Come COVID ha dato il via libera al potere dei vaccini a RNA

L’idea di usare filamenti di RNA messaggero (mRNA) per creare vaccini, accelerando molte fasi di ricerca, circola da quasi trent’anni, ma solo di recente è stata raggiunta la capacità di produrre mRNA su scala industriale. Di fatto, questa tecnologia potrebbe rivoluzionare la lotta a molte malattie, dall’influenza stagionale, alla dengue, dall’HIV fino alla malaria.

Era un venerdì pomeriggio del marzo 2013 quando Andy Geall ha ricevuto la telefonata. In Cina tre persone erano appena state contagiate da un nuovo ceppo di influenza aviaria. Rino Rappuoli, direttore globale del settore ricerca sui vaccini della Novartis, voleva sapere se Geall e i suoi colleghi erano pronti a mettere alla prova la loro nuova tecnologia per i vaccini.

Un anno prima, il team di Geall al centro di ricerca Novartis di Cambridge, in Massachusetts, aveva impacchettato filamenti di nucleotidi di RNA dentro piccole goccioline di grasso, dette nanoparticelle lipidiche (LNP), con cui era riuscito a vaccinare i ratti contro un virus respiratorio. Ora potevano fare altrettanto per il nuovo ceppo di influenza? E il più presto possibile? Geall, che guida il gruppo di lavoro sull’RNA, ricorda: “Ho risposto: Sì, certo. Mandateci la sequenza”. Entro il lunedì, il team aveva cominciato a sintetizzare l’RNA. Entro il mercoledì stava assemblando il vaccino. Entro il weekend lo stava testando sulle cellule, e una settimana dopo sui topi.

Lo sviluppo è avvenuto a una velocità sbalorditiva. Il team della Novartis aveva ottenuto in un mese ciò che di solito richiedeva almeno un anno. All’epoca però la capacità di produrre RNA di grado clinico era limitata. Geall e i suoi colleghi non avrebbero mai scoperto se questo vaccino – così come vari altri da loro sviluppati – avrebbe funzionato negli esseri umani. Nel 2015 la Novartis ha venduto il suo settore vaccini.

Dopo cinque anni e una pandemia globale, i vaccini a RNA stanno dimostrando il proprio valore. Il mese scorso, due candidati di questo tipo – uno prodotto dal colosso farmaceutico statunitense Pfizer insieme con la BioNTech di Magonza, in Germania, l’altro dalla Moderna di Cambridge, in Massachusetts – hanno ottenuto dalle autorità competenti di vari paesi l’approvazione di emergenza per la lotta alla COVID-19.

È arrivata l’epoca dei vaccini a RNA, e stanno entrando in gioco decine di aziende. “Adesso tutte le principali case farmaceutiche, in un modo o nell’altro, stanno testando la tecnologia”, commenta Jeffrey Ulmer, ex capo di ricerca e sviluppo preclinico nel settore vaccini della GlaxoSmithKline a Rockville, in Maryland, che, in precedenza aveva fatto parte del team di Geall alla Novartis.

L’idea di usare l’RNA nei vaccini circola da quasi trent’anni. La tecnologia genetica, più agile rispetto agli approcci tradizionali, permette ai ricercatori di accelerare molte fasi di ricerca e sviluppo dei vaccini. Ora il forte interesse potrebbe portare a soluzioni per malattie molto “recalcitranti” come tubercolosi, HIV e malaria. E la velocità con cui si riescono a produrre potrebbe migliorare i vaccini antinfluenzali stagionali.

Le applicazioni future della tecnologia dovranno però affrontare delle difficoltà. Le materie prime sono costose. Gli effetti collaterali possono essere problematici. E attualmente la distribuzione richiede una catena del freddo dispendiosa: il vaccino anti-COVID-19 della Pfizer–BioNTech, per esempio, deve essere conservato a −70 °C. Probabilmente l’urgenza della COVID-19 permetterà di accelerare i progressi in alcuni di questi problemi, ma molte aziende potrebbero abbandonare la strategia, una volta passata la crisi attuale. Resta la domanda: dove andrà a finire?

“La tecnologia a RNA ha dimostrato il proprio valore, ma questo è solo l’inizio”, spiega Philip Dormitzer, capo della ricerca sui vaccini virali alla Pfizer ed ex collega di Geall alla Novartis. “Ormai abbiamo visto che funziona per COVID-19 e siamo tentati di fare ancora di più”.

Piccole particelle, grande progresso
I vaccini insegnano al corpo a riconoscere e distruggere gli agenti che provocano le malattie. Di solito si iniettano microrganismi patogeni attenuati, o frammenti di proteine o zuccheri sulla loro superficie, i cosiddetti antigeni, per addestrare il sistema immunitario a riconoscere un invasore. I vaccini a RNA contengono solo le istruzioni per produrre le proteine di questi invasori. L’obiettivo è permettere a esse di entrare nelle cellule di un paziente e fare sì che producano gli antigeni, sostanzialmente portando il corpo a produrre il vaccino da sé.

L’idea di una vaccinazione basata sull’RNA risale agli anni novanta, quando in Francia (in quella che poi è diventata la casa farmaceutica Sanofi Pasteur) alcuni ricercatori usarono per la prima volta l’RNA nella codifica di un antigene influenzale nei topi. Produceva una risposta, ma il sistema di somministrazione lipidica usato dal team si dimostrò troppo tossico per l’uso negli esseri umani.

Ci sarebbe voluto un altro decennio perché le aziende interessate alle terapie basate sull’interferenza dell’RNA – cioè sulla capacità dell’RNA di bloccare selettivamente la produzione di proteine specifiche – scoprissero le tecnologie delle LNP, che avrebbero reso possibili gli attuali vaccini contro COVID-19.

“Infine c’è stata la svolta”, racconta Nick Jackson, capo dei programmi e delle tecnologie innovative alla Coalition for Epidemic Preparedness Innovations a Oslo, una partnership globale per accelerare lo sviluppo dei vaccini. “È stato davvero lo spartiacque che ha permesso di applicare l’RNA messaggero a un’intera gamma di svariate malattie”.

Nel 2012, più o meno mentre Geall e i suoi colleghi stavano descrivendo il primo vaccino a RNA incapsulato con LNP, la US Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) ha cominciato a finanziare alcuni gruppi in aziende come Novartis, Pfizer, AstraZeneca, Sanofi Pasteur e altre perché lavorassero su vaccini e terapie basati sulla codifica dell’RNA. Tutti i grandi nomi del settore però hanno abbandonato questa tecnologia. “Non intendevano assumersi rischi con un nuovo percorso normativo per i vaccini, anche se i dati promettevano bene”, racconta Dan Wattendorf, ex direttore di programma alla DARPA.

Tuttavia due aziende più piccole, collegate al programma DARPA, hanno continuato a lavorarci sopra. Una era CureVac di Tübingen, in Germania, che nel 2013 ha cominciato la sperimentazione umana di un vaccino antirabbico. Anche la CureVac ha un vaccino anti-COVID-19 in una fase di sperimentazione avanzata. L’altra era Moderna, che partendo dal lavoro finanziato dalla DARPA è arrivata, verso la fine del 2015, alla sperimentazione clinica di un vaccino basato sull’RNA per un nuovo ceppo di influenza aviaria. Il composto ha provocato risposte immunitarie abbastanza forti da portare l’azienda a proseguire con la sperimentazione umana di vaccini a RNA per il citomegalovirus (che spesso provoca difetti congeniti), due virus trasmessi dalle zanzare (chikungunya e zika) e tre cause virali di malattie respiratorie nei bambini.

Nel 2019 anche la GlaxoSmithKline, che aveva acquisito da Novartis gran parte del suo settore vaccini, ha cominciato a valutare un vaccino antirabbico basato sull’RNA. All’inizio del 2020 lo sviluppo clinico dei vaccini a RNA era tutto qui: solo una dozzina di candidati erano arrivati agli esseri umani, quattro erano stati presto abbandonati dopo i primi test e solo uno – quello per il citomegalovirus – aveva proseguito verso uno studio successivo più ampio.

Poi è arrivato il coronavirus, e con esso “[i vaccini a RNA} sono finiti al centro di questa enorme ribalta”, dice Kristie Bloom, che fa ricerca sulle terapie genetiche all’Università del Witwatersrand a Johannesburg, in Sudafrica. Solo negli ultimi dieci mesi, almeno sei vaccini a RNA anti-COVID-19 hanno cominciato la sperimentazione umana, e vari altri si stanno avvicinando alla fase clinica.

Serve velocità
La velocità sembra essere nel destino dei vaccini a RNA. Dalla sequenza genetica di un agente patogeno i ricercatori possono ricavare in breve tempo un segmento che potenzialmente codifichi l’antigene, inserire quella sequenza in uno stampo (template) di DNA e quindi sintetizzare l’RNA corrispondente prima di impacchettare il vaccino a somministrarlo nell’organismo.

Moderna, per esempio, è riuscita a fare tutto ciò in quattro giorni dopo avere ricevuto la sequenza genomica di SARS-CoV-2. Si è dedicata alla proteina spike del virus, una proteina superficiale usata per entrare nelle cellule. Quindi, collaborando con gli US National Institutes of Health, l’azienda ha eseguito esperimenti sui topi per verificarne la validità in linea di principio, prima di avviare la fase I della sperimentazione nel giro di soli due mesi.

In teoria qualunque vaccino si potrebbe creare così. “Sotto questo aspetto è proprio una base su cui appoggiarsi”, commenta John Shiver, capo di ricerca e sviluppo dei vaccini alla Sanofi Pasteur. Con l’RNA “non c’è bisogno di ricreare tutto il processo”. Al contrario, i metodi classici per creare i vaccini richiedono per ogni candidato fasi su misura, costose e molto lunghe. Queste inefficienze sono uno dei motivi per cui le autorità sanitarie devono scegliere con mesi di anticipo i ceppi da inserire nel vaccino antinfluenzale annuale. Spesso queste scelte si rivelano sbagliate e non c’è tempo di tornare indietro e testare un’alternativa. Di conseguenza è difficile che i vaccini antinfluenzali abbiano un’efficacia superiore al 60 per cento.

Con l’RNA però i produttori di vaccini potrebbero accelerare la selezione di antigeni efficaci. “In teoria si potrebbe procedere molto in fretta, quasi immediatamente, per adattare la sequenza e occuparsi di quel problema”, spiega Ron Renaud, amministratore delegato della Translate Bio, un’azienda di Lexington, in Massachusetts, specializzata nell’RNA, che sta collaborando con Sanofi Pasteur per realizzare vaccini basati sull’RNA contro l’influenza, COVID-19 e vari altri agenti patogeni, sia virali sia batterici.

Grazie alla loro facilità di impiego, i vaccini a RNA potrebbero essere utili nella ricerca di base. Justin Richner, vaccinologo all’University of Illinois College of Medicine a Chicago, sta sviluppando nel suo laboratorio un vaccino a RNA contro la dengue. Richner e i suoi colleghi tagliano e modificano abitualmente la sequenza genetica che codifica la proteina di rivestimento usata dal virus dengue per sferrare l’attacco alle cellule umane. Ripetendo la progettazione i ricercatori hanno testato sui topi una quindicina di candidati vaccini. “È davvero facile manipolare la sequenza codificante del vaccino – spiega Richner – per testare nuove ipotesi e strategie che potrebbero migliorare i vaccini.”

Altri tesori
Ora i progressi della tecnologia stanno aiutando i ricercatori ad avvicinarsi ad alcuni dei sogni proibiti nello sviluppo dei vaccini, per esempio un’iniezione antinfluenzale universale, che agisca contro qualsiasi ceppo del virus senza dover essere riprogettata ogni anno.

Altri puntano a lottare contro l’HIV e altre tra le principali cause di morte nei paesi a basso reddito. Un motivo per cui spesso finora simili vaccini sono sfuggiti agli scienziati è che gli agenti patogeni cambiano sistematicamente le proprie proteine superficiali per non essere riconosciuti dal sistema immunitario. Inoltre alcuni agenti infettivi, come quello della malaria, hanno un ciclo vitale elaborato che complica ulteriormente la procedura di scelta degli antigeni.

I vaccini a RNA potrebbero comprendere le istruzioni per diversi antigeni, o intrecciate in un solo filamento, o in vari RNA impacchettati in una sola nanoparticella.

Norbert Pardi, che fa ricerca sui vaccini all’University of Pennsylvania Perelman School of Medicine a Philadelphia, ha adottato quest’ultimo approccio per il suo vaccino antinfluenzale sperimentale. Composto da quattro filamenti di RNA, ciascuno dei quali codifica una diversa proteina dell’influenza, il vaccino multiplo è riuscito a proteggere i topi dall’infezione di un particolare ceppo di virus influenzale.

Adesso Pardi e i suoi collaboratori all’Icahn School of Medicine del Mount Sinai di New York sperano di ripetere l’operazione per gli altri due principali ceppi virali, prima di mettere insieme il tutto in un vaccino antinfluenzale a 12 filamenti che potrebbe porre fine alla necessità di immunizzarsi ogni anno. “Se si colpisce il virus in più punti – spiega Pardi – si possono provocare risposte immunitarie con una protezione ampia”.

Stabilità e sicurezza
Pur con molti vantaggi potenziali, la tecnologia attuale dei vaccini a RNA deve ancora migliorare. “Questa tecnologia è ancora agli albori – commenta Robin Shattock, immunologo all’Imperial College di Londra – e sospetto che nei prossimi anni vedremo molte generazioni e ripetizioni”.

In primo luogo c’è il problema della conservazione al freddo. I vaccini di Pfizer–BioNTech e Moderna hanno bisogno di basse temperature per mantenere integro il proprio RNA. Almeno due aziende sostengono però che i loro vaccini a RNA anti-COVID-19 sono stabili per mesi a temperature più alte.

CureVac, che usa le stesse nanoparticelle lipidiche (LNP) della Pfizer–BioNTech, piega l’RNA in strutture 3D compatte, permettendo la conservazione a temperature refrigerate per mesi, afferma la responsabile delle tecnologie Mariola Fotin-Mleczek. E Suzhou Abogen Biosciences, un’azienda cinese con un vaccino a RNA anti-COVID-19 ora all’inizio della sperimentazione umana, ha lavorato sulla qualità e sulla purezza delle LNP per creare un prodotto che, stando a quanto dichiarato, mantiene la sua efficacia anche per una settimana a temperatura ambiente.

C’è un’altra difficoltà: finora i vaccini a RNA testati per l’uso umano contro una malattia – COVID-19 o un’altra – di solito per essere efficaci hanno avuto bisogno di una doppia dose. E a giudicare dalla scarsa regolarità nell’assumere altri vaccini multidose, probabilmente molte persone dopo la prima iniezione salterebbero la seconda.

Il problema si potrebbe risolvere con nuovi sistemi di somministrazione. Per esempio, i ricercatori della Vaxess Technologies di Cambridge, in Massachusetts, hanno messo a punto un cerotto cutaneo indossabile, pieno di minuscoli micro-aghi solubili dalla punta in seta, che rilasciano lentamente il vaccino nel corpo.

Somministrare il vaccino goccia a goccia, invece che tutto insieme, potrebbe aiutare a risolvere un terzo inconveniente: gli effetti collaterali. A quanto pare le reazioni gravi, anche se temporanee, sono effettivamente più frequenti con le vaccinazioni anti-COVID-19 che con le altre: oltre l’80 per cento di chi ha ricevuto il vaccino Moderna negli studi clinici ha avuto qualche tipo di reazione sistemica all’iniezione, con brevi periodi di spossatezza, dolore muscolare e altri problemi, che spesso hanno avuto un effetto debilitante momentaneo.

Questi inconvenienti potrebbero essere accettabili nel bel mezzo di un’epidemia globale catastrofica, spiega il vaccinologo Stanley Plotkin, che fa da consulente a molti produttori di vaccini. La gente però potrebbe esitare al pensiero di avere abitualmente questi effetti collaterali, per esempio con la vaccinazione annuale. E per qualsiasi vaccino destinato ai bambini piccoli, “senza dubbio si vorrebbe qualcosa che provochi meno reazioni”.

Si ritiene che le due principali fonti di reattogenicità siano le sostanze contaminanti nella sintesi dei vaccini e il sistema di somministrazione con nanoparticelle lipidiche. I sistemi di depurazione hanno dei limiti, così come l’ottimizzazione delle LNP. Perciò i produttori di vaccini spesso somministrano dosi minori per fare sì che un paziente sia meno esposto a questi due rischi. Con un vaccino a RNA convenzionale, dosi minori significano efficacia minore. Tuttavia alcune aziende, come Arcturus Therapeutics di San Diego, in California, e VaxEquity di Londra, hanno trovato delle soluzioni per i loro vaccini contro COVID-19, creando costrutti di RNA autoamplificanti.

A piccole dosi
Diversamente dai primi vaccini a RNA, che contengono poco più della sequenza di codifica per la proteina spike del coronavirus, affiancata da sequenze di regolazione da entrambe le parti finali, questi candidati vaccini autoreplicanti comprendono anche le istruzioni date all’RNA per copiarsi.

I costrutti dei vaccini sono un po’ più complicati, e questo richiede di ottimizzare meglio la sequenza e perfezionare i dettagli della produzione, ma permettono alle aziende di ridurre la dose. E l’RNA replicante imita più fedelmente un’infezione virale naturale, provocando una risposta immunitaria più forte e ampia che potrebbe permettere di inoculare una sola dose.

BioNTech ha fatto progressi nella tecnologia di amplificazione. Prima di COVID-19, l’azienda si dedicava soprattutto ai vaccini anticancro, ma grazie a una reputazione solida, a una maggiore capacità produttiva e a una prevedibile abbondanza di liquidità con le vendite del vaccino anti-COVID-19, “potremo crescere molto più velocemente nel settore delle malattie infettive”, dichiara Ugur Sahin, cofondatore e amministratore delegato della BioNTech.

Analogamente Ziphius Vaccines di Oostkamp, in Belgio, ha cercato di sfruttare la situazione creata dal coronavirus. Fondata a maggio del 2019, inizialmente per sviluppare terapie basate sull’RNA per malattie rare come la distrofia muscolare di Duchenne e la fibrosi cistica, l’anno scorso Ziphius ha rivoluzionato i suoi piani di sviluppo dopo avere cominciato a lavorare su un vaccino a RNA autoamplificante contro COVID-19. L’amministratore delegato Chris Cardon dichiara che la start-up ora sta cercando di ottenere 30 milioni di euro per portare avanti 14 programmi preclinici per svariate malattie infettive.

I vaccini a RNA potrebbero ancora trovarsi di fronte a difficoltà finanziarie. Molti addetti ai lavori prevedono che il fortissimo interesse di oggi non durerà una volta passata la pandemia. “È piuttosto difficile convincere qualcuno a scommettere su questo tipo di tecnologia per i vaccini contro le malattie contagiose”, spiega Nathaniel Wang, amministratore delegato di Replicate Bioscience a San Diego, in California, un’azienda che ha fondato l’anno scorso insieme con Geall per sviluppare terapie anticancro basate sull’RNA. E anche se Replicate ha dato vita ad alcune partnership accademiche e commerciali legate ai vaccini a RNA contro COVID-19 e Zika, continua Wang, non è ciò che di solito interessa a chi investe capitali di rischio.

Con la risonanza mediatica dei vaccini a RNA, però, Geall e molti suoi ex colleghi stanno rivivendo il periodo vissuto alla Novartis. Se l’azienda non avesse venduto il settore vaccini, avrebbero potuto contribuire a debellare le epidemie di ebola o zika nell’ultimo decennio? “Se ci guardiamo indietro c’è sempre un po’ di tristezza”, commenta Christian Mandl, ex capo della ricerca e dello sviluppo clinico iniziale nel settore vaccini della Novartis. Ma si consola con il successo degli attuali vaccini anti-COVID-19: “Sono molto orgoglioso del contributo importante che abbiamo dato”.

 

Fonte: Le Scienze