Abstract

As the Coronavirus situation (COVID-19) continues to evolve, many questions concerning the factors relating to the diffusion and severity of the disease remain unanswered.
Whilst opinions regarding the weight of evidence for these risk factors, and the studies published so far are often inconclusive or offer contrasting results, the role of comorbidities in the risk of serious adverse outcomes in patients affected with COVID-19 appears to be evident since the outset. Hypertension, diabetes, and obesity are under discussion as important factors affecting the severity of disease. Air pollution has been considered to play a role in the diffusion of the virus, in the propagation of the contagion, in the severity of symptoms, and in the poor prognosis. Accumulating evidence supports the hypothesis that environmental particulate matter (PM) can trigger inflammatory responses at molecular, cellular, and organ levels, sustaining respiratory, cardiovascular, and dysmetabolic diseases.
To better understand the intricate relationships among pre-existing conditions, PM, and viral infection, we examined the response at the molecular level of T47D human breast adenocarcinoma cells exposed to different fractions of PM. T47D cells express several receptors, including the aryl hydrocarbon receptor (AhR), and ACE2, the main – but not the only – receptor for SARS-CoV-2 entry.
PM samples were collected in an urban background site located in the Northern area of the City of Bologna (Emilia-Romagna Region, Northern Italy) during winter 2013. T47D cells were exposed to organic or aqueous (inorganic) extracts at the final concentration of 8 m3 for a 4-hour duration. Both the concentration and the exposure time were chosen to resemble an average outdoor exposure. RNA was extracted from cells, purified and hybridised on 66k microarray slides from Agilent.
The lists of differentially expressed genes in PM organic extracts were evaluated by using Metacore, and an enrichment analysis was performed to identify pathways maps, process networks, and disease by biomarkers altered after T47D treatment.
The analysis of the modulated genes gave evidence for the involvement of PM in dysmetabolic diseases, including diabetes and obesity, and hypertension through the activation of the aryl hydrocarbon receptor (AhR) canonical pathway.
On the basis of current knowledge, existing data, and exploratory experimental evidence, we tease out the likely molecular interplay that can ultimately tip the disease outcome into severity. Looking beyond ACE2, several additional key markers are identified. Disruption of these targets worsens pre-existing conditions and/or exacerbates the adverse effects induced by SARS-CoV-2 infection. Whilst appropriately designed, epidemiological studies are very much needed to investigate these associations based on our hypothesis of investigation, by reviewing recent experimental and epidemiological evidence, here we speculate and provide new insights on the possible role of environmental pollution in the exacerbation of effects by SARS-CoV-2 and other respiratory viruses. This work is intended to assist in the development of appropriate investigative approaches to protect public health.

 Keywords: COVID-19, SARS-CoV-2, diabetes, inflammation, hypertension, obesity, particulate matter

Riassunto

Con il progredire dell’epidemia di COVID-19, non è ancora possibile fornire una risposta certa al quesito su quali siano i fattori in grado di influenzare la diffusione del virus e la gravità della malattia.
Sebbene le opinioni a riguardo divergano e gli studi presentino spesso risultati non conclusivi o contrastanti, è apparso evidente sin dall’inizio il ruolo delle patologie pregresse e concomitanti, tra cui ipertensione, diabete e obesità, nel sostenere un aumento del rischio di manifestazioni più severe in pazienti COVID-19. Anche l’inquinamento è stato preso in considerazione come un possibile facilitatore della diffusione del virus e della propagazione del contagio e come fattore importante nell’esacerbazione dei sintomi e nella prognosi infausta.
È ben noto, d’altronde, che il particolato atmosferico (PM) induce una risposta infiammatoria, rilevabile a livello molecolare, cellulare e d’organo, associata alla possibile evoluzione di malattie respiratorie, cardiovascolari e dismetaboliche.
Per meglio comprendere la complessa interazione tra patologie preesistenti, PM e infezione virale, è stata esaminata la risposta molecolare all’esposizione a diverse frazioni di PM, utilizzando la linea cellulare di adenocarcinoma mammario umano T47D. Queste cellule esprimono diversi recettori, tra cui il recettore aril-idrocarburo (AhR), molecola chiave per la risposta biologica agli inquinanti ambientali, e ACE2, il principale – ma non unico – recettore utilizzato da SARS-CoV-2 per penetrare nella cellula.
I campioni di PM sono stati raccolti nell’area Nord di Bologna durante l’inverno 2013. Le cellule sono state esposte per 4 ore a estratti organici o acquosi di PM alla concentrazione finale di 8 m3. Dalle cellule è stato estratto l’RNA, poi purificato e ibridizzato su vetrini microarray Agilent di 66k.
La lista dei geni modulati dall’esposizione a estratti organici è stata analizzata con il software Metacore, con una enrichment analysis per identificare i pathway genici, i processi e i biomarcatori di malattia correlati alla modulazione. Questa analisi ha permesso di rilevare il ruolo del PM nei processi correlati all’ipertensione e alle malattie dismetaboliche, tra cui diabete e obesità, mediante l’interazione con AhR e la modulazione della risposta biologica correlata a questo recettore.
Sulla base delle attuali conoscenze, corroborate dalla letteratura scientifica, e delle evidenze sperimentali ottenute, è stata ipotizzata un’interazione a livello molecolare che potrebbe spiegare un possibile ruolo del PM nell’esacerbazione delle manifestazioni cliniche conseguenti all’infezione virale. Oltre al rettore ACE2, sono state identificate altre molecole chiave, la cui modulazione potrebbe portare a un peggioramento delle condizioni cliniche preesistenti o degli effetti conseguenti l’infezione.
Sebbene siano necessari studi epidemiologici appropriati per verificare questa ipotesi sperimentale, il presente studio, condotto nell’ottica di stimolare nuovi approcci investigativi a supporto degli interventi di sanità pubblica, offre una diversa chiave di lettura sul ruolo che l’esposizione ambientale può avere nell’evoluzione dell’infezione sostenuta da SARS-CoV-2 e, più in generale, dai virus respiratori.

 Parole chiave: COVID-19, SARS-CoV-2, diabete, infiammazione, ipertensione, obesità, particolato

 11/12/2020   18/01/2021      Visite