Una strategia vaccinale basata sulle nanoparticelle potrebbe proteggere contro l’Ebola e altri filovirus mortali.

I filovirus prendono il nome dalla parola latina “filum”, che significa filo, in riferimento alla loro forma lunga e filamentosa. Questa famiglia di virus comprende alcuni dei patogeni più pericolosi conosciuti dalla scienza, tra cui i virus Ebola, Sudan, Bundibugyo e Marburg.

Uno dei motivi per cui questi virus rimangono così letali è l’instabilità delle loro proteine ​​di superficie, che li rende difficili da rilevare per il nostro sistema immunitario e una sfida per i ricercatori che cercano di colpirli con trattamenti o vaccini.

Uno studio pubblicato su Nature Communications e condotto da scienziati dello Scripps Research descrive nuovi candidati vaccinali progettati per proteggere contro molteplici ceppi di filovirus.

Come funziona il nuovo approccio vaccinale

Questi vaccini presentano proteine ​​di superficie dei filovirus su nanoparticelle proteiche autoassemblanti ingegnerizzate (SApNP), aiutando il sistema immunitario a riconoscere e a rispondere meglio al virus. Negli studi sui topi, le nanoparticelle hanno innescato una forte risposta anticorpale contro diversi filovirus, evidenziando una strada promettente verso una protezione più ampia ed efficace contro questa pericolosa famiglia di virus.

“I filovirus richiedono soluzioni migliori: le epidemie sono state devastanti, con tassi di mortalità estremamente elevati”, afferma l’autore senior Jiang Zhu, professore presso il Dipartimento di Biologia Integrativa Strutturale e Computazionale.

“Negli ultimi dieci anni, ho applicato le mie conoscenze di fisica alla progettazione di proteine. Il mio obiettivo è sviluppare un modello di progettazione universale per ogni principale famiglia di virus, in modo che, quando si verifica una nuova epidemia, abbiamo già una strategia pronta da attuare.”

Gli sforzi di Zhu per lo sviluppo di vaccini di nuova generazione si concentrano sulle glicoproteine ​​virali di superficie, ovvero le proteine ​​che i virus utilizzano per entrare nelle cellule e che il sistema immunitario deve prendere di mira per proteggersi.

Il suo team utilizza un approccio chiamato progettazione razionale basata sulla struttura , che prevede lo studio di queste glicoproteine ​​in modo estremamente dettagliato, la progettazione di versioni stabili e ben conformate e il loro trasporto su sfere proteiche a forma di virus, le SAPNP, che innescano in modo affidabile forti risposte immunitarie.

Il team ha già applicato questa piattaforma vaccinale a virus come HIV-1, epatite C, RSV, hMPV e influenza. I filovirus rappresentavano la successiva grande sfida.

Sfide legate al targeting delle glicoproteine ​​dei filovirus

I filovirus, come il virus Ebola (EBOV) e il virus Marburg (MARV), possono causare febbri emorragiche virali, con tassi di mortalità che possono raggiungere il 90%. Durante l’epidemia di Ebola del 2013-2016 in Africa occidentale, più di 11.000 persone sono morte e oltre 28.000 sono state infettate. Sebbene siano stati approvati due vaccini contro l’Ebola, nessun vaccino offre una protezione completa contro l’intera famiglia dei filovirus.

Ciò è dovuto in parte alle glicoproteine ​​di superficie dei filovirus. Queste proteine ​​sono naturalmente instabili e le loro regioni vulnerabili, gli epitopi, sono nascoste sotto uno spesso strato di glicani, formando un “mantello dell’invisibilità” molecolare. Nello stato pre-fusione (prima che il virus entri in una cellula), questo scudo rende difficile per le cellule immunitarie riconoscere il virus. Una volta che il virus si fonde con una cellula, la glicoproteina si ripiega assumendo una conformazione post-fusione, complicando ulteriormente il targeting immunitario.

Nel 2021, il team di Zhu ha affrontato questo problema in uno studio pubblicato su Nature Communications , in cui ha mappato in dettaglio la struttura della glicoproteina del virus Ebola e ha sviluppato una strategia per stabilizzarla.

Rimuovendo i segmenti ricchi di mucina, hanno creato una versione più pulita e accessibile della proteina, più facile da rilevare per il sistema immunitario e in grado di generare risposte anticorpali più forti e utili.

“Dopo aver risolto il problema dell’Ebola nel 2021, questo nuovo lavoro approfondisce ulteriormente tale teoria e la applica ad altre specie di filovirus”

Risultati e prospettive future

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno riprogettato le glicoproteine ​​dei filovirus in modo che rimangano fisse nella loro forma pre-fusione, ovvero la forma che il sistema immunitario deve riconoscere e contro cui potenziare una risposta.

Queste proteine ​​riprogettate sono state quindi posizionate sulla piattaforma SAPP di Zhu, formando particelle sferiche simili a virus, rivestite con numerose copie degli antigeni virali. Test biochimici e strutturali hanno confermato che le particelle si sono assemblate correttamente e hanno mostrato le proteine ​​come previsto.

Testati sui topi, questi vaccini a nanoparticelle hanno prodotto forti risposte immunitarie, inclusi anticorpi in grado sia di riconoscere che di neutralizzare diversi filovirus. Ulteriori modifiche agli zuccheri sulla superficie proteica hanno ulteriormente messo in evidenza punti deboli conservati, suggerendo che questo approccio potrebbe in futuro supportare un vaccino più ampio, possibilmente universale, contro questa pericolosa famiglia di virus.

Partendo da questi risultati, il team di Zhu sta estendendo questa strategia basata su nanoparticelle e guidata dalla struttura ad altri agenti patogeni ad alto rischio, tra cui il virus Lassa e il virus Nipah. Stanno inoltre studiando nuovi metodi per indebolire o aggirare lo scudo di mucina, consentendo al sistema immunitario un accesso ancora maggiore ai bersagli virali critici.

“Molti fattori influenzano il modo in cui il sistema immunitario riconosce un virus e innesca una risposta”, aggiunge Zhu. “Bloccare l’antigene nella sua forma pre-fusione rappresenta forse il 60% del risultato. Ma molti virus, tra cui l’HIV e i filovirus, sono ricoperti da uno spesso strato di glicani.”

“Se il sistema immunitario non riesce a penetrare quello scudo, nemmeno il vaccino meglio progettato garantirà una protezione completa. Superare questo ‘mantello dell’invisibilità’ è uno dei nostri prossimi grandi obiettivi.”

Abstract

I filovirus rappresentano una minaccia significativa per la salute umana a causa delle frequenti epidemie e dell’elevata mortalità. Sebbene siano disponibili due vaccini vettoriali contro il virus Ebola, un vaccino contro i filovirus ad ampio spettro di protezione rimane ancora da ottenere. In questo studio, valutiamo una strategia generale per stabilizzare le glicoproteine ​​(GP) degli orthoebolavirus Ebola, Sudan e Bundibugyo, nonché dell’orthomarburgvirus Ravn. Una struttura cristallina a 3,2 Å fornisce dettagli a livello atomico della GP del virus Ebola riprogettata, mentre la microscopia crioelettronica rivela come un anticorpo neutralizzante pan-orthoebolavirus si leghi a un sito conservato sulla GP del virus Sudan stabilizzata (risoluzione di 3,13 Å), insieme a un modello a bassa risoluzione della GP del virus Ravn legata all’anticorpo. Una nanoparticella proteica autoassemblante (SApNP), I3-01v9, è stata riprogettata all’estremità N-terminale per consentire un’esposizione superficiale ottimale dei trimeri di GP dei filovirus. A seguito di una caratterizzazione dettagliata in vitro, abbiamo esaminato la dinamica dei linfonodi della glicoproteina GP del virus Sudan e delle nanoparticelle SApNP che la presentano nei topi. Rispetto al trimero solubile, le SApNP mostrano una ritenzione circa 112 volte maggiore nei follicoli linfonodali, una presentazione fino a 28 volte maggiore sui dendriti delle cellule dendritiche follicolari e reazioni del centro germinativo fino a 3 volte più intense. Le risposte anticorpali funzionali indotte dai trimeri di GP del filovirus e dalle SApNP con glicani di tipo selvatico o modificati sono state valutate nei topi. Questo studio fornisce le basi per lo sviluppo di vaccini filovirus di nuova generazione.

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