Varianti di SARS-CoV-2, quali implicazioni di salute pubblica?

Davide Rustici

La pandemia di Covid-19 pone continue sfide alla comunità scientifica e agli organi di salute pubblica come ad esempio la circolazione di nuove varianti genetiche virali che hanno richiesto ai governi di adottare contromisure immediate, con importanti echi sui mezzi di informazione e discussioni tra esperti. Mentre molti scienziati inizialmente erano scettici sul significato di alcune mutazioni, l'emergere della nuova "variante britannica" - lignaggio B.1.1.7 - ha sollevato una diffusa preoccupazione. Capire quali varianti siano effettivamente da temere e perché, richiede un’analisi dell'evoluzione del virus e dell'epidemiologia genomica di SARS-CoV-2. Un articolo su JAMA a firma di Adam Lauring, Division of Infectious Diseases, Department of Internal Medicine and Department of Microbiology and Immunology, University of Michigan, Ann Arbor fa il punto su questo delicato tema. 

Mutazioni, varianti e diffusione

Le mutazioni sorgono come sottoprodotto naturale della replicazione virale.1 I virus a RNA hanno tipicamente tassi di mutazione più elevati rispetto a quelli a DNA. I coronavirus, tuttavia, producono meno mutazioni rispetto alla maggior parte dei virus a RNA perché codificano un enzima che corregge alcuni degli errori commessi durante la replicazione. Nella maggior parte dei casi, il destino di una nuova mutazione è determinato dalla selezione naturale. Quelle che conferiscono un vantaggio competitivo in termini di replicazione virale, trasmissione o fuga dall'immunità aumentano di frequenza e quelle che riducono la resistenza virale tendono ad essere eliminate dalla popolazione dei virus circolanti. Tuttavia, le mutazioni possono anche aumentare e diminuire di frequenza a causa di eventi casuali. Ad esempio, un "effetto fondatore" si verifica quando un numero limitato di singoli virus stabilisce una nuova popolazione virale. Le mutazioni presenti nei genomi di questi antenati virali domineranno la popolazione indipendentemente dai loro effetti sulla fitness virale. Questa stessa interazione tra selezione naturale ed eventi casuali modella l'evoluzione del virus all'interno degli ospiti, nelle comunità e tra le diverse nazioni. Sebbene i termini mutazione, variante e ceppo siano spesso usati in modo intercambiabile nella descrizione dell'epidemiologia di SARS-CoV-2, le distinzioni sono importanti. La mutazione si riferisce all'effettivo cambiamento nella sequenza: D614G è una sostituzione dell'acido aspartico con la glicina nella posizione 614 del gene che codifica per la glicoproteina spike. I genomi che differiscono nella sequenza sono spesso chiamati varianti. Questo termine è meno preciso perché 2 varianti possono differire per 1 o molte mutazioni. A rigor di termini, una variante è un ceppo quando è possibile dimostrare un differente fenotipo (ad esempio, una differenza di antigenicità, trasmissibilità o virulenza). La valutazione di una nuova variante SARS-CoV-2 dovrebbe includere l’analisi delle seguenti domande: la variante si è imposta attraverso selezione naturale o eventi casuali? Se l'evidenza suggerisce la selezione naturale, quali mutazioni vengono selezionate? Qual è il vantaggio adattativo di queste mutazioni? Che effetto hanno queste mutazioni su trasmissibilità e diffusione, antigenicità o virulenza?

La mutazione D614G 

La mutazione D614G nella glicoproteina spike di SARS-CoV-2 è stata rilevata per la prima volta a un livello significativo all'inizio di marzo 2020 e si è diffusa globalmente nel mese successivo. La mutazione inizialmente sembrava sorgere indipendentemente e simultaneamente in più aree geografiche. Questa apparente evoluzione convergente era indicativa di un processo di selezione naturale e di un vantaggio adattativo di D614G. Tuttavia, i successivi esami di sequenziamento hanno fatto risalire la mutazione D614G nei virus in diverse province cinesi già alla fine di gennaio.

Ciò ha sollevato la possibilità che la diffusione globale di questa mutazione potesse essere il risultato di eventi casuali, in cui i virus che ospitano 614G hanno dato vita alla maggior parte degli eventi di trasmissione precoce in più luoghi.

Questa plausibile ipotesi nulla ha portato molti gruppi di ricerca a dubitare che la mutazione D614G fosse adattativa, nonostante i dati in vitro mostrassero i suoi effetti sul legame al recettore. Una recente analisi genetica e filodinamica della popolazione di oltre 25.000 sequenze provenienti dal Regno Unito ha rilevato che i virus portatori di 614G sembravano diffondersi più velocemente e produrre cluster filogenetici più ampi rispetto ai virus con 614D. La dimensione dell'effetto era tuttavia risultata modesta e i modelli non hanno sempre raggiunto una significatività statistica. Più recentemente, un lavoro complementare su modelli animali indica che i virus 614G si trasmettono in modo più efficiente.

Mutazione di N453Y e visoni

Focolai di SARS-CoV-2 hanno iniziato a manifestarsi negli allevamenti di visoni nei Paesi Bassi e in Danimarca nella tarda primavera e all'inizio dell'estate 2020. Indagini genomiche ed epidemiologiche condotte in un focolaio nei Paesi Bassi hanno dimostrato una trasmissione da uomo a visone, tra visoni e da visone a uomo. All'inizio di novembre 2020 le autorità danesi hanno segnalato 214 casi Covid-19 associati ad allevamenti di visoni.

Molte sequenze SARS-CoV-2 dai focolai olandesi e danesi presentavano la mutazione Y453F nel dominio di legame del recettore della spike, che potrebbe mediare una maggiore affinità di legame per ACE2 (enzima di conversione dell'angiotensina 2) nel visone. Undici individui dell'epidemia danese avevano una variante chiamata cluster 5, che aveva 3 mutazioni aggiuntive nella spike (del69_70, I692V e M1229I). Un'indagine iniziale su 9 campioni di siero umano convalescente ha suggerito una riduzione modesta e statisticamente significativa dell'attività di neutralizzazione contro i virus del cluster 5 (media, 3,58 volte; range, 0-13,5). L'apparente adattamento di SARS-CoV-2 al visone era tuttavia preoccupante perché la continua evoluzione del virus in un serbatoio animale potrebbe potenzialmente portare a eventi ricorrenti di spillover del SARS-CoV-2 dal visone all'uomo e ad altri mammiferi. Per questo motivo, molti paesi hanno aumentato gli sforzi di sorveglianza e in alcuni casi hanno implementato l'abbattimento su larga scala (cioè la macellazione selettiva) di visoni negli allevamenti.

Lignaggio B.1.1.7 e N501Y

Il lignaggio B.1.1.7 (chiamato anche 501Y.V1) è un cluster filogenetico che si sta rapidamente diffondendo nell'Inghilterra sudorientale. Questo cluster ha accumulato 17 mutazioni prima del suo rilevamento all'inizio di settembre, il che suggerisce una significativa evoluzione precedente, probabilmente in un ospite cronicamente infetto. 

Al 28 dicembre 2020, questa variante rappresentava circa il 28% dei casi di infezione da SARS-CoV-2 in Inghilterra e i modelli genetici suggeriscono una capacità di diffusione più rapida del 56% rispetto ad altri lignaggi. A differenza del D614G, che avrebbe potuto plausibilmente beneficiare di eventi casuali precoci, il lignaggio B.1.1.7 si è espanso quando i casi di SARS-CoV-2 erano diffusi e ha apparentemente raggiunto una predominanza superando una popolazione esistente di varianti circolanti. Ciò è fortemente indicativo di una selezione naturale di un virus più trasmissibile a livello di popolazione.

Mentre gli interventi di salute pubblica come maschere, distanziamento fisico e limitazioni agli assembramenti dovrebbero rimanere efficaci, il controllo di una variante più trasmissibile richiederebbe probabilmente un'applicazione più rigorosa e l'adozione più diffusa di queste misure.

Otto delle mutazioni della linea B.1.1.7 sono nella glicoproteina spike, tra cui la N501Y nel dominio di legame del recettore, la delezione 69_70 e la P681H nel sito di scissione della furina. Tutte queste mutazioni potrebbero influenzare in modo plausibile il legame ad ACE2 e la replicazione virale. Si prevede che le varianti spike 501Y abbiano una maggiore affinità per l'ACE2 umano e una variante diversa, anch'essa con una mutazione N501Y, è in fase di rapida diffusione in Sud Africa. Gli effetti di queste mutazioni sull'antigenicità non sono attualmente chiari.

Antigenicità ed efficacia dei vaccini

La sorveglianza genomica delle varianti SARS-CoV-2 si è concentrata principalmente sulle mutazioni nella glicoproteina spike, che media l’adesione alle cellule ed è un target principale degli anticorpi neutralizzanti.

Vi è un forte interesse nel sapere se le mutazioni nella glicoproteina spike possano determinare la fuga del virus dall’effetto degli anticorpi dell'ospite e quindi potenzialmente compromettere l'efficacia del vaccino, essendo la proteina spike  il principale antigene virale nei vaccini attuali. In questo momento, una selezione di una variante a livello di popolazione probabilmente non è guidata dalla presenza di anticorpi nell’ospite perché non è presente un numero di individui immuni sufficiente a determinare una pressione selettiva capace di indirizzare il virus in una data direzione. Se una variante ha una o più mutazioni in spike che aumentano la trasmissibilità, potrebbe rapidamente sostituire altre varianti circolanti. Poiché gli attuali vaccini provocano una risposta immunitaria all'intera proteina spike, si spera che una protezione efficace possa ancora verificarsi nonostante alcuni cambiamenti nei siti antigenici nelle varianti SARS-CoV-2.

Separare le cause dalle conseguenze è importante nella valutazione dei dati sulla neutralizzazione degli anticorpi da parte delle varianti spike. Indipendentemente dal motivo per cui le mutazioni sono state selezionate, è ragionevole aspettarsi che molte mutazioni in spike possano influenzare la  capacità neutralizzante dei sieri iperimmuni. È quindi importante considerare sia l'entità del cambiamento nella neutralizzazione che il numero di campioni di siero valutati.

Un altro problema è che le glicoproteine ​​virali sono soggette a compromessi evolutivi. A volte una mutazione che migliora una proprietà virale, come il legame a un recettore, può ridurre un'altra proprietà, come la possibilità di fuga da anticorpi dell'ospite. In effetti, prove recenti suggeriscono che questo potrebbe essere il caso di D614G. È possibile che mutazioni in spike che sono vantaggiose per il virus in un dato momento potrebbero anche renderlo meno adatto nel contesto dell'immunità a livello di popolazione in futuro. La definizione di queste dinamiche e la loro potenziale influenza sull'efficacia del vaccino richiederà un monitoraggio su larga scala dell'evoluzione del SARS-CoV-2 e dell'immunità dell'ospite per molto tempo a venire.

Bibliografia

Lauring AS, Hodcroft EB. Genetic Variants of SARS-CoV-2—What Do They Mean? JAMA. Published online January 06, 2021. doi:10.1001/jama.2020.27124.