Polisaccaridi solforati (SPs) dalle alghe per contrastare COVID-19

Alghe marine: una fonte promettente di composti bioattivi

In tempi di Covid-19, nonostante la somministrazione di vaccini sia stata avviata a partire dalla fine del 2020, la diffusione di nuove varianti resistenti ai vaccini dimostra che non è più possibile fare affidamento solo sui vaccini per ottenere una parziale protezione dal virus. Lo studio e lo sviluppo di farmaci o di prodotti naturali diventa sempre più importante.

In questo scenario, le alghe marine rappresentano una promettente fonte di biomolecole di interesse farmaceutico per ridurre il rischio di molte malattie infettive. In effetti, negli anni, vaste conoscenze sono state accumulate riguardo ad antivirali derivanti da organismi e piante terrestri; molto meno esplorato è il settore delle alghe, intese come macro e microalghe. L’importante diversità, nonchè la presenza di biomolecole attive, si riscontra soprattutto nella composizione della parete cellulare.

Tra le macroalghe verdi merita particolare attenzione U. lactuca, appartenente alla famiglia Ulvaceae, che comprende circa 100 specie di alghe verdi. Da sempre utilizzata nella cucina orientale come cibo tradizionale per il suo alto contenuto in vitamine e minerali, diversi studi ne hanno evidenziato il potenziale ruolo nello sviluppo di farmaci, integratori e cibi funzionali. Questo si deve al suo contenuto in costituenti chimici: ceramidi, terpeni, fenoli, acidi grassi e polisaccaridi solforati (SPs).

Polisaccardi solforati

I polisaccaridi solforati sono polimeri naturali complessi principalmente presenti sulle pareti cellulari delle alghe. Ricordiamo le carragenine e l’agar dalle macroalghe rosse, ulvan dalle macroalghe verdi e i fucoidani e laminariani da alghe brune. Studi in vitro e in vivo sui polisaccaridi solforati hanno evidenziato un’azione antinfiammatoria, immunostimolante, anticoagulante, anti-iperlipidemica, antitumorale, antimicrobica e soprattutto antivirale, contro un ampio spettro di virus.

L’ulvan è uno dei più complessi polisaccaridi solforati, e rappresenta circa il 9-36% del peso secco delle alghe Ulva, Gayralia e Monostroma. Consiste principalmente di unità ripetute di ramnosio solfatato, acido glucuronico, xilosio, acido iduronico e gruppi solfati in diverse proporzioni. La struttura del polisaccaride ulvan con le più importanti unità disaccaridiche è mostrata in Figura 1.

Le alghe ricche in polisaccaridi solforati rappresentano una potente alternativa allo sviluppo di farmaci antivirali, essendo l’attività dei polisaccaridi direttamente coinvolta nell’inattivazione dei virioni prima del processo infettivo o nell’inibizione della replicazione del virus all’interno delle cellule ospiti.

Meccanismo antivirale indotto dai SPs

I polisaccaridi solforati intervengono in diverse fasi del processo infettivo (Fig.2). Analizziamole nello specifico.

• Inibiscono il processo di adsorbimento del virus alla cellula ospite:

Il contatto tra virus e cellula ospite avviene mediante interazioni ioniche tra la carica positiva delle glicoproteine presenti sul rivestimento esterno del capside virale e la carica negativa dei costituenti della parete cellulare delle cellule ospiti. La presenza di composti solforati crea un’alta densità di carica negativa sulla superficie cellulare delle cellule ospiti che, interagendo con le glicoproteine virali, ostacola l’iniziale adsorbimento del virus alla cellula ospite;

• Inibiscono il processo di penetrazione del virus:

Successivamente alla fase di adsorbimento, il virus penetra all’interno della cellula grazie alle interazioni elettrostatiche che si generano tra le proteine del capside virale e i corrispondenti recettori presenti sulla membrana della cellula ospite. I polisaccaridi solforati, interagendo con questi recettori, ne bloccano il processo di penetrazione;

• Inibiscono la fase di uncoating (spogliazione):

In seguito alla penetrazione nella cellula, la fase di spogliazione consiste nella rimozione del capside virale. Questa avviene ad opera di enzimi presenti nella cellula ospite o enzimi virali. In questa fase i polisaccaridi solforati agiscono legando siti allosterici del capside virale e bloccando la fase di spogliazione, con conseguente liberazione dell’acido nucleico virale all’interno della cellula;

• Inibiscono i processi di replicazione e traduzione del genoma virale:

I virus sfruttano il macchinario delle cellule ospiti per replicare il loro genoma e produrre  proteine che serviranno per assemblare nuove particelle virali. I polisaccaridi algali inibiscono i processi di replicazione e trascrizione interferendo con gli enzimi replicativi o prevenendo la formazione di proteine da mRNA nella cellula ospite.

Lo studio

La composizione chimica è stata confrontata tra due estratti di ulvan, ottenuti utilizzando metodi di estrazione differenti, precisamente estrazione di polisaccaridi solforati utilizzando acido cloridrico (HCl) ed estrazione mediante Ossalato di Ammonio (AOx). Inoltre l’attività anti-SARS-CoV-2 è stata saggiata in vitro mediante saggio di riduzione dell’effetto citopatico (CPE), utilizzando cellule Vero E6 che esprimo il recettore ACE2, la porta che SARS-CoV-2 utilizza per entrare nelle cellule umane.

Composizione chimica degli estratti ulvan

La composizione chimica mediante analisi elementare organica (CHNS), cromatografia a scambio ionico (AEC), ad esclusione dimensionale (SEC) e spettroscopia infrarossa (IR) ha evidenziato come i diversi protocolli di estrazione influenzino la composizione chimica degli estratti di ulvan, che risultano diversi nella distribuzione di cariche, di masse molecolari e soprattutto nel contenuto in azoto. In particolare, gli estratti ottenuti dai diversi protocolli di estrazione presentano simili contenuti in carbonio, idrogeno ed elementi sulfurei. Le maggiori differenze si osservano nel contenuto in azoto. In particolare, gli estratti con ammonio ossalato presentano l’88% in più di azoto rispetto agli estratti con acido cloridrico. Questi risultati suggeriscono come condizioni di pH più neutre garantiscano estratti più ricchi in proteine, a differenza di quanto accade in condizioni di estrazioni a pH  più acidi, con acido cloridrico.

Saggio CPE

Nel saggio CPE, le cellule di mammifero Vero E6, inoculate con Sars-CoV-2, sono state fatte crescere in un terreno contenente varie concentrazioni degli estratti di ulvan testati. I risultati evidenziano come i polisaccaridi solforati estratti con ammonio ossalato presentino attività anti SARS-CoV-2, al contrario degli estratti con HCl che non mostrano attività inibitoria nei confronti del virus. Questi risultati confermano quanto già riportato in studi precedenti in merito al ruolo dei polisaccaridi solforati nell’inibizione dell’attività virale, essenzialmente legata alla carica negativa dei gruppi solforati che interagendo  con le proteine del capside virale ne blocca le fasi di adsorbimento e penetrazione all’interno delle cellule ospiti.

Al contempo lo studio evidenzia quanto il metodo di estrazione influenzi l’attività antivirale degli estratti. Poiché gli estratti con ammonio ossalato esibiscono alti livelli di composti contenenti azoto, i ricercatori concludono che questi composti potrebbero rappresentare negli estratti metaboliti secondari, alcaloidi, peptidi, proteine, che potrebbero essere responsabili della diversa attività nei confronti del virus.

Prospettive future

Quindi, questi studi sulle macroalghe pongono le basi per lo sviluppo di antivirali di origine naturale. Ad oggi sono in corso prove in silico su ceramidi estratti da Ulva lactuca con promettente attività antivirale contro SARS-CoV-2. Sebbene gli estratti con ammonio ossalato siano risultati più efficaci nell’inibizione della moltiplicazione virale, studi mirati alla precisa identificazione e all’isolamento dei componenti chiave attivi in questo processo risultato prioritari in questa prime fasi di sperimentazione prima di arrivare a sperimentare le frazioni attive di questi estratti in studi  in vivo.

Il settore delle macroalghe e microlaghe è un settore in piena espansione che sta guadagnando terreno per ricerche anche nel settore dei biopolimeri di interesse industriale. Tuttavia, occorre lavorare per sviluppare semplici metodi di estrazione con alti livelli di purezza e resa degli estratti e migliorare il processo a valle di recupero dei composti bioattivi.

Fonti:

• S. Shefer, A. Robin, A. Chemodanov, M. Lebendiker, R. Bostwick, L. Rasmussen, M. Lishner, M. Gozin, A. Golberg, Fighting SARS-CoV-2 with green seaweed Ulva sp. extract: Extraction protocol predetermines crude ulvan extract anti-SARS-CoV-2 inhibition properties in in vitro Vero-E6 cells assay, PeerJ. 9 (2021). https://doi.org/10.7717/peerj.12398
• N. Hans, A. Malik, S. Naik, Antiviral activity of sulfated polysaccharides from marine algae and its application incombating COVID-19: Mini review, Bioresource Technology Reports. 13 (2021). https://doi.org/10.1016/j.biteb.2020.100623
• D.S. Lakshmi, S. Sankaranarayanan, T.K. Gajaria, G. Li, W. Kujawski, J. Kujawa, R. Navia, A short review on the valorization of green seaweeds and ulvan: Feedstock for chemicals and biomaterials, Biomolecules. 10 (2020). https://doi.org/10.3390/biom10070991
• E.E. Eltamany, S.S. Elhady, M.S. Goda, O.M. Aly, E.S. Habib, A.K. Ibrahim, H.A. Hassanean, U.R. Abdelmohsen, M.K.Safo, S.A. Ahmed, Chemical Composition of the Red Sea Green Algae Ulva lactuca: Isolation and In Silico Studies of New Anti-COVID-19 Ceramides, Metabolites. 11 (2021). https://doi.org/10.3390/metabo11120816

Crediti di immagini:

• Figura 1: https://www.mdpi.com/2218-273X/10/7/991/htm
• Figura 2: https://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S2589014X20302450-gr2.jpg
• Immagine in evidenza: Pixnio