Innovazioni biotecnologiche: vaccini, farmaci e terapie geniche

Le biotecnologie mediche comprendono la produzione di farmaci e vaccini, ma anche altri ambiti.

Meccanismi della risposta immunitaria

Vaccini: Se un microrganismo estraneo entra in un animale da inizio a una serie di meccanismi che costituiscono la risposta immunitaria, elaborata in base alle proteine localizzate sulla superficie del microrganismo (antigeni).

Evoluzione dei vaccini tradizionali

I vaccini tradizionali sono preparati di microrganismi morti o indeboliti, che si comportano da agenti infettivi senza causare la malattia. Prima dell’ingegneria genetica erano:

-Vaccini inattivati, se gli antigeni erano uccisi con mezzi chimici o fisici.

-Vaccini attenuati, se gli antigeni erano indeboliti per selezione di varianti non patogene.

Produzione moderna di vaccini

I vaccini attuali partono dal concetto che per stimolare la risposta immunitaria non è necessario tutto l’agente infettivo, ma solo le sub-unità vacciniche (cioè proteina immunogene). Il metodo di produzione è il seguente:

-Identificazione della proteina del capside; Isolamento del relativo gene virale; Clonaggio del gene in vettore di espressione; Trasferimento del gene in cellula ospite (vettore); Purificazione delle particelle da usare come vaccino.

Esempio del vaccino contro l'epatite B

Un esempio pratico è dato dal vaccino contro il virus dell’epatite B (HBV), che è rivestito da un capside contenete l’antigene della “proteina S”. In Escherichia coli non si riusciva a produrre la proteina, quindi si utilizzo come vettore il lievito, che, all’interno di fermentatori, produce quantità cospicue della proteina.

Metodi alternativi di produzione vaccinale

Altri metodi di produzione sono:

-Modificazione genoma patogeno per attenuarlo mediante l’ingegneria genetica. Ad esempio si sta studiando il batterio del colera per renderlo incapace di produrre la tossina (metodo NON applicabile ai virus).

-Modificazione della tossina prodotta da alcuni batteri in modo da renderla innocua, per poi farla produrre dai batteri stessi. È un metodo utilizzato contro il batterio della pertosse.

-Iniettare un vaccino vivo non patogeno, ma ingegnerizzato a esprimere antigeni patogeni, quindi solo a livello proteico, non con DNA.

-Vaccini multivalenti il cui vettore è in grado di esprimere diverse proteine batteriche e virali insieme. Come trasportatore si usa il virus del vaiolo bovino ingegnerizzato (è un virus grande, innocuo per l’uomo).

Sicurezza dei vaccini biotecnologici

I vaccini sintetizzati grazie alla tecnologia del DNA risultano estremamente sicuri in quanto, prima delle applicazioni biotecnologiche si utilizzava un virus trattato termicamente, in modo da inattivare l’acido nucleico, tuttavia ogni tot. casi il vaccino faceva ammalare il soggetto. Il biotecnologico è sicuro perché si producono e iniettano solo le proteine del capside, non l’acido nucleico.

Tecnologia del DNA ricombinante in medicina

Ricerca biologica, diagnosi e cura delle malattie: In campo medico la tecnologia del DNA ricombinante è usata per la cura e la diagnosi di malattie. Un’applicazione futura potrebbe essere la terapia genica, un metodo in grado di correggere le malattia causate da un singolo gene difettoso sostituendolo con un allele normale. Un giorno potrà essere utilizzata per la cura di malattie genetiche e non, tuttavia esistono ancora poche prove scientifiche che dimostrano la sua efficacia, e solleva non solo problemi tecnici ma anche etici (possibilità di agire su zigote e embrione).

Produzione di farmaci biotecnologici

Farmaci: Prima delle biotecnologie molti farmaci umani di natura proteica erano ottenuti tramite estrazione da tessuti umani e animali, con elevati costi di estrazione e elevati rischi di allergie e trasmissione di gravi malattie infettive. Dopo le biotecnologie si è arrivati alla capacità di produrre un’ampia gamma di farmaci sicuri, in grande quantità e qualità a bassi costi. Alcuni esempi:

Produzione di insulina biotecnologica

-Insulina, regola il metabolismo degli zuccheri, e l’impossibilità di produrla da parte del pancreas porta al diabete, curabile solo con iniezioni giornaliere del suddetto ormone. Nella sua forma attiva è costituita da due catene polipeptidiche di 21 e 30 aminoacidi, tenute insieme da legami disolfuro. Tuttavia il gene che codifica per l’insulina porta alla produzione della proinsulina, cioè di una catena più lunga che deve essere tagliata da particolari enzimi per diventare insulina utilizzabile. Gli organismi procarioti non hanno gli enzimi atti a questa funzione, solo la cellula procariote li ha.

Quindi utilizzando i batteri non si riusciva ad ottenere un’insulina utilizzabile, mentre usando i lieviti si.

Inizialmente era estratta dal pancreas suino, ma poteva causare gravi reazioni allergiche. Per ottenere l’insulina da organismi procarioti (batteri) si è reso necessario inserire due geni artificiali distinti per le due catene in due vettori e poi unire le due catene sintetizzate.

Ormone della crescita umano

-Ormone della crescita umano (somatotropina), è una proteina prodotta dall’ipofisi che regola la crescita e lo sviluppo. Se non ne viene prodotta a sufficienza si va incontro al nanismo ipofisario, che può essere curato solo con iniezioni regolari di questo ormone. L’unica somatotropina efficace è quella umana, che in passato veniva estratta dai cadaveri ma con gravi problematiche. Essendo lunga 191 aminoacidi risulta difficoltoso sintetizzare chimicamente il gene.

Il metodo risolutivo consiste nella produzione di somatotropina ricombinante: si estrae mRNA dall’ipofisi, si effettua la retrotrascrizione a cDNA, che viene manipolato e inserito all’interno di vettori batterici.

Produzione di interferoni

-Interferoni, sono sostanze in grado di conferire alla cellula proprietà antivirali e di resistenza, hanno specificità di azione e caratteristiche diverse a seconda della specie. In passato erano estratti a partire dai leucociti, ma in dosi esigue e molto costose. Oggi non è possibile sintetizzarli artificialmente in quanto non si conosce la sequenza aminoacidica, quindi sono ottenuti mediante clonaggio a partire da una genoteca di cDNA (in quanto i geni sono complessi, quindi si estrae mRNA maturo) proveniente da leucociti e fibroblasti.

Produzione del fattore VIII della coagulazione

-Fattore VIII della coagulazione, è una proteina la cui mancanza porta all’incapacità del sangue di coagulare normalmente e in tempi brevi, con il verificarsi di gravi emorragie (emofilia). Questa proteina è estremamente complessa, e può essere ottenuta soltanto da geni clonati in cellule animali (non batteri). Il fattore VIII fu per molti anni purificato dal sangue umano, causando gravi infezioni da AIDS e epatite.

Il gene che codifica per la proteina è estremamente complesso e grande, inoltre una volta sintetizzata la proteina va incontro a elaborate modificazioni post-traduzionali, presentando 17 legami disolfuro e attivandosi solo dopo il legame con svariati gruppi glucidici. È quindi prodotta utilizzando cellule di mammifero, in particolare di criceto.