dell’apparato gastrointestinale, epatico, renale, cardiaco, placentare e neurologico. In questa tesi ho analizzato i meccanismi alla base delle infezioni tipiche e atipiche da SARS-CoV-2, concentrandomi sulla modulazione del sistema immunitario dell’ospite. In presenza di un’infezione virale, la prima risposta immunitaria è costituita dal reclutamento di diversi effettori innati. Questo processo è attivato dal riconoscimento di componenti “non-self” del patogeno, i Pathogen Associated Molecular Patterns (PAMPs), da parte dei Pattern Recognition Receptors (PRRs). In particolare, il genoma virale è riconosciuto da sensori di RNA intracellulari, tra cui i Toll Like Receptors (TLRs) endosomiali. La mia ricerca si è concentrata sul ruolo di TLR3 e TLR7 nella risposta innata contro SARS-CoV-2. Altri componenti chiave nel riconoscimento dell’infezione sono le molecole Human Leukocyte Antigen (HLA), coinvolte nella presentazione dell’antigene. Dato il loro ruolo cruciale, la loro espressione è modulata dai virus come meccanismo di evasione immunitaria. Ho dimostrato che SARS-CoV-2 sfrutta l’espressione delle molecole HLA di classe I non-classiche, HLA-G e HLA-E, per eludere il riconoscimento dal sistema immunitario. Ho valutato l’associazione tra l’espressione di HLA-G e le disfunzioni immunitarie nei pazienti COVID-19, specialmente il reclutamento dei neutrofili, confermandone il ruolo nell’induzione di infiltrazione neutrofila ed infiammazione. Inoltre, ho dimostrato che l’anergia delle cellule NK dei pazienti COVID-19 sembra coinvolgere il caricamento della proteina Spike sulla molecola HLA-E espressa dalle cellule infette, e la sua interazione con il recettore inibitorio NKG2A/CD94 delle cellule NK. Ho valutato l’efficacia della vaccinazione anti-SARS-CoV-2 nell’indurre sia l’immunità umorale che cellulo-mediata, confermando la protezione vaccinale. Inoltre, ho valutato l’effetto della vaccinazione anti-SARS-CoV-2 nel ripristinare le funzioni delle cellule NK, dimostrando un incremento delle cellule NK attivate e con funzioni di memoria un mese dopo la dose booster. L’alterazione del sistema immunitario dell’ospite è cruciale anche nel COVID-19 extra-polmonare. Tra queste, il COVID-19 gastrointestinale è caratterizzato da alterazioni funzionali, e le analisi condotte su biopsie intestinali COVID-19 hanno mostrato danni vascolari, sostenuti dall’alta espressione di VEGF. Questa condizione coinvolge l’espressione del recettore CD147 e di HLA-G come strategia di immuno-evasione, osservato anche in gravidanza COVID-19-associata. Infatti, le analisi di tessuti placentari sostengono l’alterazione di tali molecole, in presenza dell’infezione da SARS-CoV-2. L’occorrenza del COVID-19 atipico richiede strategie antivirali più efficienti e specifiche. Perciò, ho valutato il potenziale utilizzo di formulazione polimeriche sintetiche nel contrastare l’infezione da SARS-CoV-2. Considerando il recente aumento di infezioni virali emergenti e riemergenti, questo elaborato contribuisce potenzialmente alla ricerca scientifica non solo riguardo SARS-CoV-2, ma anche su altre infezioni virali

SARS-CoV-2 is a Betacoronavirus and the etiological agent of CoronaVIrus Disease-19 (COVID-19 ). Comparing to MERS and SARS-CoV, SARS-CoV-2 has major pathogenicity, due to its wide tissue tropism. In fact, SARS-CoV-2 infect several tissues due to the large distribution of ACE2 and CD147, the two main receptors used during viral entry phase through interaction with the viral Spike protein. Since SARS-CoV-2 primary transmission route is by respiratory spread of the virus through infected droplets, the typical pathogenesis associated to the virus consists in the pulmonary disease COVID-19, characterized by cytokine storm and ARDS. Thanks to the wide expression of SARS-CoV-2 target receptors, its infection might also develop extrapulmonary diseases and long-COVID-19, impairing gastrointestinal, hepatic, renal, cardiac, placental and neurological systems. I investigated the mechanisms at the base of typical and atypical SARS-CoV-2 infection, focusing on the modulation of host immune system. In the defense against viral infection, several innate immune effectors are recruited to drive an immune response. This process is triggered by the recognition of “non self” pathogen components, defined as Pathogen Associated Molecular Patterns (PAMPs), by Pattern Recognition Receptors (PRRs ). In particular, viral genome is recognized by intracellular RNA sensors, which include endosomal Toll Like Receptors (TRLs ). I reported the main role of TLR3 and TLR7 receptors in innate anti-SARS-CoV-2 response, which lead to interferon and cytokine production. Another key actor in the recognition of viral infection is represented by Human Leukocyte Antigen (HLA ) molecules, involved in the antigen presentation process. View the HLAs crucial role, their expression is modulated by viruses as an immune escape mechanism. Specifically, I reported that SARS-CoV-2 exploits the expression of non-classical immunomodulatory HLA class I molecules, HLA-G and HLA-E, to avoid host immune system recognition. I investigated the association between HLA-G expression and immune dysfunctions in COVID-19 patients, focusing on neutrophils recruitment, confirming the HLA-G alteration by the virus as the cause of neutrophils infiltration and inflammation. I reported also that NK cell exhaustion in COVID-19 patients seems to involve Spike protein loading on HLA-E of infected cells and its interaction with the inhibitory NKG2A/CD94 receptor on NK cells, suppressing their cytotoxic functions. Another interesting aspect is referred on SARS-CoV-2 vaccination. I confirmed the efficacy of vaccination in inducing both humoral and cell-mediated immunity against virus, sustaining the protection by vaccination. In addition, I analyzed the potential effect of anti-SARS-CoV-2 vaccination in restoring NK cell functions, revealing that one month following the booster dose there was an enrichment in NK activated cells, with memory-like features. Host immune system impairment is also crucial in the onset of COVID-19 extra-pulmonary pathologies. Among these, gastrointestinal COVID-19 is characterized by altered gut functions, and the analysis of COVID-19 bowel biopsies showed a detrimental vascular effect, sustained by elevated VEGF expression levels. This condition involves the engagement of CD147 receptor and HLA-G expression as immune-escape strategies not only referred to bowel pathology, but also impacting pregnancy outcome. In fact, the analysis of placental specimens demonstrated the alteration of those marker in the presence of SARS-CoV-2 infection. Finally, the occurrence of atypical COVID-19 required the administration of therapies even more efficient and specific. Thus, I evaluated the potential employment of synthetic polymeric formulations in counteract SARS-CoV-2 infection. Considering the recent increase in emergent and re-emergent viral infections, this elaborate potentially contributes to the scientific research not only on SARS-CoV-2, but also on other viral infections.