Vaccino a base vegetale per COVID-19

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Una coppia di ricercatori dell’Université Laval, in Quebec, afferma che dovrebbero essere compiuti maggiori sforzi per sviluppare vaccini a base vegetale. Hugues Fausther-Bovendo e Gary Kobinger hanno pubblicato un articolo di Perspective sulla rivista Science che espone i benefici dei vaccini a base vegetale e suggerisce come potrebbero essere realizzati.

Mentre il mondo continua ad essere alle prese con il virus SARS-CoV-2 , i ricercatori di tutto il mondo continuano a cercare nuovi modi per vaccinare le persone contro infezioni simili poiché sembra probabile che questa non sarà l’ultima pandemia. 

Come parte di questo sforzo, alcuni sul campo hanno iniziato a esaminare tipi di vaccino alternativi. Nel loro articolo, Fausther-Bovendo e Kobinger suggeriscono che lo sviluppo di vaccini a base vegetale potrebbe essere un ottimo approccio.

I vaccini sono tipicamente prodotti in sistemi batterici o eucariotici e si sono dimostrati molto efficaci. Tuttavia, hanno costi di produzione elevati. I vaccini a base vegetale, suggeriscono gli autori, sarebbero molto più economici da produrre e potrebbero avere anche molti altri vantaggi.

Uno è che i vaccini a base vegetale richiederebbero molto meno risorse. Invece dei bioreattori, i vaccini potrebbero essere coltivati ​​in campi come le colture. Un altro vantaggio deriva dalla natura stessa delle piante: non possono essere infettate dai tipi di agenti patogeni umani che portano alla necessità di vaccini.

Inoltre, ricerche precedenti hanno dimostrato che i vaccini a base vegetale tendono a produrre una risposta immunitaria più forte rispetto a quelli prodotti in altri modi.

E i vaccini a base vegetale hanno rese più elevate rispetto ad altri metodi. E infine, in alcuni casi, i vaccini a base vegetale potrebbero essere somministrati direttamente come prodotto alimentare, senza necessità di estrazione o lavorazione.

Gli autori fanno notare che la produzione di vaccini a base vegetale non è inaudita; ce n’è uno che viene attualmente prodotto e utilizzato per trattare la malattia di Gaucher. 

Inoltre, poco prima che scoppiasse la pandemia, un vaccino contro l’influenza a base vegetale si è fatto strada attraverso gli studi clinici di Fase III, con risultati promettenti. E proprio ora, un team sta lavorando a un vaccino a base vegetale per il COVID-19.

Suggeriscono che gli organismi di regolamentazione governativi di tutto il mondo debbano acquisire maggiore familiarità con i benefici dei vaccini a base vegetale in modo che le linee guida possano essere scritte per promuovere un tale approccio se i vaccini a base vegetale devono diventare un nuovo standard.


Farmaceutica molecolare vegetale per combattere il COVID-19

Le piante vengono utilizzate per la produzione di vaccini e farmaci ricombinanti da più di 30 anni e l’intero processo è descritto con il termine “agricoltura molecolare” [99,100]. 

I metaboliti secondari hanno importanti funzioni biologiche ed ecologiche nelle piante; particolarmente vantaggioso è il loro ruolo nella difesa chimica a causa delle loro attività antiossidanti e antimicrobiche. Pertanto, l’agricoltura molecolare viene utilizzata per la produzione su larga scala di preziosi metaboliti secondari.

Inoltre, gli strumenti di ingegneria metabolica possono essere utilizzati per superare i limiti di disponibilità di composti bioattivi dalle piante medicinali e per migliorare la produttività vantaggiosa sia dal bioprocesso che dall’agricoltura molecolare [101] La sintesi di proteine ​​ricombinanti desiderabili (prodotti farmaceutici e proteine ​​industriali) utilizzando piante intere o tessuti/cellule vegetali coltivati ​​in vitro in bioreattori su larga scala è chiamato agricoltura molecolare.

I vantaggi dei reattori a base vegetale sono stati descritti in una revisione dell’agricoltura molecolare di Mohammadinejad et al. [101] come segue:

(i) minori costi di manutenzione; 

(ii) minori rischi di contaminazione da agenti patogeni animali; 

(iii) capacità di implementare modifiche nella funzione del macchinario post-traduzionale eucariotico; e

(iv) essere suscettibili al processo di fabbricazione su larga scala.

È stato dimostrato che i vaccini generati nelle piante suscitano una robusta risposta immunitaria nell’uomo e negli animali (Figura 3). Le piante hanno una grande capacità di agire come un sistema di bioreattore che supporta molti importanti processi biologici tra cui particelle simili a virus (VLP) e vaccini. 

La trasformazione delle piante con geni estranei porta a farmaci proteici, vaccini e anticorpi contro diversi agenti patogeni umani, quindi le piante rendono facile gestire in modo sicuro, poco costoso e fornire uno stoccaggio senza problemi di vaccini e farmaci proteici [102].

Molti studi di ricerca e studi clinici hanno dimostrato che i vaccini prodotti dalle piante sono sicuri ed efficaci [103,104]. Esempi di vaccini e terapie vegetali prodotti dal pharming molecolare includono vaccini per combattere il colera, il virus della febbre dengue e il virus dell’epatite B, anticorpi monoclonali contro l’HIV e il virus Ebola e un agente terapeutico per fornire glucocerebrosidasi e aiutare i pazienti con malattia di Gaucher [104,105].

Diverse aziende farmaceutiche e laboratori di ricerca hanno raccolto la sfida per combattere il COVID-19. Allo stesso tempo, c’è una drammatica carenza di test COVID-19 che potrebbe essere alleviata producendo agenti diagnostici nelle piante [106]. 

Nella sezione seguente sono presentati alcuni esempi di vaccini, diagnostica per kit di test e terapie antivirali.

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Figura 3
Schema schematico dell’impianto farmaceutico.

Medicago, un’azienda biofarmaceutica con sede in Canada, ha sviluppato con successo una particella simile al virus (VLP) del coronavirus 20 giorni dopo aver ottenuto la sequenza genetica SARS-CoV-2. Invece di utilizzare metodi basati sulle uova per sviluppare vaccini, questa tecnologia inserisce una sequenza genetica che codifica la proteina spike di COVID-19 in Agrobacterium, un comune batterio del suolo che viene assorbito dalle piante [107].

Le piante risultanti che vengono sviluppate producono una particella simile a un virus composta da una membrana lipidica vegetale e dalla proteina spike COVID-19. Medicago sta utilizzando la pianta Nicotiana benthamiana, un parente stretto della pianta del tabacco, per produrre VLP del virus SARS-CoV2 (COVID-19: programmi di sviluppo di Medicago).

I VLP sono simili per dimensioni e forma al vero coronavirus ma mancano di acido nucleico e, quindi, non sono infettivi. Medicago ha completato con successo i suoi studi clinici di Fase 1 e sta attualmente lavorando a studi clinici di Fase 2 [108]. In precedenza, Medicago ha realizzato VLP composti da emoagglutinina del virus dell’influenza e ha dimostrato la loro sicurezza ed efficacia in modelli animali e in studi clinici sull’uomo [109]. Il costo di produzione di un vaccino vegetale basato su VLP è una piccola frazione rispetto alla sua controparte convenzionale [110].

In Canada, l’Università dell’Ontario occidentale e Suncor stanno sviluppando kit di test diagnostici per COVID-19 utilizzando le alghe come fabbrica di produzione per produrre le proteine ​​virali spike [111]. Le alghe sono state a lungo considerate una potenziale piattaforma per la generazione di proteine ​​farmaceutiche e proteine ​​industriali, come le cellulasi [112]. Le alghe sono un’alternativa di biofabbrica superiore perché sono facili da coltivare e possono essere facilmente modificate per produrre le proteine ​​virali.

British American Tobacco, attraverso la sua filiale biotecnologica negli Stati Uniti, Kentucky BioProcessing (KBP), sta sviluppando un potenziale vaccino per COVID-19 ed è attualmente in fase di test preclinici [113]. Gli esperti di KBP hanno clonato una parte della sequenza genetica di SARS-CoV-2, che hanno usato per sviluppare un potenziale antigene che è stato inserito nelle piante di Nicotiana benthamiana per la produzione.

Il vaccino ha suscitato una risposta immunitaria positiva mediante test preclinici e presto sarà sottoposto a studi clinici di fase 1 sull’uomo [114]. BAT potrebbe produrre fino a 1-3 milioni di dosi di vaccino COVID-19 a settimana (hanno prodotto 10 milioni di vaccini contro l’influenza in un mese e un vaccino contro l’Ebola utilizzando lo stesso approccio a base vegetale) [115].

Anche la società sudafricana Cape Bio Pharms (CBP) sta rispondendo alla pandemia di SARS-CoV-2 attraverso la produzione di reagenti nelle piante, che potrebbero essere utilizzati per i kit diagnostici [116]. La CBP sta producendo reagenti SARS-CoV-2 Spike S1 costituiti da varie regioni della glicoproteina attaccate a varie proteine ​​di fusione. L’azienda, con sede a Città del Capo in Sudafrica, sta anche collaborando con produttori di anticorpi per produrre anticorpi contro queste proteine ​​[116].

Un altro esempio di una soluzione farmaceutica molecolare vegetale al COVID-19 si sta verificando nel dipartimento di nanoingegneria dell’Università della California, a San Diego. I ricercatori del laboratorio di Nicole Steinmetz hanno utilizzato particelle simili al virus del mosaico di Cowpea, con epitopi di cellule B e T della proteina S di SARS-CoV-2 visualizzati sulle loro superfici icosaedriche [117]. Il virus ricombinante che ospita questi epitopi COVID-19 può essere applicato sotto forma di una tecnologia di microaghi impiantati che incorpora vaccini VLP sulla pelle e susciterà una risposta immunitaria a SARS-CoV-2 [118].

Il gruppo di ricerca Steinmetz ha recentemente sviluppato sonde di controllo positivo, composte da particelle simili al virus del mosaico di Cowpea, da utilizzare come diagnostica COVID-19 e migliorare l’accuratezza dei test COVID-19. I ricercatori sperano che questi controlli positivi, che sono stabili a temperatura ambiente per periodi di tempo prolungati ed economici da generare, possano essere utili in ambienti poveri di risorse [32].

Un’altra collaborazione tra due gruppi di ricerca a Toronto, in Canada, ha portato a un nuovo modo per combattere il COVID-19 utilizzando un peptide sintetico che si lega alla deubiquitinasi virale (DUB) ed è trasportato da un virus vegetale. Il lavoro è iniziato inizialmente esaminando il ruolo della proteasi virale, situata nell’ORF 1a del genoma del coronavirus responsabile del relativo virus MERS.

Questa proteasi contiene un’attività deubiquitinasi come mezzo per proteggere il virus dal sistema immunitario innato della cellula. L’ubiquitina è una proteina presente nelle cellule eucariotiche che svolge un ruolo importante nella regolazione delle proteine. 

Etichetta le proteine ​​indesiderate (proteine ​​mal ripiegate, proteine ​​virali) per essere degradate dal proteasoma in frammenti più corti o amminoacidi che possono essere riciclati per il metabolismo cellulare. Alcuni virus, come il coronavirus, esprimono deubiquitinasi (DUB) per prevenire la distruzione da parte della cellula.

Un peptide sintetico di circa 80 amminoacidi e noto come variante dell’ubiquitina (UbV) è stato creato dalla progettazione di librerie di visualizzazione fagica e ha dimostrato di legarsi strettamente a MERS DUB nel suo sito di legame ubiquitina, bloccando così la sua attività deubiquitinasi e la sua attività proteolitica ( Figura 4). È stato dimostrato che questo UbV sintetico blocca l’infezione da virus MERS in una linea cellulare umana, utilizzando un vettore lentivirus per l’ingresso nelle cellule [119].

Un analogo di questo UbV, che si lega selettivamente al DUB di SARS-CoV2, è stato recentemente progettato per l’uso nell’attuale pandemia [120]. Sia MERS che COVID-19 UbV sono stati fusi all’N-terminale della proteina del rivestimento di un vettore di espressione del virus vegetale noto come Papaya mosaic potexvirus (PaMV) (risultati non pubblicati). La proteina di fusione UbV:CP può assemblarsi in particelle simili a virus. È stato precedentemente dimostrato che PaMV penetra nelle cellule umane tramite la vimentina, una proteina del citoscheletro.

La nanoparticella del virus, caricata con COVID-19 UbV, può entrare nelle cellule e bloccare l’infezione da virus. È stato dimostrato che le nanoparticelle di Potexvirus entrano con successo nelle cellule epiteliali dei polmoni quando vengono introdotte sotto forma di spray aerosol. È possibile che questi VLP possano essere caricati in un inalatore per trattare i polmoni di pazienti infetti e non infetti.

La variante dell’ubiquitina viene prodotta anche in un vettore di geminivirus vegetale, da purificare come antivirale per i pazienti COVID-19 (manoscritto in preparazione). I Geminivirus, come il virus della nana gialla Bean, sono stati progettati per produrre grandi quantità di proteine ​​farmaceutiche dalle piante in periodi di tempo relativamente brevi [121]. Un nuovo anticorpo sintetico per COVID-19 che è stato progettato da una libreria di visualizzazione fagica è attualmente in fase di esame utilizzando il sistema vettoriale geminivirus [122].

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Figura 4
La variante sintetica dell’ubiquitina (UbV) blocca l’infezione da virus MERS in una linea cellulare umana [119]. ( a ) MERS PLpro in complesso con l’ubiquitina wild type o la variante inibitoria dell’ubiquitina ME4. ( b ) UbV ME4 porta a una drastica riduzione del titolo del virus nelle cellule MRC5 infettate da MERS-CoV.7. Ricerca futura contro il COVID-19.

La pandemia di COVID-19 è una sfida per tutti noi. Come risultato dell’attuale pandemia di COVID-19, terapie come Remdesivir, plasma convalescente (CP) ed estratti di foglie di Senna sono le migliori disponibili contro COVID-19, fino a quando non avremo in mano candidati vaccinali che hanno superato con successo esperimenti di laboratorio, animali sperimentazioni e tutte le fasi (1-3) delle sperimentazioni cliniche.

Possibili bersagli tra cui lo spike, il nucleocapside, la membrana, l’involucro, l’RNA polimerasi virale e la proteasi simile alla 3-chimotripsina (3CLpro), che scinde la poliproteina del virus in 11 siti distinti per generare varie proteine ​​non strutturali importanti per la replicazione virale, vengono tutti utilizzati per sviluppare potenziali vaccini e farmaci antivirali. Le particelle simili a virus (VLP) di SARS-CoV-2 possono fungere da vaccini promettenti perché hanno il potenziale per attivare la risposta immunitaria umana in modo simile al virus originale.

È necessario esplorare sistemi basati su piante per verificare se in questi sistemi possono essere generati VLP con struttura conservata e in quantità sufficiente [123]. Da un lato, ciò può includere l’ulteriore perfezionamento degli estratti di erbe, in particolare quelli che erano stati utilizzati in passato per inibire con successo il SARS-CoV, poiché potrebbero anche funzionare per bloccare il SARS-CoV-2.

L’uso di virus attenuati e vettori virali nell’uomo come vaccini può comportare alcuni rischi per la salute che comportano la possibilità di mutazione (nel caso di virus attenuati) e ricombinazione (nel caso di vettori virali). Anche lo sviluppo di anticorpi monoclonali contro SARS-CoV-2 potrebbe non essere una soluzione a lungo termine a causa di potenziali reazioni avverse. Pertanto, i VLP di SARS-CoV-2 generati da un sistema di espressione vegetale potrebbero fungere da vaccino praticabile per il futuro.

collegamento di riferimento: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7823519/


Maggiori informazioni: Hugues Fausther-Bovendo et al, Vaccini e terapie vegetali, Science (2021). DOI: 10.1126/science.abf5375

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