Non solo vaccini, ecco le promesse dell’Rna messaggero

La tecnologia che si è rivelata fondamentale contro Covid-19 è impiegata per prevenire altre malattie infettive oltre che per l’immunoterapia oncologica e malattie genetiche, metaboliche e cardiovascolari. Le prospettive aperte da questa piccola molecola sono numerose e i primi studi clinici sono già partiti. *Dal numero 187 del magazine

Rna messaggero

Il punto di svolta si ebbe proba­bilmente quel 2 agosto del 2005, quando Katalin Karikó e Drew Weissman, al tempo entrambi ri­cercatori presso l’University of Pennsylvania School of Medicine (presso il dipartimento di neuro­chirurgia la prima e di medicina il secondo), pubblicarono un lavoro su Immunity (Suppression of RNA Recognition by Toll-like Receptors: The Impact of Nucleoside Modifica­tion and the Evolutionary Origin of RNA), nel quale per la prima volta descrivevano un sistema per rendere l’Rna messaggero (mRna) artificiale invisibile al sistema immunitario. I due scienziati si resero subito conto della portata della loro scoperta che avrebbe potuto essere utilizzata per lo sviluppo di nuove terapie e vaccini. Così oltre a pubblicare l’articolo, de­positarono un brevetto e fondarono una società, anche se lì per lì il lavoro non riscosse l’interesse sperato. Sareb­bero dovuti passare altri quindici anni prima che tornassero utili tutte le ri­cerche svolte dai primi anni 2000: ad esempio per sviluppare a tempo di re­cord un vaccino contro il virus che sta sconvolgendo il mondo. Ma non solo.

L’Rna può funzionare

Per capire la portata della vicenda è necessario fare qualche passo indietro. Nel 1990 Philip Felgner e alcuni col­leghi dell’Università del Wisconsin, pubblicarono su Science un lavoro (Direct gene transfer into mouse mu­scle in vivo) in cui provarono a iniet­tare una molecola di Dna e Rna arti­ficiale nel muscolo di topi, per indurre l’espressione di determinate proteine terapeutiche. Erano gli anni in cui si iniziava a parlare di terapia genica e della possibilità di curare alcune ma­lattie ereditarie, proprio sopperendo alla carenza o al deficit di alcune pro­teine chiave. L’esperimento per certi versi andò anche a buon fine, perché i topi riuscirono davvero a produrre la proteina desiderata. Ma la procedura non era priva di effetti collaterali gra­vi: l’iniezione dei nucleotidi estranei, infatti, riconosciuti come patogeni dall’organismo, provocava una forte risposta immunitaria che poteva an­che portare, in alcuni casi, al decesso degli animali. Seppure promettente la tecnologia non poteva ancora essere utilizzata sugli esseri umani.

La collaborazione Karikò Weissman

Più o meno negli stessi anni (era il 1985) Katalin Karikó lascia l’Unghe­ria, sua terra di origine con la famiglia, per spostarsi negli Stati Uniti. Viene assunta prima dalla Temple University poi dall’Università della Pennsylva­nia, dove nel 1998 inizia a collaborare con Drew Weissman, immunologo formatosi nel laboratorio di Anthony Fauci, presso i National institutes of health (Nih). Il sogno di Weissman è sviluppare un vaccino contro l’Hiv, ma dopo diversi insuccessi con il Dna, de­cide di provare con l’Rna, con l’aiuto della collega, già da tempo impegnata in quell’area di ricerca. Anni prima l’obiettivo di Karikó era stato curare la fibrosi cistica con l’Rna, meno rischio­so del Dna dal suo punto di vista, che poteva portare all’introduzione di mo­difiche nocive. Ma al tempo il campo dell’Rna non era ancora così attraente e Karikó per continuare a lavorarci fu costretta a subire un declassamento di carriera. Quando si incontrarono sul finire degli anni ’90, lo status accade­mico di Karikó all’UPenn era mode­sto, mentre Weissman aveva i fondi per finanziare i suoi esperimenti. Fu così che iniziò la collaborazione.

Superare gli ostacoli

I due ricercatori iniziarono a modifi­care la struttura dell’Rna con aggiunte di gruppi chimici, cambiamenti delle basi, degli zuccheri, delle strutture ecc. Finché riuscirono a isolare due varia­zioni realmente efficaci, in grado di rendere l’Rna invulnerabile all’attacco del sistema immunitario. In particola­re i due ricercatori notarono che a dare avvio alla forte risposta immunitaria era l’uridina. Così provarono a sostitu­irla con un analogo dall’aspetto simile ma inerte dal punto di vista della ri­sposta immunitaria. Il primo ostacolo era stato superato e la nuova forma di mRNA specificamente modificata, iniziava a assumere l’aspetto di uno strumento in grado di far produrre alle cellule umane le proteine terapeu­tiche. Il lavoro di Karikò e Weissman proseguì e nel 2011 purificarono ulte­riormente il proprio mRna per evitare qualsiasi reazione immunitaria incon­trollata. L’anno seguente testarono la molecola in un esperimento su topi e scimmie a cui riuscirono a far produrre l’ormone Epo, per curarli dall’anemia. Senza effetti collaterali. Restava però un altro problema: far arrivare l’mRna a destinazione senza che venisse degra­dato. Dopo diversi tentativi la coppia di scienziati sviluppò un sistema di nanoparticelle lipidiche che consen­tiva loro di bypassare anche questo li­mite. Nel 2015 pubblicarono il lavoro e l’mRna sembrava pronto per essere utilizzato in clinica.

I primi studi e prime biotech

La molecola era promettente e iniziò ad attirare l’attenzione di alcune biote­ch – oggi ben note perché proprietarie dei primi vaccini anti-Covid-19 – che la volevano utilizzare per curare alcu­ne malattie, principalmente il cancro, ma anche l’Hiv, altre infezioni ancora senza vaccino e malattie rare del san­gue come l’anemia falciforme. Il pri­mo test clinico sull’mRna fu proba­bilmente quello di Curevac – azienda tedesca fondata a Tubinga nel 2000 dal tedesco Ingmar Hoerr e dal fran­cese Steve Pascolo – che tra il 2003 e il 2006 testò la molecola come vacci­no antitumorale. Il lavoro pioneristi­co non fu preso in considerazione da riviste a impact factor maggiore, come Nature e Science e fu pubblicato nel 2008 su Journal of Immunotherapy (Results of the first phase I/II clinical vaccination trial with direct injection of mRNA). L’Rna messaggero fu te­stato su quindici pazienti affetti da melanoma, per codificare antigeni tu­morali e indurre una risposta immuni­taria contro il tumore. Dal trial emer­se che il farmaco era ben tollerato, ma nessuna informazione sull’efficacia clinica che savrebbe dovuto essere di­mostrata con studi più ampi.

Sempre in quegli anni – era il 2008 – la coppia di medici turchi Ugur Sahin e Ozlem Tureci, fondano a Magonza, in Germania la ormai ben nota Biontech. Il suo approccio era semplice: cercare, testare e ottimizzare qualsiasi terapia antitumorale, prendendo gli elementi migliori in ogni area di ricerca. L’mR­na era uno di quelli e nel 2013 invita­no a salire a bordo anche Karikò che diventò vicepresidente della società. Qualche anno dopo, nel 2010, Der­rick Rossi, allora ricercatore post-doc presso la Stanford University, incurio­sito dal lavoro di Karikó e Weissman co-fondò l’altra ormai famosa società biotech, Moderna, con sede nel Massa­chusetts, con un gruppo di professori di Harvard e del Massachusetts Insti­tute of Technology (Mit), con l’obiet­tivo di utilizzare l’mRNA modificato per creare vaccini e terapie. L’intenzio­ne comune era sviluppare nuove immunoterapie contro il cancro, malattie cardiovascolari e metaboliche. Ma an­che nuovi e più efficaci vaccini. ­

Tempismo perfetto

Così Moderna iniziò a collaborare con le più importanti istituzioni sta­tunitensi nel campo delle malattie infettive: dal Barda e il Darpa, fino alla Fondazione Gates e gli Nih (ol­tre che stringere accordi con aziende farmaceutiche di rilievo come MSD e AstraZeneca per sviluppare terapie basate sull’mRna). Proprio con gli Nih iniziò un progetto per sviluppare un vaccino sperimentale contro il virus respiratorio sinciziale e a seguire nel 2016 uno contro Zika. Seguiti l’anno seguente da un piano di preparazione alle pandemie virali legate alle malat­tie emergenti, tra cui i nipahvirus e i coronavirus. Già allora, ben prima che scoppiasse la pandemia di Covid-19, Stephane Bacel, Ceo di Moderna, sa­peva che con questa nuova tecnologia avrebbe impiegato solo 60 giorni per mettere a punto un vaccino e comin­ciare un test clinico, come si è poi real­mente verificato.

Non andò molto diversamente in casa Biontech, dove nel 2018 era nata una partnership con Pfizer per sviluppa­re vaccini a mRNA per l’influenza. Il primo test clinico era in program­ma proprio per il 2020. A quel punto quando il Sars-Cov-2 ha fatto la sua comparsa, tutto era già pronto per par­tire rapidamente con lo sviluppo di un vaccino. Così come vi erano già le basi per la collaborazione con Pfizer. Il re­sto, per quanto riguarda i vaccini anti Covid-19, è storia nota.

Non solo covid-19

Ma, oltre al vaccino contro Sars- CoV-2, altri, sempre a base di mRNA stanno avanzando verso gli studi cli­nici. Il settore dell’immunoterapia è infatti quello più promettente perché la vaccinazione porta a un effetto si­stemico e l’mRna non necessita di essere trasportato in un organo in particolare. Inoltre i vaccini richie­dono solo una o poche dosi e non somministrazioni ripetute perché una volta che il sistema immunitario è stato addestrato, la proteina pro­dotta dall’mRNA si degrada e non ha bisogno di essere reintegrata. Al momento sono noti i primi dati sui candidati vaccini contro la rabbia (Curevac) e l’influenza pandemica (Moderna) che si sono dimostrati sicuri e hanno indotto risposte anti­corpali protettive in volontari sani, come riporta un articolo pubblicato su Nature (Unlocking the potential of vaccines built on messenger RNA). In entrambi i casi, tuttavia, gli effetti antivirali sono diminuiti dopo meno di un anno, suggerendo che sono necessari miglioramenti per fornire un’immunità più robusta e duratura.

Mentre un altro vaccino contro il cito­megalovirus (Cmv) sviluppato ancora da Moderna (necessario per impedire alle donne incinte di trasmettere il vi­rus ai loro feti in via di sviluppo) ha provocando risposte anticorpali pro­tettive in topi e scimmie immunizzati e nel 2019 è stato testato anche in una sperimentazione clinica di fase I, dove ha dimostrato di aumentare i livelli di anticorpi in modo dose-dipendente. Oggi non esiste ancora un vaccino contro il Cmv perché si tratta di un virus complesso, che utilizza cinque proteine per entrare nelle cellule uma­ne e non è facile sviluppare una rispo­sta anticorpale contro ognuna di esse. La tecnologia a mRna ha però per­messo di produrre un vaccino multi­sequanza in grado di stimolare il siste­ma immunitario. Altri vaccini nella pipeline di Moderna con promettenti dati clinici iniziali includono il già ci­tato prodotto per il virus respiratorio sinciziale e un doppio vaccino contro altri due virus respiratori recalcitran­ti, metapneumovirus e un tipo di pa­rainfluenza, che sono anche responsa­bili di gravi infezioni polmonari.

L’immunoterapia

I vaccini però, come già ricordato, possono anche essere utilizzati come immunoterapia per attivare il sistema immunitario contro le cellule tumo­rali. Al momento sono in corso più di una dozzina di studi clinici per tali terapie in oncologia, area in cui, an­cora una volta, sono particolarmente attive Biontech e Moderna. La bio­tech tedesca sta testando un vaccino contro il melanoma in stadio avanzato (BNT122 o RO7198457) che nel 2017 ha portato a una riduzione del rischio di sviluppare nuove lesioni metasta­tiche (Personalized RNA mutanome vaccines mobilize poly-specific thera­peutic immunity against cancer) e nel 2019 aveva contribuito a ridurre o sta­bilizzare il melanoma in 19 dei 42 par­tecipanti alla sperimentazione iniziale. Nelle seguenti indagini di follow-up del primo studio clinico, tutte le per­sone che avevano precedentemente risposto favorevolmente erano ancora libere da ricadute fino a 41 mesi dopo il trattamento, senza aggiungere un inibitore del checkpoint, come riporta ancora Nature. Risultati prometten­ti, anche se lo scorso ottobre i dati di una sperimentazione di fase 1b portata avanti da Roche e BioNTech hanno evidenziato un tasso di risposta “bas­so” del vaccino in combinazione con Tecentriq (un inibitore del checkpoint immunitario della società svizzera), con soli nove dei 108 pazienti con tu­more solido valutabili che avevano ri­sposto alla terapia. Il vaccino però era riuscito a generare risposte immunita­rie specifiche del tumore nella maggior parte dei pazienti valutabili e questo è sembrato bastare agli sperimentatori per proseguire.

Un altro candidato vaccino sempre a base di mRna contro il melanoma rientra nella pipeline di Moderna (mRNA-4157) e ha anch’esso mostra­to segni preliminari di attività antitu­morale. Durante il congresso annuale dell’American Society of Clinical On­ cology del 2019 la biotech statunitense aveva riportato i primi dati clinici sugli esseri umani, mostrando che il vaccino personalizzato può generare risposte immunitarie e se somministrato con un inibitore del checkpoint (Keytru­da di MSD) la terapia ha anche por­tato a una riduzione dei tumori in 6 partecipanti con malattia metastatica su 20. Moderna e Msd hanno anche lanciato uno studio di fase I. Alcuni dati ad interm sono stati presentati al Congresso annuale della Society for Immunotherapy of Cancer del 2020 e hanno mostrato che l’mRNA-4157 in combinazione con Keytruda è ben tol­lerato e ha prodotto risposte misurate dalla riduzione del tumore nei pazienti con carcinoma a cellule squamose della testa e del collo Hpv negativi

Non solo vaccini

Ma non solo. Anche se attraverso una via più complessa l’mRNA potrebbe essere utilizzato anche come terapia. Per esempio producendo proteine che stimolano la crescita dei vasi sangui­gni, utili per riparare un cuore danneg­giato. Una delle prime via intraprese da Karikò, oggi al vaglio di AstraZeneca che sta provando a sviluppare una tera­pia mRna per l’infarto. O ancora codi­ficando l’enzima mancante in una ma­lattia genetica rara. In questi casi però il problema è come trasportare l’mRna a destinazione, dove deve fornire bene­fici forti e duraturi senza effetti colla­terali eccessivi. Il che significa modi­ficare le strutture sia dell’mRNA sia delle nanoparticelle lipidiche. Pochi di questi prodotti sono arrivati agli studi clinici. Tra questi l’mRna sviluppato da, Translate Bio per la fibrosi cistica. Una singola dose della terapia non ha rivelato effetti collaterali gravi e attual­mente una sperimentazione in corso sta testando dosi multiple come ripor­ta un articolo su Science (Messenger RNA gave us a COVID-19 vaccine. Will it treat diseases, too?).

Altri mRna, come quello ideato per curare la carenza di ornitina transcar­bamilasi (OTC) – malattia in cui un enzima mancante provoca un accumu­lo di ammoniaca nel sangue che può portare a convulsioni, coma e morte – deve riuscire ad arrivare fino al fegato. La società di farmaci mRNA Arcturus Therapeutics, che mira a trattare la malattia rara è riuscita a massimizza­re la quantità del farmaco da portare a destinazione, in parte regolando le dimensioni e la carica elettrica delle nanoparticelle lipidiche. Arcturus ha completato uno studio iniziale di si­curezza su circa 30 volontari sani e ha trattato il primo dei 12 partecipanti ar­ruolati nello studio, affetti dalla malat­tia. La scelta della patologia non è stata casuale però: il fegato infatti è l’organo più facile da raggiungere, perché ac­cumula naturalmente le particelle che circolano nel flusso sanguigno. Altri tessuti sono ancora più difficili da rag­giungere con l’mRNA, ma i gruppi di ricerca che stanno lavorando sul cam­po per modificare la struttura delle na­noparticelle lipidiche per indirizzarle a un determinato organo o tipo di cellu­la sono diversi.

Un’altra opzione è quella di associare l’mRna alla tecnica di editing geneti­co Crispr-Cas9. L’mRNA può essere programmato per codificare proteine come l’enzima Cas9, che può tagliare il genoma per apportare modifiche per­manenti curative. La società di editing Intellia Therapeutics per esempio, sta portando avanti una di queste terapie a base di mRNA per l’amiloidosi ere­ditaria da transtiretina, in grado di eli­minare il gene responsabile del deficit. L’azienda ha trattato il suo primo par­tecipante alla sperimentazione clinica lo scorso dicembre.

BioNTech infine detiene anche i dirit­ti di brevetto per una piattaforma di vaccinazione con mRNA progettata per proteggere da allergeni come pol­line e acari della polvere domestica. Il team di Richard Weiss, immunologo dell’Università di Salisburgo, in Austria, che ha contribuito a sviluppare la tecnologia ha dimostrato che l’immu­nizzazione basata su mRNA può pro­teggere completamente i topi dallo svi­luppo di allergie contro l’erba timoteo, una causa comune di febbre da fieno.

Una scoperta da Nobel?

Le applicazioni insomma potrebbero essere infinte e l’Rna rivelarsi davvero una terapia rivoluzionaria. Nel 2006 gli americani Andrew Fire e Craig Mello sono stati insigniti del premio Nobel per la medicina per la scoperta del feno­meno dell’interferenza dell’Rna (Rnai), il silenziamento genico mediante Rna a doppio filamento, che negli anni a se­guire a portato al primi farmaci basati sull’Rnai (tutti firmati Alnylam, pati­siran per la polineuropatia nei pazienti con amiloidosi ereditaria da transtire­tina; givosiran per la porfiria epatica acuta; lumasiran, per l’iperossaluria primitiva di tipo 1 (PH1). Lo scorso ottobre invece Emmanuelle Charpen­tier e Jennifer A. Doudna sono state premiate con il Nobel per la chimica, per aver scoperto la tecnica di editing genetico Crispr, che sfrutta ancora una volta l’Rna e sta aprendo le porte per la cura di diverse malattie, dall’anemia falciforme e l’emofilia, fino alla malaria e a diverse malattie infettive. Non ci sa­rebbe da stupirsi quindi se nei prossimi anni anche Karikó e Weissman fossero insigniti del prestigioso riconoscimen­to, grazie alla famosa scoperta del 2005 che ha permesso, in definitiva, di utiliz­zare l’mRna sugli esseri umani, per la prima volta proprio durante una delle più terribili pandemie con cui abbiamo avuto a che fare