"I mattoni" per realizzare i vaccini: il vaccino a mRNA contro il vaiolo delle scimmie può "prendere tre piccioni con una fava"!

Prodotto da: Science Popularization China

Autore: Du Pei (Istituto di Microbiologia, Accademia Cinese delle Scienze)

Produttore: China Science Expo

Nel 2022, una nuova variante del virus del vaiolo delle scimmie ha superato la sua epidemia locale di lunga data in Africa e si è diffusa ampiamente in tutto il mondo, provocando una nuova epidemia globale. Il 23 luglio 2022, l'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) ha emesso il livello di allerta più alto per l'epidemia di vaiolo delle scimmie: un'emergenza di sanità pubblica di interesse internazionale (PHEIC). Con la progressiva attenuazione dell'epidemia globale di vaiolo delle scimmie, l'11 maggio 2023 l'OMS ha annunciato che il vaiolo delle scimmie non costituiva più una PHEIC.

Tuttavia, a partire dal 2024, in Africa sono emerse nuove varianti del vaiolo delle scimmie, che hanno causato tassi di mortalità più elevati e nuove caratteristiche di trasmissione. Il 14 agosto 2024, l'OMS ha dovuto lanciare nuovamente l'allarme e ha dichiarato per la seconda volta l'epidemia di vaiolo delle scimmie una PHEIC.

Di recente, nuovi ceppi mutanti sono stati introdotti in molti paesi del mio Paese, tra cui Thailandia e India. il mio Paese sta affrontando gravi sfide legate all'epidemia di vaiolo delle scimmie e ha urgente bisogno di un vaccino contro il vaiolo delle scimmie per prevenirlo.

Che dire del vaccino contro il vaiolo delle scimmie che deriva da quello contro il vaiolo?

Il virus del vaiolo vaccino, il virus del vaiolo e il virus del vaiolo delle scimmie sono stretti parenti. Nella tassonomia dei virus, appartengono tutti al genere Orthopoxvirus e hanno sequenze genetiche relativamente simili. La sequenza genetica di un organismo determina le caratteristiche delle sue proteine ​​e le proteine, in quanto antigeni, sono una molecola chiave che stimola il corpo umano a produrre anticorpi e linfociti T. Le caratteristiche antigeniche del virus vaccinico sono simili a quelle del virus del vaiolo e del virus del vaiolo delle scimmie, ma è meno dannoso per gli esseri umani. Sfruttando questa somiglianza, il virus del vaiolo è stato studiato a lungo attraverso il virus del vaiolo vaccino, sia in patria che all'estero. Il virus Vaccinia è stato utilizzato anche per l'attenuazione allo scopo di sviluppare vaccini vivi attenuati per la prevenzione del vaiolo e del vaiolo delle scimmie. A questa categoria appartiene il vaccino vivo attenuato del ceppo Tiantan, ampiamente utilizzato nel mio Paese prima degli anni '80 per prevenire il vaiolo.

Attualmente, tre vaccini vivi attenuati contro il vaiolo provenienti dall'estero hanno "attraversato il confine" per diventare vaccini contro il vaiolo delle scimmie. Sebbene possano risolvere l'urgente problema dell'epidemia, sussistono ancora alcune limitazioni in termini di sicurezza e accessibilità.

(1) Sicurezza: il vaccino vivo attenuato contro il vaiolo è giunto alla terza generazione, il che può impedire al virus vaccinico attenuato di replicarsi nel corpo del vaccinato. È più sicuro del vaccino vivo attenuato con capacità di replicazione precoce. Tuttavia, il virus vaccinico può comunque produrre nell'organismo molte proteine ​​che inibiscono la risposta immunitaria umana, il che può portare a potenziali effetti collaterali. Secondo le raccomandazioni dell'OMS per la vaccinazione contro il vaiolo delle scimmie, il vaccino vivo attenuato di terza generazione non è ancora sufficientemente sicuro per le persone infette da HIV la cui AIDS è progredita al punto che la loro funzione immunitaria non è più corretta (meno di 200 cellule T helper CD4+ per millilitro di sangue). Tuttavia, esiste una grande sovrapposizione tra le persone infette dal virus del vaiolo delle scimmie e i portatori di HIV. Secondo le statistiche dell'OMS, circa il 52,1% delle persone infette dal virus del vaiolo delle scimmie sono portatrici dell'HIV. Le persone infette da HIV con un sistema immunitario compromesso corrono un rischio elevato di contrarre il vaiolo delle scimmie e necessitano di una maggiore protezione.

(2) Accessibilità: i vaccini possono svolgere un ruolo nel controllo delle malattie infettive solo se vengono effettivamente somministrati alle persone. La produzione di vaccini vivi attenuati comporta la coltivazione del virus, processi di produzione complessi ed elevati rischi per la sicurezza. Quando scoppia una malattia infettiva, è difficile aumentare rapidamente la capacità produttiva in modo da poter vaccinare più persone. Secondo un rapporto pubblicato sulla rivista Nature nell'ottobre 2024, i Centri africani per il controllo e la prevenzione delle malattie stimano che circa 15 milioni di persone in Africa potrebbero aver bisogno della vaccinazione contro il vaiolo delle scimmie, ma sono disponibili solo circa 275.000 dosi di vaccino contro il vaiolo delle scimmie. Infatti, dallo scoppio dell'epidemia di vaiolo delle scimmie nel 2022, il mondo continua ad affrontare il problema dell'insufficiente capacità di produzione del vaccino contro il vaiolo delle scimmie. La principale azienda farmaceutica produttrice del vaccino vivo attenuato di terza generazione ha fornito al mondo solo circa 2 milioni di dosi di vaccino contro il vaiolo delle scimmie nei primi otto mesi del 2024.

Pertanto, la nuova generazione di vaccini contro il vaiolo delle scimmie deve "eliminare le scorie e conservare l'essenza", rimuovere le proteine ​​"cattive" e conservare solo le proteine ​​"buone" come antigeni del vaccino per rendere il vaccino più sicuro; deve inoltre sfruttare appieno le nuove tecnologie vaccinali degli ultimi anni per rendere il vaccino più efficiente e più facile da produrre.

Come dovrebbe essere progettata una nuova generazione di vaccini contro il vaiolo delle scimmie?

La nuova generazione di vaccini contro il vaiolo delle scimmie deve affrontare numerose sfide nell'eliminare le scorie e nel preservare l'essenza dei tradizionali vaccini vivi attenuati.

Quali proteine ​​del virus del vaiolo delle scimmie dovrebbero essere selezionate come antigeni?

I poxvirus sono una classe complessa di virus che contengono più di 200 proteine, ma solo alcune delle proteine ​​chiave in grado di stimolare la risposta immunitaria umana sono adatte come antigeni nei vaccini. Negli ultimi anni, virologi, immunologi e altri ricercatori in patria e all'estero hanno condotto ricerche approfondite sugli antigeni del virus del vaiolo vaccino e del virus del vaiolo delle scimmie, e hanno sostanzialmente stabilito che diverse proteine ​​sono gli antigeni chiave dell'ortopoxvirus, fornendo un riferimento per la progettazione di una nuova generazione di vaccini contro il vaiolo delle scimmie.

Per ottenere una protezione ottimale, il vaccino contro il vaiolo delle scimmie richiede la combinazione di più antigeni. Come è possibile includere più antigeni del vaiolo delle scimmie in un unico vaccino?

L'approccio più semplice è quello "cocktail". Per i vaccini a mRNA, un mRNA viene utilizzato per codificare un antigene e poi più mRNA vengono mescolati nel vaccino come un cocktail. Nei vaccini proteici ricombinanti, più proteine ​​antigeniche vengono direttamente miscelate e combinate con altri ingredienti necessari per realizzare il vaccino. Tuttavia, il vaccino "cocktail" non è la via ottimale perché richiede la produzione di più mRNA o proteine ​​diversi, il che aumenta la complessità del processo di produzione, rende più arduo il controllo di qualità e, in ultima analisi, aumenta il costo del vaccino. Allo stesso tempo, i molteplici antigeni diversi presenti nel "cocktail" possono anche produrre effetti immunitari sbilanciati.

Quale percorso tecnologico per la vaccinazione dovremmo scegliere?

I diversi percorsi tecnologici per la vaccinazione presentano vantaggi diversi. Tra questi, i vaccini a mRNA utilizzano molecole di mRNA come vettori. Una volta penetrati nell'organismo, producono proteine ​​antigeniche nelle cellule e stimolano le risposte immunitarie. Pertanto, è possibile produrre una varietà di vaccini semplicemente modificando la sequenza di mRNA, proprio come se si scrivesse un programma per computer, il che presenta i vantaggi di una rapida velocità di sviluppo e di un elevato grado di standardizzazione delle linee di produzione. Allo stesso tempo, i vaccini a mRNA possono anche stimolare contemporaneamente anticorpi e cellule T e avere un buon effetto immunitario. Durante la pandemia di COVID-19, dopo la vaccinazione su larga scala tra la popolazione, è stata riconosciuta la sicurezza dei vaccini a mRNA, evidenziandone ulteriormente i vantaggi. I vaccini proteici ricombinanti utilizzano proteine ​​per stimolare la risposta immunitaria umana e hanno anche buoni effetti immunitari e sicurezza. Dal 2022, la nuova generazione di vaccini contro il vaiolo delle scimmie comprende vaccini a mRNA e vaccini proteici ricombinanti, la maggior parte dei quali sono vaccini a mRNA "cocktail". All'estero, due vaccini a mRNA contro il vaiolo delle scimmie sono entrati nella fase di sperimentazione clinica.

Per creare i vaccini, usate l'approccio dei "mattoni"!

Le proteine ​​hanno strutture tridimensionali complesse, ma la struttura tridimensionale della stessa proteina è relativamente fissa e può essere prevista e analizzata attraverso mezzi sperimentali. Attraverso un piano ragionevole, è possibile progettare una proteina stabile contenente più antigeni, che non solo può stimolare in modo bilanciato gli anticorpi verso vari antigeni, ma può anche essere codificata da un singolo mRNA, riducendo così i costi di produzione e migliorando l'accessibilità dei vaccini. Questo approccio è simile ai "mattoni". Secondo la struttura tridimensionale della proteina, più molecole proteiche vengono combinate e unite in una proteina più grande. Sono incorporati e bloccati in una struttura stabile, come i blocchi Kongming, e rinforzati da vari legami chimici sulle superfici di legame di diverse proteine, come i mattoncini Lego. Questa strategia di progettazione dei vaccini basata sulla struttura delle proteine ​​è chiamata vaccinologia strutturale.

Diagramma della costruzione di un vaccino con i blocchi di costruzione

(Fonte dell'immagine: l'immagine a sinistra è tratta da 360 Encyclopedia, l'immagine a destra è tratta da Reference 1)

Esistono quindi altri vaccini progettati utilizzando la vaccinologia strutturale? Avere.

Nel 2020, di fronte alla pandemia di COVID-19, il team dell'accademico Gao Fu dell'Istituto di microbiologia dell'Accademia cinese delle scienze ha utilizzato la vaccinologia strutturale per progettare un vaccino proteico ricombinante per il nuovo coronavirus e lo ha sviluppato congiuntamente con Zhifei Bio nel vaccino ZF2001®, di cui sono state somministrate complessivamente 350 milioni di dosi in tutto il mondo. Tra questi, il vaccino ZF2001® ha ottenuto esportazioni tecnologiche in Uzbekistan ed è diventato il principale vaccino del Paese contro la nuova epidemia di coronavirus. Nel suo articolo firmato "Join Hands to Create a Brighter Future for China-Uzbekistan Relations" pubblicato durante la sua visita in Uzbekistan il 13 settembre 2022, il Segretario generale Xi Jinping ha affermato: "I vaccini cinesi sono diventati la forza principale nella lotta dell'Uzbekistan contro l'epidemia e hanno raggiunto una produzione congiunta. I farmaci anti-COVID-19 sono stati approvati per l'uso clinico in Uzbekistan, proteggendo efficacemente la vita e la sicurezza delle persone dei due Paesi".

Dopo lo scoppio dell'epidemia di vaiolo delle scimmie, il team dell'accademico Gao Fu ha progettato un vaccino proteico ricombinante (DAM) per il virus del vaiolo delle scimmie, che è una versione chimerica di due antigeni del virus del vaiolo delle scimmie. Può stimolare anticorpi neutralizzanti il ​​virus del vaiolo delle scimmie 28 volte in più rispetto al vaccino vivo attenuato del ceppo Tiantan, ottenendo una protezione completa contro dosi letali di infezione da virus vaccinico e liberando rapidamente il virus dagli organi. In quanto proteina singola, il vaccino DAM ha dimostrato buona sicurezza e potenziale di sviluppo industriale.

Vaccino chimerico mRNA multiantigene contro il vaiolo delle scimmie: da "tre frecce, tre uccisioni" a "una freccia, tre uccisioni".

Utilizzando la piattaforma di vaccinologia strutturale, il team composto dall'accademico Gao Fu e dal ricercatore Wang Qihui dell'Istituto di microbiologia ha sviluppato tre vaccini mRNA chimerici multi-antigene contro il vaiolo delle scimmie, utilizzando un singolo mRNA per codificare una proteina chimerica contenente tre antigeni del virus del vaiolo delle scimmie. Dopo essere stati vaccinati nei topi, questi vaccini sono stati in grado di stimolare un'immunità umorale (anticorpi) e un'immunità cellulare (cellule T) altamente efficaci, e hanno mantenuto i livelli di anticorpi con una diminuzione minima per circa 6 mesi dopo l'immunizzazione. **Tutti i topi vaccinati con questi vaccini sono sopravvissuti all'infezione con una dose letale del virus vaccinico. **Dopo l'infezione con la stessa dose di virus vaccinico, tutti i topi vaccinati con il vaccino vivo attenuato del ceppo Tiantan sono morti. Questi vaccini hanno mostrato buoni effetti protettivi anche contro il virus del vaiolo delle scimmie. La carica virale in diversi organi dei topi infettati dal virus del vaiolo delle scimmie era significativamente inferiore a quella del gruppo di topi di controllo.

Strutture tridimensionali delle proteine ​​codificate da tre vaccini mRNA chimerici multi-antigene contro il vaiolo delle scimmie

(Fonte dell'immagine: Riferimento 2)

Se il vaccino "cocktail" che utilizza tre mRNA per codificare tre antigeni "prende tre piccioni con una fava", allora questi vaccini mRNA chimerici multi-antigeni contro il vaiolo delle scimmie ottengono l'effetto di "prendere tre piccioni con una fava". Rispetto al vaccino mRNA "cocktail", il vaccino chimerico codificato da mRNA a singolo filamento presenta una minore difficoltà di produzione e si prevede che offrirà maggiori vantaggi in termini di costi, processi di produzione più semplici e una maggiore accessibilità al vaccino.

Attualmente, l'Istituto di microbiologia dell'Accademia cinese delle scienze ha firmato un accordo di licenza tecnologica con un'azienda farmaceutica, autorizzandola a sviluppare ulteriormente, presentare clinicamente e commercializzare il vaccino. Non vediamo l'ora che il nuovo vaccino chimerico multiantigene a mRNA contro il vaiolo delle scimmie contribuisca alla prevenzione del vaiolo delle scimmie!

Riferimenti:

1. Progettazione razionale di un immunogeno DAM "due in uno" che stimola una potente risposta immunitaria contro il virus mpox

2. I vaccini mRNA trivalenti a catena singola A35R-M1R-B6R proteggono i topi sia dal virus mpox che dal virus vaccinico