Verso un vaccino antinfluenzale universale

Le iniezioni d’influenza possono essere difficili da vendere al pubblico. Anche una banale infezione influenzale può essere debilitante per persone altrimenti sane, e letale per coloro che sono anziani o fragili, quindi le vaccinazioni sono importanti. Il problema è che i vaccini antinfluenzali forniscono prestazioni incoerenti. “In una buona stagione, siamo fino al 60% di efficacia, ma in anni cattivi, mal assortiti, può essere inferiore al 10% o 20%”, dice Barney Graham, vice direttore del Vaccine Research Center presso l’US National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) a Bethesda, Maryland.

I vaccini influenzali attuali forniscono protezione solo contro i ceppi a cui sono stati abbinati, quindi un vaccino influenzale ‘universale’ che fornisce una protezione più ampia contro la maggior parte dei virus influenzali è stato un sogno a lungo termine. La pandemia di influenza suina del 2009, che ha preso alla sprovvista la comunità della salute pubblica e ha causato la morte di mezzo milione di persone in tutto il mondo, ha dato nuova urgenza alla questione.

“La pandemia del 2009 ha reso ovvio e chiaro che non avevamo soluzioni abbastanza buone per i vaccini contro l’influenza”, dice Graham. “Conoscevamo il virus, ma non eravamo in grado di produrre abbastanza vaccino abbastanza rapidamente”. La produzione più efficace è una soluzione, ma una singola inoculazione che protegga sia dai ceppi stagionali che da quelli emergenti avrebbe un impatto molto maggiore.

Fortunatamente, i tempi della pandemia hanno coinciso con grandi progressi nello sviluppo di tecnologie per studiare la risposta umana all’influenza. “Intorno al 2008 o 2009, la gente ha iniziato a trovare alcuni anticorpi ampiamente neutralizzanti contro il virus dell’influenza”, dice Ian Wilson, un biologo strutturale specializzato nello sviluppo di vaccini allo Scripps Research Institute di La Jolla, California. “

Ora, circa 100 anni dopo la pandemia di ‘influenza spagnola’ del 1918 che uccise circa 50 milioni di persone, molteplici programmi di vaccino universale stanno dimostrando di essere promettenti nei test preclinici e clinici. Ma resta da vedere se qualsiasi programma fornirà alla fine l’ampia protezione che i medici cercano.

Un virus variabile

Peter Palese, un microbiologo della Icahn School of Medicine al Mount Sinai di New York City, ritiene che i vaccini antinfluenzali di oggi siano oggetto di troppe critiche. “Sono vaccini abbastanza buoni, ma non sono perfetti”, dice. Il problema principale, aggiunge, è che suscitano una risposta immunitaria mirata contro un bersaglio in movimento.

L’uomo è colpito da due tipi principali di influenza. L’influenza A e la B possono entrambe contribuire all’influenza stagionale, ma alcuni sottotipi di influenza A infettano preferibilmente gli ospiti animali. A volte questi sottotipi acquisiscono improvvisamente la capacità di infettare l’uomo, portando a pandemie come quella del 2009. Ogni anno il vaccino contro l’influenza stagionale è progettato per coprire due ceppi di influenza A e B, sulla base delle migliori ipotesi della comunità sanitaria pubblica su quali ceppi saranno dominanti quell’anno.

Ogni virus influenzale è costellato da centinaia di strutture molecolari formate da una proteina multifunzionale chiamata emoagglutinina. L’emoagglutinina aiuta il virus a legarsi e a penetrare nelle cellule ospiti. Comprende una testa ingombrante attaccata al virus da un gambo sottile. La maggior parte della risposta immunitaria è mirata alla testa perché è altamente esposta, ma c’è anche la prova che la testa contiene caratteristiche che elicitano preferenzialmente una forte risposta anticorpale. “Ci sono anelli strutturati, e gli anticorpi riconoscono facilmente gli anelli che sporgono in quel modo”, spiega James Crowe, direttore del Vanderbilt Vaccine Center di Nashville, Tennessee. Sfortunatamente, questi elementi immunodominanti sono anche molto variabili tra i ceppi.

I virus dell’influenza A sono particolarmente diversi. Sono classificati da numeri basati sul sottotipo di proteina emagglutinina (H) e una seconda proteina virale nota come neuraminidasi (N), con una variazione di ceppo ancora maggiore osservata tra questi sottotipi. Per esempio, la pandemia del 2009 è nata da un nuovo ceppo del sottotipo H1N1. L’estensione della variabilità dell’emoagglutinina significa che una scarsa selezione del ceppo può lasciare i destinatari in gran parte senza protezione – e anche un buon vaccino offre una protezione limitata contro i ceppi futuri. “In due anni, il virus può cambiare di nuovo, così possiamo essere nuovamente infettati e avere la malattia”, dice Palese.

A complicare ulteriormente la ricerca di un vaccino antinfluenzale universale è il fatto che il nostro sistema immunitario è fortemente influenzato dai suoi primi incontri con l’influenza attraverso un fenomeno chiamato imprinting – o, come è stato chiamato, ‘peccato antigenico originale’. Questo significa che gli individui hanno una forte risposta anticorpale ai virus con caratteristiche molecolari condivise dal ceppo incontrato durante la loro prima esposizione, ma essenzialmente partono da zero quando sono esposti per la prima volta a ceppi lontanamente correlati. “Non è che non puoi vedere il secondo virus – è solo come se fossi un bambino e lo vedessi per la prima volta”, dice Crowe.

L’imprinting è un’arma a doppio taglio perché l’esposizione precoce al ceppo giusto potrebbe teoricamente produrre una protezione ampia e vigorosa in risposta alla vaccinazione. Ma se il primo incontro di un bambino con l’influenza è con un ceppo relativamente insolito o atipico, la vaccinazione potrebbe rivelarsi meno efficace in termini di suscitare un’immunità ampiamente protettiva.

Stalking stability

Un vaccino che concentra la risposta immunitaria su un bersaglio più stabile del virus potrebbe superare il problema della diversità virale. I ricercatori sanno che tali obiettivi esistono da decenni. Nel 1983, Palese e i suoi colleghi hanno determinato che il dominio del peduncolo dell’emoagglutinina è così simile tra i ceppi che gli anticorpi possono riconoscere specifiche caratteristiche fisiche, note come epitopi, delle proteine dell’emoagglutinina di più sottotipi di influenza. Sfortunatamente, il gambo è una specie di tappezzeria immunologica, messa in ombra dall’influenza della testa. “Abbiamo ingegnerizzato epitopi nel gambo e gli stessi epitopi nella testa, e abbiamo ottenuto una risposta molto migliore agli epitopi nella testa”, dice Palese. Ma l’immunità può ancora emergere naturalmente in alcuni casi, e una serie di anticorpi specifici del gambo sono stati isolati da donatori umani nel 2008 e 2009.

Di recente, diversi gruppi di ricerca hanno ideato molteplici strategie vaccinali per provocare selettivamente una risposta staminale specifica. Il team di Graham al NIAID, per esempio, ha intrapreso un processo minuzioso di ingegneria proteica di una versione autonoma del gambo di un virus influenzale H1. “Ci sono voluti circa sette o otto anni per ingegnerizzarla e stabilizzarla abbastanza da mantenere le giuste superfici e strutture”, dice Graham. I ricercatori hanno successivamente generato nanoparticelle che mostrano copie multiple di questi steli ingegnerizzati e hanno dimostrato1 che queste potrebbero generare una forte protezione contro sottotipi completamente diversi di influenza A, come H5 – almeno nei modelli animali. Questo progetto di vaccino è ora in fase I di sperimentazione clinica e potrebbe in linea di principio conferire protezione contro molti dei più importanti sottotipi di virus pandemico. Un nuovo costrutto di staminali di emoagglutinina sviluppato dal NIAID potrebbe portare a una protezione ancora più ampia contro i sottotipi rimanenti.

Palese e Florian Krammer, un virologo che è anche al Mount Sinai, hanno sviluppato un approccio alternativo per stimolare l’immunità specifica delle staminali. Hanno generato più virus influenzali con proteine emagglutinine chimeriche in cui lo stesso dominio del gambo è accoppiato con vari domini di testa esotici da sottotipi di virus che infettano principalmente gli uccelli e sono quindi improbabili per innescare una risposta basata sull’imprinting negli esseri umani. “Se poi si rivaccina con un vaccino che ha lo stesso gambo ma una testa completamente diversa, la memoria immunitaria contro il gambo potrebbe essere potenziata”, spiega Krammer.

Questo approccio utilizza l’intera particella del virus, creando il potenziale per suscitare un riconoscimento immunitario parallelo di altri antigeni dell’influenza. Sulla base di prove promettenti di protezione incrociata contro diversi sottotipi di influenza A negli animali, il team del Mount Sinai sta ora conducendo studi di fase I per esplorare la sicurezza e l’efficacia del vaccino negli esseri umani.

Punti deboli nascosti

Inspirati dalla scoperta di anticorpi di gambo cross-protettivi in natura, diversi gruppi di ricerca hanno allargato la rete per trovare altre molecole del genere. “Usiamo tutti i tipi di donatori – persone che sono attivamente malate, persone che hanno recuperato dall’influenza aviaria, o andremo in altri paesi per trovare donatori con esposizione a ceppi insoliti”, dice Crowe. Dopo aver isolato le cellule B produttrici di anticorpi da questi individui, i ricercatori possono tracciare un profilo completo dei bersagli specifici dell’influenza che suscitano una risposta immunitaria naturale e identificare gli anticorpi che potrebbero avere ampie capacità di neutralizzazione dell’infezione.

Questi studi hanno rivelato che anche nel dominio della testa variabile dell’emoagglutinina ci sono elementi strutturali che sono coerenti tra i sottotipi di influenza. Nel 2012, i ricercatori dello Scripps e del Janssen’s Crucell Vaccine Institute di Leiden, nei Paesi Bassi, hanno identificato2 un anticorpo chiamato CR9114, che ha mostrato un’ampiezza di riconoscimento senza precedenti. “Questo potrebbe effettivamente legarsi sia all’influenza A che all’influenza B”, dice Wilson, che ha contribuito a caratterizzare l’anticorpo. Questo anticorpo viene ora utilizzato per identificare epitopi target sull’emoagglutinina che possono essere sfruttati per ottenere una neutralizzazione del virus di vasta portata sia per la prevenzione che per il trattamento.

In alcuni casi queste ricerche hanno rivelato vulnerabilità inaspettate nel virus. L’emagglutinina normalmente si assembla in complessi altamente stabili di tre molecole strettamente accoppiate, ma Crowe e Wilson hanno scoperto3 quest’anno che questi trimeri occasionalmente si aprono per esporre un punto debole a cui gli anticorpi possono legarsi, potenzialmente contrastando l’infezione da una vasta gamma di virus influenzali A. “Questa interfaccia trimer è un nuovo epitopo universale dell’influenza, e tutti ne vanno matti”, dice Crowe. “Non è nemmeno chiaro come funziona, ma funziona chiaramente negli animali.”

Molto della variabilità tra i virus dell’influenza è solo superficiale. Sonda più profondamente all’interno della particella virale e trovi una maggiore somiglianza nelle proteine essenziali. Queste sono fuori dalla portata degli anticorpi, ma possono essere riconosciute dalle cellule T – un elemento del sistema immunitario che può prendere di mira ed eliminare le cellule infettate dall’influenza, che presentano firme peptidiche dei loro intrusi virali.

Finora, gli anticorpi sono stati l’obiettivo principale della comunità dei vaccini perché rappresentano una prima linea cruciale di difesa contro le particelle virali circolanti, ma le cellule T forniscono una protezione critica contenendo l’infezione una volta che è in corso. “Le persone vengono esposte e infettate in media ogni due o tre anni”, dice Sarah Gilbert, che dirige lo sviluppo del vaccino all’Istituto Jenner dell’Università di Oxford, nel Regno Unito. “La stragrande maggioranza di queste infezioni sono asintomatiche o lievi”, dice, “e la ragione è che le persone hanno una risposta delle cellule T che è abbastanza forte da proteggerle.”

In generale, suscitare una risposta veramente protettiva delle cellule T comporta il risveglio delle cellule T di memoria che si sono formate in seguito a una precedente esposizione. Il team di Gilbert utilizza un virus vaccinia zoppo che può infettare le cellule umane e che sintetizza due diverse proteine influenzali immunostimolanti, ma è incapace di replicarsi ulteriormente. “Con una sola dose, abbiamo visto una spinta nelle risposte preesistenti delle cellule T tra otto e dieci volte negli esseri umani”, dice Gilbert. Aggiunge che le proteine bersaglio sono identiche al 90% tra i virus A dell’influenza, offrendo il potenziale per un’ampia protezione contro i ceppi pandemici.

Il vaccino di Gilbert è in fase di due studi di fase II sotto la guida di Vaccitech, una società che ha co-fondato a Oxford. Una potente risposta delle cellule T sembra anche contribuire all’apparente protezione incrociata offerta da un vaccino antinfluenzale con difetto di replicazione della FluGen, con sede a Madison, Wisconsin, che ha riportato il successo in un recente studio clinico di fase II.

Trials and tribulations

Anche con diverse promettenti serie di studi umani in corso, la strada verso la clinica rimane irta di difficoltà. I topi sono spesso utilizzati per i primi studi di sviluppo preclinico del vaccino, ma Palese sottolinea che non sono un serbatoio naturale per il virus dell’influenza. Molti ricercatori passano quindi rapidamente a usare i furetti per testare i loro candidati vaccini, perché sono ampiamente suscettibili all’influenza e sono fisiologicamente più simili agli esseri umani in quanto i furetti hanno un tratto respiratorio più lungo dei topi. Entrambe le specie hanno vita breve, tuttavia, rendendo difficile studiare gli effetti di un vaccino su molti cicli di esposizione all’influenza.

Gilbert ha iniziato a lavorare sui maiali in collaborazione con il Pirbright Institute vicino a Woking, Regno Unito. Questa specie longeva potrebbe servire sia come utile banco di prova che come importante beneficiario per i vaccini. “Il tratto respiratorio superiore del maiale è molto simile a quello umano e tendono a essere infettati dagli stessi virus”, dice. “E c’è bisogno di vaccini contro l’influenza nei maiali – si pensa che il virus pandemico H1N1 del 2009 provenga dai maiali”.”

Krammer ha anche usato i maiali come modello, ma dice che le loro grandi dimensioni li rendono difficili da usare di routine nella ricerca. Inoltre, è titubante nel trarre troppe conclusioni da qualsiasi modello animale: “Puoi usarli per selezionare i candidati e per la sicurezza, ma con i vaccini antinfluenzali universali, il modello animale definitivo è l’Homo sapiens.”

La prova definitiva per qualsiasi vaccino antinfluenzale è la protezione contro la malattia negli studi clinici. Ma per un vaccino universale putativo, tale prova è più complicata. Un numero crescente di gruppi sta usando prove di “sfida umana”, in cui volontari sani sono deliberatamente esposti a un particolare ceppo influenzale dopo la vaccinazione. Questo approccio permette prove più veloci con coorti più piccole e condizioni di esposizione definite – abbassando il costo della prova – e permette anche ai ricercatori di scegliere a mano i virus contro cui vogliono proteggersi.

Ma le prove di sfida hanno anche i loro critici. “Non è un’infezione naturale. Bisogna inoculare le persone con un milione o anche dieci milioni di particelle di virus”, dice Krammer, “e non sembra funzionare come un’infezione naturale”. Queste prove lasciano fuori anche i molto giovani e gli anziani, che sono i gruppi più vulnerabili all’influenza.

Un altro problema è che la US Food and Drug Administration richiede ancora una prova nel mondo reale prima di dare l’approvazione, e queste sono difficili e costose. Richiedono migliaia di partecipanti per garantire che un numero sufficiente di persone sia esposto all’influenza, e devono abbracciare diverse stagioni per dimostrare l’efficacia contro più ceppi di virus o sottotipi.

Molti ricercatori accademici dicono che anche imbarcarsi in una sperimentazione clinica può rappresentare una sfida quasi insormontabile, perché richiede l’accesso a strutture di produzione sofisticate che soddisfano l’elevato standard di buona fabbricazione. “Anche se si tratta di un costrutto semplice, stiamo parlando di almeno un anno per realizzarlo e di un costo di circa 1 milione o 2 milioni di dollari”, dice Krammer. Alcune grandi aziende come GlaxoSmithKline e Janssen hanno fatto questi investimenti, ma ottenere un tale finanziamento da enti pubblici o privati non è affatto facile. Gilbert ha lottato per cinque anni per ottenere finanziamenti prima di lanciare la sua azienda, che ha raccolto il capitale necessario per portare il programma di vaccino del suo laboratorio alla fase II di sperimentazione.

Altri investimenti potrebbero essere in arrivo. Negli ultimi anni, sia il NIAID che la US Biomedical Advanced Research and Development Authority hanno dato la priorità allo sviluppo di un vaccino universale, e la Bill & Melinda Gates Foundation ha unito le forze con organizzazioni governative e non governative per formare il Global Funders Consortium for Universal Influenza Vaccine Development.

Alzare la barra

I vaccini ora in fase di sviluppo promettono una protezione molto più ampia degli attuali vaccini stagionali ma sono ben lontani dall’essere veramente universali. L’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) vede ancora un valore considerevole in tali vaccini, e ha chiesto un vaccino che impedisca la malattia grave da tutte le forme di influenza A entro il 2027, il che impedirebbe le pandemie. Ma Krammer sottolinea che le infezioni stagionali dell’influenza B possono anche infliggere un grave tributo di morte, e sia lui che Palese hanno concentrato i loro siti sulla vera universalità. “Penso che l’OMS stia facendo la barra troppo bassa”, dice Palese. “Dovremmo davvero cercare di puntare in alto”.

La protezione universale non deve comportare l’eliminazione di tutte le tracce del virus dell’influenza, ma semplicemente fornire un’immunità sufficiente a ridurre al minimo i sintomi dell’infezione. Anche il raggiungimento di questo obiettivo più modesto richiederà probabilmente un attacco su più fronti. “Gli anticorpi staminali contribuiscono alla protezione ma probabilmente non sono sufficienti per una protezione molto potente”, dice Crowe. “Sarebbero solo una parte dello schema”.

Infatti, Gilbert sta esplorando il potenziale di un assalto immunologico più ampio che fonde il vaccino staminale chimerico del gruppo del Mount Sinai con la tecnica di vaccinazione del suo team. “Almeno nei topi”, dice, “combinando questi due approcci è stato meglio di uno dei due da solo.”

Una maggiore comprensione del sistema immunitario umano e della sua risposta all’infezione potrebbe informare strategie di vaccinazione più intelligenti. Nel maggio 2019, il National Institutes of Health degli Stati Uniti ha assegnato 35 milioni di dollari a un team internazionale di ricercatori per tracciare il profilo dell’immunità dei bambini piccoli negli anni dopo la loro esposizione iniziale all’influenza, fornendo le intuizioni più profonde finora nel processo di imprinting.

I loro risultati potrebbero aiutare i progettisti di vaccini a capire il modo migliore per ricablare il sistema immunitario mentre rimane malleabile. E questo, dice Crowe, potrebbe essere un cambio di gioco. “Si potrebbe immaginare di fare una vaccinazione universale come prima esposizione, con un imprinting benefico per il resto della vita”, dice.