La pandemia di COVID-19 ha spinto la comunità scientifica a dedicarsi intensamente alla ricerca e allo sviluppo di strategie per contrastare l'infezione da SARS-CoV-2. In questo contesto, la proteina Spike (S) è emersa come uno dei bersagli più interessanti.
Questa proteina, che decora la superficie del virus formando protuberanze caratteristiche, è responsabile dell'infezione delle cellule e della replicazione virale. La proteina Spike si lega alle cellule attraverso un recettore presente sulla membrana di queste ultime, chiamato ACE2.
Visualizzare la struttura della proteina è essenziale per sviluppare nuovi farmaci. Immaginate di dover svitare un bullone e non avere le chiavi inglesi a disposizione: se vedete la forma del bullone e le sue dimensioni sarete in grado di forgiare (o di scegliere) la chiave delle dimensioni corrette per riuscire nel vostro scopo.
Nel giro di due mesi dai primi casi di COVID-19, due gruppi di ricerca hanno determinato in modo indipendente la struttura della proteina Spike utilizzando la criomicroscopia elettronica, facendo vedere che essa è costituita da tre catene uguali associate (si dice che è “trimerica”) e costituita da una regione che somiglia al gambo di un fiore con, al posto della corolla, la regione essenziale per il contatto con le cellule da infettare (chiamato RBD, dall’inglese receptor-binding domain, “dominio che lega il recettore”).
Ma cosa succede dopo l'infezione o la vaccinazione? Sono tanti i casi persone che, dopo essere guarite dal Covid, hanno continuato ad avere problemi di salute di vario genere, anche a distanza di tempo. I risultati di uno studio, hanno rivelato che la proteina Spike può accumularsi nel midollo del cranio, nelle meningi cerebrali e nel parenchima cerebrale con potenziali effetti diretti sul tessuto cerebrale.
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Più della metà delle persone che hanno avuto il Covid potrebbe aver sperimentato sintomi neurologici in relazione alla persistenza della proteina Spike nei tessuti cerebrali. La comprensione di tali meccanismi potrà fornire indicazioni utili in termini di diagnostica e nello sviluppo di nuove possibilità terapeutiche, in considerazione del significativo impatto delle neuropatologie che, in alcuni casi, possono avere effetti molto simili alla malattia di Alzheimer.
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. 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.
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?
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.
La rivoluzionaria tecnologia a mRNA è considerata promettente per aggredire anche altre malattie. Si è osservato che l'uso di mRNA modificato come lo è nei vaccini per COVID-19 può far sì che il macchinario cellulare che legge la ricetta codificata dall'mRNA per creare le proteine - noto come ribosoma - rallenti, si fermi e poi ricominci a leggere, ma partendo da un punto leggermente diverso della stringa. Un fenomeno noto come frameshifting.
Cosa significa? Significa che oltre alla risposta immunitaria principale guidata dal vaccino contro la proteina spike caratteristica del coronavirus, possono insorgere altre risposte minori mirate alle nuove sequenze proteiche. È fondamentale precisare che queste risposte sono state osservate solo nei linfociti T di alcuni soggetti, vaccinati con mRNA.
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Questo effetto è stato dimostrato sia in topi che in un gruppo geneticamente diverso di esseri umani che avevano ricevuto vaccini a base di mRNA, ma non dosi di vaccino ad adenovirus. Il gruppo ha quindi esaminato le risposte immunitarie in 20 persone che avevano ricevuto il vaccino AstraZeneca e in 21 che avevano ricevuto il vaccino Pfizer. I campioni di sangue di circa un terzo dei soggetti che hanno ricevuto il vaccino Pfizer hanno mostrato una reazione immunitaria alle proteine frameshifted, mentre nessuno dei campioni dei soggetti che hanno ricevuto il vaccino AstraZeneca lo rilevava.
I filamenti di mRNA trasmettono i progetti codificati nei geni delle cellule alle loro "centraline", i ribosomi, per la produzione di proteine. Ma poiché la presenza di RNA estraneo di solito significa che un virus sta attaccando, le cellule tendono a riconoscerlo e a distruggerlo.
Katalin Karikó e Drew Weissman dell'Università della Pennsylvania decine di anni fa hanno scoperto che se si alterava una delle basi dell'mRNA, sostituendo l'uridina con la pseudouridina, il filamento modificato poteva eludere la distruzione abbastanza a lungo da permettere alle cellule di produrre la proteina desiderata. Nell'mRNA del vaccino, uno dei quattro elementi costitutivi dell'RNA è stato sostituito da una variante modificata chimicamente. Oltre ai normali elementi costitutivi citosina, guanina e adenina, contiene infatti l'elemento costitutivo 1-metilpseudouridina al posto dell'uridina.
Per esempio, la sequenza di basi UUC nell'mRNA significa che l'amminoacido fenilalanina è incorporato nella proteina in quello specifico punto della stringa. Se la catena di RNA si sposta di una posizione, il gruppo di lettura di tre elementi inizia improvvisamente con il blocco di base UC e si completa con il blocco di base successivo del gruppo di tre, ossia un codice completamente diverso. In questo caso l'amminoacido incorporato è invece la serina, indipendentemente dal blocco di costruzione successivo. I due blocchi di costruzione rimanenti del gruppo di tre vengono nuovamente letti insieme alla lettera successiva, e così via.
Queste proteine frameshifted possono naturalmente ampliare la risposta immunitaria dell'organismo, quindi è possibile che i vaccini COVID-19 mirati agli spike ricevano una spinta dalla lettura errata.
Il gruppo ha scoperto che i ribosomi rallentano quando incontrano le pseudouridine, soprattutto quando la sequenza ne contiene diverse in fila. La soluzione è questa: poiché l'mRNA può utilizzare diversi codoni per un dato amminoacido, le molecole possono essere progettate per evitare i codoni a rischio di slittamento. Per esempio, i progettisti di mRNA possono usare la sequenza UUC (due pseudouridine e una citidina) invece di UUU (tre pseudouridine). Entrambe codificano per lo stesso amminoacido, ma la prima dovrebbe produrre meno errori.
I ricercatori hanno quindi sviluppato un algoritmo che identifica le sequenze potenzialmente problematiche e le sostituisce con quelle che hanno meno probabilità di causare errori.
Chiaramente non è possibile sapere chi fra i vaccinati può aver manifestato questo meccanismo ed eventualmente se esso ha interferito nella loro fisiologia. Sicuramente un risultato come questo obbliga a riconsiderare alcuni aspetti della ricerca medica sulle tecnologie a m-RNA attualmente in fase di sperimentazione rispetto a questo effetto non previsto. Pensiamo ai vaccini contro il cancro, progettati per innescare risposte immunitarie alle proteine specifiche del tumore.
L’immunizzazione ha sempre due volti. Purtroppo sappiamo che nessun farmaco - e nemmeno nessun vaccino - è perfetto, nel senso di non portare con sé alcun effetto collaterale. I singoli individui possono soffrire di rari effetti collaterali più gravi a causa della diversità genetica degli esseri umani che per lo più non possono essere previsti perché la medicina ancora non conosce tutti i meccanismi biomolecolari esistenti in natura né anche qualora li conoscesse sarebbe comunque in grado oggi di mappare ed esaminare il profilo genetico di ogni essere umano prima di proporre un farmaco.
La buona notizia è che la ricerca scientifica procede spedita su questo fronte evidenziando aspetti mai studiati della biologia molecolare. La buona notizia è che non è complesso risolvere il problema e procedere con la ricerca per migliorare l’efficacia di questi sistemi per lo sviluppo di nuovi farmaci.