Alpaca & COVID-19 spiegati facile

Oggi parleremo di un alpaca di nome Tyson e del COVID-19.

Perché un alpaca?

È presto detto.

A Settembre è esplosa la notizia, su molti giornali o presunti tali, secondo cui gli alpaca ci potrebbero salvare dal SARS-CoV-2 (nome del virus). Si è alzato un gran polverone alla ricerca dello scoop da prima pagina e, come spesso succede, a farne le spese è stata l’accuratezza con cui sono stati riportati i fatti.

Con questo articolo, vorrei prima di tutto mostrarvi il bel faccione di Tyson e, poi, approfittarne per riprendere la notizia e sciorinarla un po’ meglio.

(Ma quanto è bello il vocabolo “sciorinare”?)

Tyson che fa finta di non guardare la fotocamera. Fonte.

Nell’affrontare questa discussione, contestualizzandola nelle dinamiche della pandemia di COVID-19 (nome della malattia), ne approfittiamo anche per spiegare, in maniera molto basilare, come funziona il vaccino di cui tanto si sente parlare, cosa si intende quando si parla di anticorpi monoclonali e plasma iperimmune, termini entrati di prepotenza nelle nostre case, ma di cui non è scontato sapere il significato.

Andiamo con ordine.

Disclaimer: abbiamo cercato di mantenere l’articolo il più leggero possibile, senza appesantirlo con nomi e tecnicismi superflui. Se la parte sul sistema immunitario non vi interessa, skippate direttamente al paragrafo sugli alpaca, sul vaccino, sul plasma iperimmune e sugli anticorpi monoclonali!

Cenni sul sistema immunitario

Non farò un trattato di immunologia, ma un breve ed elementare riepilogo di come il nostro sistema immunitario arrivi a produrre gli anticorpi è d’obbligo per arrivare a parlare dei nostri amici alpaca.

Il nostro sistema immunitario conta tanti tipi di cellule diverse, fra queste ci sono i linfociti. I linfociti esercitano la cosiddetta immunità acquisita o adattativa, molto efficace e specifica nei confronti di ciascun patogeno. Facciamo questo distinguo, perché esiste anche una risposta immunitaria innata, definita anche immunità naturale o aspecifica, che è la stessa a prescindere dal tipo di patogeno e che possediamo dalla nascita.

Le principali cellule del sistema immunitario. Fonte.

Linfociti B

Distinguiamo due grandi gruppi di linfociti, i linfociti B e i linfociti T (che a loro volta hanno dei sottogruppi), e un gruppo più piccolo, i linfociti NK, meno numerosi delle classi precedenti.

Concentriamoci sui linfociti B, che sono quelli che producono i famosi anticorpi. Affinché si attivi una risposta anticorpale, uno o più linfociti B devono riconoscere un patogeno, o meglio, una parte di esso, e attivarsi; ma come fanno?

Virus e batteri sono ricoperti da proteine di membrana con funzioni e forme diverse. I linfociti B, a loro volta, espongono degli anticorpi sulla loro membrana che funzionano da recettori. La caratteristica pazzesca è che ogni linfocita B ha anticorpi leggermente diversi.

L’immagine raffigura il legame fra un recettore del linfocita B e le proteine di membrana di un patogeno. In gergo tecnico si dice che il recettore riconosce l’antigene (la proteina del patogeno) e si lega ad esso in una precisa zona, chiamata epitopo. Fonte.

Fra le centinaia di migliaia di linfociti B, è altamente probabile che almeno uno di essi possegga un recettore in grado di legarsi e riconoscere proteine “estranee”, che prendono il nome di antigeni. In maniera del tutto casuale, mentre se ne vanno a spasso nei tessuti linfatici, uno o più linfociti B possono incontrare e riconoscere un antigene e attivarsi. Se parliamo di antigeni presenti su virus e batteri, questo incontro è, ovviamente, più probabile nel corso di un’infezione, quando molte più particelle virali o batteriche sono presenti nel nostro corpo.

Linfociti B attivati

Un linfocita B, che ha riconosciuto e legato il proprio antigene per la prima volta, in alcuni casi, può attivarsi autonomamente e cominciare a produrre anticorpi, più frequentemente, però, necessita di un linfocita T, detto helper, che lo aiuti in questo processo di attivazione (risposta immunitaria primaria).

Una volta attivato, passano diversi giorni, durante i quali, all’interno del linfocita B, avvengono tutte le preparazioni alla fase successiva. A questo punto, cominciano una serie di divisioni che generano un certo numero di copie del linfocita, una parte di esse si differenzia in cellule B della memoria, una parte diventa plasmacellule.

L’immagine raffigura un linfocita B che si è attivato dopo essersi legato all’antigene di un batterio. Con l’aiuto di un linfocita T (cellula in giallo), detto helper, il linfocita B completa la sua attivazione e si scinde in cellule della memoria e plasmacellule. Fonte.

Le prime conservano il “ricordo” dell’antigene incontrato, in modo da produrre anticorpi molto prima, qualora lo si incontrasse nuovamente (risposta immunitaria secondaria), donandoci la cosiddetta “immunità”.

Le seconde sono le fabbriche di anticorpi che, ricordiamo, sono specifici per ogni patogeno, o meglio, per ogni antigene. Per questo, i linfociti B attuano una risposta immunitaria specifica, perché gli anticorpi contro il virus del morbillo sono diversi da quelli contro il virus della varicella.

Anticorpi

Gli anticorpi, prodotti dalle plasmacellule a ritmi di 10.000 al secondo, sono costituiti da quattro sub-unità e posseggono una peculiare struttura a Y. Semplificando, possiamo dire che, al termine dei bracci della “Y”, vi è una struttura in grado di agganciarsi ad una zona precisa dell’antigene chiamata epitopo. Legandosi all’antigene, gli anticorpi ricoprono il patogeno ed esercitano la funzione di opsonizzazione.

Struttura di un anticorpo: in rosa le due catene leggere, in verde acqua le due catene pesanti. Unendosi assumono la forma a Y e creano il sito per il legame dell’antigene (in verde), che è specifico per ogni linfocita B. Fonte.

Che significa?

Una volta che hanno ricoperto il patogeno, gli anticorpi fanno un fischio alle cellule capaci di fagocitare (macrofagi, granulociti neutrofili, ecc.), che arrivano e fanno la sagra del patogeno, magnandosi tutto. Questo è il motivo per cui si dice che i linfociti B esercitano una risposta immunitaria umorale, che si esercita tramite la secrezione di anticorpi e non dal contatto cellula-cellula, come fanno, invece, i macrofagi.

Una volta rilasciati, gli anticorpi (A) opsonizzano il patogeno (B), ricoprendolo. A seconda dei casi, si possono ottenere varie strutture (2a, 2b, 2c) che possono avere diversi destini, uno di questi è finire nelle “fauci” di un macrofago. I macrofagi, in genere, riescono a fagocitare i patogeni anche se non osponizzati, ma in maniera molto meno efficiente. Fonte.

Ma non solo; se, come abbiamo accennato all’inizio, l’antigene dovesse essere una proteina di membrana (non sempre lo è), il fatto che ad essa si leghino gli anticorpi potrebbe impedire l’interazione virus-cellula e, quindi, impedire che esso entri nelle nostre cellule, prevenendo l’infezione stessa. Questa nozione ci sarà utile a breve.

Arriviamo al COVID-19 e agli alpaca

Nel caso specifico di SARS-CoV-2, una proteina abbastanza emblematica è la proteina Spike (S), che decora la superficie del virus, facendolo sembrare una corona, da cui il nome “coronavirus”. La proteina S contiene una regione S1, che serve a legarsi alla cellula bersaglio, aderendo a un particolare recettore umano (ACE2) e una regione S2, che successivamente consente l’ingresso del virus nella cellula.

Bellissima rappresentazione di SARS-CoV-2 con in evidenza le proteine Spike sulla membrana. Fonte.

Isolando la proteina Spike e iniettandola, che ne so, in un alpaca, per esempio, si può testare se l’animale sviluppi una risposta immunitaria. Ora sapete bene cosa succede: i linfociti B potrebbero riconoscerla, differenziarsi in plasmacellule e produrre anticorpi specifici per quella proteina.

Ed è esattamente quello che ha fatto un team di ricercatori svedesi, che ha pubblicato, il 4 settembre scorso, i risultati di questo studio su Nature Communications.

Iniettando la proteina Spike in un alpaca di nome Tyson, sono riusciti ad isolare un nano-anticorpo, chiamato Ty1, in grado di legarsi alla porzione S1 della proteina che si lega al recettore ACE2. Se gli anticorpi si legano e occupano quel sito, è verosimile che il virus non riesca a legarsi ai recettori delle nostre cellule e, quindi, non riesce ad infettarle.

Schema di come dovrebbe funzionare il vaccino. Fonte.

Non è fantastico? Certo che lo è, è una figata pazzesca.

Ma un dubbio rimane…

Perché un alpaca?

Ora, non devo certo stare qui a spiegarvi perché gli alpaca siano animali stupendi, vero?

Bitch, I’m Fabulous. Fonte.

Ma questo non è l’unico motivo per cui sono stati scelti.

Gli alpaca (Vicugna pacos), come altri camelidi, hanno degli anticorpi circa dieci volte più piccoli dei nostri! Qualche paragrafo fa dicevamo che i nostri anticorpi a Y sono costituiti da 4 sub-unità.

Ricordate?

Il motivo per cui gli anticorpi dei camelidi sono più piccoli è che sono costituiti da un’unica sub-unità, per questo vengono chiamati anticorpi a dominio singolo (nanobodies, in inglese). Altri animali che producono nanobodies sono i pesci cartilaginei come gli squali…

Capite bene la praticità di usare i camelidi, che al massimo ti sputano in un occhio, ma non ti dilaniano.

(Scherzo, gli squali sono altrettanto belli ed interessanti, ne abbiamo parlato in questo articolo!)

Differenza fra un anticorpo tradizionale, come potrebbero essere quelli dell’uomo, e i nano-anticorpi dei camelidi. Fonte.

Perché i “nano-anticorpi” sono interessanti?

È stato dimostrato che gli anticorpi dei camelidi a dominio singolo sono specifici quanto un normale anticorpo e, anzi, sono più resistenti alle alte temperature e all’azione di detergenti. Le loro piccole dimensioni ne determinano una più efficace permeabilità nei tessuti e la capacità di legarsi ad antigeni del patogeno anche nascosti in anse e zono poco accessibili.

Ma il grosso vantaggio è nella produzione su vasta scala. Essendo molecole molto piccole, costituite da circa 110 amminoacidi, si potrebbe isolare il loro gene e creare colture OGM di batteri o lieviti per la produzione di massa in bio-fermentatori. Come si fa da decenni con l’insulina per il diabete, il Roferon A per la leucemia e molti altri biofarmaci.

Schema che illustra il processo di produzione dell’insulina. Il gene dell’insulina viene isolato dal DNA umano e, tramite un plasmide, introdotto in un batterio. Utilizzando un apposito terreno di coltura, i batteri vengono fatti crescere e replicare in dei fermentatori, dai quali verrà estratta l’insulina a fine processo. Fonte.

Una cosa del genere è stata già testata in uno studio di un team di Shangai, che ha isolato un anticorpo particolarmente promettente dopo aver immunizzato quattro cammelli (Camelus bactrianus), utilizzando la proteina Spike di SARS-CoV-2. A questo punto, per produrre grandi quantità dell’anticorpo, sono state utilizzate, con successo, colture del lievito Pichia pastoris. L’anticorpo puro estratto è stato lavorato per produrre uno spray nasale che, ai primi sintomi, potrebbe essere usato per fermare da subito l’infezione del virus!

Un’altra opzione potrebbe essere nebulizzare una soluzione contenente questi anticorpi sulle superfici dove ci sono stati degli infetti.

Questo approccio è simile a un vaccino?

No, non proprio.

Di solito un vaccino introduce nel corpo patogeni opportunamente trattati, o frammenti di essi, in modo che i nostri linfociti B li riconoscano e attivino la risposta immunitaria specifica, senza che si manifesti la malattia. Quando, poi, l’individuo vaccinato viene a contatto con il patogeno virulento, grazie alle cellule B della memoria, il sistema immunitario reagisce immediatamente e neutralizza la minaccia.

È il nostro organismo che si immunizza e poi produce anticorpi contro il patogeno, si parla infatti di immunità attiva.

A proposito, ma come funziona il vaccino per il COVID-19?

Nel caso del vaccino di Moderna e Pfizer/BioNTec, si è utilizzato un “vaccino a mRNA“, che funziona in maniera diversa. Invece di iniettare la proteina virale, una persona riceve l’informazione genetica, sotto forma di mRNA, che codifica per la proteina virale. Una volta iniettato nel braccio, le nostre stesse cellule muscolari traducono l’mRNA per produrre la proteina virale direttamente nel corpo.

Questo approccio imita ciò che il SARS-CoV-2 fa in natura, con la differenza che l’mRNA del vaccino è solo una minuscola parte di quello del virus e codifica solo per il frammento critico della proteina virale. Ciò fornisce al sistema immunitario un’anteprima di come appare il vero virus, senza causare la malattia.

Senza. Causare. La. Malattia.

Dopo l’iniezione, l’mRNA promuove la produzione di proteine all’interno delle cellule muscolari, che di norma raggiunge i livelli massimi dopo 24-48 ore, poi la molecola viene degradata.

L’mRNA NON PUO’ ENTRARE NEL NOSTRO DNA IN NESSUN MODO. Meglio chiarirlo.

Siccome le molecole di mRNA sono molto instabili, è necessario tenerle a bassissime temperature per evitare che si rompano, per questo il vaccino va tenuto a -70°C.

L’utilizzo dell’mRNA al posto delle proteine virali ha permesso di accorciare i tempi, perché ottenere grosse quantità di proteina virale pura avrebbe comportato molto molto più tempo.

Schema riassuntivo del meccanismo di azione del vaccino a mRNA. Fonte.

E gli anticorpi monoclonali?

Con questa strategia si inietta nel paziente direttamente l’anticorpo specifico contro il patogeno, prodotto esternamente.

Per fare ciò bisogna:

  • Trovare individui che hanno contratto la malattia e che hanno prodotto anticorpi molto efficienti contro il patogeno (non tutti gli anticorpi hanno la stessa efficacia!), alternativamente si può fare la stessa cosa da animali geneticamente modificati per produrre anticorpi compatibili con l’uomo;
  • Isolare le plasmacellule che hanno generato questi anticorpi;
  • Mettere in coltura le plasmacellule e produrle in grandi quantità

Questa strategia è già stata portata avanti con il COVID-19, tant’è che il presidente americano Donald Drump è stato curato proprio da due linee di anticorpi monoclonali, una ottenuta da un paziente umano e l’altra da un topo.

Da un punto di vista pratico, il protocollo per ottenere un gran numero di plasmacellule è molto laborioso, perché bisogna immortalizzarle per renderle capaci di moltiplicarsi indefinitamente.

Non vi allarmate, queste cellule non verranno poi somministrate ai pazienti, ma verranno usate per produrre anticorpi che verranno estratti e separati dalle colture cellulari. Se non si facesse così, dopo diversi cicli di replicazione, le plasmacellule morirebbero e addio produzione industriale di anticorpi.

Tipico protocollo per ottenere anticorpi monoclonali da topi. Viene somministrato l’antigene al topo, vengono estratte le cellule dalla milza e fuse con delle cellule tumorali per immortalizzarle. Le cellule vengono messe in coltura e riprodotte, gli anticorpi che producono vengono testati per efficacia. Vengono infine portate avanti solo le colture che hanno prodotto gli anticorpi migliori. Fonte.

È una strategia che ha dei costi molto elevati, ma che, sicuramente, rappresenta un’arma contro questo ed altri virus.

A differenza del vaccino, che dona un’immunità “attiva”, in questo caso gli anticorpi non li produciamo noi, ma vengono dall’esterno, per questo si parla di “immunità passiva”. Va da sé che, quando la loro concentrazione nel corpo va scemando, saremmo di nuovo suscettibili alla malattia.

Ma a che stadio si usano gli anticorpi monoclonali?

Bella domanda.

Potenzialmente a qualsiasi stadio ma, essendo le dosi molto limitate, bisogna scegliere. Da alcuni risultati, sembra che si possa usare questi anticorpi in maniera preventiva, specialmente su persone a rischio. Iniettando una dose in una persona anziana, o a rischio, la si potrebbe immunizzare per un tot di tempo, ma non abbiamo modo di produrre così tanti anticorpi monoclonali. Parliamo di milioni di persone solo in Italia.

E se li dessimo a persone con sintomi molto gravi? Purtroppo sembra che per la malattia in stadio avanzato, questa strategia non sia molto efficace, come annunciato da una delle aziende che li sta producendo. Per le persone in condizioni gravi, poche cose funzionano, qualche risultato si è visto con farmaci steroidei, come il dexamethesone, che, curiosamente, inibiscono il sistema immunitario. Questo perché in questo stadio, già critico di per sé, parte dei danni ai tessuti respiratori vengono proprio dal nostro sistema immunitario che cerca di combattere il virus.

Confezione di Dexmethasone. Fonte.

Probabilmente la strategia migliore può essere somministrare questi anticorpi a persone con lievi sintomi. Avremo, però, dosi a sufficienza solo se abbassiamo il numero di contagiati per giorno.

E il famoso plasma iperimmune?

Il nome corretto da usare sarebbe “plasma da convalescenti”.

Questa strategia, come la precedente, dona un’immunità passiva, utilizzando il plasma di persone che hanno contratto la malattia.

Il plasma è la porzione del sangue che si ottiene facendo precipitare tutte le cellule (globuli rossi, bianchi, etc.). È un liquido giallognolo che contiene, fra le altre cose, gli anticorpi. Un’iniezione di plasma da convalescenti è concettualmente molto simile all’uso degli anticorpi monoclonali, si introducono, cioè, anticorpi prodotti da altri, all’interno del nostro corpo.

Ma questa strategia è molto più limitante della precedente, perché, oltre a confermare che non è utile per trattare persone con sintomi molto gravi, si aggiunge il già noto problema della reperibilità del prodotto e quello della sua standardizzazione.

Sembra pipì, ma vi assicuro che è plasma. Fonte.

Due persone guarite dal COVID-19 possono aver avuto una reazione anticorpale molto diversa e presentare diverse concentrazioni di anticorpi nel sangue.

Questo rende impossibile standardizzare le dosi di plasma e, per forza di cose, alcuni riceveranno plasma con più anticorpi e altri con meno. Tendenzialmente, persone che hanno avuto pesanti sintomi hanno le concentrazioni più alte. Spesso queste persone sono anziane, purtroppo la classe più sensibile a questa malattia, capite dove voglio arrivare?

Il plasma “migliore” dovremmo chiederlo a persone già provate da lunghe degenze in ospedale e in età delicate. La gran parte degli asintomatici giovani e in forze non ha, verosimilmente, un plasma con alte concentrazioni di anticorpi.

Un paziente, inoltre, necessita di più dosi di plasma, quindi sono necessari più donatori per ogni singolo paziente. Con i numeri attuali e pensando alla situazione su scala mondiale, torna il grosso limite di reperibilità della materia prima.

Prelievo del sangue da un donatore guarito dal COVID-19 e trasfusione in un paziente con gruppo sanguigno compatibile. Fonte.

Anche in questo caso, il plasma, resta un’arma a nostra disposizione. Non va, però, né presa come la soluzione definitiva né esclusa a priori e, sicuramente, non dovrebbe essere usata nei dibattiti politici da persone che neanche sanno cosa sia.

Conclusioni

Spero che questo articolo sia di qualche utilità a persone che non hanno una gran dimestichezza con l’immunologia e serva a rendere più comprensibile le varie vicende e gli aggiornamenti che arrivano sul virus.

Come ribadito dal canale Entropyforlife, su Youtube, con un video molto chiaro e completo sull’argomento, la macchina della ricerca che si è mossa per rispondere alla pandemia di COVID-19 sarà sicuramente utile a reagire anche a future potenziali pandemie.

In questo scenario, l’uso di nano-anticorpi potrebbe assumere un ruolo importante e noi tutti penseremo a quell’articolo di Missione Scienza su Tyson!

Tyson l’alpaca ti ringrazia per aver letto questo articolo.

Giovanni Cagnano

Plant Breeder di mestiere, divulgatore per hobby. Il mio percorso di studi comincia con Biotecnologie Agro-Industriali a Ferrara per proseguire a Perugia nella magistrale di Biotech Agrarie. Dopo un Erasmus in Danimarca in cui ho lavorato al mio progetto di tesi, mi è stato offerto un Industrial PhD finanziato da una borsa Marie Skłodowska-Curie presso l'azienda sementiera DLF. Sono attualmente rientrato in Italia per lavorare come breeder.

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