Chimica dei farmaci innovativi e biotecnologici

Chimica dei farmaci innovativi e tecnologici

Oggi i farmaci biotecnologici e le proteine terapeutiche vengono complessivamente indicati con il termine di farmaci biologici. In realtà, la definizione di “farmaco biotecnologico” risulta in parte riduttiva, perché l’utilizzo terapeutico delle proteine precede storicamente lo sviluppo delle biotecnologie moderne.

Le biotecnologie, intese come tecnologie che sfruttano organismi viventi, cellule o loro componenti biologiche per produrre beni o servizi, si sono infatti affermate soprattutto negli ultimi decenni e rientrano nelle cosiddette Key Enabling Technologies. Il primo vero esempio di farmaco ottenuto mediante tecnologia del DNA ricombinante è stato l’insulina, introdotta nella pratica clinica tra il 1982 e il 1983.

Prima di questo momento, quando l’origine di una malattia o dei suoi sintomi veniva ricondotta alla carenza o al malfunzionamento di una specifica proteina, l’approccio terapeutico consisteva nel somministrare direttamente quella proteina, ottenuta per estrazione da tessuti animali o da fluidi biologici umani. Questo metodo presentava però numerosi limiti, poiché le proteine estratte erano spesso poco pure, contaminate da altre sostanze e in grado di provocare reazioni tossiche o immunologiche rilevanti, che in diversi casi portarono al ritiro dei prodotti dal commercio.

Queste difficoltà resero evidente la necessità di produrre la proteina mancante al di fuori dell’organismo, in condizioni controllate e riproducibili. L’avvento della tecnologia del DNA ricombinante ha rappresentato una svolta fondamentale, permettendo di ottenere proteine ricombinanti identiche a quelle endogene o opportunamente modificate per migliorarne le proprietà farmacologiche.

Queste molecole hanno trovato impiego come veri e propri agenti terapeutici, dando origine a quella che inizialmente veniva definita la classe dei farmaci biotecnologici. Oggi, tuttavia, la terapia biologica non si limita più alle sole proteine, ma comprende anche DNA e RNA con attività terapeutica. Per questo motivo, il termine più corretto e comprensivo per descrivere questa categoria è quello di biofarmaci.

Si tratta di molecole che, essendo derivate o ispirate a componenti fisiologici dell’organismo, presentano un’elevata specificità d’azione e un profilo di tollerabilità generalmente favorevole. Allo stesso tempo, però, questi farmaci presentano importanti criticità, come una stabilità chimica limitata, un’emivita spesso breve e significative difficoltà legate alla somministrazione, poiché la via orale è frequentemente esclusa a causa della rapida degradazione proteolitica.

Un ulteriore aspetto critico riguarda i processi produttivi, che sono complessi e richiedono l’utilizzo di colture cellulari, con il rischio di contaminazioni durante le fasi di produzione e purificazione. Proprio in questo contesto, le biotecnologie hanno fornito strumenti fondamentali per migliorare la qualità dei biofarmaci, mettendo a disposizione tecniche avanzate di purificazione.

Un esempio emblematico è rappresentato dall’impiego degli anticorpi monoclonali nella cromatografia di affinità, dove l’anticorpo immobilizzato su una matrice consente una separazione altamente selettiva della proteina di interesse.

Nel 2008, una importante revisione della letteratura ha proposto una classificazione farmacologica e funzionale delle proteine terapeutiche, basata non tanto sulla loro struttura quanto sull’esigenza terapeutica a cui rispondono. Questa impostazione consente di comprendere meglio il razionale clinico e farmacologico alla base dell’impiego dei farmaci biologici, superando una visione puramente tecnologica del loro sviluppo.

• Un primo grande gruppo è rappresentato dalle proteine terapeutiche con attività regolatoria o enzimatica, il cui scopo principale è sostituire una proteina carente o difettosa. In questo caso si parla di terapia sostitutiva, perché il farmaco va a stimolare una funzione fisiologica già esistente oppure a fornire una funzione biologica mancante. Esempi classici sono l’insulina o il tPA, utilizzati quando l’organismo non è in grado di produrre quantità sufficienti della proteina endogena. Storicamente, i primi farmaci di questo tipo erano semplicemente una “fotocopia” della proteina naturale e vengono quindi definiti di prima generazione; successivamente si è passati allo sviluppo di farmaci di seconda generazione, nei quali la molecola viene modificata per migliorarne le caratteristiche terapeutiche;
• Un secondo gruppo comprende le proteine terapeutiche dirette contro bersagli specifici. In questo caso la proteina non sostituisce una funzione mancante, ma riconosce in modo altamente selettivo un bersaglio molecolare o cellulare, interferendo con un determinato processo patologico. Rientrano in questa categoria gli anticorpi monoclonali e i recettori solubili, ma anche proteine utilizzate come carrier, capaci di veicolare altri composti o molecole attive, ad esempio nei trattamenti antitumorali. Appartengono a questo gruppo i peptidi antivirali, gli anticorpi monoclonali terapeutici e, più in generale, molti biofarmaci impiegati nel trattamento dei tumori e delle malattie infiammatorie o immunomediate;
• Un’ulteriore categoria è quella dei vaccini proteici, che oggi include anche i vaccini a RNA. Tradizionalmente i vaccini hanno lo scopo di proteggere l’organismo da un agente esterno nocivo, stimolando una risposta immunitaria preventiva. Tuttavia, negli ultimi anni si è affermato anche il concetto di vaccino terapeutico, utilizzato non solo a scopo preventivo ma anche per il trattamento di patologie come le malattie autoimmuni o il cancro, modulando in modo mirato la risposta del sistema immunitario;
• Infine, vi sono le proteine ad uso diagnostico, impiegate nei test diagnostici e prognostici. Queste proteine permettono la stratificazione dei pazienti, consentendo di prevedere la risposta a un determinato farmaco o di scegliere la terapia più appropriata in un’ottica di medicina personalizzata;

Accanto alla classificazione funzionale, le proteine terapeutiche possono essere distinte anche in base al loro grado di sviluppo tecnologico. Le proteine di prima generazione sono identiche alle proteine endogene umane e rappresentano una semplice sostituzione della molecola naturale. Le proteine di seconda generazione, invece, vengono intenzionalmente modificate per migliorarne le proprietà farmacocinetiche, ad esempio riducendo la biodegradazione o l’eliminazione, oppure aumentando la penetrazione cellulare.

Possono essere ottimizzate anche le caratteristiche farmacodinamiche, come l’affinità e la potenza d’azione; questo è particolarmente evidente nel caso degli anticorpi monoclonali, nei quali è relativamente semplice migliorare l’interazione con il recettore bersaglio.

Proteine con attività regolatoria enzimatica

Le proteine terapeutiche con attività regolatoria ed enzimatica comprendono molecole che possono sostituire una proteina deficiente o funzionalmente anomala, stimolare una funzione fisiologica già presente oppure fornire una nuova attività biologica. Si tratta di approcci tipici delle malattie metaboliche e genetiche, nelle quali il difetto molecolare è noto.

È importante sottolineare che, nella maggior parte dei casi, queste terapie non sono curative, ma sintomatiche, perché non eliminano la causa genetica della malattia; il loro obiettivo è migliorare la funzione biologica compromessa e controllare i sintomi.

• Nel primo caso, quello della terapia sostitutiva, la proteina somministrata va a rimpiazzare una molecola mancante o alterata. Un esempio classico è l’insulina nel diabete mellito, dove la somministrazione esogena compensa la carenza dell’ormone endogeno. Un altro esempio moderno è rappresentato dall’anticorpo bispecifico che mima il fattore VIII della coagulazione, utilizzato nel trattamento dell’emofilia: in questo caso non si somministra direttamente il fattore mancante, ma una molecola che ne riproduce la funzione biologica. Rientrano in questo gruppo anche le terapie enzimatiche sostitutive, impiegate nelle malattie metaboliche genetiche per sopperire a deficit enzimatici specifici;
• Un secondo meccanismo è rappresentato dalle proteine che stimolano una funzione fisiologica già presente, potenziandola in condizioni patologiche. Un esempio rilevante è il tPA o attivatore tissutale del plasminogeno, utilizzato nel trattamento dell’infarto del miocardio. Il tPA attiva il plasminogeno trasformandolo in plasmina, l’enzima responsabile della degradazione del trombo che occlude il vaso coronarico. Sebbene il tPA sia naturalmente presente nell’organismo, in caso di infarto è necessaria una sua somministrazione esogena per ottenere una rapida solubilizzazione del trombo; l’efficacia terapeutica è massima se il trattamento viene avviato entro le prime 2–3 ore dall’evento ischemico. Un altro esempio è rappresentato dalla stimolazione ovarica nella fertilizzazione assistita, ottenuta tramite la somministrazione di FSH, che induce la maturazione degli ovociti. Analogamente, l’eritropoietina, un ormone fisiologicamente prodotto dal rene, viene utilizzata per stimolare l’eritropoiesi in condizioni di anemia, ad esempio nelle sindromi mielodisplastiche o nell’insufficienza renale cronica, dove la produzione endogena è ridotta. È importante ricordare anche l’abuso non terapeutico dell’eritropoietina in ambito sportivo, in particolare nel ciclismo, per aumentare artificialmente la capacità di trasporto dell’ossigeno;
• Un’ulteriore categoria comprende le proteine che forniscono una nuova funzione o attività, anche quando non esiste un analogo fisiologico umano. In questo caso si tratta spesso di proteine progettate o selezionate per svolgere un’azione terapeutica mirata. Un esempio significativo è la DNasi umana ricombinante, utilizzata nel trattamento della fibrosi cistica, una malattia genetica caratterizzata da un’alterazione del canale del cloro che porta a una marcata viscosità del muco. Il muco denso favorisce infezioni ricorrenti e compromette la funzione respiratoria. Studi sperimentali avevano dimostrato che la DNasi, un enzima “spazzino” capace di frammentare il DNA extracellulare, riduce la viscosità del muco. Inizialmente fu utilizzata DNasi bovina, approvata come farmaco nel 1958, ma successivamente ritirata a causa di reazioni allergiche legate a problemi di purificazione. Nel 1993 è stata introdotta la DNasi umana ricombinante, commercializzata come Pulmozyme, che rappresenta un trattamento sintomatico efficace e sicuro, somministrato per via inalatoria. Un altro esempio è l’irudina, una proteina naturale prodotta dalle ghiandole salivari della sanguisuga, che agisce come potente inibitore della trombina e quindi come anticoagulante. Dal punto di vista strutturale, l’irudina presenta tre ponti disolfuro e si lega alla trombina in due regioni distinte, il sito anionico e una regione apolare, impedendo l’accesso del substrato al sito catalitico. Per questo motivo viene definita un inibitore non competitivo, poiché non occupa direttamente il sito attivo ma blocca funzionalmente l’enzima. A partire dall’irudina è stata progettata la bivalirudina, una molecola che non esiste in natura, ottenuta semplificando la struttura originaria, ma mantenendo gli aminoacidi essenziali per l’interazione con la trombina, separati da una sequenza di glicina che funge da spaziatore. All’interno della molecola è stato inserito un amminoacido della serie D, la D-fenilalanina, assente nelle proteine umane, che conferisce una maggiore resistenza alla degradazione da parte delle peptidasi, aumentando stabilità ed emivita. Questo rappresenta un chiaro esempio di proteina di seconda generazione, progettata razionalmente per migliorare le proprietà farmacologiche rispetto alla molecola naturale di partenza;

Proteine con attività terapeutica rivolta a bersagli specifici

Le proteine terapeutiche con attività rivolta a bersagli specifici sono molecole progettate per interferire con una determinata molecola o cellula, grazie a un vero e proprio meccanismo di riconoscimento del bersaglio. Il capostipite di questo gruppo è rappresentato dagli anticorpi, ma vi rientrano anche i recettori solubili, gli antagonisti recettoriali e le proteine chimeriche, chiamate anche immunoadesine, ottenute combinando porzioni di proteine diverse attraverso le tecniche della biologia molecolare.

Nello specifico, si prendono i geni che codificano per due proteine, ad esempio una immunoglobulina e un frammento di recettore, li si unisce chimicamente tramite enzimi di restrizione e si ottiene un nuovo gene che codifica per una proteina ibrida. Questo gene viene inserito in un vettore di trascrizione e trasfettato in una linea cellulare adatta, affinché la proteina possa essere espressa e prodotta in quantità terapeuticamente utili. Spesso, nel nome di queste molecole compare il prefisso “immuno”, a sottolineare il legame con il sistema immunitario.

Il meccanismo d’azione degli anticorpi terapeutici differisce dal loro ruolo fisiologico. Normalmente, gli anticorpi sono effettori del sistema immunitario e svolgono la loro funzione attraverso due grandi vie: l’immunità umorale, mediata dai linfociti B, in cui ogni linfocita produce un anticorpo specifico per un singolo epitopo, e l’immunità cellulare, regolata dai linfociti T.

Gli anticorpi terapeutici sfruttano la loro elevata affinità e specificità in modi diversi:

• Possono mediare la distruzione di cellule o molecole attraverso meccanismi effettrici del sistema immunitario, come nel caso degli anticorpi anti-SARS-COV isolati da pazienti e poi prodotti in forma monoclonale, o degli anticorpi diretti contro cellule tumorali per attivare la risposta immunitaria;
• Possono invece usare solo la specificità per bloccare o attivare meccanismi intracellulari senza scatenare una risposta effettrice;
• Possono neutralizzare fattori solubili, impedendone l’interazione con il recettore.

Nell’ambito delle terapie antitumorali, ad esempio, alcuni anticorpi agiscono attivando il sistema immunitario, come il rituximab, mentre altri, come il trastuzumab, interferiscono con meccanismi intracellulari del tumore, ad esempio stimolando l’apoptosi o bloccando la proliferazione e la neovascolarizzazione.

Analogamente, nelle malattie infiammatorie, esistono proteine che si legano a molecole come il TNF-alfa per bloccare la cascata infiammatoria senza bisogno della funzione effettrice dell’anticorpo, come nel caso di etanercept, infliximab e adalimumab.

Un’ulteriore applicazione di queste proteine specifiche riguarda il loro uso come veicoli di altre molecole terapeutiche o diagnostiche. Grazie alla loro capacità di riconoscere bersagli precisi, gli anticorpi possono trasportare composti attivi direttamente sulle cellule malate, riducendo gli effetti collaterali su tessuti sani.

Ne sono esempi i coniugati anticorpo-chemioterapico e i radioimmunoconiugati, che trasportano radionuclidi emettitori di radiazioni ionizzanti direttamente sulle cellule tumorali. L’emissione a breve distanza e l’elevata specificità consentono di limitare i danni ai tessuti circostanti e, in alcuni casi, questi radioimmunoconiugati possono essere utilizzati anche a scopo diagnostico, per identificare metastasi o lesioni tumorali.

In sintesi, le proteine terapeutiche rivolte a bersagli specifici sfruttano la precisione degli anticorpi e delle proteine ibride per modulare processi biologici in maniera mirata, agendo sia sul sistema immunitario sia direttamente sulle cellule o molecole patologiche, con applicazioni che spaziano dalla terapia antitumorale alla modulazione di processi infiammatori o immunomediate, fino al trasporto mirato di farmaci o agenti diagnostici.

Vaccini

I vaccini sono proteine o molecole progettate per proteggere l’organismo da agenti esterni nocivi, stimolando una risposta immunitaria senza esporre il soggetto alla patogenicità completa del microrganismo. In pratica, vengono somministrate solo le porzioni immunogeniche del patogeno, ossia quelle in grado di attivare il sistema immunitario.

Esempi classici sono i vaccini contro l’epatite o il papilloma virus. Negli ultimi anni, grazie alle biotecnologie, è stato possibile utilizzare anche mRNA come vaccini. L’mRNA può essere veicolato in due modi: inserito in un vettore virale, ad esempio derivato dal virus dell’influenza, oppure somministrato direttamente come molecola libera, opportunamente modificata e accompagnata da coadiuvanti per migliorarne la stabilità e l’immunogenicità.

In entrambi i casi, l’mRNA viene tradotto nelle cellule del paziente in una proteina corrispondente, che una volta riconosciuta dal sistema immunitario scatena una risposta adattativa.

Oltre alla prevenzione delle infezioni, i vaccini trovano impiego anche in ambito terapeutico. Nei disordini autoimmuni, ad esempio, si possono progettare vaccini in grado di riconoscere come estranee specifiche proteine endogene, modulando la risposta immunitaria contro di esse e riducendo il danno tissutale.

Nel campo oncologico, invece, i vaccini vengono costruiti a partire dagli antigeni tumorali del paziente, spesso ottenuti tramite biopsia, in modo da sviluppare un vaccino specifico che riconosca e stimoli l’eliminazione delle cellule neoplastiche.

Un approccio strettamente correlato è rappresentato dalle CAR-T cells, in cui le cellule T del paziente vengono prelevate, modificate in laboratorio con l’introduzione di un recettore chimerico ricombinante capace di riconoscere gli antigeni tumorali, e successivamente reinfuse nel paziente per attivare una risposta immunitaria mirata contro il tumore.

Pertanto, i vaccini oggi non servono soltanto a prevenire infezioni, ma possono essere utilizzati come stru