Secondo il dogma centrale della biologia, il flusso di informazioni genetiche nelle cellule è unidirezionale e va dal DNA all'RNA e da questo alle proteine. Il materiale genetico delle cellule eucariotiche è immagazzinato nel nucleo: per sintetizzare una proteina, in risposta ad una necessità cellulare, la sequenza nucleotidica di una specifica porzione di DNA viene convertita in mRNA (la classe di RNA che trasferisce l’informazione genetica), durante il processo di trascrizione. A questo punto, le molecole di mRNA vengono elaborate (processo di splicing) e successivamente trasferite nel citoplasma, dove sono utilizzate dai ribosomi come modelli per dirigere la sintesi della corrispondente proteina (traduzione).^4,5 La produzione dell’mRNA dal DNA, la sua lettura, con l’associazione di ciascun codone di 3 nucleotidi ad un aminoacido ad opera dell’RNA transfer (o tRNA) e, infine, la maturazione e ripiegamento della catena polipeptidica nella struttura finale (o terziaria) della proteina, avvengono quindi in comparti ben specifici e delimitati della cellula, proprio per evitare che l’informazione genetica, contenuta nel nucleo, possa venir in qualunque modo modificata o alterata dalla produzione proteica.^3,5 

I vaccini a mRNA per il COVID-19 contengono la sequenza genomica dell'mRNA codificante per la proteina di superficie Spike del Coronavirus: un antigene con un ruolo cruciale nel meccanismo d’infezione del SARS-CoV-2, poiché responsabile del legame e della successiva fusione della particella virale con la cellula ospite. Strutturalmente il vaccino è costituito dall’mRNA contenuto all'interno di un capside di nanoparticelle lipidiche (LNP-mRNA), in grado di fondersi con la membrana plasmatica della cellula ospite e veicolare l’mRNA al suo interno dove, sfruttando il macchinario ribosomiale a livello citoplasmatico, avviene la traduzione della proteina S. Tali proteine subiscono poi dei meccanismi di modificazione post-traduzionale, per rimanere all’interno della cellula o essere secrete. Quelle che restano nel citoplasma vengono processate, generando epitopi peptidici antigenici che vengono presentati sulla superficie della cellula attraverso il complesso maggiore di istocompatibilità di classe I (MHC I), inducendo l’attivazione dei linfociti T CD8+. Le proteine secrete, invece, possono essere captate dalle cellule presentanti l’antigene (APC), residenti a livello dei tessuti e dei linfonodi, per essere anche in questo caso processate e presentate sulla superficie cellulare attraverso MHC di classe II, inducendo così l’attivazione dei linfociti T CD4+ nella risposta immunitaria sia innata che adattativa.6 L’analisi del meccanismo di azione intracellulare dimostra quindi che l’mRNA somministrato attraverso la vaccinazione non può modificare il DNA della cellula ospite, poiché viene rilasciato direttamente nel citoplasma e, in linea con il dogma centrale della biologia, non può seguire un percorso inverso e venir integrato nel DNA né, tantomeno, modificarlo.3 

Grazie ai sequenziatori genomici oggi a disposizione in quasi tutti i laboratori di genetica, è stato possibile ottenere rapidamente la sequenza virale del SARS-CoV-2. La successiva analisi combinata, attraverso approcci bioinformatici e computazionali innovativi, ha permesso di selezionare la sequenza codificante per la proteina Spike come potenziale antigene per la vaccinazione. Infine, una volta ottimizzata sulla base di anni di precedenti ricerche sui Coronavirus, è stata resa disponibile a livello globale per la progettazione in silico di vaccini a mRNA.^1,7 

Il processo di produzione di un vaccino a mRNA è il seguente: 

• Il gene codificante per la proteina Spike viene prodotto sinteticamente e inserito in un plasmide (un piccolo pezzo circolare di DNA) che possiede una sequenza promotore, con elevata affinità per una RNA polimerasi, e la sequenza codificante per l’mRNA corrispondente alla proteina Spike. 

• Il DNA plasmidico viene linearizzato con un enzima di restrizione e utilizzato come modello per una reazione di trascrizione in vitro condotta dall’RNA polimerasi. Al termine della trascrizione, lo stampo di DNA viene degradato da una desossiribonucleasi e un enzima aggiunge il cappuccio all’estremità 5’ dell’mRNA (processo detto capping, essenziale per proteggerlo dalla successiva azione delle nucleasi).  

• L’mRNA ottenuto viene purificato: essendo estremamente fragile, viene inserito all’interno di un doppio strato di acidi grassi (bilayer) che lo protegge durante le fasi di confezionamento, spedizione e somministrazione. Avvenuta la somministrazione, sarà il bilayer a fondersi con la membrana plasmatica della cellula ospite, veicolando l’mRNA e attivando così il processo di immunizzazione.^1,7 

Lo sviluppo di un nuovo vaccino, così come quello della maggior parte dei nuovi farmaci, è un processo lungo e costoso, che prevede di seguire un iter ben preciso, con tempistiche prolungate per l’analisi dei dati delle sperimentazioni cliniche e i controlli relativi alle varie fasi produttive. Per questo sono solitamente necessari diversi anni affinché un vaccino ottenga la licenza per la commercializzazione.¹² Complessivamente il rigoroso processo di ricerca del vaccino, seguito da una serie di test clinici, può essere suddiviso in: fase di identificazione (dell’antigene più appropriato), fase preclinica, sviluppo clinico (a sua volta distinto in fase 1, 2 e 3) e fase di approvazione e richiede mediamente circa 10-15 anni.¹³ 

La grave emergenza sanitaria causata dal COVID-19 e la necessità di giungere ad una vaccinazione efficace in tempi brevi, ha permesso l’attivazione da parte dell’FDA (Food and Drug Administration) dell’autorizzazione di emergenza all’uso (EUA), un meccanismo che ha la finalità di facilitare la disponibilità e l’uso di contromisure mediche, compresi i vaccini, durante le emergenze di salute pubblica.¹⁴ 

Di seguito vengono riportati i passaggi chiave che hanno permesso l’ottenimento di una vaccinazione efficace contro il SARS-CoV-2 in tempi brevi: 

• La rapida identificazione della sequenza virale del SARS-CoV-2 e della porzione codificante per la proteina Spike, da utilizzare come potenziale antigene per la vaccinazione, combinata ai progressi degli ultimi decenni nel campo della tecnologia dell’mRNA, hanno permesso di accelerare notevolmente la progettazione in silico di vaccini a mRNA contro il SARS-CoV-2.^1,7 Questa fase preclinica di identificazione del vaccino candidato, accompagnata dai primi test in vitro e in vivo, ha solitamente una durata variabile dai 4 ai 7 anni¹³, mentre nel caso del SARS-CoV-2 a meno di 10 settimane dal rilascio delle prime sequenze genetiche sono partiti i primi studi di fase 1.¹² 

• La sovrapposizione tra le diverse fasi dello sviluppo clinico ha permesso di accelerare notevolmente la messa a punto dei vaccini contro il SARS-CoV-2.¹² Il flusso di validazione  per testare efficacia e sicurezza di un nuovo farmaco o vaccino segue un iter preciso nei trial clinici: 

  • nella fase 1 il vaccino viene somministrato a un ristretto numero di volontari, sani, per valutare la sicurezza a dosi crescenti e per ottenere le prime informazioni sulla risposta immunitaria conseguente alla somministrazione;  

  • in assenza di problemi legati alla sicurezza si passa alla fase 2, durante la quale il vaccino, a diversi dosaggi, viene testato su centinaia di persone in diverse condizioni di salute e appartenenti a svariati gruppi demografici, per esaminare la relazione tra dose somministrata e risposta immunitaria e ottenere informazioni sull’efficacia e su eventuali effetti collaterali a breve termine;  

  • nella fase 3 il vaccino è somministrato a migliaia di persone, permettendo di avere un’ulteriore conferma dell’efficacia e sicurezza della vaccinazione oltre che di comprendere, in modo ancora più approfondito, il funzionamento della risposta immunitaria.¹⁴  

• L’emergenza sanitaria legata alla pandemia ha reso il processo di sviluppo della vaccinazione atipico da un punto di vista burocratico. Inoltre, la collaborazione tra agenzie governative, controparti internazionali, mondo accademico, organizzazioni non-profit e aziende farmaceutiche ha reso possibile elaborare una strategia coordinata per rendere prioritario lo sviluppo di una vaccinazione efficace.¹⁴ Una delle agilità normative offerte durante la pandemia è stata la “rolling review” o procedura di revisione continua. La procedura di valutazione standard per l’approvazione di un nuovo vaccino prevede di presentare al Comitato per i medicinali per uso umano (CHMP) dell'Agenzia Europea per i Medicinali (EMA) un fascicolo completo con la totalità dei dati raccolti relativi a efficacia e sicurezza, tollerabilità e qualità del vaccino candidato, affinché possa iniziare la revisione per l'approvazione e la successiva commercializzazione. Con la “rolling review” invece il CHMP esamina i dati durante il processo di sviluppo del vaccino, man mano che diventano disponibili, fino a quando non si ritiene che siano sufficienti per passare alla fase approvativa. A questo punto l’EMA presenta una richiesta di autorizzazione all'immissione in commercio (CMA), a cui fa seguito la decisione finale sull'autorizzazione, legalizzata e comunicata ufficialmente dalla Commissione Europea (CE). Complessivamente, questo porta a una significativa riduzione delle tempistiche che portano all'approvazione finale, passando dai 30-60 giorni ad un solo giorno tra la raccomandazione dell’EMA e la legalizzazione ufficiale della CE.¹⁶  

Grazie alla collaborazione tra le autorità competenti, è stato quindi possibile validare più rapidamente i dati scientifici ottenuti, attenendosi comunque ai rigorosi standard della FDA, ovvero senza inficiare il nuovo vaccino prodotto, in termini di efficacia e sicurezza.¹⁴ L’emergenza legata alla pandemia ha reso necessario condurre i diversi passaggi in parallelo, quindi procedere con le fasi successive prima che quelle precedenti fossero approvate dalle autorità regolatorie, comportando ovviamente notevoli rischi finanziari per le aziende sviluppatrici, ma permettendo di accelerare la progettazione e produzione.¹²  

Il SARS-CoV-2 è in costante evoluzione e le varianti emergenti nel corso della pandemia hanno richiesto lo sviluppo di una vaccinazione efficace sia per il ceppo wild-type (WT) che per i ceppi mutanti del virus.⁸ Come gran parte dei virus a RNA, infatti, il SARS-CoV-2 può andare incontro ad errori durante la replicazione virale. La sua instabilità genomica, insieme alla pressione selettiva, permette al virus di evolversi e mutare e quindi di generare nuove varianti, con un diverso profilo virologico, rendendo la vaccinazione specifica per il ceppo wild-type una strategia preventiva non sempre pienamente efficace nei confronti dei ceppi mutanti.^8,9
Le varianti Alpha, Beta, Gamma e Delta, ad esempio, si sono differenziate in termini di trasmissibilità e gravità della malattia provocata, ma se la risposta immunitaria a seguito della vaccinazione si è rivelata efficace per queste varianti, ha mostrato invece un sostanziale declino nei confronti della variante Omicron, sia in termini di efficacia che di durata.¹⁰ Le prime analisi genetiche di questa variante hanno rivelato più di 60 alterazioni a livello genomico, principalmente concentrate nella regione della proteina Spike. Questo fattore conferisce una più spiccata capacità di evadere il sistema immunitario, sfuggendo maggiormente all’azione neutralizzante degli anticorpi e quindi compromettendo l’efficacia degli attuali vaccini COVID-19.⁹ 
 

È nata quindi la necessità di mettere a punto un vaccino bivalente, in grado di fornire una simultanea protezione verso i ceppi WT e mutanti, partendo proprio dall’analisi del genoma del SARS-CoV-2. La porzione di RNA codificante per la subunità S1 della proteina di superficie Spike contiene il dominio di legame al recettore (RBD), che media il riconoscimento e il legame del virus al recettore ACE-2 della cellula ospite. Gran parte delle mutazioni identificate per il SARS-CoV-2 sono proprio localizzate a livello dell’RNA codificante per la subunità S1, incluso RBD, e rendono il legame del virus al recettore ACE-2 più efficace, portando ad una maggiore trasmissibilità e ad una minore efficacia di farmaci e vaccini esistenti.  

Per questo motivo è nata l’idea di produrre vaccini a mRNA bivalenti, in cui fossero inclusi filamenti di mRNA codificanti per la subunità S1-WT, ma anche per la subunità S1 dei ceppi mutanti circolanti, che potessero garantire una protezione più ampia. L’analisi della risposta immunitaria in seguito alla somministrazione del vaccino bivalente ha rivelato che la subunità S1-WT induceva la produzione di anticorpi neutralizzanti in grado di bloccare RBD-WT, mentre solo gli anticorpi prodotti grazie alla subunità S1 mutata erano in grado di bloccare RBD con la mutazione. I risultati di quest’indagine hanno dimostrato quindi che i vaccini bivalenti, che combinano il potere immunizzante delle 2 proteine Spike (WT e mutata), sono in grado di conferire una forte protezione simultanea verso i ceppi WT e mutanti del SARS-CoV-2.⁸ 
 

In linea con questo principio i vaccini bivalenti attualmente disponibili, diretti contro le due varianti Omicron BA.1 e BA.4-5, hanno fornito un’efficacia superiore contro il COVID-19.¹¹ Per questo l’analisi delle mutazioni e la successiva messa a punto di proteine di fusione codificanti per gli antigeni di interesse, al fine della vaccinazione, potrebbe quindi essere la strategia preventiva vincente contro altre varianti del Covid, così come di altri virus.⁸