Ruolo dei lipidi e della nutrizione nella replicazione del virus Zika a livello di placenta

Before 2007, Zika (ZIKV) virus has been an unknown pathogen, sporadically detected in some African areas and transmitted among humans by mosquito bites, causing moderate symptoms. In late 2013, ZIKV started spreading worldwide, triggering a pandemic that involved South Asiatic, Pacific and American countries. In 2016, ZIKV reached the highest diffusion in Brazil, which counted over 200.000 cases in the human population. In the same year, the World Health Organization declared ZIKV a public health emergency of international concern. In countries affected by the ZIKV epidemic, the biomedical community reported a steep increase in pregnancy impairment, highlighting an alarming correlation between ZIKV infection and fetal malformation. Although many scientific groups have been studying ZIKV vertical transmission, how this virus can damage a fetus during the second and third gestational trimesters is still unknown. In this context, this project aimed to better understand the ZIKV pathogenic mechanism underpinning the viral crossing of the placenta and the consequent impact that those phenomena have on fetal development at the late stages of pregnancy. To reach this goal, in a first study, we investigated which viral factors, among genome, proteins and lipids, could mainly determine ZIKV pathogenesis in placenta. We replicated three genetically different ZIKV strains in mammalian and mosquito cell lines to obtain viral stocks with a species-specific lipid composition. Then, we characterized the replicative kinetic and infective performance of these viral ZIKV stocks on immortalized placental cell lines and human full-term placenta explants. Our experiments revealed that the lipid composition of the viral envelope more than viral lineage or genetics influenced the ZIKV virus's ability to replicate in the placental tissues during the late stages of pregnancy. derived from mammalian cells displayed higher infectivity in placental villous trophoblasts. Consequently, we decided to further investigate the role of viral and host lipids by performing a translation in-vivo study in immunocompetent mice. In this second experiment, we considered that ZIKV derives its lipids directly from the placental cells and, in turn, these cells constitute their lipid structures using fats derived from food nutrients. From this perspective, we hypothesized that maternal dietary lipids could play a role in determining placental tissue susceptibility to ZIKV infection. To verify this assumption, we formulated four diets reproducing the lipid content of the main human dietary patterns and then, we tailored them for mouse nutrition. The immunocompetent mice were divided into four groups, and fed with experimental diets before and during the pregnancy. At 12 days of gestation, mice were ZIKV or mock-infected and successively sacrificed to collected organs. From the analyses conducted on sampled tissues, we established that dietary lipids influenced the lipid structure of the placenta modulating the expression of the different lipid classes in this tissue. Moreover, we observed a different placental susceptibility to ZIKV infection, depending on the diet administrated and the lipid content of the placental tissues. Specifically, we demonstrated that mice fed with a diet characterized by low and unsaturated fatty acids, harboured placentas enriched with phosphatidylserines, which conferred to these tissues a higher resistance to the ZIKV infection. Collectively, our studies have unveiled maternal diet as a fundamental determinant of ZIKV pathogenesis in a pre-clinical animal model of placental infection. The results not only present new perspectives on the neglected interplay between dietary lipids and Flavivirus pathogenesis, but open the way to a new line of research in the field of prophylaxis for the control of ZIKV.

Il virus Zika, appartenente alla famiglia dei Flaviviridae, è un virus che si trasmette all’uomo tramite puntura di zanzara causando una malattia dal decorso spesso asintomatico. Nel 2013 Zika iniziò a diffondersi velocemente nei territori del Sud-Est asiatico e dell’Oceano Pacifico fino ad arrivare, nel 2016, al Sud e Centro America dove oltre 200.000 casi di infezione vennero registrati nella popolazione locale. Nello stesso anno, l’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) dichiarò la diffusione del virus Zika emergenza internazionale di salute pubblica. A partire da quel periodo, l’incremento di casi di microcefalia e difetti congeniti nei neonati dei paesi colpiti dal virus Zika destò molta preoccupazione nella comunità medico-scientifica, che poco dopo, confermò la capacità di questo patogeno di trasmettersi verticalmente dalla madre al feto. Dall’apice della pandemia ad oggi, i ricercatori di tutto il mondo hanno compiuto uno sforzo collettivo nell’indagare la patogenesi di Zika; ciononostante, il modo in cui il virus è in grado di infettare la placenta specialmente nelle ultime fasi della gravidanza, rimane tutt’ora da stabilire. In questo contesto, il seguente progetto di dottorato si è posto come primo obiettivo quello di indagare il ruolo dei principali fattori virali, rappresentati da genoma, proteine e lipidi nel determinare la patogenesi di Zika a livello di placenta. I risultati dei nostri esperimenti hanno evidenziato che i lipidi dell’envelope virale, la membrana di cui è rivestito il virus, più che il genoma o le proteine virali, sono stati capaci di influenzare la capacità replicativa del virus Zika nelle cellule placentari immortalizzate e nelle culture ex-vivo di placenta umana. Nello specifico abbiamo osservato, come i ceppi di Zika costituiti da un envelope ricco di fosfatidilcoline possedessero una maggior infettività nelle cellule trofoblastiche del villo placentare. Alla luce di tale evidenza, abbiamo deciso di proseguire il progetto di ricerca indagando più approfonditamente il ruolo dei lipidi mediante l’applicazione di uno studio in-vivo sul modello topo. In questo secondo esperimento, partendo dal presupposto che, sia i lipidi virali, che quelli delle cellule ospite, derivano dai grassi assunti con l’alimentazione, ci siamo chiesti se i lipidi della dieta materna fossero in grado di influenzare la suscettibilità placentare all’infezione da Zika. Per verificare questa ipotesi, abbiamo formulato quattro diete, rappresentative del contenuto lipidico dei principali pattern nutrizionali diffusi nel mondo, e le abbiamo adattate al metabolismo del nostro modello animale. Le femmine di topo utilizzate sono state divise in quattro gruppi e alimentate prima e durante la gestazione con le diete sperimentali. A dodici giorni di gestazione, gli animali sono stati infettati con il virus Zika e successivamente sacrificati per la raccolta degli organi. Le analisi condotte hanno evidenziato come, i grassi introdotti con la dieta siano stati in grado di influenzare in modo significativo la suscettibilità della placenta all’infezione da Zika. In particolare, gli animali alimentati con diete dal contenuto lipidico moderato, e ricco in acidi grassi insaturi, avevano placente con elevate quantità di fosfatidilserine, le quali hanno conferito a questo tessuto una notevole resistenza nei confronti dell’infezione da Zika. Complessivamente, i risultati ottenuti da questo progetto di dottorato non solo hanno permesso di approfondire l’interazione tra lipidi e Zika offrendo nuove prospettive di ricerca nell’ambito della patogenesi dei Flavivirus, ma hanno anche posto le basi per un innovativo ed inedito utilizzo dell’alimentazione, quale strumento profilattico di gestione della malattia da Zika nelle donne in gravidanza