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Tecnologie di supporto

Una nanotecnologia a mRNA rivoluziona il settore dell’ingegneria biomedica

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Scritto da Alessia Paradiso

Una nanotecnologia a mRNA altamente innovativa, frutto di una ricerca senza precedenti, ha non solo permesso lo sviluppo e l’approvazione dei primi vaccini contro SARS-CoV-2, ma ha anche spianato la strada verso lo sviluppo clinico di terapie mirate in ambito oncologico, così come verso il trattamento di malattie autoimmuni e infettive.

L’approvazione del vaccino anti COVID-19 si rivela quindi essere un giro di boa per tale tecnologia, pronta a rivoluzionare il settore sanitario nel suo complesso. Cerchiamo di spiegare con un approccio pratico, più che mai attuale, e in maniera semplice e chiara, come funziona questa rivoluzionaria nanotecnologia a mRNA.

DNA, RNA e proteine: in che modo la cellula converte il DNA in proteine ​​funzionanti?

Il DNA, che si trova nel nucleo di ogni nostra cellula, contiene le informazioni genetiche e le istruzioni per assemblare le proteine necessarie al nostro sviluppo e al mantenimento di tutte le funzioni fisiologiche dell’organismo.

Le istruzioni contenute nel DNA, affinché possano svolgere le funzioni a loro assegnate (cioè produrre proteine), devono però essere convertite, ovvero “tradotte” in un linguaggio comprensibile alle proteine stesse. L’mRNA (RNA messaggero) trasporta queste istruzioni genetiche dal nucleo cellulare al citoplasma, dove i ribosomi iniziano a produrre la proteina necessaria (Figura 1). Per chi volesse, consigliamo di approfondire la tematica qui.

Figura 1. Profilo del flusso di informazioni dal DNA alle proteine ​​in una cellula eucariote. Credits: Nature Education

Vaccini: dall’mRNA alla risposta immunitaria

Per ottenere una risposta immunitaria contro virus e batteri occorre che le proteine espresse da questi agenti patogeni, ovvero gli antigeni, siano riconosciute dal nostro sistema immunitario come potenzialmente pericolose.

Il principio di funzionamento comune a tutti i vaccini consiste nel permettere il riconoscimento degli antigeni prima che avvenga l’effettivo contagio.

Esistono ad oggi innumerevoli tipologie di vaccino oltre alla nuova piattaforma a mRNA. Ve le mostriamo qui sotto con l’infografica in Figura 2.

Il principio attivo di un vaccino può ad esempio essere costituito da:

  • microorganismo patogeno ucciso o attenuato
  • sostanze prodotte dal microrganismo patogeno
  • antigeni del microrganismo patogeno
  • proteine ottenute tramite tecniche di ingegneria genetica

Al principio attivo vengono poi aggiunti alcuni princìpi inerti per formare il preparato biologico finale, tra cui:

  • liquido di sospensione (e.g., soluzione fisiologica a base salina)
  • conservante (per evitare un’eventuale crescita batterica)
  • stabilizzante (per prevenire alterazioni del preparato in fase di stoccaggio)
  • additivi (conservanti e adiuvanti per prolungare l’effetto stimolante)
Figura 2 (clicca per ingrandire). Infografica sui tipi di vaccino ad oggi in studio per combattere il coronavirus SARS-CoV-2, evidenziando similitudini e differenze tra le varie tecniche. Credits: Boston University – COVID Response Corps

La tecnologia a mRNA di cui Pfizer e Moderna sono pionieri

I primi studi su questo tipo di tecnologia risalgono al 1990. Tuttavia la difficoltà nel rendere stabile l’mRNA, biodegradabile e assai fragile, ostacolò lo sviluppo della relativa nanotecnologia. Basti pensare che nel 2018 i trials con vaccini a mRNA già approvati erano 7, tra cui quelli per patologie come Zika, Rabbia e HIV.

I vaccini ad oggi approvati in Europa per combattere COVID-19 sono quelli sviluppati da Pfizer-BioNTech e Moderna, entrambi a mRNA e primi nel loro genere. Questi due vaccini, rispettivamente BNT162b2 (Comirnaty) ed mRNA-1273, sono altamente efficaci e stimolano il sistema immunitario dell’uomo in maniera diversa dalle altre biotecnologie usate per lo sviluppo di un vaccino.

Altamente efficaci sia BNT162b2 (Comirnaty) che mRNA-1273, rispettivamente, questi vaccini stimolano il sistema immunitario dell’uomo in maniera diversa dalle altre biotecnologie usate per lo sviluppo di un vaccino.

Il principio è semplice: fornire alle cellule dell’individuo le informazioni necessarie a costruire la proteina “Spike” del virus.

Come? Sotto forma di mRNA.

La proteina Spike (S) è infatti la chiave che il virus SARS-CoV-2 usa per entrare nelle cellule e riprodursi.

Questa proteina, prodotta all’interno dei ribosomi della cellula ospite (cioè dell’individuo) viene poi espulsa dalla cellula stessa e quindi riconosciuta come antigene dal nostro sistema immunitario, che inizierà a produrre anticorpi.

Analogamente, il vaccino a mRNA contro COVID-19 contiene milioni di piccole sfere di grasso (liposomi) che trasportano al loro interno l’mRNA prodotto in laboratorio. Una volta iniettati nell’organismo, i liposomi si fondono con le nostre cellule e liberano l’mRNA contenente informazioni specifiche per la creazione della proteina Spike del virus SARS-CoV-2 (Figura 3).

Figura 3. Principio di funzionamento dei vaccini a mRNA contro il coronavirus SARS-CoV-2. Credits: Ospedale Bambino Gesù

I ribosomi, che leggono e traducono l’informazione dell’mRNA in proteine, iniziano quindi a produrre un elevato numero di copie della proteina Spike del virus SARS-CoV-2. Questa proteina, uscita dalle cellule, sarà poi riconosciuta come “estranea” dal sistema immunitario dell’individuo.

Il vaccino è sicuro.

La proteina Spike attiva la reazione immunitaria del nostro organismo, ma non può provocare la malattia COVID-19 in quanto rappresenta soltanto una piccola parte del virus.

Il grande vantaggio è proprio la versatilità di questa tecnologia. Cambiando la sequenza dell’mRNA, sarà quindi possibile creare nuovi vaccini in base a eventuali mutazioni e possibili cambiamenti che avvengono in specifiche porzioni della proteina Spike.

Questa tecnologia non è pericolosa e non può modificare il materiale genetico dell’individuo. L’mRNA infatti non entra nel nucleo della cellula, che contiene il genoma, e inoltre si degrada subito dopo aver tradotto l’informazione per cui è stato istruito.

La nanotecnologia nel dettaglio

L’informazione genetica (genoma) di SARS-CoV-2 è contenuta nell’RNA e non, come nella maggior parte dei casi, nel DNA. Proprio per questo motivo la tecnologia a mRNA si rivela più che mai utile.

Il virus, una volta a contatto con le cellule dell’organismo, si fonde con la loro membrana e penetra nel citoplasma, dove i ribosomi inizieranno a produrre, oltre all’RNA dell’individuo, anche l’RNA virale (poiché ora localizzato dentro la cellula).

La nanotecnologia a mRNA sfrutta questo principio: iniettando nell’individuo una sequenza di mRNA “sintetico” simile al coronavirus, indirizza allo stesso modo la produzione della proteina Spike e quindi degli anticorpi.

Come viene creato l’mRNA sintetico in laboratorio?

Ingegneria genetica e bionanotecnologie hanno fatto ciò che, a prima vista, sembra pura fantascienza. Ma è il risultato di anni di ricerca e innovazione.

In questo contesto sono state studiate a fondo le informazioni contenute nell’RNA del virus, non appena i ricercatori sono riusciti a isolarlo. Tali informazioni sono state convertite in una molecola di DNA complementare (cDNA) e poi clonate in una molecola di DNA circolare (plasmide). Il plasmide, di origine batterica, subisce a questo punto dei processi di purificazione dai batteri stessi prima di essere usato per iniziare a produrre le molecole di mRNA sintetico in laboratorio.
In questa fase si sfrutta infatti il breve tempo di ciclo cellulare e la rapida auto-moltiplicazione delle cellule batteriche stesse.

È bene ribadire che l’mRNA sintetico (prodotto in laboratorio) non è identico all’mRNA naturale (quello del virus SARS-CoV-2). Si tratta solo di una piccola sequenza.

Il DNA circolare, una volta finito il processo che porta alla sintesi dell’mRNA, viene distrutto. L’mRNA sintetico viene ulteriormente purificato e inserito in nanoparticelle di lipidi biodegradabili (i liposomi prima citati, o in altre parole delle “vescicole”), che hanno lo scopo di proteggere l’mRNA dalla degradazione, finché non avranno la possibilità di penetrare nelle cellule di un individuo (Figura 4).

Figura 4. Schema di creazione dell’mRNA sintetico. Credits: Zanichelli

Il vaccino a mRNA è pronto per l’iniezione intramuscolare

Le vescicole contenute nella dose di vaccino entrano quindi a contatto con le cellule della sede di iniezione e nei linfonodi, avviando la trasfezione (ovvero il passaggio di materiale biologico esogeno, cioè l’mRNA del vaccino, nelle cellule dell’individuo). È proprio qui che l’mRNA verrà tradotto in proteina dai ribosomi citoplasmatici e successivamente degradato. Le cellule trasfettate esprimeranno la proteina Spike, per un massimo di qualche giorno, così che il sistema immunitario dell’individuo possa riconoscerla e scatenare la risposta anticorpale contro tale antigene estraneo.

Caratteristiche e vantaggi dei vaccini a mRNA

Da quanto detto finora, si evince chiaramente che i vaccini a mRNA non provocano modifiche genetiche, poiché l’mRNA sintetico non entra nel nucleo della cellula, ma rimane nel citoplasma. Non è pertanto una terapia genica, la quale appunto comporta l’inserimento di nuovo materiale genetico (DNA) nel genoma.

Inoltre, rispetto ai vaccini basati su vettori adenovirali, i vantaggi dei vaccini a mRNA si possono brevemente riassumere come segue:

  • non producono particelle virali. L’informazione utilizzata per creare l’mRNA è parziale, pertanto insufficiente a sviluppare l’infezione COVID-19;
  • la produzione di vaccini contro nuovi ceppi risulterebbe più veloce. Bisognerebbe “solamente” cambiare la sequenza dell’mRNA trasportato dalle vescicole.

Conclusioni e prospettive future

In un futuro non così lontano, la modulazione dell’mRNA potrà avere riscontri clinici per terapie mirate, senza cambiare il codice genetico del singolo individuo e differenziandosi quindi dall’editing genomico, che al contrario corregge il difetto genetico andando ad agire direttamente sul DNA.

Quel che è certo è che il vaccino a mRNA è efficace e sicuro. Gli studi futuri si focalizzeranno sul periodo di immunità dopo la vaccinazione, sull’effetto su donne in gravidanza e minori di 16 anni, dando importanza anche al ruolo dei cosiddetti soggetti immunocompromessi.

Se siamo riusciti a sviluppare un vaccino in meno di un anno, ciò si deve al progresso scientifico e allo snellimento burocratico, insieme alla cooperazione tra ricercatori, industrie, operatori sanitari, e all’autorizzazione all’uso d’emergenza valutata e raccomandata dall’Agenzia Europea per i Medicinali (EMA). Il ruolo di questa nanotecnologia altamente avveniristica è già – e lo sarà sempre di più – di vitale importanza per strategie di prevenzione primaria delle malattie infettive come COVID-19 (Figura 5).

Figura 5. A) La maggior parte dei vaccini impiega anni per essere sviluppata, ma gli scienziati hanno creato diversi vaccini contro SARS-CoV-2 in un solo anno, grazie anche alla rapidità della tecnica a mRNA usata da Pfizer e Moderna. B) Numero di vaccini anti COVID-19 in sviluppo. Credits: Nature.com – Our World in Data; Nature analysis
Fonti e approfondimenti:
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Informazioni autore

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Alessia Paradiso

Ricercatrice in fuga.
Conseguita la laurea magistrale in Ingegneria Biomedica al Politecnico di Torino, prosegue con un Dottorato in Biomateriali fuori patria. Appassionata di informazione, mantiene un sguardo completo sul mondo biomedico con tanta curiosità.

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4 commenti

  • Buongiorno, sicuramente il progresso si nota in fase di sperimentare nuovi vaccini efficaci. Volevo chiedere una curiosità. Come mai una volta che la proteina Spike penetra nel corpo, nelle cellule, il nostro sistema immunitario non lo “riconosce” subito per svolgere il suo compito di espulsione?

    • Buongiorno Giuseppe.

      Il nostro sistema immunitario, in assenza di anticorpi, non è in grado di riconoscere la proteina Spike del virus come agente patogeno, ovvero non può difendersi. Proprio per questo un’azione immunitaria non sarà in grado di “proteggerci”.

      La proteina Spike “ingegnerizzata” viene invece prodotta dai ribosomi all’interno della cellula, ma poi viene espulsa e sarà quindi in grado di attivare il sistema immunitario. Dopodichè avviene la reazione immunitaria stessa, ovvero la produzione specifica di armi contro il coronavirus. L’informazione tradotta porta alla produzione di anticorpi, e quindi in caso di infezione da SARS-CoV- 2 saremo capaci di difenderci da forme gravi di infezioni. Perché abbiamo già prodotto gli anticorpi con il vaccino.

      Grazie per l’interesse dimostrato, da parte dello Staff di IngegneriaBiomedica.org

  • Buongiorno,
    la nanotecnologia a mRNA è davvero una rivoluzione nel settore dell’ingegneria biomedica, ed accende non una ma molte speranze.
    Essendo coinvolto in problemi di tumore polmonare causato da mutazione dell’EGFR, ora in somministrazione di Osimertinib,
    chiedo se questa nuova tecnologia:
    – può trovare impiego anche in questa patologia.
    – se vi sono già fasi sperimentali in corso.

    Vi ringrazio per un vostro cortese riscontro.
    Domenico Maccarrone

    • Buongiorno Domenico,

      E’ evidente che la tecnologia a mRNA sia molto giovane ma, allo tesso tempo, sia ritenuta una scienza all’avanguardia e piena di potenziale, come abbiamo menzionato nell’articolo e come hai sottolineato tu pocanzi.

      Per quanto riguarda la mutazione dell’EGFR, sappiamo che a livello europeo esistono progetti come LUNGTARGET.

      Qui di seguito il link: https://cordis.europa.eu/project/id/259770

      Dall’altro lato, metodi di screening per l’EGFR e studi parallelamente condotti in vitro sull’efficacia di potenziali target terapici basati su nanotecnologie a RNA sono già stati (e lo sono tutt’ora) condotti con successo, come si può evincere da letteratura scientifica. Ma c’è ancora tanto da fare. L’RNA ha molto potenziale, tanto quanto però la sua complessità e i costi ad esso associati.

      Gli sforzi sino a qui compiuti nel campo della ricerca sono però promettenti, come dimostrato da quelli focalizzati sul vaccino contro SARS-CoV-2. Ad oggi disponiamo di una vasta conoscenza in merito alla tematica e a patologie come la SLA; un po’ meno per mutazioni genetiche come quella da te menzionata, tuttavia gli studi in corso sono molteplici. Per arrivare a fasi sperimentali dovremo aspettare ancora un po’, ma guardiamo con speranza e fiducia verso il progresso scientifico degli ultimi anni.

      Di seguito qualche studio interessante:
      https://www.nature.com/articles/s41392-019-0099-9
      https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6437414/
      https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6592454/

      Grazie per l’interesse dimostrato, da parte dello Staff di IngegneriaBiomedica.org

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