La storia del vaccino contro il SARS-CoV-2 è iniziata a giugno del 2020, a 5 mesi di distanza dalla prima segnalazione di infezione avvenuta in Cina. La buona notizia è che la ricerca scientifica procede spedita su questo fronte evidenziando aspetti mai studiati della biologia molecolare.
Oggi i vaccini anti-Covid a disposizione sono cinque: il Comirnaty, vaccino Pfizer mRNA BNT162b2, approvato in Europa il 21 dicembre 2020, il Covid-19 Vaccine Moderna, approvato in Europa il 6 gennaio 2021, il Vaxzevria (inizialmente chiamato ChAdOx1 nCoV-19 o AZD1222), prodotto da AstraZeneca e Università di Oxford, approvato dall'EMA il 30 gennaio 2021, l’Ad26.cov2.s, Johnson&Johnson, prodotto dalla farmaceutica belga Janssen, è stato approvato dall’EMA l’11 marzo 2021, il Nuvaxovid, prodotto dalla Novavax, azienda statunitense, approvato da AIFA a Dicembre 2021.
Entrambi i vaccini oggi a disposizione utilizzano la tecnologia innovativa dell’mRNA. L’mRNA o RNA messaggero è una molecola di acido nucleico che contiene le informazioni genetiche per far sì che il nostro organismo riesca a produrre “in autonomia” la proteina che forma le punte, dette spike, del coronavirus.
La proteina spike, che rappresenta il mezzo attraverso cui il virus riesce ad entrare nel nostro organismo, è quindi il bersaglio contro cui vengono indirizzati i nostri anticorpi. Da sottolineare è che l’RNA messaggero non è capace di riprodursi da solo nelle cellule dell’ospite, ma può solo indurre la sintesi delle sue spike.
Il messaggero virale viene veicolato all’interno dell’organismo mediante l’utilizzo di nanoparticelle: il materiale genetico è infatti racchiuso all’interno di una microscopica bollicina, fatta da grassi o lipidi, grande tra 1 e 100 nanometri.
Leggi anche: Vaccinazione COVID e Proteina S
Una volta effettuata l’iniezione della soluzione vaccinale nel muscolo della parte superiore del braccio (deltoide), le nanoparticelle, con all’interno le svariate copie di mRNA, vengono assorbite da ogni singola cellula intorno alla sede di iniezione e dai linfonodi adiacenti. Le cellule, a questo punto, iniziano a produrre le proteine virali, che poi a loro volta vanno a stimolare il sistema immunitario.
La sintesi degli anticorpi diretti contro le proteine “estranee” ha inizio. La vaccinazione, inoltre, attiva anche le cellule T, capaci di istruire il nostro sistema immunitario affinché diventi capace di rispondere anche a successive esposizioni al SARS-CoV-2. Il materiale genetico iniettato ha una vita molto breve: l'RNA messaggero è completamente degradato entro due giorni.
Quindi, non è possibile che riesca ad entrare all'interno del nucleo delle nostre cellule, dove è presente il DNA, andando ad alterare i nostri geni. Il vaccino, inoltre, non contiene il virus e quindi non può provocare la malattia.
Il vaccino Vaxzevria e Johnson&Johnson, invece, utilizzano un veicolo diverso rispetto agli altri due vaccini per introdurre nell’organismo l'informazione genetica virale necessaria a produrre le proteine spike. Come per il vaccino contro l’Ebola, il veicolo è un adenovirus, nello specifico il virus che causa il raffreddore nello scimpanzé (Astrazeneca) e l’adenovirus-26 (J&J). Questi adenovirus però sono stati inattivati e cioè resi innocui per l'uomo, in quanto incapaci di replicarsi.
Anche lo stampo per produrre le proteine virali è diverso: l'informazione genetica, infatti, è un filamento di DNA e non di RNA, in cui è stato introdotto il gene della proteina virale spike. I vantaggi offerti dai vaccini a vettore virale sono significativi rispetto alla tecnologia utilizzata da Pfizer e Moderna: oltre al costo di sviluppo decisamente inferiore, questi vaccini hanno anche una maggiore stabilità, in quanto l'utilizzo dell'adenovirus non richiede temperature eccessivamente basse per la conservazione e il trasporto.
Leggi anche: Vaccino COVID e Infiammazione: Approfondimento
Il vaccino Novavax, infine, è a base di proteine ricombinanti. Minuscole porzioni, o subunità, della proteina spike, sono ottenute in laboratorio attraverso ingegneria genetica, e rappresentano l’antigene che scatena la risposta immunitaria nell’ospite. Il vaccino contiene poi anche un "adiuvante", cioè una sostanza che contribuisce a rafforzare le risposte immunitarie. Nel caso del Novavax l’adiuvante è la saponina, una molecola di origine vegetale.
La tecnica utilizzata dal vaccino Novavax è stata utilizzata già da tempo per arginare altre malattie come la meningite, l’epatite b e il papillomavirus.
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.
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.
Leggi anche: Vaccini COVID e Resistenza alla Proteina C: Analisi
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.
I filamenti di mRNA trasmettono i progetti codificati nei geni delle cellule alle loro "centraline", i ribosomi, per la produzione di proteine. L'mRNA è costituito da quattro unità di base, ovvero quattro molecole chiamate rispettivamente citosina (C), guanina (G), adenina (A) e uridina (U). I ribosomi leggono l'mRNA tre basi alla volta (ogni tripletta di nucleotidi è detta codone), e ognuno di questi codoni specifica un amminoacido nella proteina.
I potenziali vaccini e terapie a base di mRNA consistono in un mRNA artificiale che contiene la ricetta per una specifica proteina. 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.
Nel dettaglio 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.
Che 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.
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.
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.
L’assegnazione nel 2023 del premio Nobel per la fisiologia o la medicina a Katalin Karikó e Drew Weissman, che insieme ad altri scienziati hanno permesso lo sviluppo dei primi vaccini a mRNA, ci mostra che la storia di questi vaccini è iniziata molto tempo fa e potrebbe avere ulteriori sviluppi.
“Messaggeri di speranza”: così la rivista Nature Biotecnology ha chiamato i vaccini a mRNA, messi a punto dalle aziende BioNTech/Pfizer e Moderna e approvati per uso d’emergenza contro la pandemia di Covid-19. Si tratta di preparati che verosimilmente segnano l’inizio di una nuova era per l’intera medicina e non solo per la vaccinologia.
A lungo l’eventualità di sviluppare terapie e vaccini a mRNA è stata accompagnata da un diffuso scetticismo. Le cause della perplessità risiedevano sia nelle reazioni infiammatorie che possono essere innescate dall’mRNA stesso, sia nella ben nota instabilità dell’mRNA che viene facilmente degradato dagli enzimi cellulari.
Un primo punto di svolta, come ricorda anche l’editoriale di Nature Biotechnology citato prima, è avvenuto nel 2005, quando Katalin Karikó e Drew Weissman all’Università della Pennsylvania hanno dimostrato la possibilità di inibire la forte reazione immunitaria grazie all’uso di nucleotidi sintetici modificati. I due ricercatori hanno così trovato così una soluzione per quello che costituiva uno dei “talloni di Achille” dell’uso della tecnologia a mRNA.
Tuttavia c’era ancora da superare il problema della vulnerabilità dell’mRNA alle difese naturali dell’organismo, che potevano distruggere la molecola prima che raggiungesse le cellule bersaglio. Proprio per questo, dopo aver valutato diversi sistemi di rilascio, l’mRNA sintetico nei vaccini contro Covid-19 si trova incapsulato in nanoparticelle lipidiche che ne aumentano la stabilità.
Oggi la tecnologia a mRNA è considerata un metodo promettente per lo sviluppo su larga scala, rapido e relativamente economico, sia di vaccini sia di farmaci. Si punta infatti a creare, attraverso un processo standardizzato, mRNA sintetico per istruire le cellule a produrre quelle proteine che, se mancanti o mal funzionanti, possono causare malattie.
Per questo potrebbe essere sufficiente variare di volta in volta la sequenza di mRNA da introdurre nelle cellule per indurle a produrre la proteina desiderata. Per SARS-CoV-2 i tempi sono stati da record: una volta nota la sequenza genetica del virus, le società Moderna e BioNTech sono riuscite a creare il prototipo del loro vaccino in poche settimane, a cui sono seguite le sperimentazioni in laboratorio e quindi nei volontari umani. È iniziata dunque una nuova era per la produzione di vaccini.
La versatilità di questa tecnologia potrebbe anche permettere di sviluppare altri strumenti all’avanguardia, per esempio per attivare il sistema immunitario contro diverse malattie anche oncologiche, soprattutto.
La proteina spike di SARS-CoV-2 è il principale meccanismo che il virus utilizza per infettare le cellule bersaglio; questa proteina è formata da due componenti principali: la subunità S1 e la subunità S2. La subunità S1 della proteina spike di SARS-CoV-2 è una regione molto flessibile e contiene il meccanismo chiamato RBD (dall’inglese receptor-binding domain, “dominio che lega il recettore”), attraverso il quale il virus è in grado di riconoscere e legare il recettore ACE2, che è la porta di ingresso del virus nelle cellule del nostro organismo.
Per via della sua fondamentale importanza nel processo di infezione, la proteina spike di SARS-CoV-2 è uno dei bersagli farmacologici più studiati. Il vaccino Spikevax (Moderna) contiene le molecole di RNA messaggero (mRNA) con le indicazioni per costruire le proteine Spike del virus SARS-CoV-2. Dopo l’iniezione del vaccino, l’mRNA viene assorbito nel citoplasma delle cellule e inizia la sintesi delle proteine Spike. Queste ultime stimolano la produzione di anticorpi specifici da parte del sistema immunitario.
Gli studi sui vaccini per prevenire COVID-19 sono iniziati nella primavera del 2020 e sono durati pochi mesi rispetto ai tempi abituali. Si è arrivati all’autorizzazione del vaccino dopo il regolare e consueto svolgimento di tutte le fasi normalmente previste. Ha però partecipato un numero molto più alto di persone: dieci volte superiore agli standard degli studi analoghi per lo sviluppo dei vaccini.
I tempi brevi sono dovuti alle ricerche condotte da molti anni sui vaccini a RNA, al grande sforzo in termini di risorse umane ed economiche messe a disposizione in tempi rapidissimi e alla valutazione delle agenzie regolatorie dei risultati ottenuti man mano che questi venivano prodotti e non a conclusione di tutti gli studi, come si è soliti fare.
Un ampio studio clinico ha dimostrato che il vaccino COVID-19 Moderna è efficace nella prevenzione di COVID‑19 a partire dai 18 anni di età. I partecipanti sono stati suddivisi in due gruppi: 15.210 hanno ricevuto il vaccino e altrettanti il placebo, un prodotto identico al vaccino ma non attivo. Oltre la metà (58,6%) dei partecipanti aveva un’età compresa tra 18 e 64 anni, il 24,8% aveva 65 anni o più e il 16,7% un’età inferiore a 65 anni ma con malattie concomitanti che aumentavano il rischio di malattia COVID-19 grave.
Complessivamente, nel gruppo che ha ricevuto il vaccino sono stati registrati 11 casi di malattia COVID-19, contro 185 casi nel gruppo cui è stato somministrato il placebo e che fungeva da controllo. Lo studio ha mostrato che Spikevax induce una risposta anticorpale paragonabile a quella osservata nei giovani adulti di età compresa tra 18 e 25 anni.
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.
Le proteine prodotte stimolano il sistema immunitario a produrre anticorpi specifici. 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.
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.
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.
tags: #vaccino #covid #proteina #spike #funzionamento