La corsa al vaccino

di Barbara Illi
Istituto di Biologia e Patologia Molecolari, Consiglio Nazionale delle Ricerche (IBPM-CNR), c/o Dipartimento di Biologia e Biotecnologie “Charles Darwin”, Sapienza Università di Roma


Indice dei contenuti

“Per i non esperti”

Bibliografia


Introduzione

Poche strategie hanno impedito il propagarsi di epidemie ed evitato migliaia di morti come i vaccini. Ancora oggi, si stanno facendo enormi sforzi per generare vaccini per patologie che ancora non ne hanno uno, come la sindrome da immunodeficienza aquisita (AIDS), la malaria, la tubercolosi. Mentre in alcune regioni del Pianeta, le poche infrastrutture sanitarie e le guerre limitano di molto l’accesso ai vaccini da parte della popolazione, in maniera paradossale, nei Paesi industrializzati, in cui le vaccinazioni sono accessibili a tutti, ormai da qualche anno si assiste ad una certa reticenza nel vaccinare soprattutto i bambini. Questo ha portato alla rinascita di epidemie di patologie da tempo debellate nella stragrande maggioranza dei Paesi, come il morbillo. Basti pensare che in Europa nel 2018 ci sono stati 83 000 casi di morbillo e negli Stati Uniti nei primi 3 mesi del 2019 ci sono stati tanti casi quanti nell’intero 2018. Le ragioni di tanto ostruzionismo risiederebbero in una correlazione tra vaccini e propensione a sviluppare autismo, nonostante diverse pubblicazioni abbiano confermato l’assenza di qualunque base scientifica per tale correlazione1,2.

La COVID-19 rientra nelle malattie altamente contagiose per la quale un vaccino rappresenta, al momento, l’unica via per contrastarla efficacemente. Adoggi, 4 settembre 2020, sono in corso 219 sperimentazioni cliniche che utilizzano vaccini contro la COVID-19 (www.clinicaltrials.gov), a testimonianza dell’impegno profuso dalla comunità scientifica e clinica per trovare una soluzione alla pandemia corrente.

Come nasce un vaccino

La Figura 1 mostra le strategie vigenti per ottenere i vaccini mentre la Tabella 1 elenca le piattaforme potenzialmente usabili e usate per il vaccino contro il SARS-CoV-2 e contro altri agenti patogeni, con indicati vantaggi e svantaggi per ciascuna3.

Piattaforme

  • I vaccini a DNA ed RNA sono basati sull’espressione dell’mRNA codificante l’antigene in vivo, dopo l’iniezione di nanoparticelle contenenti l’mRNA (per i vaccini a RNA) o plasmidi (per i vaccini a DNA). Questi vaccini stimolano le risposte immunitarie umorali e cellulari.
  • vaccini basati su proteine ricombinanti hanno il vantaggio di evitare la manipolazione del virus. Richiedono, solitamente, l’aggiunta di adiuvanti per generare una risposta umorale robusta.
  • I vaccini basati su vettori adenovirali, sfruttano la capacità di adenovirus geneticamente modificati, ossia deprivati dei geni pericolosi, di indurre una risposta immunitaria innata insieme a una specifica contro l’antigene codificato e incluso nel vettore. Dato che gli adenovirus circolano a frequenza elevata nella popolazione, creano un ambiente immune pre-esistente che riduce l’efficacia dei vaccine basati su vettori adenovirali.
  • I vaccini attenuati e quelli inattivati sono prodotti dopo diversi passaggi in coltura (vaccini attenuati), che rendono il virus non più in grado di replicarsi, o dopo inattivazione tramite agenti chimici o calore (vaccini inattivati). I primi sono molto immunogenici e stimolano una risposta immunitaria simile a quella del virus vivo, mentre i secondi sono meno immunogenici e richiedono somministrazioni multiple. È evidente che questi tipi di vaccini, che richiedono anche speciali misure di sicurezza per essere prodotti, non sono facilmente proponibili per la pratica clinica nel caso di virus altamente patogeni.

Figura 1 Strategie per ottenere un vaccino contro SARS-CoV-2.

Strategia per i vaccini

La figura mostra le diverse strategie e tecnologie con cui, attualmente, si stanno producendo vaccini contro SARS-CoV-2. Abbreviazioni: E, proteina envelope (del rivestimento); S, proteina Spike; M, proteina di membrana; Nm proteina del nucleocapside; RBD, dominio di legame al recettore (Receptor Binding Domain). [Disegno: Barbara Illi]

Tabella 1 Strategie principali per lo sviluppo di vaccini.

PIATTAFORMA BERSAGLIO VACCINI AUTORIZZATI ESISTENTI BASATI SULLA STESSA PIATTAFORMA VANTAGGI SVANTAGGI
Vaccini a RNA Spike No
  • Non si maneggiano virus infettivi
  • Tipicamente immunogenici
  • Produzione rapida possibile.
  • Sono stati riportati problemi dovuti a reazioni avverse
Vaccini a DNA Spike No
  • Non si maneggiano virus infettivi
  • Possono essere facilemente prodotti su larga scala, con costi contenuti
  • Altamente stabili al calore
  • Testati negli essere umani per il SARS-CoV-1
  • Produzione rapida possibile
  • Il vaccino necessita di specifici sistemi di somministrazione per raggiungere una buona immunogenicità
Vaccini basati su proteine ricombinanti Spike  Sì:

  • per influenza,
    e HPV (espressione in baculovirus)
  • HBV, HPV (espressione in lievito)
  • Non si maneggiano virus infettivi
  • Possono essere usati additivii per potenziarne l’immunogenicità
  • La produzione a livello globale può essere limitata
  • L’ integrità degli antigeni e/o epitopi deve essere certa
  • La resa deve essere alta abbastanza
Vaccini basati su vettori virali Spike Sì per il VSV (Ervebo)

No per altri vaccini basati su vettori virali

  • Non si maneggiano virus infettivi
  • Dati pre-clinici e clinici molto promettenti per diversi nuovi virus emergenti
  • L’immunità al vettore può influenzare negativamente quella al vaccino
Vaccini attenuati Virione intero
  • Processo molto ben consolidato per la produzione di diversi vaccini umani
  • Si possono usare infrastrutture esistenti
  • Creare cloni infettivi per vaccini attenuati contro i coronavirus richiede tempo
  • I test di sicurezza devono essere numerosi
Vaccini inattivati Virione intero
  • Processo molto ben consolidato per la produzione di diversi vaccini umani
  • Si possono usare infrastrutture esistenti
  • Sono stati testati negli esseri umani contro il SARS-CoV-1
  • Si possono usare additivi per aumentarne l’immunogenicità
  • Necessità di maneggiare grandi quantità di virus infettivo
  • L’ integrità degli antigeni e/o epitopi deve essere certa

La sperimentazione clinica (trial clinico)

Come tutti i farmaci, anche i vaccini vengono valutati per sicurezza ed efficacia nell’ambito di sperimentazioni cliniche, dette in gergo tecnico trial clinici.

Questo tipo di studi, per essere statisticamente significativi, devono essere randomizzati: ossia, i partecipanti non devono sapere a che gruppo sperimentale (trattato/controllo) sono assegnati. Questi trial possono, poi, essere in cieco, ossia solo i volontari non sanno se stanno ricevendo il farmaco/vaccino o il placebo, o in doppio cieco, in cui nemmeno i ricercatori sanno che cosa stanno somministrando. Quest’ultimo è il trial clinico che più consente di avere dati attendibili, la cui interpretazione non può essere fuorviata neppure dal ricercatore. Infatti, in questo modo, chi riceve il trattamento non può essere positivamente influenzato perché non sa cosa stia ricevendo e, allo stesso tempo, è garantita l’imparzialità del ricercatore nell’osservare i risultati.

I trial clinici possono essere piccoli (con piccoli numeri di pazienti e volontari sani) o grandi, essere effettuati in una sola nazione o essere multicentrici, ossia, coinvolgere più centri di ricerca in nazioni diverse.

Indipendentemente dalla tipologia, ogni trial clinico prevede la stesura di un protocollo clinico che altro non è che il manuale operativo che deve essere seguito, per esempio, nel caso di un trial multicentrico, da tutti i ricercatori appartenenti ai diversi enti che partecipano allo studio. Ciò garantisce l’uniformità necessaria perché i dati possano essere considerati tutti insieme. Ogni protocollo deve essere approvato da un comitato etico, di solito appartenente allo stesso istituto da cui parte la sperimentazione, e, per essere etico, l’applicazione di un protocollo clinico deve essere preceduta dal consenso informato del paziente, se in grado di esprimerlo, o del suo rappresentante legale.

Ogni studio clinico è preceduto da studi pre-clinici in vitro (con cellule in laboratorio) e in vivo, su modelli animali, di solito topi e, per i vaccini, scimmie.

Un trial clonico prevede tre fasi di sperimentazione, più una quarta di farmacosorveglianza, come illustrato nella Tabella 2 sottostante.

Durante ogni fase, le condizioni cliniche e i parametri vitali dei partecipanti vengono strettamente monitorati e registrati. I trial clinici di solito durano anni. Nel caso dei vaccini contro il SARS-CoV-2 c’è stata un’accelerazione impressionante sia degli studi pre-clinici sia di quelli clinici che consentirà, nell’arco di un paio di mesi, di ottenere le prime dosi disponibili.

Tabella 2 Fasi di un trial clinico.

FASE 1 FASE 2 FASE 3 FASE 4
Volontari sani (da 20 a 80 persone) Pazienti (da 200 a 300 persone o meno a seconda della patologia) e gruppo controllo Ampliamento della casistica (fino a 10000 pazienti/volontari) con gruppo controllo Farmacosorveglianza
Determinazione della minima dose efficace e della massima dose tollerata Scelta delle dosi efficaci e valutazione della sicurezza del trattamento Prova definitiva della sicurezza ed efficacia del trattamento Interazioni
Valutazione eventi avversi Farmacoeconomia
Farmacocinetica Registri

Vaccini in sviluppo contro il SARS-CoV-2

Sono molti i vaccini in via di sviluppo contro il SARS-CoV-2. Di seguito sono riportati i più importanti e avanzati a oggi.

  • Vaccino ricombinate basato sul vettore adenovirale tipo 5 (Ad5-nCoV) (CanSino Biologicals). Recentemente, i risultati di un trial clinico in aperto, cioè in cui il trattamento era noto, non randomizzato (ClinicalTrials.gov: NCT04313127) hanno mostrato che tutti i 108 volontari selezionati e riceventi questo vaccino non hanno avuto effetti collaterali importanti; sono stati osservati effetti collaterali lievi/moderati e riposte immunitarie sia umorali che mediata da cellule, con un picco a 28 giorni per la risposta umorale e 14 per quella mediata da cellule4.
  • INO-4800 (Inovio Pharmaceuticals e Beijing Advaccine Biotechnology). Questo è un vaccino a DNA che prevede l’uso di un elettroporatore (CELLECTRA) per il rilascio intradermico (ClinicalTrials.gov: NCT04336410).
  • mRNA-1273 (Moderna). Vaccino a mRNA, incapsulato in una nanoparticella lipidica, codificante la proteina Spike stabilizzata nella sua forma di pre-fusione. Moderna ha pubblicato lo scorso luglio i dati relativi alla sperimentazione su primati. Le scimmie, suddivise in tre gruppi (8 per gruppo), sono state trattate con 10 o 100 μg di vaccino o non sono state trattate. Dopo l’esposizione al virus, sia tramite le vie aeree superiori sia quelle inferiori, in 7 delle 8 scimmie trattate di entrambi i gruppi non sono stati trovati virus in replicazione nel liquido bronco alveolare a due giorni dall’infezione, mentre tutte le scimmie del gruppo ricevente la dose più alta hanno mostrato negatività al virus nelle cavità nasali. Il vaccino ha indotto una risposta anticorpale di tipo neutralizzante con titoli più alti rispetto al plasma convalescente e una parziale risposta mediata da cellule, soprattutto da linfociti CD4+-T helper 1 (Th1). Non è stata invece osservata una risposta cellulare di tipo Th2 o da linfociti T CD8+ (v. anche L’esercito e le armi contro SARS-CoV-2). Gli effetti collaterali si sono rivelati moderati, con un’infiammazione polmonare lieve e scarsa presenza di virus replicante o di antigeni virali5. La sperimentazione sugli esseri umani (ClinicalTrials.gov: NCT04283461) ha visto 45 volontari suddivisi in tre gruppi per tre dosi testate (25–100–250 μg) e due somministrazioni a 28 giorni di distanza l’una dall’altra. I risultati hanno mostrato l’induzione di una risposta anticorpale più forte negli individui trattati con dose alta. Con la seconda somministrazione, il titolo anticorpale è ulteriormente aumentato, in tutti e tre i gruppi, con attività neutralizzante simile a quella del plasma convalescente. Sono stati, però, riscontrati anche effetti collaterali (previsti) leggeri nei gruppi trattati con basse dosi (mal di testa, brividi, mialgia, dolore nel sito dell’infezione), e, in rari casi, avversi, come febbre alta (oltre i 39,5 °C in un individuo del gruppo trattato con la dose più alta) e svenimento6. Tuttavia, nel complesso, il vaccino è stato ben tollerato e ha dato i risultati sperati. La sperimentazione sta procedendo su un maggior numero di individui.
  • Vaccino di Pittsburgh (PittCoVacc, Università di Pittsburgh). Vaccino contenuto in un cerotto provvisto di 400 microaghi, basato su una subunità di Spike ricombinante. I microaghi sono costituiti di proteine e zuccheri, in modo da dissolversi nella pelle. Questo vaccino origina da uno simile prodotto contro il MERS-CoV e, nei topi, stimola una risposta umorale specifica per l’antigene in due settimane7.
  • ChAdOx1 nCoV-19 (Università di Oxford, Advent e Astra Zeneca). Vaccino basato su un vettore adenovirale di scimpanzé che codifica per la proteina Spike. Il ChAdOx1 è derivato dall’isolato adenovirale Y25 ed è stato testato in molti trial clinici e pre-clinici. È sicuro, secondo i dati disponibili, e induce una robusta risposta umorale e mediata da cellule. Dopo i promettenti risultati ottenuti nelle scimmie8, è in corso un trial clinico di fase 3 (ClinicalTrials.gov: NCT04324606). I risultati pubblicati relativi alla fase 1 e 2 hanno riportato sia la produzione di anticorpi sia l’induzione di una risposta mediata da cellule, con scarsi effetti collaterali, mitigati dalla somministrazione preventiva di paracetamolo9,10.
  • Covid-eVax (Takis Biotech e Rottapharm). Questo è un vaccino a DNA, codificante una porzione di Spike, che richiede l’elettroporazione per la somministrazione intramuscolo. Non sono ancora disponibili risultati pubblicati sulla sperimentazione. Tuttavia, Takis Biotech ha annunciato risultati promettenti in modelli murini in termini di immunogenicità e sicurezza e il passaggio ai test sugli esseri umani in autunno.
  • Sono in corso tre trial clinici che fanno uso di vaccini inattivati (ClinicalTrials.gov: NCT04383574; NCT04352608; NCT04412538). Risultati recenti ottenuti con sperimentazioni nelle scimmie, dopo tre immunizzazioni con due dosi del vaccino inattivato (piCoVacc), hanno mostrato protezione contro l’infezione da SARS-CoV-2 e la produzione di anticorpi neutralizzanti anche in modelli murini e di ratto11.
  • Sputnik V (Gamaleya Research Institute of Epidemiology and Microbiology; Mosca, Russia). Il cosiddetto vaccino russo è basato anch’esso su vettori adenovirali umani, nella fattispecie gli adenovirus 5 e 26 (Ad5 e Ad26). I risultati non pubblicati di due trial clinici su pochi volontari, i cui dati sono disponibili sul sito www.clinicaltrials.gov e sul sito sputnikvaccine.com, riportano l’insorgenza di una risposta umorale e mediata da cellule. Tuttavia, in assenza di risultati su un numero molto grande di individui non è possibile stabilire né la sicurezza né l’efficacia di questo vaccino, che ha fatto sorgere molti dubbi, soprattutto di carattere etico, all’interno della comunità scientifica. Anche se è vero che un altro vaccino basato sull’Ad5 (vedi punto a) non ha causato eventi avversi su un numero di individui maggiore, questi non possono essere esclusi, compreso il potenziamento dipendente da anticorpi (ADE, Antibody-Dependent Enhancement, v. anche Nel cuore della tempesta), per cui la salute dei cittadini attualmente sottoposti al vaccino andrà costantemente monitorata12,13.

Conclusioni

Probabilmente assisteremo all’eliminazione di SARS-CoV-2 solo con la produzione di un vaccino efficace e sicuro, prodotto in larga scala. Tuttavia, il miglioramento delle terapie e, soprattutto, l’adozione di misure di contenimento, hanno fatto diminuire il numero dei contagi e delle morti, almeno in alcuni Paesi. Inoltre, bisogna di nuovo sottolineare che, senza lo sforzo straordinario e la cooperazione tra ricercatori, medici e industrie, gli attuali avanzamenti in termini di terapie e vaccini disponibili non sarebbero stati possibili. Sebbene siamo ancora lontani dal risolvere definitivamente il problema, ora abbiamo più strumenti per affrontare la COVID-19 e sconfiggere il SARS-CoV-2.

“Per i non esperti”

Plasmide

Un plasmide è una molecola di DNA circolare. Il plasmide, una volta inserito in singole cellule o tessuti, produce proteine da geni di interesse che vi sono stati precedentemente inseriti tramite la procedura di clonaggio.

Il clonaggio prevede, di solito, il taglio del gene che interessa da un altro plasmide (si usano proteine chiamate enzimi di restrizione) o la sua moltiplicazione (tramite la tecnica di reazione a catena polimerasica, o PCR, Polymerase Chain Reaction) da plasmide, DNA genomico, RNA messagero (tramite trascrizione inversa). Il gene di interesse così ottenuto viene inserito nel vettore scelto per la sua espressione (cioè, in genere la produzione della proteina corrispondente).

Proteina ricombinante

Una proteina ricombinante è una proteina il cui gene, in genere, è inserito in un plamide per ottenerne la produzione in batteri, lievito o baculovirus (virus degli insetti con DNA a doppio filamento). Di solito, il gene è fuso a una delle due estremità con una piccola sequenza codificante per peptidi, proteine o amminoacidi, che permettono la purificazione della proteina.

Un esempio sono le sequenze composte da più molecole dell’amminoacido istidina, che si legano al nickel, per cui la proteina può essere isolata e purificata in grande quantità se le proteine estratte vengono messe a contatto con colonne di nickel e successivamente lavate. Solo la proteina ricombinante rimane attaccata al nickel. Questa viene di solito poi staccata con specifiche soluzioni.

Elettroporazione

L’elettroporazione è uno dei metodi per inserire molecole di DNA o di altro genere all’interno di cellule singole o tessuti. L’applicazione di una corrente elettrica, tramite appositi dispositivi, a una sospensione cellulare o ad un tessuto produce pori nella membrana cellulare, consentendo alla molecola di entrare.

Bibliografia

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