Coadiuvanti vaccinali – un componente essenziale nei vaccini moderni!

Il team di ricerca sugli adiuvanti dei vaccini allo Statens Serum Institut ha la missione di sviluppare nuovi adiuvanti dei vaccini.

I vaccini sono di gran lunga l’intervento medico di maggior successo nella storia, e solo l’accesso all’acqua pulita e ai servizi igienici ha portato a un miglioramento maggiore dell’aspettativa di vita. La prima generazione di vaccini consisteva in virus o batteri interi inattivati, attenuati o interrotti (divisi) che prevenivano malattie come il vaiolo, la tubercolosi (TB; vaccino BCG), il morbillo, la poliomielite (vaccini OPV/IPV) e l’influenza. Oltre a contenere gli antigeni del vaccino, tutte queste tecnologie vaccinali contengono anche componenti immunostimolatori che attivano il sistema immunitario innato per aumentare e modulare la risposta immunitaria adattativa agli antigeni. Un’altra strategia è stata quella di isolare, purificare e detossificare le tossine direttamente dagli agenti patogeni – un metodo applicato nei vaccini contro la difterite e il tetano.

Comune a molti di questi vaccini è che richiedono la produzione degli stessi agenti patogeni, sebbene spesso in forma attenuata. Gli ovvi svantaggi legati alla produzione di questo approccio sono stati aggirati con l’implementazione di metodi di produzione ricombinante che utilizzano sistemi di espressione benigni come l’E. coli per produrre gli antigeni vaccinali a base di proteine con alti rendimenti.

Aggiuvanti vaccinali

Questi vaccini altamente purificati e prodotti in modo ricombinante non sono in grado di attivare e potenziare sufficientemente la risposta immunitaria da soli. Gli adiuvanti sono quindi aggiunti per fornire il segnale di “pericolo” e innescare l’attivazione immunitaria innata e il potenziamento del vaccino.

I vaccini contro la difterite e il tetano contengono l’idrossido di alluminio adiuvante, che potenzia la risposta anticorpale antigene-specifica necessaria per proteggere contro queste infezioni. Questo adiuvante è stato il più usato fin dagli anni ’30, quando fu introdotto per la prima volta. Infatti, da allora solo un piccolo numero di adiuvanti basati su altri sali minerali, emulsioni di squalene e virosomi sono stati approvati per l’uso negli esseri umani. Una caratteristica comune di questi adiuvanti è che aumentano significativamente la risposta anticorpale umorale agli antigeni del vaccino, ma non sono in grado di montare il tipo di immunità cellulo-mediata (CMI; vedi box) che è importante per la protezione contro molte delle malattie infettive più impegnative oggi, come la tubercolosi, la clamidia e l’influenza pandemica.

I moderni adiuvanti dei vaccini, come l’adiuvante AS01 usato nel vaccino Shingrix® recentemente registrato (GSK) contro l’herpes zoster indotto dal virus varicella-zoster, consistono in un sistema di consegna, tipicamente basato su emulsioni o liposomi che portano molecole speciali che sono riconosciute come estranee dal sistema immunitario.

Questi immunostimolatori sono tipicamente analoghi sintetici dei cosiddetti ‘modelli molecolari associati ai patogeni’, o PAMP, e possono modulare le cellule immunitarie per reagire in un modo specifico. Possono, per esempio, spostare gli anticorpi indotti verso funzioni speciali o indurre un certo tipo di cellule T con capacità speciali di uccidere le cellule infette (le cosiddette ‘cellule T killer’ o ‘linfociti T citotossici’ (CTL)) o modulare l’homing delle cellule immunitarie verso tessuti specifici, come l’intestino o i polmoni.

La maggior parte degli immunostimolatori in sviluppo clinico attivano i recettori dei cosiddetti ‘toll-like receptors’ (TLRs) o ‘C-type lectin receptor (CLR) family’ e avranno un grande impatto sull’efficacia dei nuovi vaccini, soprattutto in quei casi in cui una forte risposta CMI è richiesta per la protezione.

Statens Serum Institut

Lo Statens Serum Institut danese è un’impresa statale sotto gli auspici del ministro della salute, e si trova vicino al centro della città di Copenhagen, Danimarca. Lo Statens Serum Institut è responsabile della preparazione della Danimarca contro le malattie infettive, coinvolgendo la sorveglianza delle malattie attraverso la collaborazione internazionale e la consultazione con il sistema sanitario danese e le autorità in caso di epidemie che richiedono un’azione urgente.

Ricerca sui vaccini allo Statens Serum Institut

La ricerca sui vaccini allo Statens Serum Institut risale alla fondazione dell’istituto nel 1902, quando fu istituito per produrre antisieri per la difterite. La ricerca si estese presto ad altre malattie epidemiche. La ricerca sui vaccini allo Statens Serum Institut si concentra sulle malattie che rappresentano una grande minaccia per la salute globale. Oggi lo sforzo principale è dedicato ai vaccini contro la tubercolosi, la clamidia, l’HIV e l’influenza pandemica.

Il programma di ricerca sui vaccini è parte integrante della missione principale dello SSI per quanto riguarda la preparazione e la fornitura di vaccini. La maggior parte della ricerca sui vaccini condotta allo Statens Serum Institut è collocata sotto il Center for Vaccine Research e copre l’intero sviluppo dei vaccini, dalla generazione di ipotesi e dalla ricerca di base alla valutazione clinica dei vaccini nell’uomo. Il centro si concentra sulle risposte immunologiche alle infezioni e sulla ricerca di base e traslazionale sui vaccini, coinvolgendo programmi dettagliati di scoperta dell’antigene volti a identificare le proteine espresse dagli agenti patogeni bersaglio e riconosciute dal sistema immunitario.

Attualmente, i due principali programmi strategici sui vaccini sono diretti allo sviluppo di nuovi vaccini contro la tubercolosi e la clamidia.

La tubercolosi è uno dei principali killer infettivi nel mondo attuale e ha causato circa 1,6 milioni di morti nel 2017, compresi 230.000 bambini. Il vaccino Bacillus Calmette-Guérin protegge efficacemente i bambini e viene dato ai neonati il più vicino possibile al momento della nascita nei paesi in cui la tubercolosi è comune. L’efficacia del BCG, tuttavia, diminuisce nel corso degli anni, e tipicamente ha poco effetto protettivo quando i bambini entrano nell’adolescenza. C’è quindi un urgente bisogno di vaccini che possano migliorare la protezione contro la tubercolosi, soprattutto negli adolescenti e negli adulti.

La clamidia trachomatis è una delle infezioni sessualmente trasmissibili più diffuse e ci sono stati 1,7 milioni di casi segnalati solo negli Stati Uniti nel 2017.

Purtroppo, questa infezione è apparentemente pesantemente sottodiagnosticata, con molti paesi che non riportano i tassi di malattia, rendendo difficile avere un quadro esatto del carico. Può causare danni permanenti al sistema riproduttivo delle donne, portando potenzialmente a una gravidanza ectopica fatale o all’infertilità.

Alcuni sierotipi di Chlamydia trachomatis causano inoltre il tracoma, infezione sotto le palpebre, che può portare alla cecità. Questa malattia è un problema sanitario importante in Africa, Asia e America centrale e meridionale, dove causa la cecità di 1,2 milioni di persone e la riduzione della vista in un altro milione di persone.

Entrambi gli agenti patogeni infettano le cellule e i vaccini contro di loro richiedono quindi adiuvanti che inducono una forte risposta CMI.

Ricerca sui coadiuvanti dei vaccini

Negli ultimi dieci anni, lo Statens Serum Institut ha sviluppato nuovi coadiuvanti per i vaccini, oltre ad essere coinvolto nello sviluppo di vaccini contro la tubercolosi e la clamidia.

Lo scopo della nostra ricerca è di personalizzare il coadiuvante per indurre l’esatta risposta immunitaria necessaria per controllare il patogeno in questione. Questo è possibile attraverso la costruzione di adiuvanti basati su liposomi che incorporano immunostimolatori. Gli immunostimolatori sono derivati da molecole PAMP naturali di microrganismi che innescano diverse parti del sistema immunitario. Le proprietà di questi liposomi possono essere modificate, e possono essere prodotti in diverse dimensioni e con diverse molecole incorporate a seconda della risposta immunitaria necessaria per un vaccino specifico. I liposomi fatti su misura sono combinati con l’antigene del vaccino nel vaccino finale. Il liposoma assicura che l’antigene del vaccino sia presentato alle cellule giuste del sistema immunitario e che venga generata la risposta immunitaria desiderata.

Nella nostra ricerca dell’adiuvante ideale per un antigene del vaccino modifichiamo sistematicamente la composizione del sistema di consegna del vaccino e/o degli immunostimolatori. Modifichiamo la composizione delle particelle di consegna al fine di cambiare le caratteristiche fisiche del sistema di consegna del vaccino, ad esempio in termini di dimensioni, fluidità o carica. Tali modifiche possono essere utilizzate per garantire l’adsorbimento ottimale dell’antigene, il deposito del vaccino, l’assorbimento e la presentazione in vivo, ecc. La fluidità del liposoma può, per esempio, avere una profonda influenza sulla distribuzione dei componenti del vaccino e sul livello di CMI e di risposte anticorpali.

Nella nostra ricerca dell’immunomodulatore ottimale abbiamo scoperto che diversi lipidi micobatterici hanno forti effetti immunomodulatori che possono essere sfruttati per lo sviluppo del vaccino. Siamo stati coinvolti nella scoperta del α, α´ trealosio 6,6´ dibehenate (TDB) come un efficace immunomodulatore per l’induzione di risposte immunitarie cellulo-mediate e la dissezione delle vie di segnalazione coinvolte.

Il programma di scoperta dell’immunomodulatore ha anche identificato il micobatterio monomycoloyl glycerol (MMG) come un efficace attivatore di cellule dendritiche umane e come un immunomodulatore, dando origine ad una risposta Th1 prominente in modelli animali. In questo programma di scoperta è stato anche importante per noi capire i meccanismi innati attivati da questi nuovi immunomodulatori. Infine, anche la via di vaccinazione è in fase di valutazione nel gruppo ed è stato dimostrato che ha un impatto importante sulla risposta immunitaria indotta. Stiamo quindi lavorando con diverse strategie di immunizzazione, compresa la consegna alle vie aeree superiori, per migliorare le risposte immunitarie protettive alle superfici mucosali.

Gli adiuvanti CAF di SSI

I nostri adiuvanti sono tutti basati su liposomi caricati positivamente e sono quindi chiamati formulazioni adiuvanti cationiche (CAF). La prima formulazione adiuvante sviluppata nel nostro laboratorio consiste in liposomi formati da dimetildiottadecilammonio (DDA) stabilizzati con l’immunomodulatore sintetico micobatterico TDB, che viene inserito nei bilayer lipidici.

DDA agisce come un veicolo di consegna che serve a promuovere l’assorbimento e la presentazione dell’antigene del vaccino nel relativo sottoinsieme di cellule presentanti l’antigene (APC), mentre TDB agisce come un immunomodulatore, attivando le APC per indurre risposte combinate Th1 e Th17 CMI. Insieme i due componenti, DDA e TDB, agiscono in sinergia per generare risposte altamente potenti delle cellule T e degli anticorpi che hanno dimostrato di essere efficaci nei vaccini contro una serie di malattie diverse, ad esempio in modelli animali di melanoma, influenza, clamidia, tubercolosi, streptococco di gruppo A e malaria.

CAF01 è stato testato in cinque studi clinici di fase I per valutare la sicurezza, la tollerabilità e l’immunogenicità di diverse dosi di CAF01 somministrate in combinazione con vari vaccini a base di proteine e peptidi (studi clinici nn. NCT00922363, NCT01009762, NCT01141205, NCT02787109). Questi studi hanno dimostrato che CAF01 è sicuro ed efficace nell’indurre le cellule T specifiche del vaccino, che svolgono un ruolo importante nella protezione contro, per esempio, la tubercolosi, la clamidia, la malaria e l’influenza pandemica.

Il nostro adiuvante di seconda generazione, CAF09, che consiste di DDA, MMG e polyIC, ha dimostrato di essere molto efficace nell’indurre le cellule T citotossiche antigene-specifiche contro antigeni proteici e peptidici. Questo adiuvante è quindi un potenziale candidato per i vaccini contro, per esempio, l’HIV, il cancro, l’influenza pandemica ecc. È attualmente in fase di valutazione clinica negli esseri umani in un vaccino terapeutico contro il cancro alla prostata (NCT03412786) e un vaccino contro il cancro basato su neo-antigeni contro vari tipi di cancro (un cosiddetto ‘basket trial’, NCT03715985).

Sulla base dei principi di CAF01 e CAF09, possiamo modulare ulteriormente la formulazione quando progettiamo adiuvanti su misura per specifici obiettivi di malattia attraverso la modifica dei liposomi cationici o incorporando diverse combinazioni di immunostimolatori in essi.

In questo momento stiamo combinando ligandi micobatterici non TLR con ligandi TLR tradizionali nei diversi veicoli di consegna. Il nostro scopo è quello di indurre risposte immunitarie altamente diversificate e complesse, e regolando i diversi parametri abbiamo dimostrato che possiamo influenzare l’isotipo anticorpale, la durata del deposito del vaccino e l’equilibrio CTL/Th1/Th17.

Discipline di ricerca

La consegna e la formulazione del vaccino è un progetto multidisciplinare che abbraccia sia la ricerca applicata che quella di base al massimo livello internazionale. Questo include:

• Caratterizzazione biochimica e fisico-chimica dei sistemi adiuvanti
• Studi sulla distribuzione e il destino delle formulazioni vaccinali in vivo
• Caratterizzazione immunologica di base della funzione adiuvante in vivo e in vitro
• Caratterizzazione delle risposte immunitarie indotte dal vaccino nell’uomo e nei modelli animali
• Risposte immunitarie protettive in diversi modelli di sfida.

Attualmente, abbiamo progetti di vaccini basati su proteine e peptidi nel campo della TBC, dell’influenza, della clamidia, dell’HIV e dello streptococco di gruppo A, così come vaccini terapeutici contro il melanoma e il papilloma virus umano in fase di valutazione. Inoltre, abbiamo una vasta esperienza nello sviluppo preclinico di vaccini a subunità adiuvati e siamo coinvolti nel sostegno di trial first-in-man di nuovi adiuvanti.

Collaborazioni

La ricerca è condotta in collaborazione con gruppi di ricerca di università danesi e internazionali, aziende biotecnologiche e istituzioni governative.
Importanti precedenti e attuali
collaborazioni includono:

ADITEC

Questo progetto ad alto impatto è durato dal 2011-2017 per sviluppare nuove strategie di vaccinazione. Lo scopo del progetto, finanziato attraverso il Settimo Programma Quadro (FP7) della Commissione Europea, era di accelerare lo sviluppo di nuove e potenti tecnologie di immunizzazione per la prossima generazione di vaccini umani. ADITEC ha fatto progressi significativi nello sviluppo di nuove tecnologie di immunizzazione, adiuvanti, vettori e sistemi di consegna, formulazioni e metodi di vaccinazione ottimizzati per diversi gruppi di età.

TRANSVAC2

Questo progetto di infrastruttura collaborativa è stato finanziato dal programma Horizon 2020 della Commissione Europea. Si tratta di uno sforzo congiunto tra i principali gruppi europei che lavorano nel campo dello sviluppo dei vaccini ed è stato progettato per accelerare lo sviluppo dei vaccini migliorando la ricerca europea sui vaccini e la formazione, e per aumentare la sostenibilità dei progetti sui vaccini della Commissione europea implementando un’infrastruttura di ricerca permanente per lo sviluppo iniziale dei vaccini.

BIOVACSAFE

Questo progetto finanziato dalla Innovative Medicines Initiative (IMI) si è svolto dal 2012-2018 con l’obiettivo di sviluppare strumenti all’avanguardia per accelerare e migliorare i test e il monitoraggio della sicurezza dei vaccini, sia prima che dopo il rilascio sul mercato. Riunendo tre delle principali aziende europee di sviluppo e produzione di vaccini, nonché i migliori esperti delle istituzioni accademiche e delle PMI, il progetto ha generato un’enorme quantità di risultati che possono accelerare lo sviluppo di una nuova generazione di vaccini più sicuri ed efficaci.

TBVAC2020

Questo progetto di ricerca Horizon 2020 mira a innovare e diversificare l’attuale pipeline di vaccini contro la TBC. Il progetto si basa sulle collaborazioni di grande successo e di lunga data nei successivi progetti finanziati dalla Commissione europea nell’ambito del 5°, 6° e 7° PQ sui vaccini contro la TBC e sui biomarcatori e riunisce scienziati e sviluppatori di 40 partner di ricerca per collaborare allo sviluppo di nuovi vaccini contro la TBC.

NeoPepVac

Questo progetto, finanziato dall’Innovation Fund Denmark e che coinvolge quattro partner, mira a generare vaccini personalizzati per l’immunoterapia basati su neoantigeni peptidici in combinazione con l’adiuvante CAF09b progettato per fornire un’immunoterapia ottimale attraverso l’induzione CTL. Sulla base di un’analisi approfondita della reattività immunitaria nei pazienti vaccinati e dell’identificazione dei neoepitopi usando modelli di topi singenici, miglioreremo gli algoritmi di previsione dei neoepitopi per i trattamenti futuri.

UNISEC

Questo consorzio finanziato dal FP7 della Commissione Europea includeva 11 partner provenienti dal mondo accademico, istituti di salute pubblica e l’industria dei vaccini.

Ha combinato le competenze nel virus dell’influenza e nella produzione del vaccino, nella formulazione del vaccino, nella somministrazione del vaccino, nei modelli animali preclinici, nelle letture immunologiche, nell’organizzazione e nell’esecuzione degli studi clinici, nella gestione e nell’analisi dei dati per confrontare diversi nuovi concetti di vaccino contro l’influenza al fine di identificare, sviluppare e testare clinicamente le piste più promettenti per un vaccino universale contro l’influenza.

ENOVA

Questo ‘Network sugli adiuvanti dei vaccini’ scientifico e tecnologico è stato finanziato da COST attraverso il programma europeo Horizon 2020. ENOVA riunisce esperti e stakeholder europei che lavorano in diverse aree della R&D di adiuvanti e vaccini, comprese le applicazioni profilattiche e terapeutiche e i vaccini umani e veterinari.

Gli obiettivi finali della rete sono quelli di facilitare la comunicazione e lo scambio di informazioni tra i suoi membri, per garantire che le nuove scoperte siano ampiamente diffuse in modo che il loro potenziale possa essere di beneficio ottimale, per promuovere il miglior uso delle tecnologie adiuvanti esistenti, e per incoraggiare e sostenere lo sviluppo di nuovi adiuvanti.

I coadiuvanti di proprietà SSI menzionati in questo articolo possono essere acquistati per lo sfruttamento preclinico e clinico contattando lo Statens Serum Institut. Vedere le informazioni di contatto qui sotto.

Fatti sugli adiuvanti

Aiuvante: Dal latino adjuva¯re; aiutare. Una sostanza che aumenta la risposta immunitaria stimolata da un antigene quando viene iniettata con l’antigene (Collins English Dictionary).

Informazioni sull’autore

Dennis Christensen è scienziato senior e leader della ricerca sugli adiuvanti dei vaccini allo Statens Serum Institut. È inoltre visiting professor all’Università di Strathclyde, Istituto di Farmacia &Scienza Biomedica, a Glasgow, Regno Unito.
Ha un dottorato di ricerca in scienze farmaceutiche e negli ultimi 15 anni si è occupato degli aspetti farmaceutici e immunologici degli adiuvanti dei vaccini e dei sistemi di consegna, compresa la consegna mirata di immunostimolatori e antigeni.

Pubblicazioni recenti in evidenza

1. Pedersen GK et al. Immunocorrelate degli adiuvanti della famiglia CAF. Semin Immunol 2018;39:4-13
2. Schmidt ST et al. Induction of Cytotoxic T-Lymphocyte Responses Upon Subcutaneous Administration of a Subunit Vaccine Adjuvanted With an Emulsion Containing the Toll-Like Receptor 3 Ligand Poly(I:C). Front Immunol 2018;9:898
3. Vono M et al. Superare le limitazioni neonatali dell’induzione dei centri germinali attraverso adiuvanti a base di liposomi che includono agonisti delle lectine di tipo C Trealosio Dibehenate o Curdlan. Front Immunol 2018; 9:381
4. Christensen D et al. Seasonal Influenza Split Vaccines Confer Partial Cross-Protection against Heterologous Influenza Virus in Ferrets When Combined with the CAF01 Adjuvant. Front Immunol 2018; 8:1928
5. Christensen D et al. Le cellule Th17 indotte dal vaccino si stabiliscono come cellule di memoria residenti nel polmone e promuovono risposte IgA locali. Mucosal Immunol 2017;10(1):260-270
6. Schmidt ST et al. La via di somministrazione è decisiva per la capacità dell’adiuvante vaccinale CAF09 di indurre risposte di cellule T CD8+ antigen-specifiche: Le conseguenze immunologiche del profilo di biodistribuzione. J Control Rel 2016; 239:107-117

Dennis Christensen, PhD Pharm
Head of Vaccine Adjuvant Research
Center for Vaccine Research
Statens Serum Institut
+45 3268 3804
[email protected]
https://en.ssi.dk/research

Nota, questo articolo apparirà nel numero 8 di Health Europa Quarterly, che è disponibile per la lettura ora.