Ora, i ricercatori che riportano in ACS Central Science hanno immunizzato i topi con nanoparticelle che imitano la SARS-CoV-2 visualizzando più copie dell’antigene del dominio di legame del recettore (RBD), dimostrando che il vaccino innesca risposte robuste di anticorpi e cellule T.
Sebbene i primi vaccini a ricevere l’autorizzazione all’uso di emergenza da parte della Food and Drug Administration statunitense fossero basati sull’mRNA, anche i vaccini più convenzionali a base di proteine hanno mostrato risultati promettenti negli studi clinici. La maggior parte addestra il sistema immunitario a riconoscere l’RBD, un peptide che è la porzione della proteina spike SARS-CoV-2 che si lega al recettore ACE-2 sulle superfici delle cellule ospiti.
Tuttavia, non tutti questi vaccini suscitano sia la risposta anticorpale che quella delle cellule T, entrambe ritenute importanti per un’immunità più duratura. Melody Swartz, Jeffrey Hubbell e colleghi avevano precedentemente sviluppato uno strumento di somministrazione del vaccino chiamato polimerisomi, nanoparticelle sferiche autoassemblanti che possono incapsulare antigeni e adiuvanti (molecole ausiliarie che potenziano la risposta immunitaria) e quindi rilasciarli all’interno delle cellule immunitarie.
I polimeri attivano una robusta immunità delle cellule T e i ricercatori si sono chiesti se potevano migliorare ulteriormente la risposta anticorpale ingegnerizzando le nanoparticelle per imitare i virus visualizzando più copie del RBD sulle loro superfici.
Per fare un confronto, hanno immunizzato un altro gruppo di topi con polimeri che incapsulavano l’RBD, insieme alle nanoparticelle contenenti l’adiuvante.
Sia gli RBD decorati in superficie che quelli incapsulati hanno innescato robuste risposte delle cellule T.
Sebbene il nuovo vaccino debba ancora essere testato per la sicurezza e l’efficacia negli esseri umani, potrebbe avere vantaggi rispetto ai vaccini mRNA per quanto riguarda la distribuzione diffusa in aree con risorse limitate, affermano i ricercatori.
Questo perché i polimeri con superficie decorata sono stabili e attivi per almeno sei mesi con la refrigerazione, a differenza dei vaccini mRNA che richiedono una conservazione a temperatura inferiore allo zero.
Direzioni future basate sui polimerisomi
La mancanza di un vaccino universale e l’aumento del numero di casi apre le porte al riconoscimento degli inibitori del virus come potenti strumenti per sopprimere l’infezione da virus. D’altra parte, oltre ai lunghi tempi e ai costi elevati che sono ancora necessari per raggiungere il vaccino mirato sicuro ed efficace contro il COVID-19, il dilemma della reinfezione recentemente emerso ha minacciato gli sforzi e le speranze per le sperimentazioni in corso sul vaccino COVID-19. .
Poiché il campo della nanomedicina ha mostrato una varietà di promettenti applicazioni terapeutiche contro COVID-19, e in precedenza contro varie infezioni e malattie virali, vale la pena sottolineare che imparare dal passato può essere un percorso efficace verso le terapie contro il COVID-19.
Qui proponiamo un nuovo approccio basato sull’utilizzo di polimeri (liposomi polimerici) come potenziali nano-oggetti con un’impronta significativa nel campo della nanomedicina. Nonostante il loro immenso potenziale, finora non sono stati impiegati nella lotta contro il COVID-19.
I polimeri sono alcuni dei nanomateriali più efficienti da utilizzare come sistemi di somministrazione di farmaci con una speciale funzionalizzazione superficiale (Discher et al., 1999; Tuguntaev et al., 2016). Sono vescicole artificiali composte da blocchi anfifilici o copolimeri innestati, e sono emerse grazie alla loro elevata stabilità colloidale, forti proprietà di membrana, nonché facile coniugazione del ligando con elevata biocompatibilità (Ferji et al., 2015, 2018; Guan et al., 2015). La Fig. 5 mostra comuni copolimeri a blocchi anfifilici utilizzati per formulare polimerisomi (Barnier Quer et al., 2011; Chun et al., 2018; Galan-Navarro et al., 2017; Scott et al., 2012).
I polimeri sono stati progettati per imitare la struttura cellulare con una cavità acquosa e hanno mostrato un’elevata capacità di caricamento del farmaco, in particolare come sistema di co-somministrazione al caricamento di farmaci idrofobici e idrofili nei loro strati esterni e nuclei, rispettivamente (Kim et al., 2013; Li et al., 2016).
I polimeri sono stati recentemente sfruttati non solo come veicoli per la somministrazione di vari composti terapeutici (Chun et al., 2018), ma anche in base al loro potenziale per regolare i ROS (Kim et al., 2017). A causa delle loro proprietà immunogeniche (Webster et al., 2013), i polimeri possono svolgere un ruolo vitale nel migliorare i vaccini a subunità e la somministrazione di terapie contro l’infezione da COVID-19.
Copolimeri a blocchi anfifilici utilizzati per formulare polimerisomi.
In uno studio precedente, ad esempio, i polimeri sono stati caricati con antigeni dell’emoagglutinina (HA) dell’influenza e quindi utilizzati come adiuvante immunitario (Barnier Quer et al., 2011). In particolare, è stato riportato un aumento superiore dei titoli sierici di IgG e di inibizione dell’emoagglutinazione dopo l’immunizzazione con HA caricato con polimeri rispetto all’HA libero, senza causare alcuna tossicità cellulare (Barnier Quer et al., 2011).
Pertanto, i polimerisomi hanno potenziato con successo l’immunogenicità dell’HA, il che ha indicato il loro potenziale non solo come sistema di somministrazione, ma anche come adiuvante per i vaccini a subunità. Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato che il caricamento di antigeni proteici specifici nel nucleo del polimero può aumentare la presentazione dell’antigene da parte delle DC in vitro (Scott et al., 2012).
Mentre i polimeri migliorano la forte immunità delle cellule T agli antigeni proteici e inducono l’attivazione di cellule T CD4+ antigene-specifiche (Stano et al., 2013), è stato anche riportato che i polimeri possono regolare i livelli di ROS intracellulari quando utilizzati come sistema di somministrazione per antivirali terapie contro l’infezione da H1N1 in vitro (Kim et al., 2017).
La loro capacità di ridurre la generazione di ROS, che normalmente è aumentata durante l’infezione virale, potrebbe essere uno degli approcci promettenti nell’inibire la replicazione virale, la morte cellulare, la produzione di citochine pro-infiammatorie e l’attivazione degli ISG nell’ospite (Drew et al., 2012; Hung et al., 2016; Lin et al., 2016; Reshi et al., 2014; Svegliati et al., 2005; Ting et al., 2018; Vlahos et al., 2012; Wong et al., 2016 ).
Di conseguenza, i polimeri possono svolgere un ruolo vitale come regolatori dei ROS che possono aiutare nella soppressione della propagazione di SARS-CoV-2 e della gravità della malattia, oltre ad aumentare il tasso di sopravvivenza cellulare.
In uno studio su topi infettati dal virus Lassa (LASV), la proteina LASV E ricombinante è stata incapsulata all’interno di polimeri sensibili all’ossidazione come nanocarrier che inducono il trasferimento intracellulare di farmaci (Galan-Navarro et al., 2017). I risultati hanno mostrato che l’immunizzazione con la proteina LASV E caricata con polimeri, rispetto al trattamento con la proteina LASV E libera, ha attivato preferenzialmente la risposta immunitaria umorale.
L’immunizzazione del polimero caricato con proteina LASV E ha aumentato la produzione di anticorpi con una maggiore affinità di legame alla proteina E del virione LASV e ha anche aumentato la produzione di cellule B secernenti IgG e cellule T CD4+ antivirali (Galan-Navarro et al., 2017). Un altro studio ha utilizzato i polimeri per incapsulare due antivirali (favipiravir nello strato esterno e mir-323a nel nucleo) da utilizzare in vitro contro l’infezione da H1N1 (Chun et al., 2018).
La densità superficiale dei polimerisomi è stata controllata dalla funzionalizzazione tramite copolimeri specifici per massimizzare l’assorbimento cellulare (Chun et al., 2018). Questo studio ha mostrato promettenti effetti sinergici sull’utilizzo di questi polimeri funzionali contro l’infezione da H1N1. Insieme, questi studi indicano la potenziale efficienza dei sistemi di somministrazione a base di polimeri nel migliorare la trasfezione di terapie antivirali e sostanze vaccinali contro COVID-19, che non è stata ancora studiata né proposta.
Abbiamo recentemente proposto un nuovo approccio terapeutico per il cancro basato su nano-oggetti che hanno la capacità di colpire specifici checkpoint immunitari insieme all’inibizione della demetilazione del DNA (Al-Hatamleh et al., 2019b). Qui ipotizziamo che potrebbero esserci benefici derivanti dal riadattamento di questo approccio che prevede l’uso di polimeri come promettenti sistemi basati su nanocarrier contro COVID-19.
Sulla base delle caratteristiche uniche dei polimeri, è possibile funzionalizzarli e trasformarli in efficaci sistemi di rilascio di sostanze terapeutiche o anticorpi che bloccano le citochine proinfiammatorie oi loro recettori cellulari. A causa del loro potenziale di co-consegna di farmaci sia idrofobici che idrofili, i polimeri possono essere caricati con inibitori della demetilazione del DNA insieme a bloccanti delle citochine per causare un blocco più forte.
L’uso di specifici inibitori della demetilazione del DNA come gli inibitori dell’istone deacetilasi (HDAC), gli inibitori dell’istone metiltransferasi (HMT) e gli inibitori della dimetiltriptamina (DMT), potrebbe portare ad alterazioni epigenetiche e provocare una ridotta espressione dei geni che codificano per le citochine (ad es. TNF, IL-10) e i loro rispettivi recettori (cioè il recettore IL-6, i recettori 1 e 2 del TNF e il recettore IL-10), e quindi sottoregolano quelle citochine. Pertanto, gli effetti sinergici dei bloccanti delle citochine e degli inibitori della demetilazione del DNA caricati nei polimerisomi sarebbero un approccio promettente nella lotta al COVID-19 mediante la soppressione della tempesta di citochine nei pazienti.
Più specificamente, questo approccio può essere testato prima contro IL-6, il membro più importante nella tempesta di citochine (Zhang et al., 2020a), ma anche contro altre citochine nelle fasi avanzate della ricerca. Nei primi giorni della pandemia di COVID-19, i ricercatori di Wuhan, in Cina, hanno notato che i livelli di IL-6 erano più alti nei casi critici rispetto ai casi gravi e lievi (Chen et al., 2020a). Questo rapporto è stato successivamente confermato da un altro studio simile che mostra livelli significativamente più alti di IL-6 tra i casi gravi rispetto ai casi lievi (Gao et al., 2020).
È interessante notare che uno studio retrospettivo sui dati relativi ai casi di COVID-19 (68 mortalità e 82 casi guariti) ha mostrato che i livelli di IL-6 erano significativamente più alti nei casi deceduti rispetto ai sopravvissuti (Ruan et al., 2020). Pertanto, l’impiego di inibitori dell’IL-6 nel trattamento di COVID-19 è considerato un promettente approccio immunoterapeutico per controllare l’infezione.
Sono in corso alcuni studi clinici per riutilizzare gli inibitori dell’IL-6 esistenti, inclusi gli anticorpi anti-IL-6 (ad es. clazakizumab e siltuximab) e gli anticorpi anti-recettore dell’IL-6 (ad es. tocilizumab e sarilumab) contro COVID-19 (Atal e Fatima, 2020). Nel complesso, sulla base dell’indagine della letteratura di cui sopra, ipotizziamo che il caricamento di bloccanti del recettore dell’IL-6 insieme agli inibitori della demetilazione del DNA in polimeri funzionalizzati potrebbe essere un approccio promettente nella lotta contro il COVID-19 (Fig. 6).
Potenziale meccanismo cellulare e molecolare d’azione dei polimerisomi caricati con bloccanti del recettore dell’IL-6 (IL-6R) e inibitori della demetilazione del DNA contro l’infezione da COVID-19. I polimeri verranno sintetizzati, caricati con bloccanti del recettore dell’IL-6 e inibitori della demetilazione del DNA, e quindi funzionalizzati con ligandi specifici per colpire le cellule che esprimono IL-6. I bloccanti del recettore dell’IL-6 (ad es. un farmaco a base di anticorpi monoclonali) bloccherebbero la via di segnalazione del recettore dell’IL-6, mentre gli inibitori della demetilazione potrebbero portare a un’alterazione epigenetica, con conseguente diminuzione dell’espressione del gene del recettore dell’IL-6, riducendo così l’IL-6 recettore nella cellula bersaglio. Pertanto, la co-somministrazione di queste due terapie potrebbe causare effetti sinergici efficaci per calmare la tempesta di citochine, che deriva principalmente dall’interazione di IL-6 e il suo recettore. Gli ADAM (A disintegrina e metalloproteinasi) sono una famiglia di proteine transmembrana responsabili della scissione del recettore dell’IL-6 legato alla membrana, con conseguente recettore dell’IL-6 solubile. La glicoproteina 130 (gp130) è un recettore per il complesso recettoriale IL-6/sIL-6.
I polimeri potrebbero avere vantaggi specifici rispetto ad altri sistemi di somministrazione basati su nanomateriali (ad esempio liposomi) per lo sviluppo di terapie e vaccini contro il COVID-19. Una varietà di metodi di produzione altamente riproducibili e scalabili vengono utilizzati per produrre polimeri con bassa polidispersità e il processo è diventato realizzabile entro circa 1 h (Poschenrieder et al., 2017).
La capacità dei polimeri di incapsulare molecole idrofobe, idrofile e anfifiliche li rende più adatti per studi in vivo rispetto a molti altri nanomateriali (Zhang e Zhang, 2017). Nonostante la loro natura anfifilica simile, lo spessore del doppio strato dei polimeri (5-50 nm) è maggiore rispetto al doppio strato dei liposomi (3-5 nm), che causa una parete più robusta e impermeabile (Rideau et al., 2018).
Pertanto, i polimeri hanno una stabilità della membrana notevolmente più elevata rispetto ai liposomi (Poschenrieder et al., 2017), ampiamente utilizzati oggi nello sviluppo di vaccini COVID-19. La maggiore stabilità e versatilità dei polimerisomi offre loro vantaggi verso un rilascio più sostenuto e controllato e una migliore stabilità metabolica dell’agente terapeutico caricato (Zhang e Zhang, 2017; Gurunathan et al., 2020).
Inoltre, l’immunogenicità dei polimerisomi può essere ridotta (invisibilità) se viene utilizzato un pennello PEG denso sulla superficie con polimeri PEG relativamente lunghi, nel frattempo la loro stabilità biologica sarebbe aumentata (Zhang e Zhang, 2017). Pertanto, l’uso di un adeguato sistema di somministrazione a base di polimeri può aiutare a ridurre le dosi terapeutiche, oltre a mantenere una concentrazione costante di farmaco nel sito o nella circolazione mirati per un tempo più lungo. Questi fattori supportano i polimeri come sistemi di trasporto applicabili e universali per applicazioni mediche, più specificamente nella lotta contro il COVID-19.
Oltre al potenziale sistema basato su polimeri ipotizzato sopra, i polimeri potrebbero avere ruoli promettenti con altri farmaci riproposti che hanno effetti regolatori sull’immunità dei pazienti COVID-19, specialmente per i casi gravi.
Tra questi farmaci, i trattamenti anticoagulanti (es. eparina e nafamostat), che potrebbero anche inibire la tempesta di citochine e aumentare la percentuale di linfociti (Shi et al., 2020; Tang et al., 2020; Yamamoto et al., 2020), così come alcune altre terapie a base immunitaria (ad esempio, l’interferone alfa-2B) che dovrebbero avere effetti simili, ma sono ancora in attesa di valutazione sperimentale (Khan et al., 2020).
Inoltre, altri tipi di farmaci vengono riproposti e attualmente in fase di studio, come farmaci antipertensivi e farmaci antinfiammatori non steroidei, ma finora non è stata dimostrata alcuna prova scientifica che dimostri l’efficacia di qualsiasi farmaco o composto terapeutico contro il COVID-19.
Inoltre, i potenziali ruoli dei sistemi di somministrazione basati su polimeri non si limitano al potenziamento dell’immunità e alla soppressione della tempesta di citochine nei pazienti COVID-19. I polimeri possono essere funzionalizzati per fornire diversi tipi di farmaci riproposti che hanno mostrato potenziali effetti antivirali contro SARS-CoV-2, inclusi farmaci antimalarici (ad es. clorochina), combinazioni antimalariche e antibiotici (ad es. idrossiclorochina e azitromicina), farmaci antivirali (ad es. , bromexina, favipiravir, remdesivir e lopinavir) e agenti antielmintici/antiparassitari (ad es. nitazoxanide e ivermectina) (Khan et al., 2020; Rajoli et al., 2020; Santos et al., 2020).
Tuttavia, l’efficacia clinica di questi farmaci non è stata ancora completamente valutata, mentre sono ancora in corso diversi studi clinici (Singh et al., 2020). Studi futuri potrebbero anche studiare potenziali formulazioni di polimeri per la terapia combinata (usando farmaci riutilizzati) per l’infezione da COVID-19.
LINK DI RIFERIMENTO: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7857087/
Ulteriori informazioni: Lisa R. Volpatti et al, Polymersomes Decorated with the SARS-CoV-2 Spike Protein Receptor-Binding Domain Elicit Robust Humoral and Cellular Immmunity, ACS Central Science (2021). DOI: 10.1021/acscentsci.1c00596
