La fisiopatologia dell’infezione da virus dell’influenza

Il virus dell’influenza umana si replica principalmente nell’epitelio respiratorio. Altri tipi di cellule, incluse molte cellule immunitarie, possono essere infettate dal virus e dare inizio alla produzione di proteine virali. Tuttavia, l’efficienza della replicazione virale varia tra i tipi di cellule e, negli esseri umani, l’epitelio respiratorio è l’unico sito in cui la molecola di emoagglutinina (HA) viene effettivamente scissa, generando particelle virali infettive. La trasmissione del virus avviene quando un individuo suscettibile entra in contatto con aerosol o fomiti respiratori di un individuo infetto.

Il furetto è stato tradizionalmente utilizzato come modello di trasmissione dell’influenza in quanto la maggior parte dei virus influenzali umani non ha bisogno di alcun adattamento per infettare e trasmettere tra i furetti. Gli studi sui furetti hanno identificato il palato molle come una fonte importante di virus influenzali che vengono trasmessi tra gli individui. In particolare, il palato molle è arricchito in acidi sialici α2,6-linked, che sono preferiti dalle proteine dell’emoagglutinina attualmente presenti nei virus influenzali umani in circolazione. Questo arricchimento si verifica anche nel palato molle degli esseri umani.

Il meccanismo primario della fisiopatologia dell’influenza è il risultato dell’infiammazione polmonare e della compromissione causata dall’infezione virale diretta dell’epitelio respiratorio, combinato con gli effetti dell’infiammazione polmonare causata dalle risposte immunitarie reclutate per gestire la diffusione del virus (Tabella 1). Questa infiammazione può diffondersi a livello sistemico e manifestarsi come un’insufficienza multiorgano, ma queste conseguenze sono generalmente a valle della compromissione polmonare e del grave distress respiratorio. Sono state anche osservate alcune associazioni tra l’infezione da virus dell’influenza e le sequele cardiache, compreso un aumento del rischio di malattia miocardica nelle settimane successive all’infezione da virus dell’influenza. I meccanismi di questo, al di là di un profilo infiammatorio generale, sono ancora irrisolti.

Come l’influenza scatena l’ARDS

Il virus dell’influenza infetta le cellule epiteliali respiratorie che rivestono il tratto respiratorio superiore (compreso quello nasale) fino a quello inferiore (agli alveoli). Un parametro chiave nel determinare l’estensione della malattia associata è il grado in cui il tratto respiratorio inferiore viene invaso dal virus. L’infezione delle cellule epiteliali alveolari in particolare sembra guidare lo sviluppo della malattia grave, distruggendo i mediatori chiave dello scambio di gas e permettendo l’esposizione virale alle cellule endoteliali. Le prime interazioni tra il virus dell’influenza, i macrofagi alveolari residenti nelle vie aeree polmonari e il rivestimento epiteliale sono un importante fattore determinante per la progressione della malattia alveolare. Una volta che questo fragile strato viene violato, l’esposizione delle citochine e dell’antigene virale allo strato endoteliale può amplificare l’infiammazione, con le cellule endoteliali una fonte importante di citochine pro-infiammatorie che guideranno la grandezza e il carattere delle successive risposte immunitarie innate e adattative. L’incapacità del polmone di svolgere la sua funzione primaria di scambio di gas può derivare da molteplici meccanismi non esclusivi, tra cui l’ostruzione delle vie aeree, la perdita della struttura alveolare, la perdita di integrità epiteliale del polmone dall’uccisione diretta delle cellule epiteliali e la degradazione della matrice extracellulare critica che mantiene la struttura del polmone. Quest’ultima area è stata relativamente poco studiata, con la relazione tra la risposta immunitaria e la struttura della matrice extracellulare non completamente chiarita. Inoltre, le vie chiave che regolano la degradazione e la rigenerazione della matrice extracellulare nel contesto dell’infezione e nel ripristino del funzionamento sano del polmone non sono completamente comprese.

Le terapie che mirano a queste vie possono avere efficacia più tardi nella risposta, dopo che gli antivirali tradizionali sono stati trovati per avere effetti ridotti. A tal fine, un rapporto ha scoperto che l’inibizione della collagenasi MT1-MMP (MMP14) ha limitato i danni ai tessuti e migliorato la sopravvivenza in un modello murino di infezione grave da virus influenzale e in un modello di coinfezione influenza-pneumococco. Prendere di mira gli effetti a valle dell’infiammazione e del danno polmonare immuno-associato può essere un mezzo valido per limitare la patologia associata all’influenza.

Altri approcci per affrontare direttamente la risposta dell’ospite piuttosto che concentrarsi esclusivamente sul virus hanno incluso il targeting delle vie immunitarie innate che amplificano i segnali infiammatori e contribuiscono al danno epiteliale. L’inflammasoma, un complesso di segnalazione innata che è richiesto per la secrezione di IL-1β e IL-18, è stato implicato in molteplici studi come patologia associata all’influenza. Sopprimere l’attivazione dell’inflammasoma più tardi nell’infezione, prendendo di mira NLRP3 (un componente chiave della segnalazione dell’inflammasoma) a valle dell’influenza ha avuto effetti positivi sul recupero in modelli animali. In seguito all’attivazione dell’inflammasoma, la segnalazione secondaria di citochine e chemochine può portare al reclutamento di popolazioni di neutrofili e monociti infiammatori dannosi per i tessuti. Gli esperimenti che bloccano la segnalazione di CXCR1/2, una via recettoriale chiave necessaria per il reclutamento dei neutrofili al sito di infiammazione hanno mostrato protezione nelle infezioni murine con influenza, Staphylococcus pneumoniae, o infezioni combinate. Data la prominenza delle infezioni batteriche secondarie (discusse in dettaglio più avanti) nella malattia associata all’influenza, tali terapie dirette all’ospite possono avere una significativa utilità clinica. I neutrofili possono mediare i danni ai tessuti secernendo alti livelli di enzimi di rimodellamento dei tessuti come le MMP, ma anche amplificare l’infiammazione secernendo trappole extracellulari (NETs). Nei modelli murini, le NET sono state altamente correlate con lesioni polmonari acute, che potrebbero essere esacerbate spostando gli infiltrati cellulari a favore dei neutrofili attraverso l’esaurimento dei macrofagi. Strutture NET simili sono state osservate negli esseri umani affetti da gravi malattie influenzali. In uno studio su una grave infezione da virus H7N9 e H1N1pdm09, i livelli di NET all’ammissione erano correlati ai punteggi clinici (APACHE II).

Targeting dell’infiammazione dell’ospite è stato di crescente interesse per lo sviluppo di nuove terapie per l’influenza grave. Uno studio ha utilizzato il ben caratterizzato inibitore mTOR rapamicina/sirolimus per sopprimere l’infiammazione, portando a risultati migliori, correlati a una ridotta attività dell’inflammasoma. Prendere di mira il percorso mTOR come mezzo per ridurre l’infiammazione e promuovere il recupero implica il metabolismo dell’ospite nell’eziologia della malattia influenzale grave, dato il ruolo centrale che mTOR svolge nel rilevamento dei nutrienti. Le interruzioni metaboliche sono state notate nelle analisi locali e sistemiche dei casi gravi di influenza e gli interventi metabolici hanno dimostrato di alterare i profili di risposta dell’ospite in modi che potrebbero essere protettivi o dannosi a seconda del contesto di infezione. Per esempio, in modelli murini di sepsi batterica o di infezione da virus influenzale, la restrizione del glucosio ha avuto effetti opposti, proteggendo dalla sepsi batterica ma esacerbando la malattia associata all’influenza. Il ruolo del metabolismo nella modulazione dell’infezione virale è complesso, poiché mentre l’ospite ha bisogno di particolari nutrienti per sostenere le sue attività immunitarie, il virus stesso richiede significative risorse metaboliche della cellula ospite per mantenere la sua replicazione, compresi glucosio e glutammina. Prendere di mira questi requisiti metabolici virali può aprire ulteriori finestre terapeutiche. Inoltre, è stato dimostrato che lo stato metabolico globale di un ospite ha effetti profondi sul corso dell’infezione virale e sulla progressione verso i fenotipi ARDS. Gli animali obesi e gli esseri umani sono significativamente più suscettibili all’influenza grave, con un aumento delle lesioni polmonari e della replicazione virale sostenuta, indicativa di fallimenti dell’immunità dell’ospite e di una patogenesi virale potenzialmente aumentata. I meccanismi relativi all’obesità alla suscettibilità sono probabilmente complessi e multifattoriali, compreso l’aumento dell’infiammazione e la diminuzione della guarigione delle ferite negli individui obesi. Inoltre, l’obesità smorza alcune caratteristiche dell’immunità adattativa che possono ritardare la clearance virale o aumentare la suscettibilità all’infezione iniziale.

Progressione clinica dell’influenza a polmonite e ARDS

Circa il 30-40% dei pazienti ospedalizzati con influenza confermata in laboratorio sono diagnosticati con polmonite acuta. Questi pazienti che sviluppano la polmonite hanno più probabilità di essere giovani (< 5 anni), vecchi (> 65 anni), caucasici e residenti in case di cura; hanno malattie polmonari o cardiache croniche e storia di fumo; e sono più comunemente immunocompromessi. Da notare che le donne incinte, l’obesità estrema, i nativi americani e i nativi dell’Alaska sono anche più inclini a sviluppare gravi complicazioni influenzali. Tuttavia, a differenza delle epidemie stagionali di infezione da virus influenzale che mostrano questi classici fattori di rischio, le pandemie come l’H1N1 del 2009 sono state associate a un tasso più elevato di insufficienza respiratoria ospedalizzata in adulti precedentemente sani e giovani. Più recentemente, una grande coorte dall’Australia e dalla Nuova Zelanda ha riferito che durante l’inverno del 2017, il ceppo virale H3N2 predominante è stato associato a livelli elevati senza precedenti di ricoveri in terapia intensiva a causa di polmoniti virali e batteriche, persino superiori alla pandemia H1N1 del 2009.

Non esistono statistiche affidabili sull’effettiva incidenza o prevalenza dell’ARDS legata all’influenza sia nella popolazione pediatrica che in quella adulta. Tuttavia, è noto che la stragrande maggioranza dell’ARDS è causata da sepsi batterica e da eziologie non infettive come trauma, pancreatite, inalazione di fumo e tossicità da farmaci. Studi osservazionali suggeriscono che all’interno della piccola percentuale di ARDS indotta da virus nella popolazione pediatrica, la maggior parte è causata dal virus respiratorio sinciziale e dall’influenza A, mentre l’influenza A è l’eziologia virale predominante dell’ARDS nella popolazione adulta. Una coorte europea dell’Eurosurveillance ha mostrato che i fattori di rischio indipendentemente associati all’ARDS nei pazienti con diagnosi di influenza sono l’età compresa tra 36 e 55 anni, la gravidanza e l’obesità, mentre i fattori protettivi associati all’ARDS sono il sesso femminile, la vaccinazione antinfluenzale e le infezioni da virus dell’influenza A (H3N2) o dell’influenza B. In particolare, gli unici fattori che sono rimasti significativamente associati alla morte sono stati l’aumento del punteggio di gravità e l’età superiore ai 55 anni. In un’altra coorte dalla Cina, sembra che il ceppo virale sia stato un fattore significativo, in quanto, rispetto a H1N1, l’ARDS causata da H7N9 è stata associata a una maggiore gravità della malattia, a tassi più elevati di complicazioni meccaniche e polmoniti acquisite in ospedale, e a una maggiore mortalità. Un potenziale nuovo fattore di rischio per lo sviluppo di ARDS durante la stagione influenzale è l’esecuzione di interventi di cardiochirurgia.

La sfida della diagnosi di polmonite e ARDS in pazienti con risultati di laboratorio positivi per l’influenza riguarda la temporalità degli eventi clinici. L’infezione da virus dell’influenza da sola può causare polmonite grave e ARDS, ma può anche agire in combinazione con un’infezione batterica (discussa di seguito). Può precedere un episodio di polmonite causato da un’infezione batterica secondaria, più comunemente da S. aureus e S. pneumoniae, o può essere seguito da un episodio di polmonite nosocomiale. I clinici comunemente non riescono a diagnosticare clinicamente l’influenza in fino a due terzi dei pazienti che hanno confermato l’infezione da virus influenzale. In caso di polmonite grave o ARDS, l’unico indizio affidabile che l’influenza è un possibile agente causale è la presentazione durante l’alta stagione dell’epidemia, perché la sintomatologia da sola non può distinguere l’influenza grave da altre infezioni respiratorie virali o batteriche. La polmonite influenzale primaria mostra la persistenza e/o il successivo peggioramento dei sintomi respiratori, mentre la polmonite batterica secondaria si presenta da 1 a 3 settimane come una “ricaduta” dopo che i sintomi iniziali dell’influenza sono finiti o si sono attenuati; tuttavia, la coinfezione batterica puo’ verificarsi anche pochi giorni dopo l’inizio della malattia influenzale. Detto questo, solo il 5% di tutte le polmoniti gravi ammesse in terapia intensiva sono di eziologia virale.

L’influenza si presenta come sepsi

La risposta immunitaria all’influenza condivide molti percorsi comuni con la risposta ai batteri, quindi non dovrebbe sorprendere che un’infezione da virus influenzale possa avere una presentazione clinica molto simile alla sepsi batterica. In particolare, diversi studi hanno dimostrato che entrambi i recettori Toll-like 2 e 4, che sono i principali recettori per i batteri Gram-positivi e Gram-negativi, sono anche legati alla patogenicità dell’influenza. La risposta infiammatoria varia anche a seconda del ceppo virale; per esempio, il virus H5N1 produce una risposta più forte del virus H1N1pdm09 e H7N7 nei macrofagi del sangue, ma H1N1pdm09 produce una produzione di citochine più robusta degli altri ceppi. Inoltre, in modo simile alla sepsi batterica, con le infezioni da virus influenzale sono stati osservati danni endoteliali e cambiamenti di permeabilità microvascolare che portano all’edema dei tessuti e all’insufficienza degli organi. Analogamente alla predisposizione del virus dell’influenza alla polmonite batterica secondaria, il virus dell’influenza aumenta di 6 volte la progressione verso la sepsi batterica secondaria. Gli adulti con grave insufficienza d’organo indotta dall’influenza e i pazienti pediatrici con alti punteggi PIM e insufficienza renale acuta hanno un maggior rischio di mortalità. Un’ampia coorte multinazionale che ha valutato le cause della sepsi in circa 1600 pazienti del sud-est asiatico ha scoperto che il 4% di tutte le sepsi erano causate da virus influenzali. Nella recente stagione invernale 2017 con il ceppo di virus H3N2 predominante, uno studio australiano ha riportato che il ricovero in terapia intensiva per sepsi è stato molto più alto del previsto, che gli autori hanno attribuito in parte alla stagione del virus influenzale.

Ruolo delle coinfezioni virali-batteriche e il loro effetto sugli esiti

Il verificarsi di coinfezioni respiratorie virali-batteriche è stato descritto da oltre un secolo, compreso il periodo della pandemia influenzale del 1918; tuttavia, fino a pochi anni fa, l’evidenza generale indicava questo come un evento non comune senza grandi cambiamenti sugli esiti dei pazienti. Il recente avvento di test diagnostici microbiologici più rapidi e disponibili (ad esempio la reazione a catena della polimerasi con trascrizione inversa in tempo reale) ha rivelato un quadro molto diverso. Oggi le eziologie virali di per sé sono responsabili di un terzo di tutti i casi di polmoniti acquisite in comunità (CAP). Queste eziologie includono influenza, parainfluenza, coronavirus, rinovirus, metapneumovirus, adenovirus, virus respiratorio sinciziale, e altri microrganismi meno frequenti. Le infezioni virali che si presentano in concomitanza con la PAC batterica sono ormai note per verificarsi con una frequenza del 30-50% sia nella popolazione adulta che in quella pediatrica. È interessante notare che sarebbe più intuitivo supporre che la PAC sarebbe la manifestazione più grave di queste coinfezioni, ma più recentemente ci sono stati diversi studi che dimostrano che queste infezioni virali-batteriche colpiscono anche il 10-20% dei pazienti con polmonite acquisita in ospedale (HAP). In un ampio studio di coorte con oltre 2.000 pazienti ricoverati con grave influenza H1N1pdm09, sono stati identificati i seguenti fattori di rischio per lo sviluppo di HAP: necessità di ventilazione meccanica, sepsi, ammissione in terapia intensiva il primo giorno, linfocitopenia, età avanzata e anemia. Da notare che l’evidenza crescente suggerisce che il 20-30% dei pazienti pediatrici e adulti che presentano una sospetta sepsi batterica possono avere una co-infezione virale (ad esempio influenza, metapneumovirus, coronavirus e virus respiratorio sinciziale) e circa due terzi di questi casi sono comunemente trascurati dai medici. I dati attuali mancano ancora di prove che la presentazione clinica con co-infezioni virali-batteriche porti direttamente a esiti peggiori, ma un corpo crescente di prove suggerisce che le co-infezioni influenzali-batteriche sono associate a una maggiore morbilità e mortalità. Infatti, uno studio recente ha mostrato che la presenza di una co-infezione negli adulti con sindrome respiratoria acuta associata all’influenza che richiedeva un’ossigenazione extra-corporea a membrana era significativamente associata a un aumento di quattro volte della mortalità, e un altro studio sui bambini con co-infezione da Staphylococcus aureus con malattia critica legata all’influenza ha anche mostrato un aumento significativo di nove volte della mortalità. L’ambiente immunitario polmonare è sostanzialmente alterato dopo l’infezione da virus influenzale, con una precoce deplezione dei macrofagi alveolari. Poiché queste cellule svolgono un ruolo chiave nella risposta a molte infezioni batteriche, la loro perdita può svolgere un ruolo critico nell’aumentare la suscettibilità. Inoltre, i normali meccanismi di regolazione che sono indotti da qualsiasi risposta infiammatoria sono attivati da un’infezione virale. Questi includono l’upregulation dei regolatori negativi chiave sulla superficie delle cellule immunitarie polmonari, compreso il CD200 sui macrofagi delle vie aeree. Tale attività soppressiva è necessaria per consentire la riparazione dei tessuti ed evitare le conseguenze patologiche di risposte immunitarie troppo zelanti, ma può consentire una finestra di opportunità per i batteri. Allo stesso modo, l’infezione da virus dell’influenza induce glucocorticoidi sistemici che possono smorzare l’infiammazione per proteggere l’integrità dei tessuti, ma consentono una maggiore crescita batterica, come è stato dimostrato in un modello murino di coinfezione da virus dell’influenza-Listeria. Bloccare la risposta glucocorticoide ha effettivamente portato alla morte per l’infiammazione associata all’infezione da virus dell’influenza, dimostrando l’equilibrio tra tolleranza e resistenza al patogeno che può essere difficile da determinare nell’ospite co-infetto.

Altre complicazioni gravi meno comuni dell’influenza

La miosite acuta accompagnata da rabdomiolisi può verificarsi raramente, più comunemente nei bambini che si presentano con estrema tenerezza delle estremità inferiori, e l’indagine di laboratorio mostra un marcato aumento della creatinina fosfochinasi sierica e mioglobinuria. Anche la miocardite e la pericardite sono state raramente descritte in casi clinici, ma dimostrate in studi autoptici. Le complicazioni del sistema nervoso centrale associate all’influenza includono encefalite, encefalomielite acuta disseminata, mielite trasversa, meningite asettica e sindrome di Guillain-Barre (Tabella 2).