Data di pubblicazione: 09/06/2021
di Riccardo Bugliosi
Dopo l’avvento della pandemia da Sars-CoV-2 (COVID-19) è emerso chiaramente che le terapie basate sull’ RNA messaggero (mRNA) e nello specifico i vaccini basati su questa tecnologia sono l’oggi ed il futuro di una parte importante della farmacologia moderna.
Nello studio, realizzazione e quindi nella produzione di questi farmaci sono coinvolte scienze e tecnologie all’avanguardia come l’Intelligenza Artificiale, la Biologia Computazionale, l’ Immunologia Computazionale e la Nanomedicina (solo per fare degli esempi).
A partire dall’ultimo decennio del secolo scorso i ricercatori hanno studiato la possibilità di utilizzare l’mRNA per stimolare l’organismo a produrre una risposta immunitaria contro antigeni correlati ad una vasta gamma di patologie. L’esempio classico sono alcune neoplasie di cui si occupa l’ Immuno Oncologia mediante vaccini mRNA.
Nel corso degli studi sono sorte grandi difficoltà legate sia alla risposta immunitaria indotta nell’organismo (che poteva portare ad una reazione abnorme) sia alle problematiche di veicolazione e durata nel tempo delle molecole stesse (l’mRNA viene degradato rapidamente).
In questo contesto i risultati attesi non si sono manifestati e quindi è stato necessario restringere il campo di sperimentazione alle ricerche nel settore dei vaccini per le patologie infettive. Tale settore era però considerato meno remunerativo dagli investitori e dalle case farmaceutiche. In poche parole l’investimento nella ricerca sui vaccini non era ritenuto appetibile economicamente perché aveva margini di guadagno ristretti, il tutto con immaginabili ricadute sulle finanze di queste ricerche. Sappiamo di dovere molto a due ricercatori che a Cambridge (Massachusetts, USA) nonostante tutto hanno continuato a fare ricerca sull’utilizzo dell’mRNA. Si tratta di Katalin Karikó e Drew Weissman.
All’inizio del 2020 lo sviluppo e la realizzazione dei vaccini mRNA che oggi conosciamo è stato possibile in quanto gli ostacoli di cui abbiamo parlato sono stati faticosamente superati. Conosciamo la loro grande efficacia e da qui è nata un’accelerazione della ricerca focalizzata all’utilizzo di vari tipi di RNA come veicolo di terapie molto innovative.
Come abbiamo accennato nel caso dell’mRNA nello sviluppo di tali terapie occorre contrastare la sua instabilità una volta inoculato e trovare un veicolo fisico adatto per la sua trasmissione. Quest’ultimo problema viene affrontato utilizzando per lo più nanoparticelle lipidiche (così come avviene per i due vaccini mRNA anti Covid-19 che utilizziamo attualmente).
Nanotecnologie e veicolazione endocellulare
Lo sviluppo degli studi sulle nanoparticelle lipidiche in medicina è fondamentale per la veicolazione delle molecole di RNA. In virtù delle loro dimensioni e proprietà tali nanoparticelle possono penetrare nella cellula per endocitosi e quindi possono rilasciare la molecola di RNA nel citoplasma. Le nanotecnologie fanno parte delle cosiddette “Tecnologie Esponenziali”, quelle cioè che si sviluppano in maniera esponenziale e non lineare e quindi esulano dai comuni tempi di evoluzione della nostra esperienza quotidiana.
Le principali tecnologie esponenziali sono:
- L’Intelligenza Artificiale che è il filo conduttore dei miei articoli di Medicina 4.0
- La stampa 3D della quale vi ho parlato in relazione alle biostampanti ed alla medicina rigenerativa.
- Le Nanotecnologie
- La Robotica la quale ha ormai consolidate applicazioni in medicina.
- La Realtà Aumenta e la Realtà virtuale
- I computer quantistici.
Superare l’instabilità dell’mRNA
Sappiamo che l’mRNA è una molecola polimerica composta da un singolo filamento di nucleotidi il cui compito è di trasportare informazioni durante il processo di trascrizione dal DNA ai siti deputati alla sintesi proteica. Una volta terminata tale sintesi la molecola di mRNA viene degradata dagli enzimi cellulari.
Tale degradazione è rapida e questo significa che per stimolare la produzione degli antigeni verso i quali si vuole indurre una risposta immunitaria occorre introdurre nell’organismo sufficienti quantità di mRNA ed anche più volte nel tempo nel caso si abbia come obiettivo una patologia cronica o neoplastica.
Per capire come aumentare l’efficacia terapeutica oltre i limiti posti dall’ mRNA l’attenzione è stata da prima focalizzata sui diversi tipi di RNA esistenti per poi focalizzarsi in particolare su quelli chiamati Long Non-coding (lncRNA). Si tratta di molecole la cui struttura permette loro di essere molto più stabili. Si chiamano Non Codificanti perché non vanno incontro a traduzione e quindi il gene che le esprime non codifica per produrre una proteina ma una molecola di RNA di tipo non messaggero. I lncRNA sono una classe piuttosto eterogenea e sono “implicati in molti processi biologici, compresa l’inattivazione dei cromosomi sessuali, l’imprinting e la regolazione dell’espressione genetica”.
Apparentemente siamo ad un vicolo cieco: si tratta di molecole stabili ma non sono in grado di codificare e quindi dal punto di vista terapeutico non sembrano avere prospettive. I long ncRNA hanno però una caratteristica molto interessante:
la loro sequenza nucleotidica sembra essere cruciale per la loro funzione piuttosto che la loro stabilità strutturale.
Endless RNA
A partire dal 2017, con una startup chiamata Laronde, un ristretto team di ricercatori guidato da Avak Kahvejian e Noubar Afeyan ha cominciato a studiare la possibilità di utilizzare per scopi terapeutici il long non coding RNA di forma circolare (circRNA) che si trova in abbondanza nelle cellule dei mammiferi.
Il nome della società deriva dal francese e significa “Il giro”: c’è un evidente rimando alla forma circolare del lncRNA studiato. Laronde progetta una molecola proprietaria che ha chiamato Endless RNA (eRNA) che dovrebbe nei loro intenti permettere di realizzare farmaci che stimolino l’organismo a produrre specifiche proteine per un periodo di settimane se non mesi al fine di curare numerose di patologie.
Grazie alla sua particolare forma l’eRNA ha due fondamentali capacità: non è riconosciuto dal sistema immunitario innato ed è altamente stabile. L’espressione di tale molecola a scopi terapeutici è sia modulare che programmabile e può istruire l’organismo a produrre peptidi, enzimi, anticorpi, recettori sia all’interno che all’esterno della cellula.
Trasformare un RNA non codificante in un RNA codificante
Per rendere l’eRNA codificante il primo passo è stato quello di permettere che il ribosoma lo possa ingaggiare nonostante tale tipo di RNA non possegga la struttura specifica (5’end cap) che normalmente permette l’inizio della lettura della codifica RNA. La soluzione è stata trovata nei meccanismi di traduzione del codice genetico presenti nelle nostre cellule (eucariote) ed in quelli dei virus le cui sequenze geniche contengono l’IRES. L’IRES (Internal Ribosome Entry Site) è un elemento dell’RNA che permette l’inizio della trascrizione in assenza della struttura <5’ end Cap> e permette comunque la sintesi proteica.
Vi suggerisco il video che trovate a questo link perché vi permette un veloce ripasso del processo di trascrizione del DNA tramite l’RNA messaggero.
Questo è stato un passo fondamentale: il team ha incorporato una struttura IRES in un RNA circolare ed ha lavorato per ottimizzare le sue caratteristiche.
In una serie di esperimenti condotti l’eRNA non solo ha codificato correttamente ma ha prodotto enzimi per diverse settimane.
La grande potenzialità offerta dall’ eRNA è data dalla combinazione di programmabilità e durata nel tempo. Ciascuna struttura circolare dell’eRNA contiene una porzione che codifica per la proteina terapeutica desiderata. La porzione può essere progettata al computer e quindi inserita nell’eRNA. Possiamo considerare il farmaco come una serie di istruzioni che permettono all’organismo di produrre una molecola desiderata.
Il risultato è un’espressione genetica programmabile e duratura nel tempo. A questo va aggiunto che l’eRNA non è immunogenico, non è visto come estraneo, e quindi può essere inoculato più volte permettendo di affrontare patologie croniche o che abbisognano di una terapia a lungo termine.
Laronde al fine di prepararsi a degli scenari di diffusione globale dei propri prodotti ha già ottimizzato i metodi per creare e produrre eRNA su scala industriale. E’ sorprendente notare che lo sviluppo di questa startup è stato integrato nel contesto di una struttura residenziale nei pressi di Boston dove sono integrati tutti i servizi e le necessità degli operatori del settore. Nello stesso contesto si sono localizzate altre due startup di biotecnologie, la Tessera Therapeutics e la Cellarity.
Nell’ambito dello sviluppo delle terapie basate su circRNA esiste anche un’altra startup chiamata Orna Therapeutics. E’ stata creata nel febbraio 2021 e la sua attività si basa sugli studi compiuti da Daniel Anderson del MIT di Boston su come creare circRNA che siano capaci di esprimere proteine nelle cellule. La loro tipologia di circRNA è stata chiamata oRNA.
Conclusioni
Sorprendono sia la complessità che la dinamicità degli studi che sono stati progettati e quindi realizzati sia il gran numero di tecnologie coinvolte. La velocità di sviluppo di queste idee e scoperte è realmente impressionante. Fa riflettere.
A presto
Parole chiave: eRNA, mRNA, lncRNA, circRNA, oRNA, Spillover, Hypnerotomachia Poliphili.
Per contattare l’autore potete scrivere una mail a: comunicazione@cassagaleno.it
L’autore desidera ringraziare l’amico Fabio Mariotti per la fattiva collaborazione nella revisione del testo ai fini della sua leggibilità.
*Riccardo Bugliosi è medico, specialista in Medicina Interna. Ha pregressi studi universitari in Fisica ed Ingegneria Elettronica. Esperto di Intelligenza Artificiale lavora nell’ICT. Le sue pubblicazioni scientifiche e di divulgazione sono facilmente reperibili sul web.
