Estratto: Uno dei primi metodi utilizzati nella produzione di vaccini stabili e sicuri è l'uso di trattamenti chimici e fisici per produrre forme inattivate di agenti patogeni. Sebbene questi tipi di vaccini abbiano avuto successo nel suscitare risposte immunitarie umorali specifiche agli immunogeni associati ai patogeni, vi è una grande richiesta per lo sviluppo di strategie di produzione di vaccini veloci, sicure ed efficaci. La sterilizzazione a radiofrequenza è stata utilizzata per sviluppare una varietà di tipi di vaccino, in quanto può eradicare i contaminanti chimici e penetrare i patogeni per distruggere gli acidi nucleici senza danneggiare gli antigeni di superficie del patogeno. Tuttavia, i vaccini irradiati non sono stati ampiamente utilizzati a livello industriale a causa delle difficoltà nell'ottenere l'attrezzatura necessaria. Recenti studi clinici di successo di vaccini irradiati contro agenti patogeni e tumori hanno portato a una rivalutazione della tecnologia delle radiazioni come metodo alternativo per produrre vaccini. Nel presente articolo, esaminiamo le sfide associate alla creazione di vaccini irradiati e discutiamo le potenziali strategie per lo sviluppo di vaccini usando la tecnologia delle radiazioni.
Radiazioni e vaccini
La radiazione è l'emissione o la trasmissione di energia sotto forma di onde (radiazioni ionizzanti) o di particelle di elettroni (radiazioni non ionizzanti) [1]. L'uso delle radiazioni ionizzanti, compresi i raggi X e i raggi gamma, è aumentato notevolmente negli ultimi 30 anni sia in medicina che nell'industria [2, 3, 4, 5]. Oltre alle sue prime applicazioni nella diagnosi e nel trattamento delle malattie, la tecnologia delle radiazioni si è estesa ad altre aree come la coltura delle colture, la sterilizzazione degli alimenti, la lavorazione dei polimeri e il trattamento degli inquinanti ambientali [6, 7, 8, 9]. La tecnologia delle radiazioni è stata anche utilizzata nello sviluppo di vaccini umani e animali, in particolare nella sterilizzazione e nella generazione di mutazioni casuali.
Molti vaccini utilizzati oggi si basano su tecnologie sviluppate oltre 100 anni fa e comportano una qualche forma di attenuazione (cioè l'uso di un ceppo alternativo o mutante di organismi patogeni con virulenza ridotta che mantiene la sua immunogenicità o inattivazione, dove i metodi chimici o fisici sono usato per uccidere ceppi patogeni virulenti) [10, 11, 12, 13]. Questi vaccini hanno avuto un grande successo nella protezione dalle malattie animali e umane causate da virus e batteri. Il vaiolo e la peste bovina sono stati sradicati con successo in tutto il mondo dall'introduzione di vaccini [14, 15, 16, 17]. Tuttavia, l'obiettivo rimane quello di massimizzare l'efficacia e la qualità dei vaccini attualmente disponibili o nuovi, perché gli attuali metodi di produzione dei vaccini non sono economicamente efficaci, sono suscettibili alla contaminazione chimica, sono difficili da abbinare agli attuali ceppi circolanti e sono suscettibili ad altri problemi di produzione.
La tecnologia delle radiazioni interessa i produttori di vaccini, perché può rimuovere i contaminanti chimici e penetrare i patogeni per danneggiare il DNA [18, 19]. Tuttavia, lo sviluppo di vaccini irradiati non è stato perseguito avidamente negli ultimi 20 anni per due motivi principali. In primo luogo, lo sviluppo di nuove tecniche di radiazione è stato considerato poco pratico o difficile a causa di problemi di accesso alle apparecchiature di radiazione. In secondo luogo, si è pensato che i moderni vaccini a subunità fornirebbero una soluzione, in quanto possono essere sviluppati più facilmente [20]. Tuttavia, ci sono diversi motivi per rivalutare l'uso di inattivazione e attenuazione irradiata per la produzione di vaccini [20, 21]. Il recente successo dello sviluppo di vaccini irradiati per la malaria e l'influenza umana ha dimostrato la fattibilità e la praticità di questa tecnica e ha dimostrato che i problemi tecnici possono essere superati utilizzando le competenze esistenti, senza ricorrere a tecnologie sofisticate [22, 23]. Inoltre, questa tecnologia è stata utilizzata per produrre un vaccino contro il cancro mediante l'inattivazione delle cellule cancerose [24, 25, 26]. Nella presente recensione, discutiamo diversi candidati promettenti per i vaccini irradiati che hanno subito studi clinici e valutano i recenti progressi nelle tecnologie dei vaccini a radiazioni.
Vaccini a base di microorganismi e cellule tumorali inattivati
I vaccini inattivati sono prodotti uccidendo i patogeni con sostanze chimiche, calore o radiazioni. Questi vaccini sono più stabili e più sicuri dei vaccini vivi, in quanto possono essere immagazzinati e trasportati in una forma liofilizzata che li rende accessibili alle persone nei paesi in via di sviluppo [27, 28]. La formaldeide, la sostanza chimica più comune utilizzata nella produzione di vaccini, è stata testata per la prima volta in un vaccino da Madsen [29], e in seguito si è dimostrata efficace nella prevenzione di diverse malattie infettive quali tifo, colera, poliovirus, epatite A, encefalite giapponese e virus dell'encefalite trasmessa da zecche [28]. Tuttavia, può causare modificazioni irreversibili mediante antigeni reticolanti che possono danneggiare epitopi antigenici chiave, portando a ridotta immunogenicità o persino a malattia esacerbata a seguito di un'infezione microbica [30].
Il β-propiolattone (BPL) è anche un metodo di inattivazione comune descritto per la prima volta nel 1955 [20]. Viene utilizzato nella produzione di vaccini contro l'influenza e la rabbia e viene anche utilizzato nei vaccini attualmente in fase di sviluppo, come quelli per lo Streptococcus pneumoniae. I vantaggi di questa sostanza chimica sono che viene rapidamente neutralizzato in un prodotto non tossico e non cancerogeno mediante l'aggiunta di tiosolfato e interagisce direttamente con gli acidi nucleici inducendo la reticolazione a doppia elica del DNA [31]. Tuttavia, la BPL può anche interagire con gli amminoacidi, che contengono parti nucleofile che inducono cambiamenti conformazionali sugli antigeni di superficie [32]. Pertanto, l'inattivazione degli agenti patogeni con BPL può anche innescare reazioni immunitarie avverse, inclusa l'induzione di risposte allergiche attraverso la modificazione chimica dei componenti del vaccino [33, 34]. Pertanto, vi è una crescente domanda di identificare strategie sicure ed efficaci per produrre vaccini inattivati, che sono cruciali per il futuro dello sviluppo del vaccino.
L'inattivazione delle radiazioni dei patogeni ha potenziali applicazioni nella sterilizzazione e nella produzione di reagenti biologici e forniture di laboratorio [35]. Dagli anni '40, quando sono state introdotte radiazioni ionizzanti (per esempio raggi gamma e raggi X) per la sterilizzazione di agenti patogeni, lo sviluppo del vaccino mediante irradiazione è stato ampiamente studiato [36, 37]. I principali vantaggi delle radiazioni ionizzanti nello sviluppo del vaccino rispetto alla luce ultravioletta o agli agenti chimici sono la sua capacità di penetrare attraverso la maggior parte dei materiali biologici e il fatto che si rivolge sia agli acidi nucleici a doppio filamento che a quelli singoli, causando meno danni alle proteine antigeniche superficiali. Inoltre, non è necessario rimuovere alcun residuo chimico dopo l'inattivazione. Sebbene l'argomento rimanga il fatto che i vaccini irradiati suscitano risposte immunitarie diverse da quelle generate dai metodi uccisi a caldo o chimicamente uccisi, la domanda per l'applicazione della radiazione gamma è in aumento per i vaccini sicuri per lo sviluppo [38, 39, 40].
Vaccini virali irradiati
I vaccini influenzali trivalenti inattivati o vivi attenuati sono comunemente usati in tutto il mondo [11, 41, 42, 43]. Il vaccino influenzale inattivato viene preparato trattando il virus con un agente chimico che contiene l'intero virus inattivato o la parte attiva (vaccini split o subunità) [11, 43, 44]. Il virus dell'influenza vivo attenuato ha la ridotta capacità di replicarsi nelle cellule umane, ma può ancora stimolare le risposte immunitarie [45, 46]. Ogni anno vengono fatte previsioni su tre potenziali ceppi influenzali per la prossima stagione, che si basano su un programma di sorveglianza mondiale continuo da parte dell'Organizzazione mondiale della sanità [42]. Tuttavia, la maggior parte dei vaccini antinfluenzali contro qualsiasi influenza stagionale prevista fornisce solo una protezione modesta per i ceppi specifici e ha scarsa efficacia negli anziani [47, 48, 49, 50]. Questo perché il vaccino influenzale dipende in larga misura da quanto bene il ceppo vaccinale corrisponde al virus emergente. Sono in corso ricerche per sviluppare un vaccino universale che abbia un'ampia copertura della deriva antigenica influenzale che non richiederà modifiche annuali [42, 43].
Negli ultimi 60 anni, è stato esplorato lo sviluppo di nuovi metodi di inattivazione del virus [51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59]. L'inattivazione della radiazione gamma è stata suggerita come metodo alternativo per l'inattivazione della riproduzione del virus, principalmente danneggiando l'acido nucleico preservando l'immunogenicità. Mullbacher et al. [60] hanno prima dimostrato un'elevata risposta immunitaria cross-protettiva del virus dell'influenza A irradiato contro altri ceppi di influenza A. Il vaccino antinfluenzale irradiato con gamma è risultato più efficace nell'innescare cellule T citotossiche cross-reattive e ha protetto topi contro un virus influenzale eterologo [60, 61, 62]. Alsharifi e Mullbacher [63] hanno mostrato che una singola dose di vaccino antinfluenzale influenzale con irradiazione gamma A non radiante non adiuvato (GammaFlu) forniva una protezione robusta nei topi, che era principalmente mediata dalle cellule T citotossiche. A differenza del metodo di inattivazione chimica, l'irradiazione gamma ha preservato i domini funzionali delle proteine virali, che hanno facilitato l'assorbimento e la presentazione della principale classe di istocompatibilità I (MHC-I) delle cellule presentanti l'antigene. Questo approccio è stato testato in studi pre-clinici da Gamma Vaccines Pty (Manuka, ACT, Australia) e si sta ora muovendo verso una sperimentazione clinica completa.
Un vaccino contro il virus dell'immunodeficienza umana (HIV) sarebbe altamente efficace per prevenire la sindrome da immunodeficienza acquisita. Poiché l'HIV è stato identificato nel 1983, sono stati compiuti progressi significativi nello sviluppo di un vaccino contro l'HIV in tutto il mondo. Tuttavia, ad oggi, nessun vaccino ha avuto pieno successo. Inizialmente, i vaccini a subunità, GP120 (VaxGen Inc., San Francisco, CA, USA) e Ad5 (Merck & Co., Kenilworth, NJ, USA), sono stati approvati in studi clinici, ma non hanno mostrato una sufficiente efficacia in soggetti umani. In una recente sperimentazione clinica condotta da Sanofi Pasteur (Lione, Francia), la GP120 che trasportava il vaccino contro il virus del canarypox ha mostrato una protezione migliorata del 25% rispetto a un gruppo non vaccinato di 60.000 soggetti umani; tuttavia, è stato abbandonato nella fase clinica III. Negli ultimi 15 anni, diversi gruppi hanno avviato lo sviluppo pre-clinico di vaccini anti-HIV inattivati o virus dell'immunodeficienza simian (SIV), che hanno conferito potenti risposte sierologiche alle componenti delle cellule ospiti incorporate nei virioni HIV / SIV. Attualmente, il risultato più promettente è venuto da due vaccini anti-HIV attenuati gamma-irradiati interamente uccisi, SAV0001 e Remune [64, 65].
Remune, inventato da Jonas Salk nel 1987 in collaborazione con il Dr. Dennis Carlo della Immune Response Corporation (http://www.immuneresponsebiopharma.com ) [66, 67], è stato il primo a partecipare a grandi studi nazionali per accertare se potrebbe aiutare gli attuali antivirali consentendo al sistema immunitario di controllare l'HIV in modo più efficace. Questo vaccino, derivato da un intersubtipo ricombinante dell'involucro di clade A e clade G Cag, viene inattivato attraverso l'applicazione sequenziale di BPL e irradiazione gamma. La glicoproteina gp120 dell'involucro dell'HIV si impoverisce durante la preparazione e l'inattivazione [68]. Sebbene uno studio multicentrico di fase III su larga scala con pazienti HIV in terapia antiretrovirale non abbia mostrato differenze significative nell'incidenza di infezioni opportunistiche o morte, un declino statisticamente significativo della carica virale, un aumento della conta delle cellule T CD4 + e un aumento dell'HIV-1 specifico risposte anticorpali sono state osservate nei soggetti trattati con Remune.
SAV001 è stato sviluppato dal Dr. Chil-Yong Kang presso la Western University, in Canada [69]. Questo rappresenta il primo e unico vaccino anti-HIV preventivo testato negli studi clinici e si basa su un virus intero ucciso geneticamente modificato. I geni nef e vpu sono stati eliminati nel ceppo HIV-1 per produrre il ceppo attenuato e il peptide del segnale env è stato sostituito con il peptide antimicrobico melitina dell'ape del miele per migliorare la replicazione e la produzione virale. Pertanto, questo ceppo di HIV-1 geneticamente modificato non è patogeno e può essere prodotto in grandi quantità in un sistema basato su colture cellulari. È prodotto come un vaccino ucciso, raccogliendo l'HIV-1 che è completamente inattivato da aldritolo-2 e irradiazione con gamma sequenziale [70, 71]. La sperimentazione clinica di fase I (Identificazione ClinicalTrials.gov: NCT01546818) è stata completata nel 2013 e ha comportato aumenti significativi dei livelli di anticorpi specifici per gp120 e P24, mentre non sono stati osservati effetti avversi. Saranno condotti a breve studi clinici multicentrici di fase II / III su pazienti HIV a rischio più elevato.
Vaccini batterici a cellule intere irradiati
Poiché il vaccino contro il tifo è stato introdotto per la prima volta come vaccino batterico inattivato alla fine del 19 ° secolo, la somministrazione di vaccini batterici a cellule intere inattivati è uno dei metodi più studiati di vaccinazione contro le infezioni batteriche [20]. Questo approccio offre diversi vantaggi. Innanzitutto, sono microparticelle presenti in natura che possono trasportare più antigeni che possono essere importanti nel fornire protezione. In secondo luogo, questo approccio è relativamente veloce e poco costoso da produrre. Sebbene i vaccini contro la pertosse e l'antrace siano l'unico vaccino batterico inattivato attualmente in commercio utilizzato per l'immunizzazione del pubblico in generale, la richiesta di sviluppare nuovi vaccini batterici inattivati per i patogeni emergenti è in aumento [72, 73, 74]. I vaccini batterici irradiati, che impediscono la replicazione ma mantengono la loro attività metabolica, generano più alte risposte immunitarie umorali e protezione contro i batteri extracellulari e intracellulari, compresi i patogeni umani e animali (Tabella 1) [75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86]. I vaccini batterici inattivati erano originariamente destinati alla somministrazione intranasale o orale per attivare una risposta immunitaria mucosa [87, 88, 89, 90]. L'immunizzazione intranasale con vaccini batterici inattivati induce la risposta immunitaria sia umana che cellulare e sierotipo indipendente [91, 92].
La lebbra e la tubercolosi sono le più comuni malattie da micobatteri che rappresentano una delle principali cause di morte in tutto il mondo [93, 94, 95]. La strategia più efficace per il trattamento della tubercolosi (TB) è la vaccinazione. Il bacillo vivo Calmette-Guerin (BCG), introdotto nel 1921, è l'unico vaccino disponibile contro entrambe le malattie [96]. Sebbene fornisca protezione immunitaria per neonati e giovani adulti, ha avuto risultati incoerenti e imprevedibili negli adulti, a volte causando gravi reazioni allergiche nella pelle, e offre una protezione meno duratura che spesso richiede una seconda immunizzazione potenziata [96, 97]. Più di 10 TB di vaccini sono nelle prime fasi di sviluppo [98, 99, 100]. I risultati clinici più efficaci sono stati ottenuti utilizzando il vaccino Mycobacterium obuense inattivato con calore ucciso, DAR-901 (Identificatore ClinicalTrials.gov: NCT02063555) [101, 102, 103]. Una sperimentazione in Tanzania di> 2.000 soggetti sieropositivi ha dimostrato che è sia sicura che efficace. I vaccini per la TBC uccisi irradiati sono stati segnalati per la prima volta da Olson et al. nel 1947 [104] e Paterson et al. nel 1949 [105]. Sebbene il vaccino contro la TBC ucciso irradiato abbia dato un grado di protezione simile a quello del vaccino vivo BCG in modelli animali, l'effetto allergenico è stato nettamente ridotto. Poiché molti studi precedenti hanno dimostrato che la TBC irradiata provoca la produzione robusta di anticorpi e la protezione dalla sfida della tubercolosi infettiva, questa strategia dovrebbe essere considerata un metodo alternativo di inattivazione per i vaccini a cellule intere TB (WCV).
Streptococcus pneumoniae è un agente eziologico nei bambini e negli anziani. Attualmente il vaccino coniugato polisaccaride disponibile (PCV) genera risposte anticorpali specifiche del sierotipo [106, 107]. Studi di sorveglianza di fase IV in molti paesi hanno riscontrato un numero crescente di sierotipi non vaccinati e la comparsa di nuovi sierotipi [108]. Pertanto, vengono presi in considerazione approcci alternativi, come vaccini e WCV basati sulle proteine. Un vaccino anti-pneumococco a cellule intere inattivato è stato ricercato dall'inizio del XX secolo. Più recentemente, una collaborazione tra PATH Vaccine Solutions (Seattle, WA, USA) e il gruppo di Malley [109, 110] ha mostrato risultati positivi utilizzando un vaccino pneumococcico non incapsulato chimicamente ucciso in un modello animale e in uno studio clinico di fase I (Trials clinici. gov Identifier: NCT01537185) [93, 111]. In questi studi clinici non sono stati riportati eventi avversi gravi e attualmente i partecipanti vengono reclutati per testarne la sicurezza e la tollerabilità con la somministrazione intramuscolare in adulti e bambini sani del Kenya che sono stati vaccinati con vaccini PCV. Abbiamo anche studiato la possibilità di creare un vaccino pneumococcico irradiato utilizzando pneumococchi non incapsulati. I pneumococchi uccisi irradiati hanno mostrato effetti non tossici in vitro, mentre la polmonite uccisa chimicamente ha fatto (dati non pubblicati). Inoltre, le WCV irradiate hanno provocato un livello significativamente più alto di risposte anticorpali nei topi con vaccinazioni intranasali e intramuscolari. Questo dimostra che l'irradiazione è un metodo possibile per produrre un vaccino pneumococcico intero ucciso.
La Salmonella enterica causa una varietà di malattie infettive negli animali e nell'uomo [112, 113]. I vaccini vivi attenuati generalmente conferiscono una protezione migliore rispetto ai vaccini uccisi; tuttavia, sono limitati dalla loro tossicità e causano lievi diarree. Previte [114] descrisse per la prima volta l'uso della radiazione per aumentare l'immunogenicità e diminuire la tossicità della Salmonella rispetto ai vaccini a base di acetone, alcol e calore uccisi nei modelli di salmonellosi di topo e bovino [115, 116]. Le specie Brucella (B. melitensis, B. abortus, B. suis) sono gli agenti responsabili della brucellosi, un'infezione batterica cronica negli animali e nell'uomo. Alcuni vaccini vivi attenuati (S19, RB51, Rev1) sono autorizzati per l'uso negli animali, ma non negli esseri umani. Tuttavia, il vaccino vivo è stato implicato in diverse infezioni accidentali nell'uomo e negli animali [117, 118]. Diversi vaccini Brucella inattivati sono stati testati come vaccini alternativi e più sicuri. In un modello murino, B. abortus RB51 e B. neotomae irradiati hanno indotto la protezione dalla sfida sistemica e mucosale con Brucella spp. La vaccinazione orale nei topi ha anche provocato l'attivazione di linfociti T CD4 e CD8 + specifici per le specie infette di Brucella [40, 77, 119, 120, 121, 122, 123, 124].
Vaccini contro la malaria irradiati
La malaria umana è principalmente dovuta all'infezione con una delle cinque specie di Plasmodium: Plasmodium falciparum, Plasmodium vivax, Plasmodium malariae, Plasmodium ovale e Plasmodium knowlesi. Di questi, P. falciparum è responsabile del 92% dei decessi che si verificano soprattutto nei bambini che vivono nell'Africa sub-sahariana [125]. Nel 2012 ci sono stati circa 220 milioni di casi clinici e 0,63 milioni di morti nel mondo a causa dell'infezione da malaria [23]. Un vaccino efficace per P. falciparum è necessario per l'uso in popolazioni malaria-endemiche, ma nessun vaccino e candidato malaria autorizzato ha costantemente prodotto un livello protettivo di efficacia [126].
Sulla base del ciclo di vita del parassita della malaria e del processo di infezione, i vaccini contro la malaria sono suddivisi in quattro potenziali gruppi target; interruzione della trasmissione da uomo a zanzara (fasi parassitarie sessuali e di zanzara), inibizione delle conseguenze cliniche (stadio del sangue asessuale), prevenzione della trasmissione di zanzare in umani e infezioni pre-eritrocitiche (sporozoite [SPZ] / stadi epatici) [127]. Tra questi, solo i vaccini contro le infezioni pre-eritrocitiche hanno mostrato livelli significativi di protezione negli studi clinici sull'uomo [128]. Il vaccino della subunità RTS, S / AS01 costituito dalla proteina circumsporozoite di P. falciparum (CSP) fusa con l'antigene di superficie dell'epatite B (HBsAg) è uno dei vaccini anti-malaria più avanzati a livello clinico. Anche se questo vaccino non sembra suscitare una risposta delle cellule T CD8 +, CSP-HBsAg ha indotto una risposta specifica delle cellule T CD4 + indirizzando l'intero SPZ. Uno studio clinico di fase III su larga scala (ClinicalTrials.gov Identifier: NCT00866619) in bambini africani di 6-8 settimane ha mostrato che i vaccini RTS, S / A01 hanno fornito una protezione modesta (26,0% -36,6% di efficacia del vaccino) senza effetti avversi gravi [129].
Una recente scoperta che ha stabilito gli standard per la protezione immunologica contro l'infezione da malaria è stata stabilita mediante immunizzazione con SPZ irradiato [130, 131]. Poiché il parassita subisce cambiamenti morfologici e mostra una variazione antigenica in ogni stadio dell'infezione, i vaccini antiparassitari hanno un vantaggio [132, 133, 134]. All'inizio degli anni '40, Russell e Mohan [130] per primi dimostrarono che il P. gallinaceum SPZ inattivato forniva protezione contro la sfida con il p. Gallinaceo infettivo. Nel 1967, Nussenzweig et al. [131] hanno riferito che un vaccino SPZ ucciso da P. berghei non ha avuto successo, ma che un vaccino SPZ irradiato con raggi X ha fornito una protezione significativa in un modello di topo SPZ-challenge.
Negli anni '70, i ricercatori hanno dimostrato che l'immunizzazione di volontari umani con morsi di zanzare irradiate contenenti P. falciparum SPZ (PfSPZ) o P. vivax SPZ (PvSPZ) ha fornito protezione contro le sfide con SPZ infettivo [135, 136, 137, 138, 139]. Poiché le zanzare infette non possono essere utilizzate per immunizzare un gran numero di individui, un team del Vaccine Research Center (VRC) del National Institutes of Health (NIH) e Sanaria Inc. (Rockville, MD, USA), ha sviluppato un irradiato iniettabile e crioconservato Vaccino PfSPZ che soddisfa gli standard normativi del vaccino [18]. Sanaria Inc. è riuscita a sollevare zanzare su scala industriale a livelli di buona pratica manifatturiera (GMP) e ha raccolto grandi quantità di PfSPZ dalle ghiandole salivari delle zanzare. Nelle sperimentazioni cliniche di fase 1 di PfSPZ irradiato (Identificazione ClinicalTrials.gov: NCT01001650), tutti i soggetti somministrati per cinque o sei dosi hanno mostrato endovena resistenza completa alle sfide da morsi di zanzare infette a 3 settimane dopo la loro immunizzazione finale, mentre cinque su sei i controlli non vaccinati hanno sviluppato la malaria [136, 139]. Ulteriori studi clinici sulla somministrazione endovenosa del vaccino PfSPZ sono pianificati in più sedi (Identificatore ClinicalTrials.gov: NCT02132299, NCT02215707, NCT0215091, NCT02115 516, NCT02418962).
Terapia con vaccino a base di cellule cancerose irradiate
Il cancro, che è una delle principali preoccupazioni per la salute in tutto il mondo, è una delle principali cause di morbilità e mortalità nei paesi sviluppati e in via di sviluppo. Ci sono stati ~ 14 milioni di nuovi casi e 8,2 milioni di morti per cancro nel 2012 [140]. Attualmente, i trattamenti terapeutici tradizionali per il controllo e la cura del cancro includono la radioterapia e la chemioterapia, che sono comunemente usati in tutto il mondo e sono considerati i modi più efficaci per prevenire la crescita del tumore [3, 141, 142]. La chemioterapia si rivolge alle cellule che crescono e si dividono rapidamente, una delle principali proprietà delle cellule tumorali, ma provoca gravi effetti avversi poiché si rivolge anche a cellule sane e in rapida divisione, come le cellule del sangue e quelle che rivestono la bocca, lo stomaco, l'intestino e i capelli follicoli. Quindi, la mielosoppressione (diminuzione della produzione di cellule del sangue), la mucosite (infiammazione del rivestimento del tubo digerente) e l'alopecia (perdita di capelli) si verificano comunemente dopo la chemioterapia [143, 144, 145, 146, 147]. La radioterapia che utilizza radiazioni ionizzanti agisce danneggiando il DNA delle cellule tumorali, portando alla morte cellulare. Rispetto alla chirurgia, la radioterapia è meno dolorosa, ma la gravità e la longevità degli effetti collaterali dipendono dalla dose e dalla durata delle radiazioni somministrate. I sintomi variano da paziente a paziente e dipendono dal trattamento concomitante, come la chemioterapia. Gli effetti collaterali acuti più comuni comprendono nausea, vomito, danno epiteliale, piaghe dello stomaco, disturbi intestinali e persino infertilità [148, 149, 150]. Gli effetti collaterali sono causati da danni ai vasi sanguigni e ai tessuti connettivi, che possono portare a fibrosi, linfedema e malattie cardiache, che rappresentano minacce future nascoste. Pertanto, sono necessari trattamenti profilattici nuovi e migliori.
Un trattamento terapeutico sviluppato di recente nella prevenzione del cancro è un vaccino contro il cancro. Numerosi diversi tipi di vaccini contro il cancro sono stati testati negli studi clinici, ma i benefici clinici per la maggior parte dei pazienti oncologici devono ancora essere valutati e confermati. I vaccini contro il cancro sono progettati per prevenire o curare i tumori utilizzando le cellule tumorali intere del paziente o parte degli antigeni del cancro specifici del tumore come fonte dei vaccini. A differenza di chemioterapie e radioterapie, questi vaccini non causerebbero effetti collaterali gravi, che offrirebbero un trattamento alternativo per i pazienti nei casi in cui i trattamenti tradizionali non sono efficaci. Inoltre, la combinazione di un vaccino contro il cancro con altre terapie antitumorali potrebbe migliorare l'efficacia di qualsiasi trattamento.
I vaccini per il trattamento del cancro sono fatti con le cellule del dendrite di sangue del paziente stimolate con antigene cancerogeno. Questi possono effettivamente inibire o arrestare la crescita delle cellule tumorali e prevenire la ricomparsa del cancro dopo la chemioterapia e la radioterapia [151]. Nel 2010, la Food and Drug Administration (FDA) ha approvato il primo vaccino per il trattamento del cancro, Provenge (Dendreon, Seattle, WA, USA), che è un vaccino personalizzato per il paziente che colpisce il cancro alla prostata metastatico [152]. Questo vaccino è costituito da cellule dendritiche coltivate prese dal paziente e stimolate con l'antigene prostatico fosfatasi (PAP) con fattore stimolante le colonie di granulociti-macrofagi (GM-CSF). La reinfusione delle cellule dendritiche stimolate nel paziente stimola efficacemente l'immunità dipendente dalle cellule T, che uccide le cellule tumorali che esprimono PAP [153]. I risultati di uno studio clinico hanno dimostrato che Provenge ha ridotto il rischio di morte del 22% e aumentato la sopravvivenza di 4,1 mesi rispetto al gruppo placebo [154]. Tuttavia, il costo degli attuali vaccini antitumorali personalizzati per i pazienti è estremamente elevato e l'intervallo di tempo del trattamento è lungo. Entrambi questi fattori impediranno che il vaccino venga ampiamente utilizzato in tutto il mondo. Il trattamento con Provenge consiste di tre infusioni a intervalli di due settimane per un mese, e il costo per un ciclo completo di trattamento è di $ 93.000 [140]. A causa di questi limiti, si stanno sviluppando nuovi tipi di vaccini contro il cancro a base di cellule.
Uno dei vaccini contro il cancro terapeutici basati su cellule più promettenti è GVAX (cellule di vaccino contro il cancro irradiato con trasduzione del gene GM-CSF) che è uno dei vaccini più lontani lungo il processo in studi pre-clinici e clinici [155]. A differenza dei vaccini contro il cancro specifici per il paziente, questo vaccino è stato sviluppato utilizzando cellule tumorali specifiche per il paziente geneticamente modificate per secernere GM-CSF. Questo rende facile la produzione di vaccini per vari tipi di tumori, come il melanoma, i tumori renali, polmonari, della prostata e del pancreas [156]. Le cellule tumorali irradiate possono coinvolgere i corpi apoptotici, che sarebbero accettati dalle cellule dendritiche. Quando le cellule dendritiche interagiscono con gli antigeni espressi dalle cellule tumorali irradiate, diventano mature e presentano gli antigeni. Inoltre, la cellula tumorale allogenica secernente il GM-CSF ricombinante chemiotatticamente attira le cellule dendritiche immature per indurre la maturazione. Le cellule dendritiche che presentano l'antigene espresso dalle cellule tumorali irradiate attivano quindi i linfociti CD4 e CD8 direttamente [157]. Ad oggi, ci sono molti tipi di vaccino GVAX in studi clinici, da soli o in combinazione con altre terapie, per migliorare le opzioni di trattamento (Tabella 2). Ad esempio, un vaccino GVAX per il cancro alla prostata (GVAX-PCa) con un co-trattamento di Ipilimumab, che è un anticorpo monoclonale umanizzato e funziona come un bloccante CTLA-4, è stato approvato dalla FDA per il trattamento del melanoma avanzato in 2011 [158]. Clinicamente, l'immunoterapia GVAX combinata con Ipilimumab porta allo sviluppo di anticorpi specifici contro le cellule tumorali che prolungano la sopravvivenza del paziente nei casi di tumori pancreatici e della prostata negli studi clinici (Identificazione ClinicalTrials.gov: NCT00836407 e NCT01510288) [25].
Conclusione
La radiazione gamma non è una nuova tecnica ed è stata ampiamente utilizzata in passato per sterilizzare gli alimenti e creare vaccini inattivati. Se la radiazione gamma è superiore ai metodi di inattivazione convenzionali, come i trattamenti termici e chimici, rimane una questione controversa. Tuttavia, a causa della sua capacità di penetrare efficacemente contro gli agenti patogeni e le cellule cancerose e in particolare di indirizzare gli acidi nucleici mentre causano meno danni alle proteine antigeniche superficiali, le richieste per l'uso della radiazione gamma sono in aumento per sviluppare vaccini sicuri e semplici. Inoltre, la radiazione gamma ha diversi vantaggi rispetto all'uso di forme inattive di vaccini, come la capacità di inattivare grandi volumi, possono essere conservati in contenitori chiusi e non è necessario rimuovere i composti chimici dopo l'inattivazione. Nonostante questi vantaggi, nessun vaccino irradiato è stato autorizzato fino ad oggi. Qui, abbiamo rivisto e riassunto la situazione attuale dei vaccini irradiati negli studi pre-clinici e clinici. Alcuni vaccini irradiati non hanno mostrato risultati sorprendenti rispetto ai vaccini vivi attenuati o chimicamente inattivati, ma la maggior parte degli studi preclinici ha suggerito che i vaccini irradiati forniscono una maggiore potenziale di immunogenicità rispetto ad altri metodi di inattivazione. Inoltre, la forma metabolicamente attiva di vaccini irradiati era in grado di attivare le cellule T citotossiche, che sono importanti cellule immunitarie per il trattamento di patogeni e cancri intracellulari. Pertanto, l'inattivazione delle radiazioni potrebbe fornire una tecnica fattibile, ad ampio spettro, semplice ed efficace per lo sviluppo di nuovi vaccini.
Note
Non è stato segnalato alcun potenziale conflitto di interessi rilevante per questo articolo.
Autore corrispondente: Ho Seong Seo, PhD. Divisione Radiation Biotechnology Research (136A), Advanced Radiation Technology Institute, Korea Atomic Energy Research Institute, 29 Genmgu-gil, Jeongeup 580-185, Corea. Tel: + 82-63-570-3140, Fax: + 82-63-570-3149, Email: hoseongseo@kaeri.re.kr.
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