Una modifica alla “ricetta” del vaccino mRNA ne migliora sicurezza ed efficacia / Tweak to mRNA Vaccine “Recipe” Improves Safety and Efficacy

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Modificando la struttura delle nanoparticelle lipidiche che trasportano l'mRNA si riduce l'infiammazione e si aumenta l'efficacia.

Come milioni di persone sanno in prima persona, l'effetto collaterale più comune dei vaccini a mRNA come quello contro il COVID-19 è l'infiammazione: dolore, arrossamento ed uno o due giorni di malessere. Ma cosa succederebbe se i vaccini a mRNA potessero essere riprogettati per eludere del tutto questa risposta?

In un nuovo articolo pubblicato su Nature Biomedical Engineering , i ricercatori dell'Università della Pennsylvania dimostrano che modificando la struttura del lipide ionizzabile, un componente chiave delle nanoparticelle lipidiche (LNP) che trasportano l'mRNA, non solo si riduce l'infiammazione, ma si aumenta anche l'efficacia del vaccino nel prevenire o curare una serie di malattie, dal COVID-19 al cancro.

Il cambiamento chiave? L'aggiunta di gruppi fenolici, composti chimici con proprietà antinfiammatorie notoriamente presenti in alimenti come l'olio d'oliva. "Modificando sostanzialmente la ricetta di questi lipidi, siamo riusciti a farli funzionare meglio con meno effetti collaterali", afferma Michael J. Mitchell, Professore Associato di Bioingegneria (BE) ed autore senior dello studio. "È una vittoria per tutti".

Revisione della ricetta

Finora, i lipidi ionizzabili presenti negli LNP (uno dei quattro tipi di lipidi presenti negli LNP e probabilmente il più importante) sono stati in gran parte sintetizzati utilizzando reazioni chimiche che combinano due componenti in una nuova molecola, proprio come le due metà di un panino che si uniscono.

"Dato che questi processi hanno avuto così tanto successo, non si è fatto molto per cercare alternative", afferma Ninqiang Gong, ex ricercatore post-dottorato presso il Mitchell Lab e co-primo autore dello studio.

Ripensando alla storia della chimica, il gruppo ha trovato un approccio alternativo: la reazione di Mannich, che prende il nome dal chimico tedesco che la scoprì più di un secolo fa.

Invece di due componenti, la reazione di Mannich combina tre precursori, consentendo una maggiore varietà di risultati molecolari. "Siamo riusciti a creare centinaia di nuovi lipidi", afferma Gong.

L’esplorazione di questa “libreria” di lipidi ha portato il gruppo a scoprire che l’aggiunta di un gruppo fenolico, una combinazione di idrogeno e ossigeno collegati ad un anello di molecole di carbonio, riduceva sostanzialmente l’infiammazione.

"È un po' come la ricetta segreta", afferma Gong. "Il gruppo fenolico non solo riduce gli effetti collaterali associati ai LNP, ma ne migliora anche l'efficacia."

Il potere dei fenoli

Studi precedenti hanno dimostrato che i composti contenenti fenolo riducono l'infiammazione annullando gli effetti nocivi dei radicali liberi, molecole con elettroni spaiati che possono alterare la chimica dell'organismo.

Troppi radicali liberi e troppo pochi antiossidanti provocano lo “stress ossidativo”, che degrada le proteine, danneggia il materiale genetico e può persino uccidere le cellule.

Esaminando diversi marcatori associati allo stress ossidativo, i ricercatori hanno confrontato gli effetti infiammatori degli LNP formulati utilizzando diversi lipidi.

"L'LNP più performante, che abbiamo costruito utilizzando un lipide ionizzabile contenente fenolo prodotto dalla reazione di Mannich, ha in realtà causato meno infiammazione", afferma Emily Han, studentessa di dottorato in BE e coautrice dello studio.

Meno infiammazione, prestazioni più elevate

Grazie a questi incoraggianti segnali di riduzione dell'infiammazione, i ricercatori hanno poi testato se i nuovi lipidi migliorassero anche l'efficacia del vaccino.

In numerosi esperimenti, gli LNP C-a16, che incorporavano la maggior parte dei lipidi antinfiammatori, hanno ottenuto risultati migliori rispetto agli LNP utilizzati nelle tecnologie mRNA in commercio.

"Ridurre lo stress ossidativo aiuta gli LNP a svolgere più facilmente il loro lavoro", afferma Dongyoon Kim, ricercatore post-dottorato presso il Mitchell Lab e co-primo autore dello studio.

Gli LNP C-a16 non solo hanno prodotto effetti più duraturi, ma hanno anche migliorato l'efficacia degli strumenti di editing genetico come CRISPR e la potenza dei vaccini per il trattamento del cancro.

Combattere le malattie genetiche, il cancro ed il COVID-19

Per testare l'efficacia dei nuovi lipidi C-a16 in un modello animale, i ricercatori li hanno prima utilizzati per introdurre nelle cellule il gene che fa brillare le lucciole, un esperimento classico per verificare l'intensità delle istruzioni genetiche.

La luminosità nei topi era circa 15 volte maggiore rispetto a quella degli LNP utilizzati in Onpattro, un trattamento approvato dalla FDA per l'amiloidosi ereditaria da transtiretina (hATTR), una rara malattia genetica del fegato.

I lipidi C-a16 hanno anche aiutato strumenti di editing genetico come CRISPR a correggere meglio il gene difettoso che causa l'hATTR. Infatti, hanno più che raddoppiato l'efficacia del trattamento in un modello murino rispetto agli attuali metodi di somministrazione.

Nei trattamenti contro il cancro, i risultati sono stati altrettanto sorprendenti. In un modello animale di melanoma, un trattamento antitumorale a mRNA somministrato con lipidi C-a16 ha ridotto i tumori tre volte più efficacemente rispetto allo stesso trattamento somministrato con gli LNP utilizzati nei vaccini contro il COVID-19. I nuovi lipidi hanno anche potenziato le cellule T che combattono il cancro, aiutandole a riconoscere e distruggere le cellule tumorali in modo più efficiente e con minore stress ossidativo.

Infine, quando il gruppo ha utilizzato i lipidi C-a16 per preparare i vaccini a mRNA contro il COVID-19, la risposta immunitaria nei modelli animali è stata cinque volte più forte rispetto alle formulazioni standard.

"Provocando una minore interruzione dei meccanismi cellulari, i nuovi lipidi contenenti fenolo possono migliorare un'ampia gamma di applicazioni LNP", afferma Kim.

Vecchia chimica, nuove frontiere

Oltre a studiare il potenziale immediato dei nuovi lipidi nel ridurre gli effetti collaterali nei vaccini a mRNA, i ricercatori non vedono l'ora di esplorare come processi chimici trascurati, come la reazione di Mannich, possano svelare nuove ricette per il potenziamento dell'LNP.

"Abbiamo provato ad applicare una reazione scoperta un secolo fa ed abbiamo scoperto che potrebbe migliorare drasticamente i trattamenti medici più all'avanguardia", afferma Mitchell. "È emozionante immaginare cos'altro resti da riscoprire".

ENGLISH

Tweaking the structure of the lipid nanoparticles that deliver mRNA reduces inflammation and boosts effectiveness.

As millions of people know firsthand, the most common side effect of mRNA vaccines like the COVID-19 shot is inflammation: soreness, redness and a day or two of malaise. But what if mRNA vaccines could be redesigned to sidestep that response altogether?

In a new paper in Nature Biomedical Engineering, researchers at the University of Pennsylvania show that tweaking the structure of the ionizable lipid, a key component of the lipid nanoparticles (LNPs) that deliver mRNA, not only reduces inflammation but also boosts vaccine effectiveness for preventing or treating a range of diseases, from COVID-19 to cancer.

The key change? Adding phenol groups, chemical compounds with anti-inflammatory properties famously found in foods like olive oil. “By essentially changing the recipe for these lipids, we were able to make them work better with fewer side effects,” says Michael J. Mitchell, Associate Professor in Bioengineering (BE) and the paper’s senior author. “It’s a win-win.”

Revising the recipe

Until now, the ionizable lipids in LNPs — one of four types of lipids in LNPs, and arguably the most important — have largely been synthesized using chemical reactions that combine two components into a new molecule, much like two halves of a sandwich coming together.

“Because these processes have been so successful, there hasn’t been much effort to look for alternatives,” says Ninqiang Gong, a former postdoctoral fellow in the Mitchell Lab and co-first author of the paper.

Looking back at the history of chemistry, the team found an alternative approach: the Mannich reaction, named after the German chemist who discovered it more than a century ago.

Rather than two components, the Mannich reaction combines three precursors, allowing for a greater variety of molecular outcomes. “We were able to create hundreds of new lipids,” says Gong.

Exploring that “library” of lipids led the team to discover that adding a phenol group — a combination of hydrogen and oxygen connected to a ring of carbon molecules — substantially reduced inflammation.

“It’s kind of like the secret sauce,” says Gong. “The phenol group not only reduces the side effects associated with LNPs, but improves their efficacy.”

The power of phenols

Previous studies have found that phenol-containing compounds reduce inflammation by negating the harmful effects of free radicals, molecules with unpaired electrons that can disrupt the body’s chemistry.

Too many free radicals and too few antioxidants result in “oxidative stress,” which degrades proteins, damages genetic material and can even kill cells.

By checking various markers associated with oxidative stress, the researchers compared the inflammatory effects of LNPs formulated using different lipids.

“The best-performing LNP, which we built using a phenol-containing ionizable lipid produced by the Mannich reaction, actually caused less inflammation,” says Emily Han, a doctoral student in BE and co-author of the paper.

Less inflammation, higher performance

With these encouraging signs of reduced inflammation, the researchers next tested whether the new lipids also improved vaccine performance.

Across multiple experiments, C-a16 LNPs, which incorporated the most anti-inflammatory lipid, outperformed LNPs used in on-the-market mRNA technologies.

“Lowering oxidative stress makes it easier for LNPs to do their job,” says Dongyoon Kim, a postdoctoral fellow in the Mitchell Lab and co-first author of the paper.

C-a16 LNPs not only produced longer-lasting effects, but also improved the efficacy of gene-editing tools like CRISPR and the potency of vaccines for treating cancer.

Fighting genetic disease, cancer and COVID-19

To test how well the new C-a16 lipids worked in an animal model, the researchers first used them to deliver into cells the gene that makes fireflies glow — a classic experiment for checking the strength of genetic instructions.

The glow in mice was about 15 times brighter compared to the LNPs used in Onpattro, an FDA-approved treatment for hereditary transthyretin amyloidosis (hATTR), a rare genetic liver disease.

The C-a16 lipids also helped gene-editing tools like CRISPR do a better job fixing the faulty gene that causes hATTR. In fact, they more than doubled the treatment’s effectiveness in a mouse model compared to current delivery methods.

In cancer treatments, the results were just as striking. In an animal model of melanoma, an mRNA cancer treatment delivered with C-a16 lipids shrank tumors three times more effectively than the same treatment delivered with the LNPs used in the COVID-19 vaccines. The new lipids also gave cancer-fighting T cells a boost, helping them recognize and destroy tumor cells more efficiently — and with less oxidative stress.

Finally, when the team used the C-a16 lipids for preparing COVID-19 mRNA vaccines, the immune response in animal models was five times stronger than with standard formulations.

“By causing less disruption to cellular machinery, the new, phenol-containing lipids can enhance a wide range of LNP applications,” says Kim.

Old chemistry, new frontiers

Besides investigating the immediate potential of the new lipids to reduce side effects in mRNA vaccines, the researchers look forward to exploring how overlooked chemical processes like the Mannich reaction can unlock new LNP-enhancing recipes.

“We tried applying one reaction discovered a century ago, and found it could drastically improve cutting-edge medical treatments,” says Mitchell. “It’s exciting to imagine what else remains to be rediscovered.”

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