LA SALUTE a cura di Pompeo Pindozzi i contro le malattie infettive Una storia scritta da ricercatori italiani Oggi solo il 5% della popolazione potrebbe essere vaccinata 70 obiettivo sicurezza vaccini L’aggiornamento delle linee guida dell’OMS per la gestione delle malattie infettive globali, una maggiore cooperazione internazionale, più investimenti in ricerca e prevenzione: queste alcune tra le proposte discusse al primo convegno internazionale “emerging and re-emerging infections: impact on society, economy and medicine”, organizzato da Chiron per i 100 anni di ricerca nei vaccini. Trentacinque nuove malattie infettive emerse negli ultimi 25 anni, tra cui HIV, BSE, Ebola, SARS e diversi virus influenzali potenzialmente pandemici trasmessi dai volatili all’uomo, sono il prodotto del nostro stile di vita. L’aumento della popolazione, gli allevamenti intensivi di pollame e suini, uniti all’elevata mobilità internazionale, costituiscono un ambiente favorevole alla rapida diffusione di microbi. Basti pensare a quanto si è ridotto l’inter vallo tra la comparsa di nuovi minacciosi sottotipi di virus influenzali: in soli sette anni, dal 1997 a oggi, il rischio di pandemia si è presentato ben sette volte. Virus analoghi al ceppo responsabile della pandemia Asiatica del 1957, H2N2, continuano a circolare e mettono a rischio 1a popo1azione mondiale nata dopo tale data, e per tanto non immune. C’è grande attenzione anche per il virus H5, che a Honk Kong nel 1997 ha ucciso in brevissimo tempo sei delle diciotto persone infettate. Continua a ripresentarsi anche il sotto tipo H5Nl, che ha inoltre dimostrato che 1a trasmissione diretta tra specie aviarie e uomo è possibile. “Oggi le abitudini di vita e le possibilità di spostamento fanno sì che in poche ore un’epidemia possa fare il giro del mondo. Un’altra pandemia di influenza è inevitabile e forse imminente - afferma Rino Rappuoli, responsabile mondiale per la ricerca Chiron - anche se, rispetto al passato, sono cambiati e migliorati i sistemi di sorveglianza e le reti di collaborazione internazionale”. Le consuete epidemie influenzali colpiscono ogni anno dal 5 al 20 per cento della popolazione. Se una pandemia influenzale, ovvero la rapida estensione della malattia in tutto il globo, dovesse presentarsi, colpirebbe il 30 -50 per cento della popolazione, con un tasso di letalità molto elevato. Mantenendo gli attuali ritmi di produzione e quantitativi di vaccino influenzate, oggi solo il 5 per cento della popolazione mondiale potrebbe essere vaccinata. “Nei prossimi 10 -20 anni - continua Rappuoli - possiamo aspettarci dozzine di nuove malattie infettive che potrebbero causare il panico globale. Per questa ragione è necessario studiare, sviluppare e registrare vaccini contro tutti gli agenti patogeni, persino quelli che non sembrano avere rilevanza, proprio perché qualunque malattia può diventare di interesse globale, in qualunque momento”. “Per ottenere impor tanti risultati nel campo della ricerca scientifica, - LA SALUTE i vaccini contro le malattie infettive E’ necessario istituire una regolamentazione internazionale per il controllo delle malattie infettive La peste di Atene La vaiolizzazione afferma Piero Tosi, rettore dell’università degli studi di Siena - la cooperazione tra istituzioni, aziende e università è uno strumento essenziale. Ne è una riprova la collaborazione tra il nostro ateneo e Chiron Vaccines, che ha consentito di valorizzare le enormi potenzialità della ricerca italiana, facendo di Siena un esempio da imitare. Il ruolo della collaborazione internazionale per affrontare le emergenze sanitarie future è ribadito anche da Klaus Stohr. “Come ha dimostrato l’ultima influenza aviaria - dichiara il direttore del global influenza programme dell’OMS di Ginevra - è necessario istituire una regolamentazione internazionale per il controllo e la sor veglianza delle malattie infettive. L’ IHR, intemational health regulation, risale al 1951 e necessita di revisione per adattarla alle realtà presenti e future. Oggi l’OMS sta lavorando per aggiornarla, al fine di fronteggiare le possibili emergenze sanitarie: solo la collaborazione internazionale e il confronto tra esper ti può permettere di affrontare un rischio globale”. I 100 giorni di epidemia di SARS hanno dimostrato che una malattia sviluppata in una zona remota (una provincia della Cina) può diventare un problema globale in pochi giorni: 8.000 casi stimati, 774 mor ti accer tate, 29 paesi del mondo coinvolti. “La SARS ci ha insegnato che qualunque cosa accada anche nel più lontano angolo del mondo può rappresentare un problema globale - affermo Donato Greco, direttore generale della prevenzione, ministero della Salute - II monitoraggio continuo, un piano di sorveglianza epidemiologica, la rigorosa adesione alle procedure di controllo delle infezioni e la collaborazione con il mondo della ricerca a livello internazionale sono gli strumenti necessari per affrontarlo”. Le conseguenze della SARS possono essere misurate e valutate anche in termini economici. Si stima un costo mondiale nell’anno 2003 pari a 40 miliardi di dollari, tra viaggi cancellati, riduzione degli scambi commerciali, mancati investimenti. LA STORIA DELLE VACCINAZIONI Da Tucidide a Sabin: la storia delle vaccinazioni dal 400 a.C. agli anni ‘80 Già nell’antica Grecia era noto che coloro che sopravvivevano ad una malattia infettiva ne diventavano immuni. Lo storico Tucidide, descrivendo la guerra del Peloponneso, ripor ta che durante la famosa peste di Atene (430 a.C.) era pratica comune per coloro che erano guariti dalla malattia occuparsi dei malati, poiché “lo stesso uomo non veniva mai colpito due volte”. Risale al 590 d.C. la cosiddetta “vaiolizzazione”, cioè il trasferimento di materiale infetto da una pustola di un malato di vaiolo a un individuo sano per renderlo resistente ad una successiva esposizione all’infezione. Tale pratica, che si rivelò generalmente vincente pur non essendo priva di rischi, si protrasse nel tempo e si diffuse in diversi paesi in Europa, Asia e Africa. Lungo i secoli, il vaiolo ha mietuto sempre numerosissime vittime. Basti pensare che solo durante la conquista spagnola del continente americano, morirono oltre 3 milioni di indigeni. E chi riusciva a scamparne, ne por tava i segni per tutta la vita: le cicatrici deturpanti erano il ricordo di questa malattia terribile. L’umanità deve molto ad Edward Jenner, un medico di campagna 71 obiettivo sicurezza LA SALUTE i vaccini contro le malattie infettive Edward Jenner e il primo vaccino Rabbia, peste, tifo, febbre gialla, difterite e tetano: i vaccini per uso umano Le scoperte degli anni ‘70 e ‘80 72 obiettivo sicurezza che nacque a Berkeley, in Inghilterra, nel 1749 e che, con il suo metodo sperimentale, salvò il mondo dal vaiolo e aprì la strada agli studi immunologici. Jenner osser vò, riguardo alle epidemie di vaiolo, che le mungitrici della campagna spesso venivano colpite dal vaiolo “vaccino”, una forma molto leggera, ma erano protette nei confronti di quello umano, che, invece, era devastante. Così, con molto coraggio, Jenner decise di effettuare un esperimento. Estrasse del materiale da una pustola di una mungitrice che era stata colpita dal vaiolo vaccino e lo inoculò in un bambino sano di otto anni, il ragazzo cominciò ad avere i primi sintomi dopo una settimana: mal di testa, sensazione di freddo, dolore all’ascella, ma nel giro di qualche giorno il ragazzo guarì. Jenner, allora, dopo circa un mese e mezzo prelevò del materiale da una pustola di una persona infettata con vaiolo umano e inoculò anche questo nello stesso ragazzo. Questa volta il ragazzo non ebbe alcuna reazione, né presentò alcun sintomo della malattia. Era il 1796: la guerra al vaiolo avrebbe avuto il suo termine soltanto due secoli dopo, nel 1980. Oggi la vaccinazione antivaiolosa non viene più effettuata (se non in caso di timori per eventuali guerre batteriologiche). Successivamente vennero studiati altri vaccini per uso umano: il vaccino contro la rabbia venne messo a punto da Pasteur nel 1881, il vaccino contro la peste venne studiato a par tire dal 1894, il vaccino antitifico divenne disponibile nei primi anni del ventesimo secolo grazie agli studi di Achi1le ScIavo, i primi vaccini contro la febbre gialla vennero messi a punto nel 1937, i primi vaccini contro la difterite e il tetano intorno agli anni ‘40; il vaccino orale contro la poliomelite fu sviluppato da Alber t Sabin a metà degli anni ‘50. Tutti questi vaccini erano messi a punto in due soli modi: o gli agenti patogeni venivano uccisi con agenti di tipo chimico o fisico, oppure venivano resi innocui attraverso una serie di passaggi in coltura che modificavano la loro virulenza. In pratica, si potevano ottenere vaccini detti “uccisi” o vaccini detti “attenuati”. Nessun’altra possibilità era contemplata. Le nuove tecnologie: la rivoluzione biotech e l’impatto sulle possibilità di ricerca e prevenzione La possibilità di sviluppo di vaccini verso altri agenti patogeni è rimasta molto limitata fino a quando, tra gli anni settanta e ottanta, le discipline biologiche hanno visto aprirsi nuovi spazi di ricerca, grazie ad impor tantissime scoper te: sono state identificate molecole in grado di tagliare il filamento di DNA e altre che potevano ricucirlo, (i biologi hanno così potuto costruire nuove molecole “ingegnerizzate”); sono stati svelati i principali meccanismi dell’immunità e questo ha reso possibile l’individuazione di nuove strategie per la messa a punto dei vaccini; si è imparato a “clonare” proteine per ottenerne significative quantità, tali poi da poter essere analizzate in dettaglio. L’informatica poi, è divenuta par te integrante della biologia, sia perché ha reso possibile lo studio della struttura tridimensionale delle proteine, sia perché si è dimostrata strumento indispensabile per l’analisi del DNA. Nei primi anni ottanta il sequenziamento del DNA era manuale e la sequenza di un gene lungo tremila basi richiedeva un anno di lavoro; oggi è possibile sequenziare milioni di basi di DNA in un solo giorno, poiché tutto avviene in modo automatico. Tutti questi cambiamenti, avvenuti in poco più di due decenni, hanno generato una vera e propria rivoluzione in biologia, tanto che da un LA SALUTE i vaccini contro le malattie infettive La “reverse vaccinology” Le tecnologie tradizionali La fine del vaiolo Liberi dalla poliomielite approccio sostanzialmente empirico si è potuti passare ad uno analitico per la ricerca di nuovi vaccini. Tra le più recenti acquisizioni in questo campo è necessario citare la “reverse vaccinology”, che permette di procedere “a ritroso” par tendo dalle caratteristiche genetiche di un agente infettivo per individuare le proteine da inserire in un futuro vaccino. L’utilizzo delle nuove tecnologie ha il grande vantaggio di accorciare i tempi per la selezione dei vaccini candidati contro le malattie, favorendo l'individuazione del vaccino. I primi vaccini nati dall’applicazione delle tecnologie avanzate sono stati, appunto, i vaccini da “ingegneria genetica”: il vaccino contro l’epatite B e il vaccino contro la per tosse. I SUCCESSI DELLE VACCINAZIONI Durante il XX secolo, nonostante gli enormi progressi nei mezzi a disposizione dei ricercatori, le tecnologie alla base di tutti i vaccini sviluppati sono state solo due, semplici e “tradizionali”: i patogeni venivano trattati con formaldeide o attenuati in vitro. Grazie a queste procedure, dal 1920 al 1980, sono stati messi a punto vaccini contro malattie infettive che per secoli hanno minacciato la salute dell'uomo: più in par ticolare, il trattamento con formaldeide ha permesso lo sviluppo di metodi per produrre preparati contro difterite, tetano, colera, tifo, per tosse, polio e influenza, costituiti da tossine inattivate o batteri e virus uccisi, mentre l’attenuazione in vitro è stata alla base dei vaccini contro polio, morbillo, rosolia, parotite e febbre gialla. Il risultato dell’uso di questi vaccini è stato incredibile. Nel giro di qualche decina di anni il mondo si è liberato di alcune tra le più frequenti cause di mor te, il vaiolo, che causava decine di milioni di decessi in tutto il mondo è stato ereditato nel 1977. A quell’anno risale, infatti, l’ultimo caso accer tato della malattia in Somalia, e al 1980 la dichiarazione dell’organizzazione mondiale della sanità della definitiva sconfitta del vaiolo. La poliomielite, anch’essa gravissima causa di morte e di invalidità permanente, dopo essere stata eliminata nel 1994 dalle Americhe e nel 2000 dall’area del Pacifico occidentale, nel giugno 2002 è stata dichiarata eradicata anche in Europa. L’organizzazione mondiale della sanità (OMS) ha posto tra i suoi obiettivi di interrompere la trasmissione del virus della polio entro la fine del 2004 per poter eradicare ufficialmente la malattia del 2008. Il numero di paesi in cui la poliomielite è endemica è passato da 20 nel 2000 a 6 nel 2003 (Nigeria, India, Pakistan, Niger, Mghanistan, Egitto), il minimo storico mai raggiunto. I casi di polio sono diminuiti di oltre il 99% dal 1988 ad oggi, passando dai 350.000 casi di quell'anno ai 537 del 2001, agli 89 (63 dei quali in Nigeria), nei primi 4 mesi del 2004. Grazie ai vaccini molte altre malattie infettive, pur non essendo state debellate, hanno ridotto drasticamente il loro impatto, soprattutto laddove sono state condotte campagne di immunizzazione di massa. Solo negli Stati Uniti, per la difterite si è passati dai 206.939 casi del 1921 a 1 caso nel 2002; per il morbillo da 894.134 casi nel 1941 a 44 nel 2002; per la rosolia da 57.686 casi nel 1969 a 18 nel 2002; per la parotite da 152.209 casi nel 1968 a 270 nel 2002; per la pertosse da 265.269 casi nel 1934, a 9771 nel 2002; per il tetano, da 1560 casi a 25 casi nel 2002. 73 obiettivo sicurezza LA SALUTE i vaccini contro le malattie infettive La meningite da Haemophilus influenzae di tipo b L’epatite B La meningite da meningococco Tabella 1 Vaccini introdotti in programmi di immunizzazione rutinaria in vari paesi vaccino difterite tetano per tosse (intero) polio inattivato (IPV) influenza polio orale (OPV) morbillo parotite rosolia epatite B h. influenzae tipo b, coniugato varicella per tosse (acellulare) meningococco coniugato pneumococco 74 obiettivo sicurezza anno 1939 1949 1953 1954 1958 1961 1963 1966 1969 1986 1990 1995 1996 1999 2000 Anche la vaccinazione contro la meningite da Haemophilus influenzae di tipo b, introdotta all'inizio degli anni ‘90, ha ridotto drasticamente l'incidenza di questa infezione (del 99%, da circa 20.000 casi in epoca pre-vaccinale a meno di 100 nel 2002 negli USA), che era una delle più frequenti cause di grave meningite nei bambini piccoli. In Italia, grazie alla progressiva diffusione della vaccinazione, si è passati da 130 casi nel 1995 a 23 casi nel 2003. La vaccinazione universale infantile contro il virus dell’epatite B (HBV) è oggi ufficialmente riconosciuta come la migliore strategia in ogni nazione per evitare lo svilupparsi di un’infezione cronica e, successivamente, di cirrosi e cancro del fegato. Il vaccino anti HBV è uno dei più sicuri ed efficaci che siano mai stati prodotti. Nel 1992, l’OMS ha raccomandato ufficialmente che tutti i paesi introducessero tale vaccinazione nel loro calendario vaccinale. Alla fine del 2002, 141 paesi ave-vano ottemperato a tale raccomandazione. Inoltre, il vaccino anti HBV può essere considerato il primo efficace vaccino anti cancro. 20 anni di vaccinazione di massa hanno chiaramente diminuito l’incidenza di tumore epatico legato all’infezione cronica da HBV nei bambini. L’ultimo successo delle vaccinazioni, in ordine di tempo, è rappresentato dalla disponobilità dei nuovi vaccini coniugati contro alcune gravi meningiti batteriche, come quella da meningococco C e quella da streptococco. In par ticolare, il vaccino contro il meningococco C è stato introdotto per la prima volta in Gran Bretagna alla fine degli anni ’90 per combattere una grave epidemia di meningite. Il successo della campagna vaccinale effettuata su tutta la popolazione di età inferiore ai 18 anni è stato impressionante. In soli 18 mesi si è avuta una riduzione globale di incidenza di meningite meningococcica del 86.7%, con una riduzione del numero dei mor ti da 67 nel 1999 a 5 nel 2001. Prima dell'introduzione del vaccino in Gran Bretagna si verificavano 634 casi all’anno di meningite da menigicocco C, nel 2002 si sono verificati solo 99 casi. Questo vaccino è disponibile dal 2002 anche in Italia, dove il meningococco C è responsabile di circa la metà di tutte le meningiti meningococciche. La vaccinazione di massa ha ridotto di oltre il 97% l’incidenza di 7 gravi malattie infettive dagli Stati Uniti e ne ha eliminato due (vaiolo e polio). Malattia Massimo N. di casi (anno) vaiolo polio difterite morbillo rosolia parotite per tosse h. influenzae tipo b tetano 48.164 21.269 206.939 894.134 57.686 152.209 265.269 (1901-190 4) (1952) (1921) (1941) (1969) (1968) (1934) 20.0 0 0 (1992) 1560 (1923) N. di casi nel 2002 Riduzione (%) 0 0 1 44 18 27 0 9771 10 0 10 0 99,99 99,9 99,78 99,86 98,20 <10 0 25 98,79 98,44 LA SALUTE i vaccini contro le malattie infettive Capacità di adattamento e resistenza dei microbi Le strategie contro il sistema immunitario Le strategie di difesa dell’organismo I VACCINI: COSA PREVENGONO, COME FUNZIONANO, COME SI PRODUCONO La lotta ai microrganismi patogeni I successi delle vaccinazioni, insieme al sempre più diffuso uso degli antibiotici, sono stati così sorprendenti che alla fine degli anni ‘60 si era creata la falsa speranza che l’umanità avrebbe vissuto entro pochi anni in un mondo completamente privo di germi patogeni, popolato solamente da innocui “commensali”. Sfortunatamente, nel giro di pochissimo tempo, fu chiaro che questo scenario non era per nulla verosimile. Infatti, durante i vari milioni di anni della loro esistenza sulla terra, i microrganismi hanno imparato ad adattarsi rapidamente anche a drastici cambiamenti ambientali. La relativa semplicità del loro codice genetico, unita all’elevatissimo numero di individui che compongono ogni specie microbica, permette loro, attraverso mutazioni spontanee e acquisendo materiale genetico esogeno, di trovare la strategia migliore di sopravvivenza nell’ambiente esterno. Basti pensare al fenomeno dell’antibiotico resistenza dei batteri, che viene considerata dagli scienziati una seria minaccia per il futuro dell’umanità. Anche i vaccini devono fronteggiare le straordinarie abilità di adattamento dei microbi. In particolare, i microrganismi hanno sviluppato la capacità di sfuggire al controllo del nostro sistema immunitario usando due principali strategie. La prima consiste nel rendersi invisibili nei confronti delle risposte immunitarie dell’ospite. Esempi classici sono quei batteri che si circondano di strati protettivi di varia natura ed il virus IDV, reso così letale della propria abilità di invadere e distruggere le principali cellule immunitarie. La seconda strategia è quella di infettare ospiti diversi (esseri umani o animali di diverse specie). Questa è una tattica particolarmente intelligente per sopravvivere e proliferare: saltando da un ospite all’altro, i microrganismi possono utilizzare un dato ospite per accumulare sufficienti mutazioni da permettere loro di diventare resistenti alle difese immunitarie sviluppate da un altro ospite durante infezioni precedenti. L’esempio più classico di questo compor tamento è rappresentato dal virus dell’influenza, che, grazie alla sua capacità di infettare molte specie animali, dagli uccelli ai maiali, colpisce il genere umano ogni inverno. Questi due meccanismi di difesa spiegano come mai vaccini contro svariati patogeni quali HIV, HCV, streptococcus pyogenes, staphylococcus, i plasmodi della malaria, ecc. siano così difficili da sviluppare, tanto da non essere ancora disponibili. IL PRINCIPIO DIETRO AL CONCETTO DI VACCINO Quando un organismo viene a contatto con un agente estraneo, il sistema immunitario reagisce per neutralizzarlo. Si attivano dunque meccanismi generici di difesa (barriere fisico chimiche, proteine ematiche, attivazione di cellule a attività citotossica, come i macrofagi e i Iinfociti) che rappresentano la prima barriera contro le infezioni. Oltre a questa immunità naturale, esiste un’immunità specifica, che agisce attraverso la produzione di anticorpi e di cellule che riconoscono il target (l’antigene) che determina la par ticolare malattia. La produzioni di anticorpi ad hoc contro l’antigene conferisce una memoria immunitaria che permette al sistema di riconoscere, anche dopo molto tempo, lo stesso agente infettivo e di neutralizzarlo. 75 obiettivo sicurezza LA SALUTE i vaccini contro le malattie infettive Il vaccino funziona sfruttando questa immunità specifica. I vaccini infatti sono costituiti da antigeni propri dell’agente patogeno. La presenza di questi antigeni “simula” la presenza della malattia, stimolando il sistema immunitario a sviluppare una risposta specifica, creando così gli anticorpi contro la malattia senza che essa si sia manifestata. L’immunità specifica I vaccini tradizionali vivi e inattivati 18 mesi per realizzare un vaccino Nuove specie di patogeni Tabella 2 I TEMPI E I MODI DELLA PRODUZIONE Esistono due tipi di vaccini tradizionali: i vaccini vivi (per esempio il vaccino Sabin contro la poliomielite e quello contro il morbillo). Contengono l’agente patogeno ancora vivo ma attenuato (tramite manipolazione genetica, temperatura, etc.). L’agente è in grado di replicarsi simulando l’infezione. Questi vaccini conferiscono un alto grado di immunità. i vaccini inattivati o subunità (per esempio quelli contro l’influenza o la pertosse). Devono essere somministrati in più dosi perché conferiscono un livello di immunità inferiore rispetto ai vaccini vivi. La produzione di un vaccino tradizionale esige tempi piuttosto lunghi (un anno intero per la sola produzione, 6 mesi per i controlli). Ogni anno a febbraio gli esper ti individuano tre ceppi di virus che potrebbero dare origine all’influenza del successivo inverno. Per ottenere i vaccini, il virus viene coltivato in uova embrionate di pollo e successivamente viene inattivato e purificato. Vengono poi utilizzate alcune subunità del virus e non il virus intero. Queste subunità sono proteine in grado di stimolare la risposta immunitaria simulando l’infezione. Data la modalità empirica di realizzazione dei vaccini, nel caso di una pandemia, il problema sarebbe proprio quello di realizzare nei tempi utili le quantità necessarie di vaccini per la popolazione. I NUOVI VACCINI: LA SFIDA DELLA RICERCA La comprensione dei meccanismi di adattamento e autodifesa dei microbi spiega la comparsa di nuove specie di patogeni, che, in genere, sono molto infettivi e virulenti (Tab.2). Nell’ultimo ventennio sono stati scoperti agenti patogeni che avevano sempre circolato ma di cui si ignorava l’esistenza (Hcv, MetaPneumo Virus, ecc.). Si è verificata un’endemizzazione di patogeni in aree geografiche prima vergini (Virus West Nile) e sono comparsi patogeni completamente nuovi per il genere umano (HIV, Coronavirus della SARS, etc). Questi agenti patogeni rappresentano una sfida per la messa a punto di vaccini. (Fonte: Noesis per i 100 anni di “chiron vaccines”) Patogeni nuovi ed emergenti identificati negli ultimi 20 anni periodo 1980-1990 patogeno HTLV HIV tossine stafilococciche escherichia coli 0157H7 borrelia burgdorferi heliacobacter pylori herpesvirus tipo 6 ehrlichia chalffeensis periodo 1990 -2004 HCV bar tonella spp. hantavirus nipa virus virus west nile TT virus meta pneumo virus SARS Coronavirus Al momento non esistono vaccini disponibili per la prevenzione della malattie causate da questi patogeni. 76 obiettivo sicurezza