Virus&Co.

La doppia elica: il segreto della vita

Lo scorso 25 aprile ricorreva il 67° anniversario della scoperta della struttura del DNA: il 25 aprile 1953 veniva infatti pubblicato sulla rivista Nature l’articolo firmato da James Watson e Francis Crick che descriveva la doppia elica più famosa di tutti i tempi.

Il DNA era stato scoperto circa un secolo prima dal chimico svizzero Friedrich Miescher, il quale analizzando i globuli bianchi, si era reso conto che essi contenevano all’interno del nucleo una sostanza diversa dalle proteine, che chiamò nucleina. Nel 1919 un biochimico russo, Phoebus Levene, scoprì che questa molecola, che nel frattempo era stata ribattezzata acido nucleico, era composta da unità ripetute (nucleotidi) a loro volta composte da una base azotata (che poteva essere una adenina, una timina, una citosina o una guanina), uno zucchero, e uno gruppo fosfato. Fu Levene a caratterizzare due diverse forme di acidi nucleici: l’RNA che ha come zucchero il ribosio e il DNA che ha come zucchero il deossiribosio.

Le scoperte di Levene diedero il via a una serie di studi sulla struttura del DNA, egli stesso propose un modello secondo cui le basi si ripetevano sempre nello stesso ordine. Con il tempo si capì che il DNA aveva una forma tridimensionale regolare che in tanti cercarono di decifrare; nel febbraio 1953 il chimico statunitense Linus Pauling ci andò vicino, proponendo una struttura formata da tre eliche arrotolate l’una sull’altra.

Il 25 aprile 1953 sullo stesso numero di Nature vennero pubblicati tre articoli sulla struttura del DNA, tra di essi quello di Watson e Crick era il più completo, e i due scienziati già due mesi prima avevano annunciato nell’ormai famoso Eagle Pub di Cambridge di aver scoperto “il segreto della vita”.

Anche Rosalind Franklin e Maurice Wilkins (autori degli altri due articoli) svolsero un ruolo centrale nell’elaborazione della teoria di Watson e Crick, come ho raccontato in un altro post.

Il DNA è quindi composto da due catene uguali ma antiparallele (cioè orientate in direzioni opposte) di nucleotidi che si appaiano formando una doppia elica. Questo appaiamento non è casuale ma segue le regole di Watson-Crick : se su una catena è presente una adenina (A) essa si appaierà solo con una timina (T) sul filamento opposto, mentre una citosina (C) potrà appaiarsi solo con una guanina (G); l’ordine di queste basi lungo una catena (sequenza) è invece altamente variabile, e un numero elevatissimo di combinazioni è possibile.

L’RNA è invece formato da una singola elica, e al posto della timina contiene un’altra base azotata, l’uracile (U).

Il DNA contiene tutte le informazioni necessarie per “costruire” le cellule sotto forma di sequenze di nucleotidi, i geni. Questa informazione viene trasferita (trascritta) su un filamento di RNA detto messaggero (mRNA) secondo le regole di Watson-Crick con la differenza che quando sul DNA c’è una A, nell’mRNA viene inserita una U. L’mRNA esce dal nucleo e si dirige verso dei piccoli organelli detti ribosomi che sono capaci di tradurre queste istruzioni in proteine.

Le proteine sono costitute a loro volta da combinazioni di 20 unità diverse chiamate amminoacidi. Gli scienziati si posero il problema di capire come un alfabeto di 4 lettere (le basi degli acidi nucleici) potesse essere tradotto in un alfabeto di 20 lettere (gli amminoacidi). Ancora una volta fu il lavoro svolto indipendentemente da tanti scienziati a svelare il mistero: gli studi di Severo Ochoa, Francis Crick, Marshall Nirenberg, e Har Gobind Khorana tra gli altri, permisero di capire che sequenze specifiche di tre basi azotate codificano per uno specifico amminoacido e di decifrare il codice genetico.

Il meccanismo che permette la lettura e l’esecuzione delle istruzioni scritte nei geni è riassunto in quello che viene chiamato dogma centrale della biologia molecolare

Il dogma centrale della biologia molecolare. Immagine creata con BioRender.com

La scoperta della struttura del DNA ha quindi dato il via ad altre scoperte e alla comparsa di nuove tecniche che hanno permesso tra le altre il sequenziamento del genoma umano, ovvero la determinazione della sequenza di basi di tutto il DNA delle cellule umane. Il Progetto Genoma Umano (iniziato nel 1990 e concluso nel 2003) si poneva l’obiettivo di caratterizzare la sequenza e la funzione di tutti i geni umani, nonché la loro posizione relativa, e di disegnare delle mappe per seguire i caratteri genetici da una generazione alla successiva, con particolare attenzione per le malattie genetiche.

Queste conoscenze unite alle moderne biotecnologie e hanno permesso lo sviluppo di nuove forme di fare medicina come la terapia genica e la terapia cellulare.

Bibliografia

Discovery of DNA structure and function: Watson and Crick. Pray, L. Nature Education 1(1):100, 2008 https://www.nature.com/scitable/topicpage/discovery-of-dna-structure-and-function-watson-397/

The structure of yeast nucleic acid: IV. Ammonia hydrolysis. Levene P., J. Biol. Chem. 40: 415-. 1919 https://www.jbc.org/content/40/2/415.full.pdf

A Proposed Structure For The Nucleic Acids. Pauling L. and Corey R., Proc Natl Acad Sci U S A, Feb; 39(2): 84–97,1953. https://doi.org/10.1073/pnas.39.2.84

A structure for deoxyribose nucleic acid. Watson, J. D., & Crick, F. H. C., Nature 171, 737–738, 1953 https://doi.org/10.1038/171737a0

Molecular Structure of Deoxypentose Nucleic Acids., Wilkins M. et al., Nature 171, 738-740, 1953 https://doi.org/10.1038/171738a0

Molecular Configuration in Sodium Thymonucleate, Franklin R. and Gosling R., Nature 171, 740-741, 1953 https://doi.org/10.1038/171740a0

General nature of the genetic code for proteins. Crick, F. H. C., et al., Nature 192, 1227–1232, 1961 https://doi.org/10.1038/1921227a0

RNA codewords and protein synthesis, VII. On the general nature of the RNA code. Niremberg M. et al, Proc Natl Acad Sci U S A. 53(5): 1161–1168, 1965 https://doi.org/10.1073/pnas.53.5.1161

Il Progetto Genoma Umano: https://www.genome.gov/human-genome-project

The double helix: the secret of life

On April 25th we celebrate the anniversary of the discovery of the structure of DNA: 67 years ago, on April 25th, 1953 the article by James Watson and Francis Crick describing the double helix was published on Nature.

Actually, DNA itself had been discovered about one century earlier by the Swiss chemist Friedrich Miescher, which, analysing the white blood cells found out that they had inside their nucleus a substance different to proteins, that he called nuclein. In 1919 a Russian Biochemist, Phoebus Levene, discovered that this molecule, renamed nucleic acid in the meantime, was composed of repeated units (nucleotides) in turn made of a nitrogenous base (that can be adenine, thymine, cytosine or guanine), a sugar and a phosphate. Levene characterized two different forms of nucleic acids: the RNA that has ribose as sugar, and the DNA that has deoxyribose instead.

Since then many scientists started to study the structure of DNA, and Levene itself suggested a model in which the four bases were repeated always in the same order. With time, it became clear that DNA has a regular tridimensional shape, many scientists tried to unveil it, and in February 1953 Linus Pauling almost got there suggesting a structure made of three intertwined helices.

On April 25th 1953, on the same issue of Nature, three papers about the structure of DNA were published; among them, the one by Watson and Crick was the most plausible, and the two scientists had already announced two months earlier in the Eagle Pub in Cambridge, that they had discovered “the secret of life”.

Rosalind Franklin and Maurice Wilkins, authors of the other two papers, had played important roles in Watson and Crick’s theory elaboration, as I mentioned in another post.

DNA is composed of two identical and antiparallel (running in opposite directions) strands of nucleotides that assemble in a double helix. The way the two strands match is not random, but follows the Watson-Crick base-pairing rules: if on one strand there is an adenine (A) it will match only with a thymine (T) on the opposite strand, while a cytosine (C) will pair only with a guanine (C), but the order or the bases on a strand (sequence) is extremely variable, and a huge number of combinations is possible.

On the other hand, RNA is a single helix, and it presents with a different base, uracil (U), in the place of thymidine.

The DNA carries all the instructions to build the cells, in the form of sequences of nucleotide, the genes. Such information is transferred (transcribed) on an RNA strand called messenger (mRNA) following the Watson-Crick rules, with the difference that a U is inserted every time the DNA strand carries an A. The mRNA exits the nucleus of the cell and goes to little organelles called ribosomes, able to translate these instructions into proteins.

The proteins are chains of combinations of 20 different units called amino acids. The scientists faced the challenge of understanding how a 4-letter alphabet could be translated into a 20-letter alphabet (from the 4 bases of the nucleic acids into the 20 amino acids of the proteins). Once again, the work of several research groups was necessary to unravel the mystery: the studies of Severo Ochoa, Francis Crick, Marshall Niremberg, and Har Gobind Khorana among others, allowed to decipher the genetic code, in which specific blocks of three bases correspond to one specific amino acid.

The mechanism reading and performing the instructions carried in the genes is known as the central dogma of molecular biology.

The central dogma of molecular biology. Created with BioRender.com

In summary, the discovery of the structure of DNA has opened the way to other discoveries and to the development of new techniques that have allowed, among other things, the sequencing of the human genome, that is the determination of the sequence of bases of the whole DNA of the human cells. The Human Genome Project (started in 1990 and completed in 2003) had the aim of determining the sequence and function of all the human genes, and their relative position in the DNA, and to building maps to follow the inheritance of genetic traits through generations, with a particular focus on genetic diseases.

This knowledge, combined with modern biotechnology, led to new forms of medicine such as gene therapy and cellular therapy.

Bibliography

Discovery of DNA structure and function: Watson and Crick. Pray, L. Nature Education 1(1):100, 2008 https://www.nature.com/scitable/topicpage/discovery-of-dna-structure-and-function-watson-397/

The structure of yeast nucleic acid: IV. Ammonia hydrolysis. Levene P., J. Biol. Chem. 40: 415-. 1919 https://www.jbc.org/content/40/2/415.full.pdf

A Proposed Structure For The Nucleic Acids. Pauling L. and Corey R., Proc Natl Acad Sci U S A, Feb; 39(2): 84–97,1953. https://doi.org/10.1073/pnas.39.2.84

A structure for deoxyribose nucleic acid. Watson, J. D., & Crick, F. H. C., Nature 171, 737–738, 1953 https://doi.org/10.1038/171737a0

Molecular Structure of Deoxypentose Nucleic Acids., Wilkins M. et al., Nature 171, 738-740, 1953 https://doi.org/10.1038/171738a0

Molecular Configuration in Sodium Thymonucleate, Franklin R. and Gosling R., Nature 171, 740-741, 1953 https://doi.org/10.1038/171740a0

General nature of the genetic code for proteins. Crick, F. H. C., et al., Nature 192, 1227–1232, 1961 https://doi.org/10.1038/1921227a0

RNA codewords and protein synthesis, VII. On the general nature of the RNA code. Niremberg M. et al, Proc Natl Acad Sci U S A. 53(5): 1161–1168, 1965 https://doi.org/10.1073/pnas.53.5.1161

The Human Genome Project: https://www.genome.gov/human-genome-project

Vaccini, anticorpi e immunità di gregge (in breve)

Poster del vaccino antipolio del 1963
Dalla Public Health Image Library del CDC #7224 (Dominio Pubblico)

Abbiamo iniziato il 2020 alle prese con un virus emergente: abbiamo dovuto modificare drasticamente il nostro stile di vita per tentare di limitarne la diffusione e siamo più che mai consapevoli della pericolosità dei virus e delle malattie infettive in genere. Molti sperano in un vaccino e si chiedono quando sarà disponibile.

Le infezioni possono essere mortali

Le malattie infettive hanno segnato la storia dell’umanità: ne sono esempi formidabili la peste nera del 1347-1350 che uccise un terzo della popolazione mondiale, e l’influenza detta “Spagnola” del 1918 che causò circa 100 milioni di morti in tutto il mondo e ridusse alla metà la popolazione europea.

A parte questi esempi presi dai libri di storia, esistono molte altre malattie infettive mortali tra cui il morbillo, la difterite o la poliomielite. Queste infezioni non causano più l’enorme numero di vittime del passato grazie alla disponibilità di vaccini specifici, ma non bisogna dimenticare la loro potenziale pericolosità. Il morbillo, per esempio, causava in media 2.6 milioni di morti all’anno prima del 1963, anno di introduzione della vaccinazione, mentre nel 2018 il numero delle vittime è sceso a 140.000 in tutto il mondo.

Chi ha inventato i vaccini?

La vaccinazione fu inventata da Edward Jenner nel 1796.

Nel XVIII secolo il vaiolo era di casa in Europa e uccideva 400.000 persone ogni anno. Tutti sapevano che chi sopravviveva al vaiolo diventava immune a una seconda infezione. Si sapeva inoltre che le mungitrici esposte al vaiolo bovino mediante il contatto con le pustole delle vacche infette, erano immuni al vaiolo umano. Jenner pensò che il vaiolo bovino potesse essere trasmesso artificialmente da una persona all’altra per conferire immunità contro il vaiolo umano. Per testare la sua ipotesi prelevò del materiale da una pustola di una mungitrice con il vaiolo bovino e lo introdusse in un bambino di 8 anni (James Phipps) tramite una piccola ferita nella pelle. Il bambino sviluppò immediatamente febbre e malessere, ma i sintomi passarono in pochi giorni. Due mesi dopo Jenner introdusse nel bambino del materiale proveniente da una pustola di una persona con il vaiolo umano: James non si ammalò e Jenner concluse che il suo metodo funzionava!

Nel 1797 Jenner mandò una comunicazione con la descrizione del suo esperimento alla Royal Society, ma non ricevette la considerazione che meritava e il suo articolo non venne pubblicato. L’anno successivo, però, Jenner riuscì a pubblicare un opuscolo contenente molti più casi ed osservazioni (“An Inquiry into the Causes and Effects of the Variolae Vaccinae, a disease discovered in some of the western counties of England, particularly Gloucestershire and Known by the Name of Cow Pox”) facendo conoscere la sua tecnica agli altri scienziati.

Poichè il materiale che Jenner usava per la sua tecnica proveniva dalle vacche (era quindi vaccino), questa tecnica venne in seguito chiamata vaccinazione.

La pratica della vaccinazione si diffuse, e il vaccino di Jenner consentì l’eradicazione del virus del vaiolo (Variola virus) nel 1980, ovvero la sua scomparsa a livello mondiale. Se il vaiolo fosse un animale diremmo che si è estinto; ciò è accaduto perché la maggior parte della popolazione era diventata immune e il virus non aveva a disposizione abbastanza individui da infettare e da cui diffondersi.

Come sono fatti i vaccini moderni?*

I vaccini attualmente in uso contengono uno di questi elementi:

– microrganismi attenuati, cioè che non sono più stati n grado di causare la malattia (sono stati resi non patogeni)

– microorganismi inattivati (uccisi) tramite esposizione al calore o sostanze chimiche

– proteine o parti di proteine del microrganismo (vaccini a subunità)

– tossoidi, ovvero tossine sostanze normalmente prodotte dal microorganismo ma rese innocue in laboratorio.

Come funzionano i vaccini?

Quando un vaccino viene inettato, le sostanze che lo compongoo richiamano le cellule del sistema immunitario nel sito dell’iniezione, provocando un’infiammazione localizzata. Queste cellule sono chiamate cellule presentanti l’antigene (APC). Le APC inglobano il materiale che compone il vaccino e lo trasportano ai linfonodi, dove “presentano” i componenti del vaccino (antigeni) ad altre cellule del sistema immunitario: i linfociti T. I linfociti T capaci di riconoscere quei determinati antigeni iniziano a proliferare e interagiscono con i linfociti B, che a loro volta devono saper riconoscere specificamente quegli antigeni per iniziare a moltiplicarsi. I linfociti B così selezionati escono dai linfonodi e circolano nel sangue producendo anticorpi.

Questa prima fase di presentazione e riconoscimento dell’antigene è comune all’infezione naturale e alla vaccinazione, con la differenza che la vaccinazione non è seguita dalla malattia.

I linfociti T si occupano di uccidere le cellule infettate (e con esse il microorganismo che si trova dentro di esse), mentre i linfociti B producono una grande quantità di anticorpi che “attaccano” il microorganismo contribuendo alla sua eliminazione.

Quanto dura l’effetto di un vaccino?

Dopo questa prima fase la maggior parte dei linfociti B e T che hanno proliferato vengono eliminati dal nostro corpo, ma alcune di queste cellule sopravvivono e si trasformano in cellule della memoria. Si tratta di sentinelle che continuano ad essere presenti nel nostro organismo, pronte a riconoscere e ad attaccare rapidamente il patogeno nel caso si ripresenti una seconda volta. Inoltre gli anticorpi prodotti restano in circolazione per un periodo di tempo variabile.

È per questo che quando ci vacciniamo diventiamo immuni a una malattia: abbiamo già pronti anticorpi e linfociti B e T che elimineranno il microrganismo in tempi rapidissimi all’inizio dell’infezione. La maggior parte delle volte non ci accorgeremo neanche del tentativo di invasione, o al massimo il microorganismo avrà giusto il tempo di causare dei lievi sintomi prima di essere eliminato.

Perché è importante vaccinarsi?

Dai tempi di Jenner sono stati fatti molti progressi: dopo che Louis Pasteur ha dimostrato che i germi causano le malattie, e grazie a una migliore conoscenza dell’immunologia, sono stati sviluppati molti altri vaccini. I vaccini hanno contribuito a diminuire la mortalità infantile, migliorare lo stato di salute generale e ad aumentare l’aspettativa di vita della popolazione mondiale. I vaccini sono considerati tra le più grandi conquiste del progresso in ambito sanitario insieme alla potabilizzazione dell’acqua e agli antibiotici.

Cos’è l’immunità di gregge?

La vaccinazione protegge non solo gli individui vaccinati ma anche il resto della popolazione perché limita la diffusione del patogeno; questo fenomeno, detto immunità di gregge, richiede però che la maggioranza della popolazione sia vaccinata (75-95% a seconda del patogeno in questione). L’ideale sarebbe quindi che tutti gli individui sani si vaccinassero per proteggere tramite l’immunità di gregge coloro che non possono vaccinarsi, i soggetti immunocompromessi (il cui sistema immunitario non funziona correttamente) o i neonati che non sono stati ancora vaccinati.

I nuovi vaccini*

Le tecnologie attuali permettono di studiare le malattie infettive e di progettare nuovi vaccini molto più sofisticati. Da una parte siamo capaci di sequenziare i genomi dei virus e dei batteri e di predire con sistemi informatici quali proteine saranno riconosciute con maggiore probabilità ed efficienza dalle cellule del sistema immunitario (Vaccinologia Inversa), e dall’altra è possibile sequenziare i linfociti B di chi ha già avuto la malattia per studiare quali anticorpi tra tutti quelli che l’organismo ha prodotto sono i più efficaci per intercettare il microorganismo (Vaccinologia Inversa 2.0). Gli scienziati stanno anche esplorando nuovi tipi di vaccini contenenti frammenti di RNA e DNA dei microorganismi con l’obiettivo di ottenere vaccini migliori.

Definizioni utili

Immunità: protezione contro una malattia infettiva; se si è immuni nei confronti di un agente infettivo ci si può esporre ad essi senza sviluppare la malattia.

Immunizzazione: processo mediante il quale una persona diventa immune a una malattia infettiva tramite la vaccinazione.

Vaccinazione: introduzione all’interno di un organismo di materiale disegnato per provocare una risposta immunitaria che darà protezione nei confronti di un determinato agente infettivo

Vaccino: prodotto che stimola il sistema immune di un individuo per conferire immunità verso un determinato agente infettivo, proteggendolo dalla malattia.

Plasmacellule: linfociti B che producono grandi quantità di anticorpi.

Anticorpi: proteine prodotte dal sistema immunitario capace di riconoscere specificamente parti di microrganismi durante un’infezione.

*Nota dell’autrice: Questo post è stato scritto e pubblicato ad aprile 2020, nelle prime fasi della pandemia di COVID-19. Alla fine del 2020 è iniziata la somministrazione su scala globale dei vaccini anti-SARS-CoV-2, prevalentemente a mRNA o basati su vettori virali. Il funzionamento di questi vaccini è stato trattato in altri post: https://virusandco.art.blog/2020/11/23/i-vaccini-di-pfizer-e-moderna-risultati-promettenti-in-tempi-record/ e https://virusandco.art.blog/2021/01/13/il-vaccino-oxford-astra-zeneca-un-vaccino-basato-su-un-vettore-virale/

BIBLIOGRAFIA

Organizzazione Mondiale della Sanità: https://www.who.int/topics/vaccines/en/ ; https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/measles ; https://www.who.int/csr/disease/smallpox/en/

European Centre for Disease Prevention and Control: https://www.ecdc.europa.eu/en/immunisation-vaccines/facts/vaccine-preventable-diseases

Centers for Disease Control and Prevention: https://www.cdc.gov/vaccines/vpd/vaccines-list.html ; https://www.cdc.gov/vaccines/vac-gen/imz-basics.htm

Trascrizione della pubblicazione originale di Edward Jenner: https://biotech.law.lsu.edu/cphl/history/articles/jenner.htm

Chapter three: Introduction to Vaccines and Vaccination; Micro and Nanotechnologies in Vaccine Development , Depelsanaire A.C.I. et al, pag. 47-62, Elsevier, 2017 https://doi.org/10.1016/B978-0-323-39981-4.00003-8

Vaccine evolution and its application to fight modern threats, Andreano E. et al., Frontiers in Immunology, 2019 https://doi.org/10.3389/fimmu.2019.01722

Edward Jenner and the history of smallpox and vaccination, Riedel S., Proc (Bayl Univ Med Cent), 2005, https://doi.org/10.1080/08998280.2005.11928028

Understanding modern-day vaccines: what you need to know, Vetter V. et al., Annals of Medicine, 2018, https://doi.org/10.1080/07853890.2017.1407035

Vaccines, antibodies and herd immunity (in a nutshell)

1963 CDC polio vaccine poster
Fom CDC Public Health Image Library, #7224 (Public Domain)

We have started 2020 struggling with an emerging virus: we have changed our lifestyle trying to limit its diffusion, and we are aware more than ever in our lifetime of the threat of viruses and infectious diseases in general. Most of us are looking forward to a vaccine, and are wondering when it will be available.

Infections can cause death

Infectious diseases have shaped the history of humankind: outstanding examples are the Black Death of 1347-1350 which killed one-third of the world population, and the so-called Spanish flu which killed 100 million people in 1918 reducing the European population to half.

Besides these extraordinary examples, there are many other deadly infectious diseases like measles, diphtheria, and polio. These infections no longer cause the enormous number of deaths thanks to the availability of vaccines, but we must not forget their dangerousness. Measles, for example, used to cause an average of 2.6 million deaths worldwide every year before the introduction of vaccination in 1936, while in 2018 the number of victims was 140.000 globally.

Who invented vaccination?

Vaccination was invented by Edward Jenner in 1796.

In the XVIII century, smallpox was very common in Europe, killing 400.000 people every year. It was known that those who survived smallpox became immune to a second infection and that dairymaids exposed to cowpox by touching lesions of infected cows were resistant to smallpox. Jenner thought that cowpox could be deliberately transmitted among humans to prevent smallpox infection. To test his hypothesis, he collected fresh material from a lesion in the hand of a dairymaid with cowpox, and he transferred it into a small incision in the skin of an 8-year-old boy (James Phipps). The boy immediately developed a fever and discomfort, but the symptoms lasted only a few days. Two months later, Jenner transferred in the skin of the boy material collected from a person with smallpox: James did not develop the disease and Jenner concluded that his method was successful!

In 1797 Jenner sent a manuscript with the description of his experiment to the Royal Society, but but he did not receive the consideration he deserved, and the article was not published. One year later Jenner published a booklet including more cases and observation (“An Inquiry into the Causes and Effects of the Variolae Vaccinae, a disease discovered in some of the western counties of England, particularly Gloucestershire and Known by the Name of Cow Pox”) sharing his knowledge with the other scientists.

Since the material used by Jenner came from the cow, vacca in Latin, and the scientific name of cowpox was Vaccininia, his technique was later called vaccination.

Vaccination spread worldwide, and Jenner’s vaccine led to the elimination of the smallpox virus in 1980 when WHO declared its eradication. Variola virus, the causative agent of smallpox was eradicated. If it were an animal we would say that it became extinct; this happened because most of the population was immune and there were not enough susceptible individuals for the virus to infect them and spread.

What is inside a vaccine?*

Existing vaccines contain one of these components:

Attenuated (weakened) microorganisms that have been made no longer able to cause the disease (no longer pathogenic)
Inactivated (killed) microorganisms through exposure to heat or chemicals
Proteins or subunits of proteins of the microorganism (subunit vaccines)
Toxoids: toxins produced by the microorganism modified in the lab to be harmless

How do vaccines work?

When vaccines are injected, their components attract cells of the immune system at the site of injection causing a localized inflammation. These cells are called antigen-presenting cells (APCs). APCs internalise the substances that constitute the vaccine and transport them to the lymph nodes, where they “present” those substances (antigens) to other cells of the immune system: T cells. All the T cells that can recognize those specific antigens start proliferating and interact with the B cells, which in turn, need to specifically recognize the same antigens to start multiplying. All the B cells selected through these mechanisms exit the lymph nodes and circulate in the blood, producing antibodies.

This first phase when antigens are recognised and presented is shared between natural infection and vaccination, with the only difference being that vaccination is not followed by the disease.

The T cells will kill the infected cells (and with them the microorganism responsible for the disease), and the B cells will produce a huge amount of antibodies that will attack the pathogen contributing to its elimination.

How long does the effect of vaccination last?

After this phase, most of the B and T cells that had proliferated are eliminated by our organism, but some of them survive and become memory cells. They are sentries ready to recognise and quickly attack the same pathogen if it happens to invade our organism a second time. Moreover, the antibodies already produced remain in the blood for a variable amount of time.

This is how we become immune to a disease: we have antibodies made in advance, and B and T cells ready to eliminate a pathogen during the first steps of the infection. We will not even notice that all this is happening, or, if anything, the pathogen will merely induce mild symptoms.

Why is vaccination important?

Since Jenner’s vaccine, many advances have been made: Louis Pasteur demonstrated that germs cause diseases, the mechanisms of immunity were discovered and many other vaccines were developed, reducing infant mortality, improving general health conditions and increasing life expectancy. Vaccines are considered among the most important advances in public health together with water potabilisation and antibiotics.

What is herd immunity?

Vaccination is an individual protection, but it can also protect the rest of the population by limiting the spread of the pathogen; this is the so-called herd immunity, but for it to happen the majority of the population must be immunized through vaccination (75-95% depending on the pathogen). Ideally, all healthy individuals should get vaccinated to protect by herd immunity those who cannot be vaccinated, those whose immune system does not work properly (immunocompromised) or the newborns that have not been vaccinated yet.

The newest vaccines*

Current technologies allow the study of infectious diseases and to design more sophisticated vaccines. On one hand, we can sequence the genome of viruses and bacteria and to use informatics tools to predict which proteins and which portions of them (epitopes) are more likely to be efficiently recognized by the immune cells (Reverse Vaccinology). On the other hand, we can sequence B cells from patients that already had the disease and identify which among all the different antibodies that the organism had produced are the more effective to intercept the microorganism (Reverse Vaccinology 2.0). Scientists are also exploring new types of vaccines containing fragments of DNA and RNA of the microorganism to obtain better vaccines.

Useful definitions

Immunity: protection against an infectious disease; those who are immune against a pathogen can be exposed to them without developing the disease.

Immunisation: The process by which a person or animal becomes protected against a disease.

Vaccination: introduction in an individual of material designed to induce an immune response that will protect against a specific infectious agent.

Vaccine: product able to stimulate the immune system to give immunity against a specific infectious agent and protect against the disease.

Plasma cells: B cells that produce huge amounts of antibodies.

Antibodies: proteins produced by the immune system, capable of specifically recognising microorganisms during an infection.

*Author’s note: This post was written and published in April 2020, during the first wave of the COVID-19 pandemic. At the end of 2020, mRNA or vector-based anti-SARS-CoV-2 vaccines became available. The mechanism of action of these vaccines is the topic of two other posts in this blog: https://virusandco.art.blog/2020/11/23/the-moderna-and-pfizer-vaccines-promising-results-in-less-than-one-year-since-the-beginning-of-the-pandemic/ and https://virusandco.art.blog/2021/01/13/the-oxford-astra-zeneca-vaccine-a-viral-vector-based-vaccine/

BIBLIOGRAPHY

World Health Organization: https://www.who.int/topics/vaccines/en/ ; https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/measles ; https://www.who.int/csr/disease/smallpox/en/

European Centre for Disease Prevention and Control: https://www.ecdc.europa.eu/en/immunisation-vaccines/facts/vaccine-preventable-diseases

Centers for Disease Control and Prevention: https://www.cdc.gov/vaccines/vpd/vaccines-list.html ; https://www.cdc.gov/vaccines/vac-gen/imz-basics.htmTranscript of Jenner’s original pubblication: https://biotech.law.lsu.edu/cphl/history/articles/jenner.htm

Vaccine evolution and its application to fight modern threats, Andreano E. et al., Frontiers in Immunology, 2019 https://doi.org/10.3389/fimmu.2019.01722

Edward Jenner and the history of smallpox and vaccination, Riedel S., Proc (Bayl Univ Med Cent), 2005, https://doi.org/10.1080/08998280.2005.11928028

Understanding modern-day vaccines: what you need to know, Vetter V. et al., Annals of Medicine, 2018, https://doi.org/10.1080/07853890.2017.1407035

Dagli esperimenti alla pubblicazione: storia di un manoscritto

In un altro post ho riassunto in cosa consiste il lavoro del ricercatore, e ho anticipato il prodotto finale è una pubblicazione scientifica (paper). Come si arriva a pubblicare un paper?

Abbiamo detto che in base alle conoscenze attuali sull’argomento in questione si formula un’ipotesi, si eseguono gli esperimenti appropriati che devono essere ripetuti più volte per confermare il risultato, e in base a questo si elabora una teoria.

Normalmente non si tratta del lavoro di una sola persona ma di una lavoro di gruppo che spesso e volentieri coinvolge ricercatori dello stesso o di più gruppi di ricerca, anche in diverse parti del mondo. Ognuno contribuisce con le proprie conoscenze specifiche sia alla progettazione ed esecuzione degli esperimenti che all’interpretazione dei risultati.

Una volta terminata la parte sperimentale è necessario riunire tutti i dati ottenuti ed integrarli per elaborare la teoria: si mettono per iscritto tutti i risultati, che devono essere presentati nel contesto dei lavori già pubblicati, e si spiega il loro significato, la loro importanza, e se possibile anche la loro applicazione pratica. In questa prima fase, il documento viene chiamato “manoscritto” e viene inviato a una rivista specializzata per essere valutato.

A questo punto inizia un processo detto “peer review”, o revisione paritaria.

L’editore della rivista riceve il manoscritto e fa una prima valutazione, decidendo se l’argomento del manoscritto è in linea con il tema della rivista oppure no. In caso negativo l’editore suggerirà agli autori di presentare il lavoro ad un’altra rivista; in caso affermativo l’editore sceglierà 2 o 3 scienziati esperti nel settore a cui verrà chiesto di analizzare il manoscritto e valutarne la validità, ovvero di agire come revisori.

Cosa fanno nella pratica i revisori? Leggono il manoscritto e lo valutano sotto molti punti di vista, assicurandosi che

le basi su cui si fonda il lavoro (ipotesi) siano giustificate dalle conoscenze scientifiche in quel determinato settore
gli esperimenti svolti siano adeguati per rispondere alla domanda a cui gli scienziati vogliono rispondere e che siano stati correttamente eseguiti sia dal punto di vista tecnico che concettuale
il manoscritto includa tutti i dettagli necessari per poter ripetere gli esperimenti
i dati siano stati analizzati correttamente
i risultati siano presentati in forma chiara e corretta (grafici e tabelle)
la teoria elaborata sia supportata dai dati presentati e compatibile con i risultati di altri scienziati (nel caso in cui i nuovi risultati contrastino quelli precedenti gli autori devono essere in grado di dare una spiegazione valida).

I revisori sono tenuti a commentare sia gli aspetti positivi che quelli negativi del manoscritto, giustificando tutti i punti della loro valutazione che verrà inviata all’editore. I revisori possono anche suggerire di ripetere gli esperimenti in modo diverso o di condurre esperimenti aggiuntivi.

Quando l’editore riceve le valutazioni di tutti i revisori prende una decisione sul destino del manoscritto. L’editore può decidere di

rifiutare il manoscritto per la pubblicazione nella sua rivista nel caso in cui il lavoro descritto sia risultato carente sotto molti punti di vista
non accettare il paper e di proporre agli autori di seguire i commenti e suggerimento dei revisori per migliorare il lavoro e poterlo ripresentare in seguito
richiedere agli autori di completare il loro lavoro secondo le indicazioni dei revisori per poter pubblicare il paper
pubblicare il manoscritto senza nessuna modifica, nel caso in cui i revisori lo abbiano giudicato positivamente e non abbiano riscontrato nessuna carenza.

Nei casi 1 e 2 gli autori possono decidere di ignorare la valutazione dell’editore e di presentare lo stesso manoscritto ad un’altra rivista.

Nei casi 2 e 3, dopo aver fatto le modifiche e gli esperimenti richiesti, il manoscritto verrà inviato nuovamente alla rivista per poter essere nuovamente valutato dai revisori.

Il caso descritto al punto 4 è il più raro nel settore della biomedicina, ma è comunque possibile.

Quando leggiamo un paper siamo quindi sicuri che gli esperimenti sono stati eseguiti correttamente e che i risultati sono stati analizzati ed interpretati in maniera coerente.

Tuttavia un paper può essere ritirato dopo la pubblicazione o da parte degli autori stessi o da parte della rivista. Ciò accade quando gli autori si rendono conto di aver commesso un errore (in buona o cattiva fede), oppure quando viene scoperta una frode scientifica (risultati inventati o manipolati).

Il compito della scienza è elaborare teorie che si avvicinino il più possibile alla realtà, e che possano descrivere il più verosimilmente possibile i fenomeni naturali. Le pubblicazioni scientifiche rappresentano quindi il nostro miglior tentativo di spiegare la natura e i suoi mecanismi.

Nella scienza però tutto è vero fino a prova contraria: è possibile che a distanza di tempo, grazie a tecniche più moderne o a metodi di calcolo più potenti, vengano prodotti nuovi lavori che smentiscano o correggano teorie già esistenti. Ed è proprio così che la conoscenza avanza.

Immagine da freesvg.org

BIbliografia

Medical Journal Peer Review: Process and Bias, Manchikanti L. et al., Pain Physician 2020, https://www.painphysicianjournal.com/linkout?issn=1533-3159&vol=18&page=E1

The life-cycle of your manuscript: From submission to publication, Chaitow S., Journal of Bodywork & Movement Therapies 2019, http://doi.org/10.1016/j.jbmt.2019.09.007

Peer review in scientific publications: benefits, critiques, & a survival guide, Kelly J. et al., EJIFCC 2014, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4975196/

From the experiments to the publication: story of a manuscript

In one of my previous posts, I wrote about what being a scientist looks like, and I said that the final product of a researcher work is the publication of a paper. But how long is the path to publication?

We said that a new hypothesis based on the current knowledge on a topic is formulated, then appropriate experiments are performed more than once to confirm their results, and cording on them a theory is developed.

Usually, all this work is not done by an individual, but it the result of the joint work of more researchers of the same of more groups, sometimes also from different parts of the world. Each one contributes according to their specific knowledge to the design and execution of the experiments and the interpretation of the results.

Once the experimental part has been completed, all the data must be put together to develop the theory: the results are written down and presented in the context of other published works, and the authors have to explain their meaning, relevance and when it applies their practical application. In this first phase, the document is called manuscript, and it is submitted to a specialized journal for its evaluation.

Now a process called peer review starts.

The editor of the journal receives the manuscripts and performs the first assessment, deciding whether or not the topic of the manuscript is in line with the subject of the journal. If the first assessment is negative, the editor will suggest the authors submitting the manuscript to another journal. If the first assessment is favourable, the author will choose two or three expert scientists in the field, who will be asked to analyse the manuscript and evaluate its validity, in one word to be the reviewers.

What do the reviewers actually do? They read the manuscript and assess it in many ways, making sure that

the basis of the work is justified by what is already known in the field
the experiments are appropriate to answer the research questions and properly performed both from the technical and theoretical point of view
the manuscript includes all the details necessary to reproduce the experiments
data are properly analysed
results are clearly and properly presented (tables and graphs)
the theory is directly supported by the results and consistent with the results of other scientists (if the new results are in contrast with previously published works the authors must be able to provide a plausible explanation).

Reviewers must comment on both the positive and negative aspects of the manuscript, explaining every point of their evaluation that will be sent back to the editor. Reviewers can also suggest repeating some of the experiments with some modification or performing additional experiments.

Once the editor receives the reports from all the reviewers, he decides on the manuscript’s fate. The editor can decide to

reject the manuscript for publication in their journal if the reviewers have detected flaws under several points of view
not to accept the manuscript and suggest the authors to follow the reviewers’ suggestion to improve their work in order to resubmit it later
ask the authors to complete their work according to the reviewers’ suggestion in order to publish the paper
publish the paper as it is, without any modification if the reviewers have found it favourably and have found it to have no flaws.

In cases 1) and 2) the authors can choose to ignore the editor’s assessment and to submit the same manuscript to another journal.

In cases 2) and 3), after having done all the required modification, the manuscript will be resubmitted to the journal and the peer review process will start again

The case described at point 4) is the least common in Biomedicine, but it still can happen.

When we read a paper we are therefore sure that the experiments were performed properly and that the results were analysed and interpreted consistently.

However, a paper can be retracted after its publication by the authors themselves or by the journal. This happens when the author realized that an error was committed (in either good or bad faith), or either when a scientific fraud is unveiled (made up or manipulated results).

The task of the researchers is to develop theories as closest as possible to reality and to describe natural phenomena as most realistically and plausibly as possible. Scientific publications are therefore our best attempt to explain nature and its mechanisms.

In science, however, every theory is true until proven otherwise: it is possible that at a distance of time, thanks to more modern techniques or to more potent computing systems, new papers can be published proven wrong or amending previews theories. And this is how knowledge progresses.

Image from freesvg.org

Bibliography

Medical Journal Peer Review: Process and Bias, Manchikanti L. et al., Pain Physician 2020, https://www.painphysicianjournal.com/linkout?issn=1533-3159&vol=18&page=E1

The life-cycle of your manuscript: From submission to publication, Chaitow S., Journal of Bodywork & Movement Therapies 2019, http://doi.org/10.1016/j.jbmt.2019.09.007

Peer review in scientific publications: benefits, critiques, & a survival guide, Kelly J. et al., EJIFCC 2014, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4975196/

Cosa sappiamo del SARS-CoV-2

“Novel Coronavirus SARS-CoV-2” by NIAID is licensed under CC BY 2.0 (Particelle virali che emergono dalla superficie di una cellula infettata)

A dicembre del 2019 abbiamo iniziato a sentir parlare di un nuovo virus che si stava diffondendo in Cina causando un alto numero di casi di polmonite, chiamato temporaneamente 2019-nCoV.

L’11 febbraio 2020 il virus venne ufficialmente denominato SARS-CoV-2 dal Comitato Internazionale per la Tassonomia dei Virus (International Commitee on Taxonomy of Viruses – ICTV), e l’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) stabilì il nome della malattia da esso causata: COVID-19. Le manifestazioni cliniche dell’infezione sono eterogenee, includendo portatori asintomatici, sindrome respiratoria acuta e polmonite.

L’11 marzo 2020 l’OMS dichiarò che, avendo superato 118.000 casi in 114 Paesi, COVID-19 poteva essere definito come una pandemia.

Dal momento in cui venne riportato il primo caso di polmonite atipica a Wuhan al 22 marzo 2020 sono state prodotte 494 pubblicazioni scientifiche riguardanti le caratteristiche cliniche dei pazienti, le vie di trasmissione del virus, la resistenza sulle superfici e nell’aria, la caratterizzazione molecolare, modelli matematici di diffusione, patogenesi, possibili trattamenti e vaccini.

Qui di seguito riporto le informazioni essenziali che ho trovato in una frazione degli articoli finora pubblicati.

Origine del virus. SARS-CoV-2 è il settimo tra i coronavirus che possono infettare l’uomo finora conosciuti. La proteina Spike (S) di SARS-CoV-2, così come quella di SARS-CoV, riconosce la proteina umana ACE-2 e proteine simili presenti in altri animali. Il sito di legame tra la proteina S del nuovo virus e la ACE-2 umana è però diverso e meno efficiente di quello già noto del virus SARS-CoV, indicando che il virus non è stato creato appositamente in laboratorio, ma è frutto di mutazioni casuali naturali.

Il virus che sta circolando attualmente nella popolazione potrebbe essersi evoluto in due modi:

1) selezione naturale in un animale (probabilmente presente nel mercato di Wuhan) prima del salto di specie

2) selezione naturale negli umani dopo il salto di specie.

Seguendo la prima ipotesi, l’analisi del genoma di SARS-CoV-2 ha rivelato molte somiglianze con un virus simile che infetta i pipistrelli, e uno che infetta il pangolino. Nonostante ciò nessuno tra i coronavirus isolati finora da questi animali ha una percentuale di similarità tale da poter essere il diretto progenitore del virus umano, ma bisogna tener presente che non tutti i virus che infettano questi animali sono conosciuti o caratterizzati. Bisognerebbe trovare una specie di pipistrello o pangolino con una ACE-2 molto simile a quella umana, in cui SARS-CoV-2 possa aver acquisito le sue caratteristiche prima di passare all’uomo.

La seconda ipotesi è che il virus sia stato trasmesso da un animale all’uomo e poi da uomo a uomo passando inizialmente inosservato, e che durante questi passaggi abbia acquisito delle mutazioni che hanno migliorato la capacità della proteina S di unirsi alla ACE-2 umana. La similarità tra la proteina S del virus del pangolino e quella del virus umano fa pensare che sia questo l’animale in cui il virus si sia originato, per poi acquisire nell’uomo delle caratteristiche più vantaggiose. Sono necessari ulteriori studi per stabilire quale delle due ipotesi sia la corretta.

Il fatto che SARS-CoV-2 presenti sequenze simili ad altri virus conosciuti, sia altri coronavirus che virus diversi come HIV, non significa che il virus sia stato creato in laboratorio bensì è indicativo della sua naturale evoluzione: così come ci sono sequenze simili tra i geni umani e i geni di altri animali, allo stesso modo esistono sequenze simili tra i geni di virus diversi, questo perché l’evoluzione ha fatto sì che sequenze simili venissero selezionate per svolgere funzioni simili in organismi diversi. Inoltre, se il virus fosse stato creato in laboratorio, le sequenze “prese” da altri virus già conosciuti sarebbero esattamente identiche (“copiate e incollate”) e non semplicemente simili.

Trasmissione e periodo di incubazione. La proteina ACE-2 a cui il virus è capace di legarsi, è presente su molti tessuti dell’organismo umano, e in particolar modo nelle mucose del cavo orale, ritenuto la principale via di ingresso del virus. È molto probabile che anche le congiuntive siano una via di entrata per il virus nel nostro organismo, dato che sono stati riportati casi in cui medici che indossavano una mascherina per proteggere la bocca e il naso, ma non degli occhiali di protezione, sono stati contagiati da pazienti postivi al virus.

Trattandosi di un virus che interessa le vie respiratorie, la presenza del virus viene ricercata nei tamponi orofaringei e nasali, nell’espettorato, nel fluido di lavaggio bronco alveolare, e nelle biopsie dei pazienti più gravi. Uno studio ha analizzato diversi tipi di campioni prelevati da 205 pazienti ricoverati in 3 ospedali cinesi, ed in alcuni casi il virus è stato trovato anche nel sangue (1%) e nelle feci (29% dei casi). La presenza di virus vitale in questo tipo di campioni suggerisce che l’infezione in alcuni casi può essere sistemica (cioè non limitata alle sole vie respiratorie) e che il virus potrebbe essere trasmesso anche per via oro-fecale.

Diversi studi hanno calcolato il periodo di incubazione, ovvero il lasso di tempo tra l’esposizione all’agente infettivo e la comparsa dei sintomi, ottenendo risultati variabili: il periodo di incubazione sembra essere di circa 5 giorni, ma con valori che variano da 2 a 14 giorni (motivo per cui si raccomanda una quarantena di 14 giorni se si hanno avuto contatti con individui positivi). Sarà necessario studiare un numero più elevato di casi per determinarlo con esattezza.

Un altro aspetto importante è il periodo di latenza, cioè l’intervallo di tempo tra l’esposizione al virus e il momento in cui si diventa contagiosi: l’analisi di dati su pazienti asintomatici o con sintomi lievi risultati positivi al SARS-CoV-2, suggerisce che esso sia più breve del periodo di incubazione, ovvero che si possa essere contagiosi prima di aver manifestato i sintomi.

Resistenza sulle superfici. È stato dimostrato che SARS-CoV-2 può resistere stabilmente nell’aria per 3 ore. Per quanto riguarda le superfici, esso può resistere in forma vitale (cioè capace di infettare) fino a 72 ore sulla plastica, 48 ore sull’acciaio inossidabile, 8 ore sul cartone e 4 ore sul rame. Questi dati implicano che il virus si trasmette tramite aerosol e tramite contatto con oggetti contaminati. Gli oggetti possono essere decontaminati usando reagenti che si sono dimostrati efficaci per altri coronavirus, contenenti una di queste tre sostanze alla giusta concentrazione: alcol etilico tra il 62 e il 71%, acqua ossigenata allo 0.5% o ipoclorito di sodio allo 0.1%.

Sviluppo di un vaccino. Al momento non è chiaro se l’infezione da SARS-CoV-2 induca la produzione di anticorpi, se questi siano protettivi verso una seconda infezione, e per quanto tempo restino nell’organismo. Diversi centri di ricerca e compagnie farmaceutiche stanno lavorando per trovare un vaccino efficace contro SARS-CoV-2. Per lo sviluppo di un vaccino è necessario innanzitutto individuare quali proteine del virus siano capaci di indurre la produzione di anticorpi (antigeni). Affinché un vaccino sia efficace tali anticorpi devono essere capaci di “intercettare” del virus; nel caso di alcune infezioni virali, infatti, gli anticorpi prodotti dal sistema immunitario non bloccano il virus, come nel caso degli anticorpi che riconoscono l’antigene e del virus dell’epatite B (di cui ho parlato in un precedente articolo). Una volta individuato l’antigene virale con le caratteristiche necessarie, bisogna studiare la composizione del vaccino e testarne in primo luogo la sicurezza (assenza di effetti collaterali) ed in seguito l’efficacia, prima su modelli animali e poi sull’uomo.

La proteina su cui si stanno concentrando gli studi è la proteina S, esposta sulla superficie del virus e responsabile del legame con le cellule umane. Il 16 marzo 2020 la compagnia farmaceutica statunitense Moderna ha iniziato il primo test clinico per valutare la sicurezza di un potenziale vaccino per SARS-CoV-2; la compagnia prevede che se il suo vaccino dovesse risultare sicuro ed efficace, potrebbe essere disponibile sul mercato tra 12-18 mesi.

Questi sono solo alcuni degli aspetti del virus e della malattia che gli scienziati di tutto il mondo stano studiando. Se c’è qualche altra cosa che vorreste sapere su SARS-CoV-2 o su COVID-19 lasciate un commento e cercherò per voi la risposta.

BIBLIOGRAFIA:

https://www.who.int/emergencies/diseases/novel-coronavirus-2019/events-as-they-happen

The species Severe acute respiratory syndrome related coronavirus: classifying 2019-nCoV and naming it SARS-CoV-2, Coronaviridae Study Group of the International Committee on Taxonomy of Viruses, Nature microbiology 2020 http://doi.org/10.0.4.14/s41564-020-0695-z

The proximal origin of SARS-CoV-2, Andersen K.G et al., Nature 2020 https://doi.org/10.1038/s41591-020-0820-9

No credible evidence supporting claims of the laboratory engineering of SARS-CoV-2, Shan-Lu L. et al., Emerging microbes and infections 2020 http://doi.org/10.1080/22221751.2020.1733440

Tissue distribution of ACE2 protein, the functional receptor for SARS coronavirus. A first step in understanding SARS pathogenesis, Hamming I. et al, Journal of Pathology 2004 http://doi.org/10.1002/path.1570

High expression of ACE2 receptor of 2019-nCoV on the epithelial cells of oral mucosa, Xu H. et al., International journal of oral science 2020 http://doi.org/10.1038/s41368-020-0074-x

2019-nCoV transmission through the ocular surface must not be ignored, Cheng-wei Lu et al., The Lancet 2020 https://doi.org/10.1016/S0140-6736(20)30313-5

Detection of SARS-CoV-2 in Different Types of Clinical Specimens, Wang W. at al., Journal of the American Medical Association, 2020 http://doi.org/10.1001/jama.2020.3786

Asymptomatic carrier state, acute respiratory disease, and pneumonia due to severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2): Facts and myths, Lai C-C et al., Journal of Microbiology, Immunology and infection 2020 https://doi.org/10.1016/j.jmii.2020.02.012

The Incubation Period of Coronavirus Disease 2019 (COVID-19) From Publicly Reported Confirmed Cases: Estimation and Application, Lauer S.A. et al., Annals of Internal Medicine 2020 http://doi.org/10.7326/M20-0504

Aerosol and Surface Stability of SARS-CoV-2 as Compared with SARS-CoV-1, van Doremalen N. et al., The New Egland Journal of Medicine 2020 http://doi.org/10.1056/NEJMc2004973

Persistence of coronaviruses on inanimate surfaces and their inactivation with biocidal agents, Kampf G. et al., Journal of Hospital Infection 2020. https://doi.org/10.1016/j.jhin.2020.01.022

Coronavirus vaccines: five key questions as trials begin, Callaway E., https://www.nature.com/articles/d41586-020-00798-8

https://www.modernatx.com/modernas-work-potential-vaccine-against-covid-19

A Sequence Homology and Bioinformatic Approach Can Predict Candidate Targets for Immune Responses to SARS-CoV-2, Grifoni A. at al., Cell Host & Microbe 2020 https://doi.org/10.1016/j.chom.2020.03.002

Development of epitope‐based peptide vaccine against novel coronavirus 2019 (SARS‐COV‐2): Immunoinformatics approach, Bhattacharya M. et al., Journal of Medical Virology 2020 http://doi.org/10.1002/jmv.25736

What we know about SARS-CoV-2

“Novel Coronavirus SARS-CoV-2” by NIAID is licensed under CC BY 2.0 (Virus emerging from the surface of an infected cell)

We have heard about a new virus that was causing pneumonia since December 2019; the virus was spreading in China and it was temporarily called 2019-nCoV.

On February 11^th, 2020, the International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV)officially named it SARS-CoV-2, and the World Health Organization (WHO) established the name of the associated disease: COVID-19. The clinical manifestations of the infection are heterogeneous, varying from asymptomatic carriers to acute respiratory disease and pneumonia.

On March 11^th, 2020, the WHO declared that, with more than 118.000 cases in 114 countries, COVID-19 could be defined as a pandemic.

From the report of the first case of atypical pneumonia in Wuhan to March 22^nd, 2020, 494 scientific papers were produced about clinical features of patients, transmission route of the virus, its persistence in aerosol and surfaces, its molecular characterisation, mathematical models of its spreading, pathogenesis, possible treatments and vaccines.

Here I report some of the central pieces of knowledge from a selection of the so far published articles.

Origin of the virus. SARS-CoV-2 is the seventh coronavirus known to infect humans. Its Spike protein (S), as the S protein of SARS-CoV, binds to the human protein ACE-2 as well as to similar proteins of other animal species. The binding site between the new virus S protein and human ACE-2 is however different and less efficient than the already known binding site of SARS-CoV, indicating that the virus was not intentionally created in a laboratory, but is the result of natural random mutations.

The virus as it is currently spreading among the human population could have arisen in two ways:

1) by natural selection in an animal host (probably present in the Wuhan wet market) before the host shift,

2) by natural selection in humans after the host shift.

According to the first hypothesis, the analysis of the SARS-CoV-2 genome revealed important similarities with a related virus infecting bats, and another one infecting pangolins. However, none of the viruses so far isolated from these animals is similar enough to be the direct progenitor of the human virus, but we have to keep in mind that not all the viruses that infect these animals are known or characterized. We would need to identify a bat or pangolin species with an ACE-2 protein extremely similar to the human one, in which SARS-CoV-2 could have acquired its characteristics before being transmitted to humans.

The second hypothesis is that the virus was first transmitted from animals to humans, and then it spread undetected from human to human, and that during these passages it accumulated mutations that improved the ability of the S protein to bind human ACE-2. The high similarity between the S protein of the pangolin virus and that of the human virus suggests that the virus firstly originated in the pangolins, and that acquired favourable mutations in the human host.

Further studies are needed to determine which hypothesis is the correct one.

The fact that some sequences within the SARS-CoV-2 genome are similar to those of other known viruses, other coronaviruses as well as non-related viruses like HIV, does not mean that the virus was created in a laboratory. On the contrary, this indicates its natural origin: as similar sequences are shared between human genes and genes of other animals, in the same way, similar sequences are shared between different viruses, because evolution selects similar sequences for similar functions in different organisms. Moreover, if the virus was intentionally created in a laboratory, the sequences “taken” from other viruses would have been identical (“copied and pasted”) rather than simply similar.

TraNsmission and incubation period. The ACE-2 protein, to which the virus binds, is present in many tissues of the human bodies, particularly in the oral mucosa, considered the most important entry way for SARS-CoV-2. The virus can likely entry also through the conjunctival membrane of the eyes since it has been reported that doctors wearing face masks that covered mouth and nose, but not wearing protective goggles, acquired the virus while attending positive patients.

Being a virus that infects the airways, the presence of the virus is usually detected on oropharyngeal and nasal swabs, sputum, bronchoalveolar lavage fluid and in the biopsies of patients with more severe symptoms. One study analysed different sample types collected from 205 patients in three hospitals in China, and in some cases, the virus was found also in the blood and feces (1% and 29% of cases respectively). The presence of vital virus in these sample types suggests that the infection can be systemic (not limited to the respiratory tract) and that it could be transmitted by the fecal-oral route.

Several studies have calculated the incubation time, the period between the exposure to the infectious agent and the onset of the symptoms, obtaining variable results: it seems to be around 5 days, but it can range between 2 and 14 days (this is way a quarantine of 14 days is required after being in contact with infected subjects). The analysis of more cases is necessary to achieve a more precise determination of the incubation time.

The latency time, that is the period between getting the virus and becoming contagious, is another important characteristic: the analysis of asymptomatic positive patients and patients with mild symptoms, suggests that is shorter than the incubation time, meaning that an infected person can be contagious before having developed the symptoms.

PERSISTENCE ON SURFACES. It has been shown that SARS-CoV-2 remains stable in the air for up to 3 hours. It can persist in a vital form (capable to infect) as long as 72 hours on plastic, 48 hours on stainless steel, 8 hours on cardboard and 4 hours on copper. These data mean that the virus is transmitted through aerosol and by physical contact with contaminated objects. Objects can be decontaminated using reagents proven to be efficient with other coronaviruses, containing the proper concentration of one of the following chemicals: ethanol 62-71%, hydrogen peroxide 0.5% or sodium hypochlorite 0.1%.

Vaccine development. To date, it is not clear whether SARS-CoV-2 infection induces the production of antibodies, whether such antibodies are protective against a second infection, and for how long they can persist in our body. Several research centres and pharmaceutical companies are working on the development of an efficient vaccine against SARS-CoV-2. The first step in this process is to identify the viral proteins that can induce antibody production (antigens). For a vaccine to be effective the induced antibodies must be able to “intercept” the virus; for some viral infection, however, the antibodies produced by the immune system do not block the virus, as in the case of antibodies against the antigene e of the hepatitis B virus (the topic of a previous post). Once the antigen with the necessary characteristics has been identified, the vaccine composition is studied and its safety (absence of adverse effects) and efficacy need to be assessed, first in animal models, and then in humans.

The viral protein that is being currently studied is the S protein, exposed on the viral surface and responsible for its attachment to the human cells. On March 16^th, 2020 the American company Moderna started the first clinical test to access the safety of a potential vaccine against SARS-CoV-2; the company expects that if the vaccine results safe and effective, it could available in 12-18 months.

These are only some of the aspects of the virus and the disease investigated by the scientists all over the world. If you have any other questions about SARS-CoV-2 or COVID-19 please leave a comment and I will find the answer for you.

BIBLIOGRAPHY:

https://www.who.int/emergencies/diseases/novel-coronavirus-2019/events-as-they-happen

The proximal origin of SARS-CoV-2, Andersen K.G et al., Nature 2020 https://doi.org/10.1038/s41591-020-0820-9

No credible evidence supporting claims of the laboratory engineering of SARS-CoV-2, Shan-Lu L. et al., Emerging microbes and infections 2020 http://doi.org/10.1080/22221751.2020.1733440

High expression of ACE2 receptor of 2019-nCoV on the epithelial cells of oral mucosa, Xu H. et al., International journal of oral science 2020 http://doi.org/10.1038/s41368-020-0074-x

2019-nCoV transmission through the ocular surface must not be ignored, Cheng-wei Lu et al., The Lancet 2020 https://doi.org/10.1016/S0140-6736(20)30313-5

Detection of SARS-CoV-23 in Different Types of Clinical Specimens, Wang W. at al., Journal of the American Medical Association, 2020 http://doi.org/10.1001/jama.2020.3786

Aerosol and Surface Stability of SARS-CoV-2 as Compared with SARS-CoV-1, van Doremalen N. et al., The New Egland Journal of Medicine 2020 http://doi.org/10.1056/NEJMc2004973

Persistence of coronaviruses on inanimate surfaces and their inactivation with biocidal agents, Kampf G. et al., Journal of Hospital Infection 2020. https://doi.org/10.1016/j.jhin.2020.01.022

Coronavirus vaccines: five key questions as trials begin, Callaway E., https://www.nature.com/articles/d41586-020-00798-8

https://www.modernatx.com/modernas-work-potential-vaccine-against-covid-19

COVID-19

Dear all,
at the link below a letter from Italian scientists working all over the world to raise further awareness amongst academics over the apparent lack of appropriate countermeasures to the spread of the Coronavirus in several countries.
Please share with your network if you find it appropriate.
You can add your signature adding a comment to the original article.

https://informa.airicerca.org/it/2020/03/13/letter-coronavirus/?fbclid=IwAR1Q_RUKysxi_IZFnJgRWKtyPeGHn0Fa0Mc31CZ-gXRID2KM6hboLyfLqgU

Vita da scienziati

Quando si conosce una persona, una delle prime domande che si fanno è: “Che lavoro fai?”. Alla risposta “Faccio ricerca” dietro la faccia sorridente che in genere si limita a commentare “Bello!”, c’è il grande dubbio su cosa facciano realmente i ricercatori.

Bene, io sono qui per raccontarvelo. In genere ci si immagina i ricercatori come degli strani personaggi in camice bianco, e possibilmente con dei grandi occhialoni sul viso, che passano il loro tempo chiusi in laboratorio a fare strani esperimenti…questa descrizione si avvicina abbastanza alla realtà, ma non è tutto.

Solo una parte del nostro lavoro, ovvero la realizzazione degli esperimenti, si svolge in laboratorio. Prima di realizzare un esperimento è però necessario un importante lavoro di studio e pianificazione: bisogna conoscere il lavoro degli altri ricercatori sullo stesso argomento per evitare di ripetere un esperimento già fatto o, peggio ancora, di fare un esperimento inutile basandosi su teorie che sono già state smentite. Sarebbe un enorme spreco di tempo e di risorse!

Una volta deciso a quale domanda vogliamo rispondere, bisogna capire quali tecniche siano le migliori per metterle in pratica. Non tutti gli scienziati fanno lo stesso tipo di esperimenti, nemmeno quelli che si dedicano ad argomenti simili o addirittura allo stesso argomento. Durante la propria carriera un ricercatore si trova spesso a dover imparare nuove tecniche e nuovi modi di fare ricerca.

Per questo è necessario mantenersi costantemente aggiornati seguendo dei corsi e partecipando ai congressi, in cui ricercatori provenienti da centri diversi si riuniscono e discutono il proprio lavoro. È sempre utile assistere a congressi e seminari anche se l’argomento trattato sembra lontano da quello di interesse: a volte anche da temi apparentemente non collegati arriva l’ispirazione e si può accendere la famosa lampadina!

Dopo aver pianificato l’esperimento e averlo realizzato, si passa alla fase di analisi dei dati. Un solo esperimento però non è sufficiente per validare o smentire una teoria: è necessario ripeterlo più volte per essere sicuri che i risultati ottenuti siano validi. Questo è il concetto di riproducibilità della scienza.

Oltre ad essere aperti a imparare sempre nuove cose, i ricercatori sono anche degli insegnanti. Alcuni lo sono nel senso più consueto del termine e tengono delle lezioni all’università, ma tutti si trovano a insegnare come parte del loro lavoro quotidiano a membri junior del proprio gruppo di ricerca, come studenti che devono preparare la loro tesi di laurea, dottorandi, o nuovi componenti del gruppo.

Il momento più bello nella vita di un ricercatore arriva senza dubbio quando, una volta dimostrata la propria teoria, viene pubblicato l’articolo che la descrive chiamato in gergo “paper”. Ma questa è un’altra (lunga) storia di cui vi parlerò in uno dei prossimi post.

Immagine da freesvg.org