La proteina Spike è diventata un argomento di grande interesse da quando il SARS-CoV-2 ha fatto il suo ingresso nella nostra vita. Ma perché questa proteina è così importante? Quali effetti ha sull’organismo?
La proteina Spike è una glicoproteina situata sulla superficie del SARS-CoV-2 e svolge un ruolo cruciale nel legame con il recettore ACE-2, permettendo al virus di entrare nelle cellule umane. Il nostro sistema immunitario riconosce la proteina Spike e produce anticorpi per neutralizzarla.
Che cosa è l’RNA messaggero?
L’RNA messaggero è stato scoperto nel 1961. Ricopre un ruolo fondamentale per la sopravvivenza dell’essere umano, essendo indispensabile per produrre le proteine. La ricetta per la produzione delle proteine viene “custodita” sì nel DNA, ma è poi l’RNA messaggero che la distribuisce in tutte le cellule dando informazioni circa il momento e il luogo di produzione. L’RNA messaggero è quindi una sorta di postino che trasmette importanti messaggi alle cellule.
Da qui nasce l’idea negli anni ’90 di utilizzare degli RNA messaggeri sintetici a scopo terapeutico: introdurre all’interno delle cellule un’informazione, l’RNA messaggero per l’appunto, per produrre una proteina terapeutica.
Quali sono i limiti dell’RNA messaggero e come vengono superati?
Il primo grosso limite che i ricercatori hanno dovuto fronteggiare è stata l’instabilità dell’RNA e la sua tendenza a degradarsi velocemente. Infatti, mentre il DNA è un acido nucleico costituito da un doppio filamento, organizzato in una doppia elica, che conferisce quindi a questa molecola una grande stabilità, l’RNA, invece, è una molecola a singolo filamento, più fragile.
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Il rischio è che venga rapidamente “demolita” prima ancora di aver portato il messaggio all’interno delle cellule.
Grazie alla scoperta delle nanotecnologie, è stato possibile superare questo ostacolo: inglobando le delicate molecole di RNA all’interno di piccolissime bolle di grasso (nanoparticelle lipidiche), queste riescono a raggiungere la loro destinazione ancora integre. Lo strato di grasso si fonde con la membrana esterna delle cellule così che le molecole di RNA messaggero vengano rilasciate all’interno della cellula stessa.
Vaccini a mRNA: ecco come funzionano
Un vaccino ha lo scopo di stimolare il sistema immunitario a difendersi da determinate malattie, “presentandogli” l’agente patogeno in via preventiva. Oggi la maggior parte dei vaccini è a base di virus attenuati o morti. I vaccini a mRNA, invece, usano un codice genetico, quello contenuto appunto nella molecola di RNA messaggero, per istruire le cellule del nostro corpo a produrre proteine che poi il sistema immunitario riconoscerà come estranee producendo anticorpi e in seguito cellule della memoria.
Che cosa sono i vaccini a mRNA?
I vaccini a mRNA sono vaccini contenenti RNA messaggero (mRNA) che porta al suo interno le istruzioni per produrre una determinata proteina virale. Nel caso di SARS-CoV-2 la proteina è la Spike. Una volta all’interno delle cellule del nostro corpo, l’mRNA fa sì che la proteina virale venga da loro prodotta, fungendo da stampo. La proteina virale verrà in seguito rilasciata nel sangue, dove verrà riconosciuta come estranea dal sistema immunitario, che di conseguenza produrrà anticorpi specifici in grado di aggredire tutto il virus, in caso di necessità.
Questi anticorpi persistono solo temporaneamente nel sangue (tra 4 e i 6 mesi). Ma il nostro corpo ricorda come difendersi da successive infezioni di SARS-CoV-2, grazie a cellule immunitarie definite proprio della memoria.
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I vaccini a mRNA sono davvero così nuovi? Ecco la loro storia
Negli anni ’80 è stata prodotta la prima molecola di mRNA sintetico: l’allora neolaureato Robert Malone riuscì a far produrre alle sue cellule di laboratorio la proteina di suo interesse. Come? Mescolando le molecole di RNA appena sintetizzato a goccioline di grasso. Da lì l’ipotesi: se le cellule riescono a produrre proteine a partire da mRNA che viene dall’esterno, si può considerare l'RNA un farmaco?
Qualche anno dopo, questo traguardo ha spinto la biologa ungherese Katalin Karikò e l’immunologo Drew Weissman a sviluppare un vaccino a mRNA per l’HIV. Successivamente i due scienziati capirono che bastava semplicemente modificare la struttura di uno dei mattoncini che costituiscono l’RNA per placare la risposta infiammatoria innescata nei modelli animali da queste piccole molecole.
La ricerca e lo sviluppo di vaccini a mRNA venivano però considerati ancora troppo costosi dalle aziende farmaceutiche. Fino al 2000, quando nacquero BioNTech e Moderna.
La piattaforma a mRNA è stata presa in considerazione per lo sviluppo di vaccini contro agenti patogeni infettivi, soprattutto dopo i tanti fallimenti dei vaccini convenzionali (vedi l'HIV-1, il virus dell’herpes simplex e il virus respiratorio sinciziale). Fu subito chiaro quanto i vaccini a mRNA soddisfino i requisiti di un vaccino clinico ideale: sicuro, versatile e di veloce disegno, progettazione e produzione, anche su larga scala.
La ricerca sui vaccini a mRNA ha raggiunto il suo picco tre anni fa, in tempi non sospetti. I campi applicativi dei vaccini a mRNA vanno oltre il Covid-19: la ricerca sta prendendo in considerazione lo sviluppo di vaccini di questo tipo che combattano anche altri coronavirus e altre malattie infettive. Così come i virus dell’influenza, dell’herpes, dell’epatite C, dell’HIV, della malaria, e per il morbo di Lyme.
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Ed infine nulla toglie che in un futuro non troppo lontano si sviluppino vaccini anche contro malattie genetiche rare, orfane di cura.
I vaccini a mRNA nella lotta ai tumori
Mentre i vaccini a mRNA per il Covid-19 stimolano la nostra risposta immunitaria per proteggerci dal virus (prevenzione), un vaccino a mRNA per i tumori stimola il sistema immunitario dei pazienti ad attaccare le cellule tumorali (terapia). È stato dimostrato, infatti, che i vaccini a mRNA sono in grado di scatenare sia una risposta anticorpale per combattere il “nemico”, come nel caso del Covid-19, sia una risposta cellulare.
Sono proprio le cellule T quelle che possono annientare le cellule tumorali, grazie alle informazioni ricevute dalle molecole di RNA messaggero.
Un vaccino a mRNA nel settore oncologico prende di mira le nuove proteine che si formano sulle cellule tumorali quando si verificano specifiche mutazioni nel DNA, chiamate neoantigeni. I neonatigeni rappresentano una specie di firma personale in ciascun paziente. Per questo motivo rappresentano una vera sfida non solo dal punto di vista della tecnologia vaccinale ma anche dal punto di vista della medicina personalizzata.
Inizialmente la piattaforma del vaccino a mRNA di BioNtech era stata sviluppata e testata nell’uomo come vaccino sperimentale in 13 pazienti affetti da melanoma nel 2008. La risposta immunitaria innescatasi in seguito a vaccinazione è stata molto elevata e il rischio di sviluppare nuove lesioni metastatiche si è significativamente ridotto. Moderna, invece, aveva sviluppato un vaccino a mRNA per tumori solidi. Usato in combinazione con un inibitore del checkpoint (che rende il sistema immunitario “disinibito”), il vaccino è stato in grado di ridurre il tumore in sei pazienti su 20.
I vaccini a mRNA nella lotta al Covid-19
Quando il nuovo coronavirus SARS-CoV2 ha cominciato a diffondersi in tutto il mondo destando molte preoccupazioni, Moderna si è subito messa all’opera per sviluppare un prototipo di vaccino non appena la sequenza del genoma del virus è stata resa nota. Insieme al National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) degli Stati Uniti ha avviato studi preclinici e clinici in meno di dieci settimane.
Anche la BioNTech, dopo aver deciso di collaborare con la Pfizer, ha avviato trial clinici già nel marzo 2020, passando dai primi test all'autorizzazione in emergenza in meno di otto mesi. Al contrario di quanto dichiarano tante fonti attraverso fake news, non sono state assolutamente saltate tappe fondamentali nel processo di sviluppo e autorizzazione di questi vaccini.
Anzi, la velocità con cui sono stati ottenuti i vaccini è da attribuirsi al bagaglio scientifico e tecnologico acquisito negli anni e alla grossa quantità di risorse economiche, sia pubbliche che private, messe a disposizione in tutto il mondo. Non dimentichiamoci inoltre del grande sforzo messo in atto dagli enti regolatori per valutare la documentazione messa a disposizione dalle industrie farmaceutiche al termine di ogni fase di ricerca clinica.
Nella scienza e nella medicina, infatti, non esistono scoperte “inattese”: tutto si basa su anni e anni di ricerca, fatta di successi, fallimenti e tanti imprevisti. Grazie a queste solide fondamenta è stato possibile sviluppare in tempi record i primi vaccini basati su mRNA per fermare la diffusione del Covid-19.
Vaccini a mRNA: quali sono gli effetti?
L’ansia maggiore di questo ultimo periodo deriva dal dubbio di eventuali effetti indesiderati a lungo termine di questi "nuovi" vaccini a mRNA. La letteratura scientifica riguardo a questo approccio innovativo non riporta esempi di effetti a lungo termine, in quanto il tempo di permanenza di una molecola di mRNA all’interno dell’organismo è davvero breve. La loro naturale instabilità fa sì che vengano eliminate rapidamente, entro due giorni dalla somministrazione.
La campagna vaccinale è iniziata da quasi un anno e oggi si contano più di sette miliardi di persone che hanno ricevuto una dose o la vaccinazione completa con tutti i vaccini a disposizione. In Italia stime aggiornate riportano che i vaccini somministrati maggiormente sono stati proprio quelli a mRNA (Pfizer e Moderna). Al momento non sono stati registrati segnali di allarme comparsi a distanza di tempo dall'inoculazione: il sistema di sorveglianza continuerà sempre a monitorare la loro sicurezza a scopo precauzionale, così come si fa per qualsiasi altro farmaco.
Vaccini a mRNA e vaccini a vettore virale: qual è la differenza?
La differenza tra un vaccino a mRNA e uno a vettore virale consiste nel modo di fornire alla cellula le istruzioni per produrre la proteina virale. Nel caso di vaccini a mRNA, l’informazione viene portata all’interno della cellula da una molecola di RNA messaggero, che viene utilizzata come stampo dalle cellule per produrre la proteina estranea.
Nel caso di un vaccino a vettore virale, l’informazione per la proteina estranea è racchiusa all’interno di una molecola di DNA, incapsulata dentro ad un virus, generalmente un adenovirus reso prima innocuo. La sequenza di DNA verrà trasformata (o in gergo trascritta) prima in una molecola di mRNA e poi trasformata (o in gergo tradotta) in una proteina in grado di stimolare una risposta immunitaria specifica. Saranno così prodotti sia anticorpi che cellule immunitarie.
Le varianti di SARS-CoV-2 e la proteina Spike
La pandemia di COVID-19 attualmente in corso ha urgentemente spinto l’intera comunità scientifica a dedicare enormi sforzi, lavoro e risorse all’identificazione e allo sviluppo di nuove strategie farmacologiche per arrestare l’infezione da SARS-CoV-2 (di seguito indicato con CoV-2). Come nell’arte della guerra, per poter sconfiggere il nemico è fondamentale conoscere: com’è fatto il virus, qual è la sua forma? Come infetta le cellule umane? Come cresce, replica e si sviluppa nelle cellule ospite? Di che cosa ha bisogno per sopravvivere?
A molte di queste domande è già stato risposto. Ma come si possono ottenere queste informazioni senza poter vedere il nemico?
Una particella virale e tutto il macchinario molecolare che usa per replicarsi e sopravvivere nelle cellule ospite non è né visibile a occhio nudo né usando un classico microscopio ottico. È qui che entra in gioco la biologia strutturale, il cui scopo è proprio quello di identificare la struttura tridimensionale delle macromolecole biologiche, come le proteine e gli acidi nucleici, e di correlarla con la loro funzione fisiopatologica. Questa disciplina scientifica si basa su tecniche estremamente avanzate che consentono di visualizzare e analizzare molecole invisibili e di combattere invisibili agenti patogeni.
La proteina S è una delle più interessanti e studiate tra quelle che contribuiscono al legame con il recettore dell’ospite e alla patogenesi virale. La proteina S “decora” la superficie del virus ed è responsabile per l’aspetto a corona della superficie virale, da cui il nome coronavirus. Questa è usata dal virus come una chiave per entrare nelle cellule ospite.
La proteina S rappresenta anche il bersaglio principale del sistema immunitario, attivandolo e inducendo la produzione di anticorpi. Per questa ragione è considerata il bersaglio primario di farmaci antivirali e vaccini.
SARS-CoV-2: Mutazioni e Adattamento
Che il virus SARS-CoV-2, agente eziologico della malattia COVID-19, muti non è di per sé una notizia e per un virus con così rapida diffusione è un fatto scontato. Ciò che è più rilevante e che non viene sottolineato con la giusta enfasi (perché non fa notizia), è che i coronavirus (incluso SARS-CoV-2) mutano più lentamente rispetto ad altri virus a RNA, come influenza e HIV. Ad oggi, il livello di mutazioni introdotte sembra essere circa la metà rispetto ai virus influenzali e addirittura di un quarto rispetto a HIV.
SARS-CoV-2 ha accumulato mutazioni dall'inizio dell’epidemia. La conseguente comparsa di varianti potrebbe spiegare la sorprendente diffusione di casi nel mondo e, in base ad analisi genetiche eseguite su migliaia di genomi virali, su recrudescenze e repentini aumenti di incidenza che si sono verificati in diverse aree geografiche di vari continenti. La maggior parte di queste varianti contenevano mutazioni nella proteina Spike, l’antirecettore virale.
Ciò che rende interessante e degno di rilievo la variante VUI-202012/01 è il deciso aumento della potenzialità di trasmissione rispetto ai precedenti virus circolanti. Rapporti preliminari del Regno Unito mostrano un aumento stimato della trasmissibilità compreso tra il 40% e il 70% (aggiungendo 0,4 al numero di riproduzione di base R0, portandolo a un intervallo da 1,5 a 1,7) e il fatto che la delezione nella posizione 69/70 possa alterare le performance di alcuni test diagnostici molecolari che usano il gene S (che codifica per la proteina Spike) come target.
In conclusione, quindi, tutti i virus, incluso SARS-CoV-2, mutano nel tempo. La maggior parte di queste mutazioni non hanno un beneficio diretto per il virus o possono anche risultare sfavorevoli. È necessario tuttavia un attento monitoraggio attraverso la conduzione di indagini complesse, costose, che richiedono la continua collaborazione tra gruppi di ricerca a livello mondiale oltre che il supporto finanziario e infrastrutturale da parte degli organi di governo.
Proteina Spike: Ruolo del Dr. Vanni Frajese e Marco Raurati
Negli ultimi anni, esperti come il Dr. Vanni Frajese e Marco Raurati hanno studiato strategie per supportare l’organismo nella gestione delle proteine indesiderate. Le caratteristiche della proteina Spike di SARS‑CoV‑2 rappresentano a tutti gli effetti la chiave di lettura di molti aspetti legati all’infezione ed alla sua diffusione (Fig. 1). La proteina Spike è altamente immunogena; la sua porzione recettoriale (RBD) si lega alle cellule e favorisce l’ingresso del virus. Affinché SARS‑CoV‑2 penetri le cellule è essenziale che avvenga un processo di trasferimento transmembrana basato su un’attivazione biochimica mediata da RBD di Spike su cellule che esprimono ACE-2 (enzima 2 di conversione dell’angiotensina) e TMPRSS-2 (Transmembrane Serine Protease 2) 1.
Cambiamenti nella conformazione della proteina Spike e di conseguenza del suo potere immunogeno sono alla base dell’insorgenza della maggior parte delle mutazioni e quindi delle varianti.
Le varianti di SARS-CoV-2 e il loro impatto
Guardando all’evoluzione di SARS‑CoV‑2, occorre sottolineare innanzitutto come la capacità di mutazione dei coronavirus sia generalmente più bassa rispetto a quella di altri virus a RNA 3. Tuttavia, l’elevata diffusione dell’infezione è noto aumentare di per sé la probabilità di insorgenza di mutazioni 4. Generalmente, allo stesso tempo, è ben noto come la maggior parte delle mutazioni di un virus non solo non risulti essere né meno aggressiva né più deleteria rispetto al virus originale, ma una buona proporzione di esse sarà probabilmente più benevola 3,4. La nota mutazione D614G (variante inglese) ha ad esempio consentito alla proteina Spike di diventare più infettante.
L’identificazione delle nuove varianti di SARS‑CoV‑2, secondo l’organizzazione Mondiale della Sanità (OMS), deve essere classificata con lettere greche progressive ed il loro successivo monitoraggio richiede la valutazione di alcuni parametri di impatto fenotipico: trasmissibilità, gravità della malattia, rischio di reinfezione basato sulla tenuta della risposta immunitaria, capacità diagnostica. Da un punto di vista clinico poi devono essere valutati e registrati i potenziali cambiamenti del corteo sintomatologico che possono accompagnare la comparsa delle varianti.
Impatto delle varianti sull'efficacia vaccinale
Un aspetto importante di salute pubblica è rappresentato dall’azione che le varianti hanno sul mantenimento dell’efficacia vaccinale. Già la variante Beta, identificata per la prima volta in Qatar, dimostrava virulenza immutata ma qualche capacità di evadere in parte la sorveglianza immunologica secondaria al vaccino a RNAm ed a quelli a vettore virale.
La variante delta, attualmente la più diffusa, ha dimostrato di essere meno sensibile alla capacità neutralizzante degli anticorpi prodotti dai vaccini disegnati per essere efficaci contro il virus selvaggio ed in particolare di quelli a vettore virale 9 (Fig.
Dai primi studi sulla nuova variante omicron è emerso che la mutazione sottostante questa variante comporterebbe una maggiore trasmissibilità rispetto alle precedenti, mentre alcuni modelli matematici stimano che in pochi mesi potrebbe diventare la variante dominante. è stato calcolato che omicron presenti più di 30 mutazioni nella proteina Spike e 15 nella RBD su cui i vaccini COVID‑19 sono basati.
Vaccini e Varianti: Strategie Future
Gli sviluppi della ricerca sono essenziali affinché si possa raggiungere un efficace controllo a lungo termine sulla comparsa di nuove varianti. Queste ipotesi di lavoro si basano inevitabilmente sull’uso di dosi periodiche di richiamo dei vaccini, in modo che si possa rispondere ai seguenti quesiti chiave: quando è il momento migliore per la somministrazione di dosi di richiamo? A chi somministrarle e quando? Tutte le varianti dovranno essere perseguite e studiate? Dovremmo aumentare i controlli sulle varianti al momento della identificazione o quando ci accorgiamo che l’immunità generale si è ridotta?
L’impatto delle vaccinazioni sulla trasmissione del virus è argomento di grande interesse e dibattito scientifico, in quanto ci si chiede se le varianti inficino l’efficacia dei vaccini. Infatti, abbiamo notato come la variante delta riduca l’efficacia protettiva dei vaccini nei confronti della malattia sintomatica. Anche l’impatto sulla trasmissione dell’infezione nei soggetti vaccinati sembra essere poco conosciuta anche se probabilmente compromessa 11. Allo stesso tempo ci si chiede quale possa essere l’effetto di una precedente esposizione al virus (malattia) e/o vaccinazione, ma per avere queste informazioni occorre testare ripetutamente nel tempo i soggetti infettati e quelli vaccinati.
I vaccini restano indispensabili per ridurre il rischio di malattia grave e morte nei confronti della variante al momento dominante, la delta, per cui è fondamentale aumentare le coperture vaccinali il più rapidamente possibile, con la terza dose nelle persone per cui è raccomandata e iniziando il ciclo per chi non l’ha ancora fatto.
Uno degli obiettivi per il futuro è quello di pensare ad un vaccino universale, unico per tutti i virus (panvirus vaccine), un vaccino cioè che non può essere superato per capacità neutralizzante il virus da parte di varianti in quanto capace di legare strutture proprie del virus non modificabili senza che comportino gravi conseguenze per la sopravvivenza del virus stesso (epitopi conservati) 13. Questi epitopi sono identificabili attraverso specifiche tecniche di laboratorio (Fig.
Infine, occorre sottolineare che fintanto che i casi di infezione nel mondo resteranno alti e non ci sarà una equa distribuzione di vaccini tra le nazioni, la probabilità di formazione di nuove varianti resterà alta. Il modo più efficace per combattere l’insorgenza di varianti è la vaccinazione quanto più veloce e diffusa possibile.