Da fonte di infezione a pioniere della tecnologia, gli scienziati possono davvero trasformare le zanzare in "assistenti anti-malaria"?

Le zanzare sono sempre state considerate tra gli insetti più fastidiosi nella storia dell'uomo. Le loro punture non solo provocano un fastidioso prurito ma, cosa ancora più grave, sono i principali vettori di numerose malattie mortali. Ad oggi sono stati scoperti in tutto il mondo più di 300 virus trasmessi dalle zanzare, tra cui la malaria, la febbre gialla, la febbre dengue e il virus Zika. Queste malattie rappresentano una minaccia enorme per la salute pubblica mondiale e rendono le persone terrorizzate dalle zanzare. Infatti, se si contano anche i decessi dovuti alle malattie da loro diffuse, le zanzare sono senza dubbio gli animali più letali al mondo.

Tuttavia, gli scienziati dell'Università di Leida nei Paesi Bassi hanno recentemente fatto una scoperta rivoluzionaria: modificando geneticamente in modo innovativo i parassiti della malaria, le zanzare possono trasportare i parassiti modificati per vaccinare gli esseri umani. Il successo di questa tecnologia potrebbe trasformare le zanzare da disgustose "nemiche pubbliche dell'umanità" in "aiutanti anti-malaria" che proteggono la salute. Cosa sta succedendo? Ne parliamo più avanti.

Le zanzare possono “vaccinare” gli esseri umani?

La malaria è una malattia infettiva causata dal Plasmodium e si trasmette all'uomo principalmente attraverso la puntura di zanzare infette del genere Anopheles. La malaria è diffusa soprattutto nelle regioni tropicali e subtropicali, soprattutto in Africa e nel Sud-est asiatico, dove il tasso di incidenza è elevato. Nonostante siano disponibili due vaccini approvati contro la malaria, questa malattia infetta ancora circa 250 milioni di persone ogni anno e provoca circa 600.000 decessi in tutto il mondo, il che la rende una delle principali sfide per la salute pubblica globale.

La terapia di combinazione con artemisinina, che combina l'artemisinina con altri farmaci antimalarici, è il trattamento raccomandato per la malaria maligna e grave. Nel 2015, lo scienziato cinese Tu Youyou ha vinto il premio Nobel per la medicina per la scoperta dell'artemisinina. Fonte: Agenzia di stampa Xinhua

Come entrano i parassiti della malaria nel corpo umano attraverso le zanzare? Quando una comune zanzara femmina Anopheles, portatrice del parassita della malaria, punge un essere umano, le larve del parassita vengono iniettate nel sangue umano attraverso la saliva della zanzara. Dopo 7-14 giorni di maturazione nel corpo umano, il parassita della malaria entra nei globuli rossi e si moltiplica rapidamente, causandone la rottura. Quando i globuli rossi si rompono, una nuova generazione di parassiti della malaria viene rilasciata nel sangue, i quali continuano a infettare altri globuli rossi, creando un circolo vizioso che può persino portare alla morte.

Al contrario, la "versione migliorata del Plasmodium" GA2, creata geneticamente, cesserà di svilupparsi circa 6 giorni dopo aver infettato il corpo umano. Non provoca la rottura dei globuli rossi né provoca la malaria nel ricevente, ma può stimolare efficacemente una risposta immunitaria, esercitando così un effetto protettivo simile a quello di un vaccino.

Per verificare se l'esposizione al parassita potesse aiutare gli esseri umani a sviluppare l'immunità alla malaria, i ricercatori hanno condotto un piccolo studio clinico. Nell'esperimento, i partecipanti al gruppo sperimentale sono stati prima punti da zanzare portatrici della "versione modificata del Plasmodium" GA2 e poi, tre settimane dopo, sono stati esposti a zanzare portatrici del comune Plasmodium. I risultati hanno mostrato che l'89% dei partecipanti punti da zanzare GA2 non ha contratto la malattia dopo il contatto con zanzare portatrici di Plasmodium. Questo tasso di protezione è superiore a quello dei due vaccini anti-malaria attualmente approvati (il tasso di protezione è di circa il 75%) e superiore a quello del Plasmodium GA1 modificato, il cui sviluppo cessa 24 ore dopo l'infezione del corpo umano (circa il 13%).

Sebbene i risultati preliminari siano incoraggianti, l'attuale scala di sperimentazione clinica coinvolge solo 20 persone prima di poter essere ampiamente utilizzata. Pertanto, la sicurezza e l'efficacia del vaccino contro le zanzare necessitano di ulteriori verifiche e c'è ancora molta strada da fare prima che possa essere ampiamente utilizzato.

Usare le zanzare per combattere le zanzare?

Non è la prima volta che gli scienziati prendono provvedimenti contro le zanzare per prevenire e controllare le malattie infettive trasmesse da queste.

Già nel 2010, il team del professor Xi Zhiyong del Centro congiunto di ricerca per il controllo dei vettori tropicali della Sun Yat-sen University e della Michigan State University ha iniettato un batterio endosimbiontico modificato, il Wolbachia, nelle zanzare Aedes, bloccando con successo la capacità della zanzara di diffondere il virus della dengue.

La febbre dengue è una malattia trasmessa dalle zanzare Aedes. Dopo aver contratto il virus della dengue, i pazienti possono manifestare sintomi quali febbre alta, mal di testa e dolori articolari. Nei casi più gravi, si può sviluppare febbre emorragica o sindrome da shock, che può essere pericolosa per la vita. Non esiste ancora un farmaco antivirale specifico in grado di curare direttamente la febbre dengue.

Studi hanno dimostrato che, dopo l'iniezione di Wolbachia, questa può inibire la replicazione e la trasmissione del virus della dengue nel principale vettore della febbre dengue, la zanzara Aedes aegypti, prevenendo così la trasmissione del virus. Inoltre, le proprietà immunitarie della Wolbachia possono essere trasmesse alla prole della zanzara, riducendo ulteriormente il rischio che queste diffondano la febbre dengue. Successivamente, il team del professor Xi Zhiyong ha ulteriormente ampliato questo metodo per la prevenzione e il trattamento di malattie come la malaria e il virus Zika, elaborando nuove idee per la regolazione immunitaria delle zanzare.

Posizioni sul campo, programma di rilascio e soppressione delle larve da parte dei rilasci maschili di HC Fonte: Riferimento [6]

Nel 2016, con l'approvazione del Ministero dell'Agricoltura, il team del professor Xi ha iniziato a rilasciare su larga scala "zanzare maschio sterilizzate" iniettate con triplo Wolbachia nelle aree residenziali di due isole fluviali isolate a Guangzhou. Queste "zanzare maschio sterilizzate" non sono in grado di deporre le uova dopo l'accoppiamento con le zanzare femmine in natura, con il risultato che la popolazione non è in grado di riprodursi.

Mantenendo il rapporto dominante per un certo periodo di tempo, la popolazione di zanzare selvatiche viene infine soppressa, ottenendo l'effetto di controllare o addirittura sradicare le specie di zanzare che trasmettono malattie. Nell'arco di due anni, il team ha rilasciato milioni di zanzare maschio sterilizzate, eliminando con successo le popolazioni selvatiche di Aedes albopictus nelle due aree residenziali. Con il continuo sviluppo della tecnologia, l'ambito di distribuzione si è gradualmente esteso a molte città del Guangdong.

I ricercatori stanno rilasciando "zanzare maschio sterilizzate" Fonte: Guangzhou Daily

Prendere le zanzare come insegnanti?

Oltre alla prevenzione e al controllo delle malattie infettive, gli scienziati hanno tratto grande ispirazione dalle zanzare anche per la tecnologia bionica.

Forse ti starai chiedendo perché è quasi indolore quando le zanzare succhiano il sangue, ma perché è così doloroso fare un'iniezione? Questo perché la lunghezza media dell'apparato boccale di una zanzara è di soli 1,5 mm e il suo diametro è inferiore a 0,1 mm, quindi è così sottile da essere quasi impercettibile. Il diametro di un comune ago da siringa è solitamente compreso tra 0,45 e 0,7 mm, ovvero almeno quattro volte più spesso dell'apparato boccale di una zanzara.

Immagine ottenuta al microscopio elettronico a scansione dell'apparato boccale di una zanzara, che mostra elementi della mascella e del labbro superiore. Fonte: Riferimento [4]

Come possono delle parti della bocca così piccole perforare così facilmente la nostra pelle? Attraverso l'osservazione microscopica, gli scienziati hanno scoperto che l'apparato boccale della zanzara è composto da più parti, tra cui il labbro superiore, il labbro inferiore, la lingua, la mascella superiore e la mascella inferiore. Quando una zanzara succhia il sangue, la prima cosa che attacca è la mascella superiore, che perfora la pelle come un ago affilato; poi, la mascella inferiore presenta delle dentellature che tagliano ripetutamente la pelle per aiutare le parti della bocca a penetrare più in profondità. La mascella superiore e quella inferiore della zanzara perforano e tagliano ripetutamente a una frequenza di 10-15 volte al secondo, alla ricerca di capillari adatti. Quando la zanzara trova un vaso sanguigno adatto, la sua lingua inizia a iniettare saliva per impedire la coagulazione del sangue e anestetizzare la pelle per ridurre il dolore. Infine, il labbro superiore è responsabile dell'inserimento nei vasi sanguigni e inizia a succhiare il sangue.

Traendo ispirazione dall'apparato boccale delle zanzare, gli scienziati della Temple University negli Stati Uniti hanno progettato un ago chirurgico bionico. Testandoli con gel di cloruro di polivinile, hanno scoperto che gli aghi dalla struttura speciale erano più efficaci degli aghi normali. Rispetto agli aghi tradizionali, gli aghi seghettati riducono la resistenza alla penetrazione del gel di circa il 60%, riducendo al contempo l'area di deformazione del tessuto di circa il 36%. Se imitiamo la vibrazione dell'apparato boccale della zanzara, la resistenza all'attrito può essere ulteriormente ridotta di circa il 10%.

Ago ispirato alle zanzare stampato in 3D Fonte dell'immagine: Riferimento [4]

Inoltre, nel 2023, un team di ricerca dello Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology dell'Accademia cinese delle scienze ha sviluppato una sonda neurale bionica flessibile ispirata alla struttura dell'apparato boccale delle zanzare. La sonda può penetrare la dura madre per ottenere un impianto minimamente invasivo in diverse regioni del cervello e può rilevare la presenza di vasi sanguigni intracranici durante il processo di impianto, per fornire un allarme precoce in caso di danni. Ciò dimostra ulteriormente le ampie prospettive applicative del design bionico nel campo dei dispositivi medici.

Dalle strategie di controllo biologico di Plasmodium e Wolbachia geneticamente modificati all'applicazione della tecnologia bionica, gli scienziati hanno utilizzato mezzi innovativi non solo per inibire efficacemente la capacità delle zanzare di diffondere malattie, ma anche per trarre molte preziose ispirazioni dai meccanismi biologici delle zanzare, promuovendo così il progresso della medicina e della tecnologia ingegneristica. In futuro, le zanzare potrebbero diventare un importante "ponte" per promuovere la salute pubblica e l'innovazione scientifica e tecnologica.

Riferimenti

[1] Yin Qikai, Fu Shihong, Wang Huanyu, Liang Guodong. Stato attuale e prospettive degli arbovirus trasmessi dalle zanzare e delle malattie arbovirali trasmesse dalle zanzare nel mio Paese. Rivista cinese di medicina tropicale. 2024, 24(4): 478-485 https://doi.org/10.13604/j.cnki.46-1064/r.2024.04.21

[2] Lamers OAC, Franke-Fayard BMD, Koopman JPR, et al. Sicurezza ed efficacia dell'immunizzazione con un parassita della malaria attenuato in stadio epatico tardivo[J]. Rivista di medicina del Nuovo Regno Unito, 2024, 391(20): 1913-1923.

[3] Kudiabor H. Questo vaccino contro la malaria viene somministrato tramite la puntura di una zanzara[J]. Natura.

[4] Gidde STR, Islam S, Kim A, et al. Studio sperimentale di un ago ispirato alle zanzare per ridurre al minimo la forza di inserimento e la deformazione dei tessuti[J]. Atti dell'Istituzione degli Ingegneri Meccanici, Parte H: Journal of Engineering in Medicine, 2023, 237(1): 113-123.

[5] Singh B, Ahmad KA, Murugaiah M, et al. Modellazione aerodinamica quasi stabile e stabilità dinamica di un veicolo aereo pico con ali battenti ispirate alle zanzare[J]. Frontiere della robotica e dell'intelligenza artificiale, 2024, 11.

[6] Zheng X, Zhang D, Li Y, et al. Le tecniche combinate di insetti incompatibili e sterili eliminano le zanzare[J]. Natura, 2019, 572(7767): 56-61.

[7] Bian G, Xu Y, Lu P, et al. Il batterio endosimbiontico Wolbachia induce resistenza al virus della dengue in Aedes aegypti[J]. PLoS pathogens, 2010, 6(4): e1000833.

[8] Bian G, Joshi D, Dong Y, et al. Wolbachia invade le popolazioni di Anopheles stephensi e induce refrattarietà all'infezione da Plasmodium[J]. Scienza, 2013, 340(6133): 748-751.

Pianificazione e produzione

Autore: Denovo Team

Revisore: Wang Duoquan, ricercatore, Istituto per il controllo e la prevenzione delle malattie parassitarie (Centro nazionale per la ricerca sulle malattie tropicali), Centro cinese per il controllo e la prevenzione delle malattie

Meng Fengxia, ricercatrice presso l'Istituto di malattie infettive, Centro cinese per il controllo e la prevenzione delle malattie

Pianificazione丨Ding Zong

Redattore: Ding Zong

Revisionato da Xu Lai e Lin Lin