In che modo i piccoli anticorpi si assumono la responsabilità di proteggerci?

Autore: Zhang Yuyi (Istituto Pasteur di Shanghai, Accademia cinese delle scienze)

L'articolo proviene dall'account ufficiale dell'Accademia delle Scienze (ID: kexuedayuan)

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Avrai sicuramente sentito molto parlare di "anticorpi prodotti nei pazienti guariti dal COVID-19", ma sai davvero cosa sono gli anticorpi? Come ci protegge?

Fonte dell'immagine: galleria veer

Da dove provengono gli anticorpi?

Prima di parlare di anticorpi, diamo un'occhiata al sistema immunitario umano.

Schema delle tre principali linee di difesa del corpo umano

(Fonte immagine: http://tushuo.jk51.com/)

Il sistema immunitario umano è costituito da tre principali linee di difesa. La prima linea di difesa è rappresentata dalla pelle e dalle mucose, come l'epidermide, i peli nasali nelle narici, le mucose della bocca, ecc., che possono bloccare e rimuovere la maggior parte delle sostanze estranee. La seconda linea di difesa è rappresentata dalle sostanze battericide e dai fagociti presenti nei fluidi corporei. Le sostanze battericide possono distruggere le pareti cellulari dei batteri e causarne la morte, mentre i fagociti possono fagocitare ed eliminare vari agenti patogeni che invadono il corpo umano.

La prima e la seconda linea di difesa del corpo umano sono innate. Si tratta di una forza protettiva naturale e ampia che non è mirata a un agente patogeno specifico e per questo viene chiamata immunità aspecifica o immunità innata (se paragoniamo il nostro corpo a una città, la prima e la seconda linea di difesa sono le mura e i fossati della città).

La terza linea di difesa del sistema immunitario è la funzione di difesa acquisita, che si instaura gradualmente dopo la nascita sotto la stimolazione di antigeni specifici e agisce solo contro quell'antigene. È composto principalmente da vari organi immunitari (come tonsille, linfonodi, timo, midollo osseo e milza, ecc.) e cellule immunitarie (linfociti, monociti/macrofagi, granulociti, mastociti) con l'aiuto della circolazione sanguigna e linfatica. Viene anche chiamata immunità specifica o immunità adattativa (polizia in città). Gli anticorpi sono prodotti da specifiche cellule immunitarie.

I criminali che fanno cose cattive nel corpo sono antigeni (Ag), che si riferiscono a qualsiasi sostanza che può indurre la risposta immunitaria del corpo, come batteri, virus, polline, ecc. Quando alcuni criminali attraversarono il fossato e scavalcarono le mura della città, pensarono compiaciuti di essere riusciti a intrufolarsi nella città, ma non si resero conto di essere già stati presi di mira da diverse organizzazioni misteriose.

I membri di queste misteriose organizzazioni sono ben addestrati. Sanno di essere in inferiorità numerica e di non poter affrontare da soli i criminali spietati, quindi li seguono e li bloccano silenziosamente, per poi contattare prontamente la polizia in città affinché intervenga ed eliminarli. Questi tessuti misteriosi sono cellule presentanti l'antigene (APC).

Le cellule che presentano l'antigene elaborano gli antigeni e li presentano a specifiche cellule immunitarie (fonte immagine: Wikipedia)

Le cellule che presentano l'antigene sono anche chiamate cellule accessorie. Possono assorbire, elaborare e trasmettere le informazioni antigeniche. Attraverso una serie di processi di trasmissione del segnale, stimolano i linfociti B a differenziarsi in linfociti B effettori e a secernere anticorpi. Gli anticorpi sono quindi le proteine ​​protettive prodotte dall'organismo dopo aver sperimentato queste stimolazioni antigeniche. Si tratta di una sorta di arma potente, multiuso e ad alte prestazioni, "inventata" dalle cellule B attivate per eliminare specifici antigeni.

Come ci proteggono gli anticorpi?

Un anticorpo è una proteina con una struttura a forma di "Y" e la sua funzione è strettamente correlata alla sua struttura.

Diagramma schematico della struttura dell'anticorpo: i due rami (segmenti Fab) nella parte superiore della struttura a forma di "Y" sono la chiave della capacità dell'anticorpo di legarsi a specifici epitopi dell'antigene sulla superficie dell'antigene, mentre l'asta inferiore (segmento Fc) è la chiave per legarsi a molte cellule immunitarie ed esercitare le loro funzioni (fonte dell'immagine: China Pharmaceutical University @ Wang Hui teacher courseware)

Se non è abbastanza vivido, puoi immaginarlo così:

La forchetta antideflagrante inventata per fermare la violenza (Fonte foto: sito web ufficiale dell'artista Arthub @沈敬东 account pubblico: 3720艺)

Gli anticorpi agiscono principalmente nei seguenti modi:

1. Effetto di neutralizzazione:

Gli anticorpi si legano direttamente agli antigeni attraverso il segmento Fab, legandosi alle proteine ​​sulla superficie dell'antigene, rendendo queste proteine ​​incapaci di legarsi ai recettori sulle cellule, impedendo così ai patogeni di entrare nelle cellule.

Ad esempio: una volta che il nuovo coronavirus entra nell'organismo, la glicoproteina spike (proteina S) presente sulla sua superficie deve legarsi al recettore ACE2 sulla superficie cellulare (il recettore corrispondente della proteina S) prima di poter entrare nella cellula. Gli anticorpi si legano prima alla proteina S e, dopo aver occupato queste posizioni, il virus non può più utilizzare la proteina S per invadere le cellule.

Diagramma schematico degli anticorpi che si legano alla proteina S, dove la struttura rossa a forma di Y rappresenta l'anticorpo (fonte immagine: Zhihu @跑来跑去的马)

2. Agglutinazione:

Quando alcuni patogeni con strutture granulari coesistono con anticorpi corrispondenti, gli anticorpi si legano ai patogeni come un "ponte", facendo sì che più patogeni si raccolgano insieme per formare grumi più grandi, facilitando così l'inglobamento dei patogeni da parte dei fagociti.

Neutralizzazione (2a, 2b) e agglutinazione (2c) degli anticorpi (A) sugli antigeni (B) (Fonte immagine: Wikipedia)

3. Effetto regolatore:

Il segmento Fc di alcuni anticorpi può legarsi ai corrispondenti recettori (FcR) sulla superficie dei neutrofili e dei macrofagi, aumentando la loro capacità di fagocitare i patogeni.

Il segmento Fc (D) dell'anticorpo si lega al recettore corrispondente (E) sulla superficie di specifiche cellule immunitarie (C) e promuove la fagocitosi (immagine a destra) (Fonte dell'immagine: Wikipedia)

A proposito: nella vita di tutti i giorni, molte persone sono allergiche al polline, alla polvere, ecc. Questo perché il sistema immunitario dell'organismo considera il polline e altre sostanze come antigeni. Quando le cellule immunitarie entrano in contatto per la prima volta con questi antigeni, producono una risposta immunitaria, producendo un gran numero di anticorpi specifici e l'organismo entra in uno stato di sensibilità. Quando queste cellule immunitarie entrano nuovamente in contatto con lo stesso antigene, gli anticorpi si legano rapidamente all'antigene e l'altra estremità dell'anticorpo si legherà alla superficie dei mastociti, inducendoli a produrre una determinata reazione e a rilasciare alcune sostanze come l'istamina, causando contrazione della muscolatura liscia, aumento della secrezione di muco e sintomi allergici come l'asma.

Il meccanismo di produzione dell'allergia, in cui la struttura blu a forma di Y rappresenta l'anticorpo, le piccole palline rosse rappresentano l'antigene e le grandi palline viola rappresentano i mastociti. Dopo che l'anticorpo si lega all'antigene, si lega al mastocita, inducendolo a degranulare e a rilasciare la sostanza all'interno della cellula (fonte immagine: Zhihu @跑来跑去的马)

4. Citotossicità mediata dalle cellule anticorpo-dipendente:

Dopo che un agente patogeno infetta con successo una cellula, la "colonizza" e utilizza le sue risorse e gli strumenti di produzione per creare nuovi virus (durante il processo di produzione, alcune proteine ​​del capside virale appariranno sulla superficie cellulare e diventeranno antigeni riconoscibili). Gli anticorpi corrispondenti si legano agli antigeni virali sulla superficie delle cellule ospiti attraverso i loro segmenti Fab e poi si legano ai recettori Fc espressi sulla superficie delle cellule citotossiche (come le cellule NK) attraverso i segmenti Fc, consentendo a queste cellule killer di uccidere le cellule infette dal virus e di eliminare contemporaneamente il virus.

5. Attivazione del complemento:

Il complemento è un'altra arma speciale per uccidere i patogeni e svolge molti ruoli importanti nel processo immunitario. Con l'aiuto degli anticorpi, il sistema immunitario può attivare e utilizzare queste armi.

6. Attraverso la placenta e la mucosa:

Gli anticorpi possono essere suddivisi in cinque tipi in base alle loro catene pesanti: IgA, IgD, IgE, IgG e IgM. Le funzioni di ogni tipo di anticorpo sono diverse. Tra queste, l'IgG può entrare nel sangue del bambino attraverso la placenta, fornendogli un'immunità passiva naturale. Pertanto, nonostante il bambino sia fragile, gli anticorpi della madre possono proteggerlo. Le IgA contenute nelle immunoglobuline possono attraversare la mucosa e rappresentano il fattore principale della resistenza locale della mucosa alle infezioni.

Immunità materna: immunità passiva acquisita dagli animali neonati dalle loro madri (fonte immagine: medicalxpress.com)

Riassumendo, i principali meccanismi di funzionamento degli anticorpi sono: il loro segmento Fab può riconoscere e legarsi ai patogeni, facendogli perdere la capacità di infettare, e il segmento Fc può legarsi ai recettori Fc su altre cellule immunitarie, per lavorare con l'aiuto delle cellule immunitarie.

Terapia al plasma per curare l'Ebola

Gli agenti patogeni invadono l'organismo e lo stimolano a produrre una risposta immunitaria. Le cellule B effettrici secernono anticorpi, che fluiscono attraverso il sangue verso varie parti del corpo per aiutarlo a difendersi ed eliminare i patogeni. Dopo l'eliminazione dei patogeni, gli anticorpi nel sangue non scompaiono immediatamente, ma continuano a esistere per un certo periodo di tempo per consolidare la linea di difesa (dopotutto, le armi sono state fabbricate e non c'è bisogno di distruggerle immediatamente, anche se la guerra è finita).

La poltiglia gialla ottenuta prelevando il sangue da un paziente guarito da una determinata malattia e centrifugandolo per rimuovere le cellule del sangue è plasma, che contiene una grande quantità di anticorpi completi contro la malattia. Dopo l'inattivazione e altri trattamenti, il plasma può essere utilizzato per curare i pazienti affetti dalla malattia. Questo metodo è diverso dalla vaccinazione convenzionale (lo scopo di un vaccino è quello di aiutare l'organismo a sviluppare l'immunità a una malattia, nota come immunità attiva) e viene chiamato immunità passiva.

Prodotti al plasma (Fonte immagine: https://www.science.org.au/)

I prodotti a base di plasma furono utilizzati per la prima volta per curare le malattie all'inizio del XX secolo, quando gli scienziati si servirono di modelli animali per studiare gli effetti protettivi e terapeutici del plasma di pazienti guariti da malattie infettive. La terapia fu utilizzata per la prima volta sugli esseri umani nel 1916, quando il plasma dei sopravvissuti alla poliomielite fu utilizzato per curare pazienti affetti da poliomielite acuta, con buoni risultati. Successivamente, la terapia che prevedeva l'utilizzo del plasma dei pazienti guariti per curare le malattie infettive è stata utilizzata una dopo l'altra per una varietà di patologie. Ad esempio, la SARS 17 anni fa, la MERS qualche anno fa e l'Ebola, che ha colpito l'Africa, sono state tutte curate con plasma convalescente. Attualmente questo è l'unico modo per curare l'Ebola.

Antisiero contenente anticorpi (l'antisiero è un siero contenente anticorpi, che contiene meno proteine ​​del plasma) (Fonte dell'immagine: https://vmrd.com/)

La risposta immunitaria iniziale dell'organismo causata dal nuovo antigene ha un periodo di latenza di 10 giorni. Dopo il periodo di latenza, vengono prodotti prima gli anticorpi IgM a bassa affinità, seguiti dagli anticorpi IgG a bassa affinità, che raggiungono il picco il 21° giorno. Solo quando lo stesso patogeno invade nuovamente l'organismo e l'organismo innesca una risposta secondaria, entro 3-5 giorni verranno prodotti anticorpi IgG ad alta affinità.

Pertanto, il momento migliore per ricorrere alla terapia con plasma convalescente è entro 10 giorni dall'esordio, quando l'organismo non ha ancora prodotto anticorpi IgG. Iniettando anticorpi IgG ad alta affinità e alta concentrazione in pazienti gravemente malati, è possibile produrre un'immunità passiva per proteggere l'organismo, prevenendo così il verificarsi di tempeste tardive di fattori immunitari.

Qualcuno potrebbe chiedersi se la terapia al plasma sia così efficace e perché non venga utilizzata su larga scala. Ad esempio, non può essere utilizzato in grandi quantità nel trattamento del COVID-19?

Poiché il plasma proviene dal sangue di persone diverse, potrebbe contenere altri patogeni sconosciuti e, se trasfuso in altri pazienti, potrebbe esserci il rischio di infezioni crociate. Inoltre, la produzione di emoderivati ​​richiede standard elevati e procedure complesse e ci sono decine di migliaia di pazienti affetti da COVID-19, il che rende difficile coprire un'area vasta. Pertanto, il trattamento sintomatico resta la prima scelta per i pazienti non critici.

Come creare anticorpi artificiali?

Oltre agli anticorpi che produciamo noi stessi, ci sono molte situazioni in medicina e nella ricerca che richiedono "anticorpi artificiali". Di seguito vengono presentati i metodi classici di preparazione degli anticorpi e le prospettive di utilizzo dell'ingegneria genetica per creare nuovi anticorpi.

Gli epitopi dell'antigene sono caratteristiche presenti sulla superficie degli antigeni e rappresentano i siti in cui si legano gli anticorpi. Spesso un singolo antigene può fornire più di un epitopo. Gli anticorpi si dividono in due tipi: anticorpi monoclonali (mAb) e anticorpi policlonali (pAb), in base al numero di epitopi antigenici che sono in grado di riconoscere. Sebbene gli anticorpi monoclonali riconoscano solo un singolo epitopo dell'antigene, hanno una migliore specificità e direzionalità; Gli anticorpi policlonali possono riconoscere più epitopi di antigeni (in una certa misura, possono essere intesi come una miscela di più anticorpi monoclonali che riconoscono diversi epitopi di un certo antigene) e possono riconoscere meglio gli antigeni (quando utilizzati per il rilevamento degli antigeni).

Preparazione di anticorpi policlonali (Fonte immagine: https://courses.lumenlearning.com/)

Il metodo di preparazione degli anticorpi policlonali è relativamente semplice. Simula il processo di induzione dell'organismo a produrre una risposta immunitaria e a secernere anticorpi dopo che l'antigene è penetrato nel corpo dell'animale in condizioni naturali. Il processo principale comprende: preparazione degli antigeni, selezione degli animali da esperimento, immunizzazione degli animali, prelievo del sangue per i test (per verificare se gli anticorpi corrispondenti vengono prodotti con successo nel corpo dell'animale), uccisione degli animali da esperimento e raccolta del siero, purificazione degli anticorpi, identificazione della purezza e specificità degli anticorpi, ecc.

Il processo di preparazione degli anticorpi monoclonali (Fonte immagine: https://www.researchgate.net/)

La preparazione degli anticorpi monoclonali è relativamente più difficile dal punto di vista tecnico. Dopo aver preparato animali immunizzati con antigeni, i singoli linfociti B che producono anticorpi vengono fusi con cellule tumorali del midollo osseo per ottenere cellule ibride in grado sia di produrre anticorpi sia di proliferare indefinitamente, producendo quindi anticorpi. Le cellule fuse vengono esaminate e identificate con metodi specifici per ottenere cloni positivi, che vengono poi coltivati ​​o iniettati nella cavità peritoneale degli animali (solitamente topi) per la coltura. Il supernatante della coltura cellulare o l'ascite del topo vengono raccolti e purificati per ottenere anticorpi monoclonali.

Questi due sono metodi molto classici per la preparazione degli anticorpi. Gli anticorpi ottenuti provengono dai corrispondenti animali da esperimento (non umani) e presentano degli svantaggi molto evidenti nell'applicazione clinica: gli anticorpi provenienti da diverse specie animali sono anche "antigeni" del corpo umano, quindi sono gli anticorpi stessi a causare la risposta immunitaria dell'organismo. Dopo un uso ripetuto, il corpo umano potrebbe produrre anticorpi corrispondenti (anticorpi contro questo anticorpo non umano, non gli anticorpi contro antigeni specifici che speriamo di ottenere).

Per questo motivo, i ricercatori stanno attualmente lavorando intensamente per umanizzare gli anticorpi utilizzando l'ingegneria genetica, sostituendo i componenti animali con quanti più componenti umani possibile senza compromettere la funzionalità degli anticorpi. Inoltre, per ampliare gli scenari di utilizzo degli anticorpi, i ricercatori stanno attualmente sviluppando nuovi metodi, come la modifica multi-target degli anticorpi, la coniugazione anticorpo-farmaco (gli anticorpi trasportano i farmaci in punti bersaglio specifici per esercitare i loro effetti), ecc.

Catumaxomab (nome commerciale Removab), il primo farmaco anticorpale a doppio bersaglio ad essere commercializzato (fonte immagine: https://www.helmholtz.de)

Riepilogo: messaggio da portare a casa!

La natura chimica degli anticorpi è proteica, prodotta dalle cellule B effettrici e componente molto importante del sistema immunitario. Già nel periodo fetale, le IgG (principalmente) possono proteggere la nostra salute attraverso la placenta. Una volta cresciuti e esposti a vari antigeni, gli anticorpi corrispondenti verranno secreti in tutto il corpo per proteggere la nostra sicurezza. Molti dei vaccini che somministriamo sono concepiti anche per produrre anticorpi contro agenti patogeni noti attraverso una risposta immunitaria. (Come sviluppare un nuovo vaccino contro il coronavirus?)

Gli anticorpi possono essere utilizzati anche per curare numerose malattie. Quando l'organismo incontra agenti patogeni che il suo sistema immunitario non riesce a sconfiggere, è possibile effettuare un'immunizzazione passiva utilizzando plasma/siero contenente anticorpi corrispondenti provenienti da altre persone o altri animali, come il siero anti-veleno di serpente e il plasma di pazienti guariti dal COVID-19. La terapia con anticorpi contro i tumori è un'importante direzione della terapia farmacologica con anticorpi. Ad esempio, i farmaci anticorpali PD-1/PD-L1 sono diventati la star nella cura del cancro.

Oggi i ricercatori possono utilizzare la tecnologia dell'ingegneria genetica per modificare gli anticorpi e renderli più sicuri ed efficaci; nella pratica clinica sono sempre più numerosi gli esempi di utilizzo degli anticorpi per curare il cancro.

Il nostro sistema immunitario è magico e potente e i ricercatori lavorano costantemente per rendere gli anticorpi più efficaci.

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