Il sopraggiungere dell’epidemia del nuovo coronavirus (denominato prima “novel Coronavirus 2019” o 2019-nCoV, ora SARS-CoV-2, da Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2; la malattia causata è detta COVID-19) a fine 2019 rappresenta ancora una grande sfida per la comunità scientifica. Si sta compiendo uno sforzo enorme per raccogliere il maggior numero di informazioni nel minor tempo possibile e, infatti, nel solo periodo da gennaio 2020 a giugno 2020, sono stati pubblicati oltre 10 000 articoli scientifici sull’argomento.
Si sono verificate anche altre epidemie dovute a coronavirus negli ultimi 17 anni: l’epidemia di SARS, nel 2003, e la MERS (Middle East Respiratory Syndrome), nel 2012. Tuttavia, queste due epidemie sono state così efficientemente controllate che i vaccini prodotti per limitarne la diffusione non sono stati utilizzati. Infatti, il vaccino contro il SARS-CoV si è fermato alle fasi I e II dei clinical trial, mentre quello contro il MERS-CoV è ancora in fase di sperimentazione.
Questi virus condividono anche molte caratteristiche biologiche, inclusi il meccanismo e le proteine che usano per entrare nella cellula ospite. Il meccanismo di replicazione e trascrizione del genoma di SARS-CoV-2 sembra comune a quello di altri coronavirus. Allora, perché questo virus ha manifestazioni epidemiologiche e cliniche così diverse dagli altri coronavirus?
Il Ruolo della Proteina Spike
I virus SARS-CoV-2 infettano le persone utilizzando una proteina di superficie, denominata Spike, che agisce come una chiave permettendo l’accesso dei virus nelle cellule, in cui poi si possono riprodurre. Tutti i vaccini attualmente in studio sono stati messi a punto per indurre una risposta che blocca la proteina Spike e quindi impedisce l’infezione delle cellule. Il vaccino, quindi, non introduce nelle cellule di chi si vaccina il virus vero e proprio, ma solo l’informazione genetica che serve alla cellula per costruire copie della proteina Spike. Le proteine prodotte stimolano il sistema immunitario a produrre anticorpi specifici.
Fin dalla prima ondata della pandemia, nella primavera del 2020, si è capito che Covid-19 poteva essere molto più di un’infezione delle vie respiratorie. Col passare dei mesi è diventato chiaro che, nei casi più gravi, il coinvolgimento di molti organi e tessuti diversi non deriva da un attacco diretto del virus, ma dal danno che questo provoca ai piccoli vasi sanguigni che li nutrono.
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Uno dei più recenti ha messo in luce il ruolo della proteina spike in questo fenomeno. SARS-CoV-2 è stato spesso rappresentato come un riccio ricoperto di aculei, le proteine spike, appunto, che si legano alle cellule attraverso un recettore presente sulla membrana di queste ultime, chiamato ACE2.
Il lavoro pubblicato su Circulation Research mostra che il danno alle superfici interne dei vasi sanguigni, dette endoteli, può essere provocato da questa proteina da sola, anche senza il materiale genetico necessario per infettare le cellule. Ma sottolinea anche che, perché questo fenomeno avvenga, è indispensabile l’interazione tra la proteina spike e il suo recettore ACE2. Non è insomma un danno meccanico, come si potrebbe superficialmente pensare guardando le immagini in cui il virus scorre nel sangue con tutte le sue punte esposte.
Questo studio, mal interpretato da qualcuno, ha fatto pensare che attraverso lo stesso processo anche i vaccini potessero provocare danni ai tessuti. Se però i vaccini spingono le cellule a produrre la proteina spike, ed è questa la componente del virus che provoca i danni più gravi, questi prodotti non saranno pericolosi? Facendo produrre la proteina spike con le istruzioni portate da un vaccino a mRNA o a vettore adenovirale, non rischiamo di innescare le stesse reazioni?
Prima di tutto, è importante capire la differenza tra l’infezione naturale e la vaccinazione. Nel primo caso, il virus entra nell’organismo tramite le vie aeree e infetta le cellule che le rivestono: si moltiplica al loro interno fino a romperle per andare a infettare altre cellule e via via raggiunge in enormi quantità il circolo sanguigno e si distribuisce potenzialmente in tutto il corpo.
I vaccini, invece, sono somministrati nel muscolo deltoide proprio perché questa posizione permette di evitare facilmente arterie e vene. La maggior parte del prodotto fluirà attraverso le vie linfatiche fino ai linfonodi, dove cellule specializzate presenteranno la spike codificata dai vaccini adenovirali o a mRNA alle cellule deputate a innescare la risposta immunitaria; una certa quota invece entrerà nelle cellule muscolari, che a loro volta produrranno la proteina come da istruzioni contenute nel vaccino e la esporranno ancorata nella loro membrana.
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In realtà, recentemente, usando un metodo molto sensibile, alcuni ricercatori sono riusciti per la prima volta a identificare la proteina spike e la sua componente S1 nel sangue di 13 soggetti che avevano ricevuto la prima dose del prodotto di Moderna. Dopo 14 giorni, quando la risposta immunitaria è stata evocata, anche queste tracce sono sparite, così come non compaiono più dopo la seconda dose.
Anche questa è una grossa differenza con l’infezione naturale, in cui spesso è più difficile per le difese dell’organismo eliminare rapidamente l’enorme quantità di particelle virali in circolo. Gli studi per l’autorizzazione del vaccino di Pfizer da parte di EMA mostrano che il 99% del vaccino resta nel sito di iniezione.
“È possibile naturalmente che in piccola quantità riesca a entrare nel circolo sanguigno, ma qualsiasi cellula riceva le istruzioni di produrre la spike, la esporrà sempre sulla sua superficie, non la riverserà nel sangue” spiega Lowe. Tutto quel che arriva al fegato, poi, viene degradato e distrutto.
Infine, mentre la risposta naturale all’infezione prevede la produzione di moltissimi anticorpi, alcuni dei quali possono avere affinità con componenti dell’organismo, provocando le reazioni autoimmuni che potrebbero essere alla base delle forme croniche di Covid-19 (la cosiddetta “long covid”), gli anticorpi prodotti in seguito alla vaccinazione sono diretti in maniera specifica contro spike e sono quindi una gamma molto più ristretta, che ha meno probabilità di sbagliare bersaglio e colpire l’organismo.
Impatto sul DNA Cellulare
In una ricerca appena pubblicata su Nature Cell Biology è stato identificato un meccanismo di danno al DNA cellulare indotto dal virus SARS-CoV-2 che provoca invecchiamento cellulare e infiammazione cronica. Una risposta infiammatoria esagerata all’infezione di SARS-CoV-2 è all’origine degli effetti più nocivi del COVID-19. Era noto come alcuni virus fossero in grado di indurre danno al DNA cellulare e che la mancata riparazione del danno provocasse tumori, senescenza cellulare e infiammazione cronica.
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Quello che abbiamo osservato - illustrano Ubaldo Gioia e Sara Tavella, primi autori delo studio - è che SARS-CoV-2, una volta entrato nella cellula, ne dirotta i processi fondamentali, costringendola a smettere di produrre deossinucleotidi, i “mattoni” del DNA, per farle produrre i ribonucleotidi ovvero i “mattoni” che servono a sintetizzare l’RNA della cellula e, soprattutto, quello del virus.
“Abbiamo osservato”, spiega Alessandro Marcello, “che quando il virus replica nelle cellule infettate esaurisce rapidamente le risorse di precursori necessari alla sintesi degli acidi nucleici. Questo provoca un danno al DNA cellulare che deve essere riparato. Allo stesso tempo, alcune proteine del virus, chiamate Orf6, Nsp13 e N, interferiscono con i meccanismi cellulari di riparazione, provocando senescenza cellulare e produzione di citochine infiammatorie.
“Tre anni fa in Italia siamo stati i primi in Europa a fronteggiare un virus allora sconosciuto”, conclude Alessandro Marcello, “in pochissimo tempo la ricerca scientifica ha portato a risultati fondamentali per il contenimento dell’epidemia come i vaccini e i farmaci antivirali.
Vaccini a mRNA: Meccanismo e Sicurezza
Una delle frasi sentite più spesso in questi ultimi mesi è che i vaccini a RNA sono nuovi e, di conseguenza, non se ne conosce bene il meccanismo di funzionamento e gli effetti. La storia della ricerca sull’RNA è però lunga e non è di certo iniziata con la pandemia di COVID-19. Infatti, l'RNA messaggero (mRNA), protagonista dell’attuale strategia vaccinale per combattere SARS-Cov2, è stato scoperto più di mezzo secolo fa, nel 1961, e la ricerca su come l'mRNA potrebbe essere consegnato all’interno delle cellule è stata sviluppata negli anni '70.
Negli ultimi mesi, sui giornali di tutto il mondo, sono usciti articoli che ponevano l’attenzione sulla rapidità con cui sono stati sviluppati i vaccini contro l’infezione da SARS-CoV-2, instillando a volte anche il dubbio sulla loro efficacia e sicurezza. Ma nella scienza non esistono successi “improvvisi”: le scoperte - e i successi - si basano su decenni di ricerca scientifica e arrivano dopo lunghi percorsi, spesso travagliati e pieni di imprevisti.
L’organismo umano deve produrre continuamente proteine per mantenersi in vita e rispondere adeguatamente agli stimoli esterni e interni. Il codice genetico necessario per la costruzione delle proteine è custodito nel DNA ma è l’mRNA la molecola che trasmette il messaggio a tutte le cellule dell’organismo su quali proteine produrre e quando. Utilizzando RNA sintetici si potrebbero quindi trasmettere informazioni specifiche all’interno delle cellule senza andare a modificare le istruzioni del DNA: questa è l’idea su cui si basa l’utilizzo dell’mRNA a scopo terapeutico.
I primi anni di ricerca sull'mRNA sono stati segnati da molto entusiasmo per la tecnologia, ma anche da una serie di difficili sfide tecniche e limiti biologici che hanno richiesto molta innovazione tecnologica per essere superati. L’ostacolo più grande è stato superare la degradazione del mRNA. Sebbene il DNA e l’RNA siano molecole molto simili, entrambe formate da acidi nucleici, si differenziano per la struttura.
La soluzione a questo problema è arrivata dai progressi nelle nanotecnologie grazie allo sviluppo di minuscole goccioline di grasso - chiamate nanoparticelle lipidiche - in grado di avvolgere l'mRNA in una bollicina, che permette l'ingresso nelle cellule. Nel caso della COVID-19, i vaccini contengono le istruzioni - sotto forma di mRNA sintetico - per produrre una versione modificata della proteina spike del SARS-CoV-2, fondamentale per l’ingresso del virus nelle cellule.
Differenze tra i Vaccini Pfizer e Moderna
Entrambi i vaccini sono vaccini a mRNA che codificano (cioè istruiscono) per la sintesi della proteina spike. Quindi anche la proteina scelta è la stessa anche se con alcune piccole diversità di struttura. Una chiara evidenza di ciò è che il vaccino Pfizer è meno resistente alle temperature sopra allo 0 rispetto a quello Moderna.
In ogni caso sono simili per le procedure di immunizzazione: entrambi i vaccini devono essere somministrati due volte allo stesso soggetto e sono protettivi dopo 1-2 settimane dalla seconda somministrazione. L’efficacia e gli effetti avversi sembrano simili.
Effetti Avversi e Durata della Protezione
Per quanto riguarda la durata della protezione, conosciamo il dato sulla presenza di anticorpi dopo 6 mesi dall’immunizzazione e, al momento, la capacità di protezione dall’infezione riferita ai primissimi mesi dopo l’assunzione delle 2 dosi. Per quanto riguarda gli effetti avversi, sappiamo che qualsiasi farmaco può determinare anche effetti avversi a lungo termine.
Per quanto riguarda gli effetti avversi di cui sentiamo parlare ogni giorno, occorre essere molto prudenti. La paralisi di Bell è un disturbo che colpisce alcuni muscoli della faccia ed è completamente reversibile (si risolve entro 3 settimane). Ancora però non sappiamo se questo disturbo è determinato dal vaccino o, semplicemente, questi soggetti l’avrebbero avuto a prescindere dalla vaccinazione.
Vaccini a mRNA e Modifica del DNA
C’è forse il rischio che un vaccino a mRNA modifichi il DNA della cellula in cui entra? Nelle nostre cellule, il DNA produce mRNA e l'mRNA produce la proteina. Cioè l’informazione è unidirezionale. Purtroppo (o, in questo caso, per fortuna) le nostre cellule non sono capaci di fare il processo inverso (proteina → RNA → DNA), neanche in maniera parziale (mRNA → DNA). Quindi il vaccino, cioè l’mRNA del vaccino che entra nella cellula, produce una proteina del virus, finchè non viene distrutto.
Però nelle nostre cellule ci può essere anche un enzima chiamato “trascrittasi inversa” o “retrotrascrittasi”. Questi virus quando entrano nelle cellule bersaglio (i linfociti T e le cellule del fegato, rispettivamente) portano l’informazione per produrre la trascrittasi inversa. Lo scopo del virus è quello di avere nel DNA le sequenze necessarie a innescare la produzione dei propri componenti con cui costruire nuove particelle virali.
L’mRNA contenuto nel vaccino non contiene tutte queste informazioni. Inoltre, anche nel caso in cui venisse inserito, sotto forma di DNA, nel nostro genoma non potrebbe mai diventare un mRNA perchè mancherebbero i segnali capaci di promuovere la sintesi dell’mRNA.
Conclusioni
Gli studi scientifici continuano a fornire importanti informazioni sul SARS-CoV-2 e sulla risposta immunitaria indotta dai vaccini. La ricerca sull'mRNA ha fatto enormi progressi, portando allo sviluppo di vaccini efficaci e sicuri per combattere la pandemia di COVID-19.