Caratteristiche e funzionamento dell’innovativa tecnologia a mRNA per i vaccini, che con la pandemia di Covid-19 ha trovato la sua prima applicazione, ma che probabilmente non è destinata a esaurirsi.

Articolo a cura di Amalia Forte
Ph.D. – Biologa molecolare, medical writer

È una storia che ormai conosciamo bene: la pandemia da COVID-19 iniziata nel 2020 ha scatenato una corsa contro il tempo delle industrie farmaceutiche e biotech in tutto il mondo per lo sviluppo di vaccini in grado di prevenire o limitare le conseguenze dell’infezione virale.

In particolare, meno di un anno dopo la dichiarazione dello stato di pandemia da parte dell’Organizzazione mondiale della sanità (OMS) nel marzo 2020, la multinazionale Pfizer/BioNTech e la statunitense Moderna hanno comunicato l’efficacia nei trial clinici di vaccini a RNA messaggero (mRNA) contro il SARS-CoV-2 da loro sviluppati, poi approvati dalla Food and Drug Administration (FDA) e dall’Agenzia Europea per i Medicinali (EMA) per l’uso nella popolazione generale. Si è trattato dei primi vaccini a mRNA in assoluto a ricevere l’approvazione da FDA ed EMA.

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Sebbene Sars-CoV-2 sia stato il primo agente infettivo contro cui sono stati sviluppati, in realtà la tecnologia dietro ai vaccini a mRNA è in fase di studio da oltre 20 anni nei laboratori di tutto il mondo per potenziali applicazioni in campo oncologico ed infettivologico [1].

COME FUNZIONANO I VACCINI A mRNA E L’ESEMPIO DI COVID-19

I vaccini approvati e utilizzati finora per la prevenzione delle malattie infettive e raccomandati dall’OMS sono basati sulla somministrazione degli agenti patogeni indeboliti o inattivati, o, più recentemente, sulla somministrazione di proteine dell’agente patogeno purificate o ricombinanti (come ad esempio nel caso del papilloma virus umano, dell’epatite B e del vaccino antinfluenzale stagionale). Il nostro sistema immunitario riconosce come estranei le proteine o gli agenti patogeni somministrati con il vaccino, li elimina e ne conserva memoria nel caso si verificasse un’infezione, alla quale reagirà prontamente. Talvolta le proteine dell’agente patogeno purificate o ricombinanti necessitano di essere somministrate in combinazione con adiuvanti al fine di migliorare l’immunogenicità del vaccino stesso [2].

I vaccini a mRNA anti-Sars-CoV-2 sviluppati da Moderna e da BioNTech/Pfizer, invece, sono costituiti da filamenti di mRNA, ossia la molecola che fa da tramite tra il DNA e le fabbriche di proteine vere e proprie, i ribosomi, contenuti nel citoplasma della cellula. Nello specifico, l’mRNA dei vaccini anti-Sars-CoV-2 contiene le informazioni necessarie per la produzione da parte delle cellule della glicoproteina virale Spike (S) del coronavirus, in una forma che includa la sostituzione di due amminoacidi con l’amminoacido prolina (mutazioni K986P e V987P), allo scopo di stabilizzare la conformazione della glicoproteina.

Appare quindi evidente che questo nuovo tipo di vaccini si differenzia del tutto dai vaccini “tradizionali” con cui siamo stati immunizzati finora, in quanto essi non contengono alcuna componente proteica o particella virale, ma è l’mRNA a fornire le informazioni genetiche necessarie per la sintesi della proteina dell’agente patogeno (antigene) da parte delle nostre cellule. Il fatto che la proteina S venga prodotta dalle nostre cellule costituisce un notevole vantaggio rispetto al ricevere un vaccino costituito da proteine ricombinanti o purificate: la proteina S prodotta dalle nostre cellule infatti subisce lo stesso processo di modifiche post-traduzionali che avverrebbe nel caso di un’infezione naturale con il virus e viene alla fine esposta come trimero sulla membrana delle cellule, nella conformazione idonea ad essere riconosciuta dai linfociti B per la produzione di anticorpi [2].

Questi vaccini sono basati sul lavoro pionieristico dei ricercatori Drew Weissman e Katalin Karikó (quest’ultima attualmente vice-presidente senior di BioNTech RNA Pharmaceuticals), iniziato negli anni ’80 e indirizzato a modificare le molecole di mRNA per aumentarne la stabilità, ridurne l’immunogenicità e aumentarne l’efficienza di traduzione, in modo da poterle utilizzare a scopo terapeutico o vaccinale [1].

DENTRO UN VACCINO A mRNA

I filamenti di mRNA utilizzati per la produzione dei vaccini anti-Sars-CoV-2 sono stati opportunamente modificati (contengono N1-metil-pseudouridina e variazioni nelle regioni non tradotte iniziali e finali dell’mRNA, le cosiddette regioni 5’-UTR e 3’-UTR) e purificati (per eliminare eventuali frammenti di RNA a doppia elica), per evitare una reazione infiammatoria all’mRNA esogeno dovuta all’immmunità innata, migliorando così il profilo di sicurezza del vaccino, oltre ad aumentare l’efficienza con cui i filamenti di mRNA vengono tradotti in proteine S virali.

Inoltre, durante il processo di produzione del vaccino, i filamenti di mRNA vengono incapsulati in nanoparticelle lipidiche (LNP), che hanno lo scopo di proteggere e veicolare l’mRNA nelle cellule del soggetto che verrà vaccinato [3]. I lipidi che formano le nanoparticelle sono di due diversi tipi:

  1. lipidi ionizzabili, mantenuti a un pH tale da essere protonati e poter interagire con l’mRNA, che invece ha carica elettrica negativa;
  2. lipidi “helper”, che migliorano la stabilità delle LNP e promuovono l’evasione endosomiale al momento dell’entrata nelle cellule [2].

Una volta che le LNP si sono assemblate e hanno incorporato i filamenti di mRNA al loro interno, il pH della soluzione in cui si trovano viene neutralizzato, in modo che le LNP abbiano carica elettrica neutra prima di essere somministrate ai soggetti da vaccinare.

COSA ACCADE DOPO LA VACCINAZIONE?

Dopo l’iniezione intramuscolare del vaccino, si sviluppa una reazione infiammatoria localizzata e transitoria che richiama diverse cellule immunitarie nel sito di iniezione. Studi su scimmie hanno rivelato che neutrofili, monociti e cellule dendritiche sono particolarmente coinvolti in questa fase [4].

Le LNP si fondono con la membrana lipidica delle cellule immunitarie dell’ospite con un processo di endocitosi e rilasciano i filamenti di mRNA all’interno del citoplasma, dove avviene la traduzione della sequenza genetica di mRNA in proteina S a opera dei ribosomi. La proteina S viene quindi sottoposta a un processo di modifiche post-traduzione e poi esposta sulla superficie cellulare, dove agisce come antigene. Le cellule immunitarie che espongono la proteina S migrano verso i linfonodi drenanti, dove l’antigene viene riconosciuto dai linfociti B, innescando la produzione di anticorpi specifici [3]. Inoltre, parte delle proteine S prodotte temporaneamente dalle nostre cellule entrano nel pathway di presentazione dell’antigene, dando origine a frammenti peptidici che fungono da epitopi e che vengono associati al complesso maggiore di istocompatibilità (MHC) di tipo I e II sulla superficie cellulare. I complessi MHC-I-antigene e MHC-II-antigene attivano rispettivamente i linfociti T CD8+ e quelli CD4+ (helper), stimolando la risposta immunitaria di tipo cellulare alla proteina virale S [5].

Secondo alcuni studi, oltre le cellule della risposta immunitaria menzionate in precedenza, è probabile che anche altri tipi di cellule, tipiche dei tessuti in cui avviene l’iniezione del vaccino, come miociti, cellule epiteliali e fibroblasti, contribuiscano all’espressione locale dell’mRNA codificante per la proteina virale S [6].

I VACCINI A mRNA E LA NOSTRA SALUTE

La novità introdotta dall’uso dei vaccini a mRNA nella campagna vaccinale contro la COVID-19 ha suscitato alcuni timori. Di fatto, grazie alle conoscenze ormai assodate di biologia cellulare e molecolare delle cellule eucariotiche, possiamo affermare che le molecole di mRNA contenute nel vaccino entrano nelle cellule dell’ospite ma restano confinate nel citoplasma e non entrano nel nucleo cellulare. Inoltre, esse non possono convertirsi in DNA e non possono quindi integrarsi nel genoma dell’ospite. Infine, i vaccini a mRNA non contengono altre sostanze adiuvanti per stimolare il sistema immunitario [3]. I trial clinici e la farmacovigilanza successiva all’immissione in commercio dei vaccini a mRNA hanno evidenziato per lo più eventi avversi da lievi a moderati di breve durata, come dolore nel sito di iniezione, febbre, spossatezza, cefalea, dolori muscolari. Raramente sono stati segnalati eventi avversi gravi, come miocardite e anafilassi [7].

In conclusione, rispetto ai vaccini tradizionali, i vaccini a mRNA sono altamente versatili e possono essere progettati e prodotti in tempi relativamente brevi, oppure modificati rapidamente per essere adattati a produrre antigeni da nuove varianti dell’agente patogeno. Per queste ragioni, i vaccini a mRNA sono attualmente oggetto di numerose sperimentazioni pre-cliniche e cliniche, facendo presagire un notevole impatto sulla salute globale, oltre quello che abbiamo già avuto modo di verificare in occasione della pandemia di COVID-19.

Quindi, non solo Sars-CoV-2: nel prossimo articolo esamineremo alcuni tra i più promettenti vaccini a mRNA attualmente in fase di sperimentazione clinica per la prevenzione di diverse malattie infettive, differenti dalla COVID-19.


Bibliografia
1. Shapiro L, Losick R. Delivering the message: How a novel technology enabled the rapid development of effective vaccines. Cell. 2021 Oct 14;184(21):5271-5274. doi: 10.1016/j.cell.2021.08.019.
2. Verbeke R, Lentacker I, De Smedt SC, Dewitte H. The dawn of mRNA vaccines: The COVID-19 case. J Control Release. 2021 May 10;333:511-520. doi: 10.1016/j.jconrel.2021.03.043.
3. Schoenmaker L, Witzigmann D, Kulkarni JA, Verbeke R, Kersten G, Jiskoot W, Crommelin DJA. mRNA-lipid nanoparticle COVID-19 vaccines: Structure and stability. Int J Pharm. 2021 May 15;601:120586. doi: 10.1016/j.ijpharm.2021.120586.
4. Liang F, Lindgren G, Lin A, Thompson EA, Ols S, Röhss J, John S, Hassett K, Yuzhakov O, Bahl K, Brito LA, Salter H, Ciaramella G, Loré K. Efficient Targeting and Activation of Antigen-Presenting Cells In Vivo after Modified mRNA Vaccine Administration in Rhesus Macaques. Mol Ther. 2017 Dec 6;25(12):2635-2647. doi: 10.1016/j.ymthe.2017.08.006.
5. Grifoni A, Weiskopf D, Ramirez SI, Mateus J, Dan JM, Moderbacher CR, Rawlings SA, Sutherland A, Premkumar L, Jadi RS, Marrama D, de Silva AM, Frazier A, Carlin AF, Greenbaum JA, Peters B, Krammer F, Smith DM, Crotty S, Sette A. Targets of T Cell Responses to SARS-CoV-2 Coronavirus in Humans with COVID-19 Disease and Unexposed Individuals. Cell. 2020 Jun 25;181(7):1489-1501.e15. doi: 10.1016/j.cell.2020.05.015.
6. Blakney AK, Deletic P, McKay PF, Bouton CR, Ashford M, Shattock RJ, Sabirsh A. Effect of complexing lipids on cellular uptake and expression of messenger RNA in human skin explants. J Control Release. 2021 Feb 10;330:1250-1261. doi: 10.1016/j.jconrel.2020.11.033.
7. Tan JTC, Tan C, Teoh J, Wahab MT, Tan GZ, Chin RYZ, Lee A, Mutalib A, Lim PL. Adverse reactions and safety profile of the mRNA COVID-19 vaccines among Asian military personnel. Ann Acad Med Singap. 2021 Nov;50(11):827-837. doi: 10.47102/annals-acadmedsg.2021345.