Un aiuto visivo per l'infezione virale e la produzione di vaccini

Introduzione
A seguito della rapida diffusione del nuovo coronavirus tecnicamente noto come SARS-CoV-2, gli Stati Uniti e gli altri governi hanno iniziato a lavorare per creare uno o più vaccini efficaci contro la malattia a "velocità di curvatura". È emersa una serie di candidati per questo vaccino, che si trovano in varie fasi di sviluppo e sperimentazione. Allo stesso tempo, sono emersi interrogativi sulle modalità di produzione di questi vaccini, che riflettono l'esperienza acquisita nella storia dello sviluppo di questi farmaci, compresi i processi a cui milioni di americani si oppongono per motivi morali. La varietà di mezzi utilizzati per produrre i vaccini oggi è immensa e impiega sia procedure eticamente lecite che discutibili. Per aiutarvi a comprendere questi modi di produzione, vi offriamo questo manuale sulla scienza di base coinvolta.

La cellula umana

Dal primo giorno di fecondazione dell'uovo e dal successivo sviluppo dell'embrione, ogni essere umano è costituito da un codice genetico unico (o genoma) composto da acido desossiribonucleico (o DNA). Queste informazioni genetiche sono strettamente impacchettate e disposte sui cromosomi (numerati da 1 a 22, più 2 cromosomi sessuali X e/o Y) e conservate nel nucleo di ogni cellula umana.

Il DNA è costituito da quattro nucleotidi diversi (A, G, C, T) che si uniscono su un singolo filamento e formano una sequenza. Il DNA si presenta normalmente come una molecola a doppio filamento, in cui due filamenti separati di DNA sono avvolti l'uno intorno all'altro per formare una doppia elica e ogni nucleotide di un filamento forma una coppia di basi con il nucleotide del filamento opposto.

Come le 26 lettere dell'alfabeto si combinano per creare un numero infinito di parole e frasi per comunicare, così avviene per il DNA. I quattro nucleotidi si combinano in modi diversi per creare varie sequenze, chiamate geni, che sono unità fondamentali di informazione genetica che forniscono istruzioni specifiche per una particolare proprietà o funzione all'interno della cellula.

Il DNA è la copia originale delle informazioni genetiche, ma non viene utilizzato come fonte diretta di istruzioni nella cellula. Il DNA invia invece le informazioni genetiche a tutta la cellula sotto forma di acido ribonucleico messaggero (mRNA). L'mRNA è una sequenza di acido nucleico complementare al filamento di DNA modello, ma leggermente diversa dal punto di vista chimico. Il processo con cui il DNA trasferisce le informazioni all'mRNA è chiamato trascrizione. In questo modo, i geni possono essere accesi e spenti, e i messaggi inviati e consegnati in tutta la cellula, con precisione.

Una volta generato l'mRNA, le informazioni che trasporta devono essere convertite da un linguaggio a un altro. Il "linguaggio" dell'mRNA che utilizza gli acidi nucleici, o codice genetico, viene tradotto in un "linguaggio" proteico che utilizza gli aminoacidi. Questo meccanismo di creazione delle proteine utilizzando le informazioni fornite dall'mRNA si chiama traduzione. Per ogni tre basi nucleotidiche dell'mRNA (chiamate codoni) che vengono tradotte, un amminoacido viene posizionato nella sequenza proteica. La sequenza di mRNA tradotta codificherà per una proteina che consiste in diversi amminoacidi infilati insieme come perle di una collana. Il prodotto proteico finale creato si ripiega in una struttura tridimensionale e svolge la sua funzione specifica all'interno della cellula.

Infezione virale della cellula umana

Un virus infetta l'ospite e, come un parassita, si impossessa dei macchinari cellulari per replicarsi (produrre altre particelle virali) e infettare altre cellule ospiti. Il genoma virale (DNA o RNA) entra in una cellula umana, replica altre sequenze di DNA e/o RNA e poi utilizza i macchinari della cellula per produrre proteine virali, in modo da assemblare e rilasciare nell'ospite altre particelle virali.

I coronavirus (CoV) sono una grande famiglia di virus a RNA a singolo filamento (circa 30 kilobasi di lunghezza) con un aspetto simile a una corona, dovuto alla presenza di glicoproteine di superficie sull'involucro che circonda il genoma virale. Questi virus possono attraversare le barriere di specie e causare, nell'uomo, malattie che vanno dal comune raffreddore a patologie respiratorie più gravi come la sindrome respiratoria del Medio Oriente (MERS-CoV) e la sindrome respiratoria acuta grave (SARS-CoV). Un nuovo virus SARS-CoV-2, appartenente alla famiglia dei coronavirus, causa una nuova malattia identificata per la prima volta a Wuhan, in CINA, alla fine del 2019, chiamata COVID-19.

La prima fase dell'infezione virale SARS-CoV-2 prevede il legame della proteina spike del coronavirus con il recettore di ingresso dell'enzima di conversione dell'angiotensina 2 (ACE2) sulla cellula ospite. Una volta all'interno della cellula ospite, la sequenza di mRNA del genoma del SARS-CoV-2 codifica per diverse proteine, tra cui la glicoproteina di superficie spike. Grazie a questo meccanismo, il virus può produrre particelle più virulente per infettare altre cellule ospiti.

Sviluppo di un vaccino virale

Sono cinque le strategie principali utilizzate per sviluppare un vaccino contro una minaccia di malattia recentemente riconosciuta, il coronavirus SARS-CoV-2 che causa la COVID-19. Diverse aziende biotecnologiche, organizzazioni accademiche e aziende farmaceutiche stanno impiegando queste diverse tecnologie nella corsa per portare il loro candidato vaccino alla sperimentazione clinica.

L'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) spera che un vaccino sia disponibile entro ottobre 2021. Una volta sviluppati con sicurezza ed efficacia comprovate, i vaccini vengono iniettati nell'uomo per suscitare una risposta immunitaria che comprende la formazione di anticorpi e di cellule della memoria immunitaria.

Quando una persona viene infettata dall'agente patogeno reale, la risposta immunitaria ricorderà il bersaglio e attaccherà per prevenire l'infezione della cellula ospite. Di seguito sono riportate una breve descrizione e una semplice illustrazione di ciascuna strategia.

1. Vaccini vivi/attenuati/attivati

Come parte del processo di produzione, questo tipo di vaccino viene prodotto facendo crescere grandi quantità di virioni interi in un ambiente di laboratorio controllato. L'intero virus della SARS-CoV-2 viene "ucciso" (inattivato), "attenuato" (indebolito) o viene sintetizzata una versione ricodificata del virus meno virulenta. Questa tecnica richiede cellule per produrre grandi quantità di vaccino virale. Vengono utilizzate linee cellulari umane coltivate provenienti da feti abortiti (ad esempio, PER.c6, HEK293) o alternative etiche (ad esempio, K562, sangue del cordone ombelicale, placenta). Sono disponibili anche linee cellulari animali (ad esempio, cellule Vero di scimmia, cellule CHO di criceto, cellule Sf9 di insetto, ecc.) Per alcuni vaccini si utilizzano anche uova di pollo embrionate. Una volta iniettato il vaccino, il vaccino virale attenuato o inattivato si replica all'interno della cellula, viene rilasciato nell'organismo e riconosciuto come estraneo dal sistema immunitario, generando una risposta immunitaria. I vaccini vivi-attenuati/inattivati sono infettivi. Esistono vaccini umani già autorizzati che utilizzano questa stessa piattaforma.

2. Vaccino basato su vettori virali

Questa tecnica utilizza un sistema di vettori virali geneticamente modificati (ad esempio, adenovirus, morbillo, VSV) che trasportano un gene che codifica per un bersaglio virale della SARS-CoV-2, spesso la proteina spike (S) di superficie. Le linee cellulari umane in coltura (ad esempio, PER.c6, HEK293) sono utilizzate come "fabbriche" per produrre grandi quantità di virus ingegnerizzati. Una volta iniettato, il vaccino basato su vettori virali entra nella cellula ospite e il DNA virale ingegnerizzato viene trascritto in mRNA utilizzando il macchinario del vettore virale (replicante) o il macchinario della cellula ospite (carente di replicazione). L'mRNA viene quindi tradotto dal macchinario della cellula ospite nella proteina spike della SARS-CoV-2, che viene rilasciata dalla cellula. L'immunità preesistente al vettore potrebbe influenzare negativamente l'efficacia del vaccino a seconda del vettore scelto (ad esempio, a causa di una precedente infezione da adenovirus). I vaccini basati su vettori virali non sono infettivi. Esiste un vaccino umano già autorizzato che utilizza questa stessa piattaforma.

3. Vaccino a base di proteine

Il vaccino consiste solo di proteine, come la proteina spike virale, che viene sintetizzata e prodotta in laboratorio attraverso tecniche di genetica ricombinante, in cui una parte della proteina (o subunità) viene prodotta da sola, senza bisogno dell'intero patogeno in crescita infettiva. Per produrre una proteina ricombinante o "sintetica", il DNA che codifica per una regione del virus (ad esempio, lo spike) viene combinato con un plasmide che aiuta a trasportare le istruzioni del DNA per la produzione della proteina virale. Una linea cellulare ospite viene utilizzata per produrre rapidamente la proteina. Questa proteina viene coltivata in massa, raccolta, purificata, combinata con un adiuvante per aumentare la risposta immunitaria e quindi confezionata come vaccino ricombinante. Per produrre la proteina vengono comunemente utilizzate linee cellulari umane o animali in coltura, oltre a uova di pollo fecondate. I vaccini a base di proteine non sono infettivi. Esistono vaccini umani già autorizzati che utilizzano questa piattaforma.

4. Vaccino a DNA

Viene sintetizzato un plasmide che trasporta il gene spike che codificherà per la proteina spike della SARS-CoV-2. Il DNA viene sintetizzato chimicamente o enzimaticamente in laboratorio, senza l'uso di cellule. Il plasmide entra nel nucleo della cellula ospite. Il DNA viene trascritto in mRNA, l'mRNA viene tradotto per produrre la proteina di superficie della SARS-CoV-2 e la proteina di superficie della SARS-CoV-2 viene rilasciata. I vaccini a DNA non sono infettivi. Questa tecnologia è nuova e attualmente non esistono vaccini umani autorizzati che utilizzano questa piattaforma.

5. Vaccino a RNA

I vaccini a RNA utilizzano l'mRNA che trasporta il codice per la proteina spike della SARS-CoV-2. Questi vaccini possono essere costituiti da un costrutto di mRNA non replicante o da un costrutto di mRNA autoamplificante, in grado di amplificare direttamente l'mRNA intracellulare. L'mRNA viene sintetizzato chimicamente o enzimaticamente in laboratorio, senza l'uso di cellule. Le nanoparticelle lipidiche incapsulano i costrutti di mRNA per proteggerli dalla degradazione e promuovere l'assorbimento cellulare. Si tratta di un sistema privo di cellule. I vaccini a base di mRNA non sono infettivi. Questa tecnologia è nuova e attualmente non esistono vaccini umani autorizzati che utilizzano questa piattaforma, ma gli studi dimostrano che possono suscitare l'immunità contro l'influenza, Zika, la rabbia e il coronavirus.

David Prentice, Ph.D., Tara Sander Lee, Ph.D.

15 giugno 2020

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