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Così il dottor Matteo Bertelli rilancia la ricerca attorno alle molecole naturali

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Tra modulatori TLR4 e piccole molecole: ecco uno studio all’avanguardia

Una review per comprendere al meglio quali siano gli sviluppi possibili attorno ai modulatori TLR4 e non solo, con più di qualche accento sugli sviluppi farmaceutici possibili. Il mondo delle molecole è talmente vasto ed interessante che è quasi impossibile presentarne tutti gli aspetti. Nel caso di specie, però, ci siamo affidati al professor Francesco Peri ed al dottor Alessio Romerio, che ringraziamo sin da subito per la disponibilità. Siamo partiti da questa pubblicazione, per comprendere al meglio cosa siano questi modulatori e che tipologia di sviluppi eventuali possano presentare. Il professor Peri è Full Professor, Organic and Medicinal Chemistry dell’Università di Milano Bicocca, mentre il dottor Romerio è un dottorando ed il cooautore dalla review in questione.

Cosa sono i modulatori TLR4?

Prima di rispondere è necessario descrivere brevemente cos’è il TLR4. Il Toll-Like Receptor 4 (TLR4) è un recettore (una proteina con funzioni di riconoscimento molecolare) presente su numerose cellule appartenenti al sistema immunitario e non, come ad esempio macrofagi, cellule dendritiche o cellule endoteliali.1

Il suo compito è riconoscere alcune molecole presenti nell’organismo in seguito ad infezioni o danni cellulari e dare l’allarme all’organismo tramite l’infiammazione, in conseguenza al quale numerose cellule immunitarie vengono richiamate per risolvere il problema.1 In questo senso, un modulatore del TLR4 è una molecola in grado di interagire col TLR4 stesso alterandone l’attività o in senso negativo, quindi bloccando l’infiammazione (si parla dunque di antagonisti del TLR4), o in senso positivo, quindi dando inizio alla risposta infiammatoria (in questo caso, si parla di agonisti del TLR4).1

Lo studio di queste molecole è molto interessante da un punto di vista farmaceutico. Infatti, la capacità di bloccare un’infiammazione eccessiva e fuori controllo tramite un antagonista del TLR4 può essere sfruttata per creare nuovi farmaci antinfiammatori, che possono poi essere usati per migliorare il trattamento di gravi condizioni patologiche acute o croniche, come ad esempio la sepsi (ancora oggi fra le principali cause globali di morti nelle terapie intensive) o diverse malattie autoimmuni, come il morbo di Chron o sclerosi laterale amiotrofica.2,3

Dall’altra parte, essere in grado di provocare una risposta infiammatoria controllata tramite agonisti del TLR4 è utile in due campi diversi fra loro: quello dell’immunoterapia del cancro e quello degli adiuvanti vaccinali.

L’immunoterapia del cancro è un campo piuttosto vasto. Nel nostro caso specifico, gli agonisti del TLR4 possono venire iniettati direttamente nel tumore (intratumoralmente), reclutando sul posto diverse cellule immunitarie che possono quindi combattere e distruggere il tumore.4

Nel secondo caso, gli agonisti del TLR4 vengono usati come adiuvanti vaccinali, che sono molecole aggiunte ad un vaccino per stimolare l’immunità innata migliorando qualitativamente e quantitativamente la risposta immunitaria: questa azione è indispensabile nei moderni vaccini a subunità od a mRNA, che non contenendo patogeni interi non sono in grado da soli di provocare una robusta stimolazione immunitaria.

Esempi importanti di vaccini contenenti come adiuvanti molecole che stimolano il TRL4 (agonisti) sono  i vaccini per il papillomavirus e l’epatite B.5,6

Cosa intendere per incrementarne la varietà?

Nel caso della nostra review, intendiamo notare come negli ultimi anni siano state sviluppate diverse molecole con attività modulatoria (attivante o disattivante) sul TLR4, da vari gruppi di ricerca – compreso il nostro.

Alcune di esse hanno strutture simili fra loro, che provengono da semplificazioni fatte a partire dall’agonista naturale del TLR4; altre invece hanno strutture completamente diverse, che quindi arricchiscono la nostra conoscenza sulla funzione, la struttura ed il meccanismo di questo importante recettore. In questo senso, incrementiamo l’arsenale a nostra disposizione per interagire col TLR4 e con l’infiammazione più in generale.

Quali risultanze dal vostro studio?

Come detto, da questa rivista del lavoro di numerosi ricercatori, otteniamo importanti informazioni sul meccanismo d’azione e sulle differenze fra numerosi modulatori del TLR4: pertanto, anche sulle loro possibilità di utilizzo, che possono variare anche in modo importante. Citerei giusto un paio di esempi. Nel caso degli antagonisti, quindi composti antinfiammatori, la maggioranza di essi sono troppo polari per superare efficacemente la barriera ematoencefalica e quindi entrare nel sistema nervoso centrale: viceversa, il (+)-naltrexone non ha questo problema, e può quindi essere usato in futuro per bersagliare specificatamente infiammazioni cerebrali, quali dolore neuropatico od addirittura malattie neurodegenerative, come il morbo di Alzheimer.

Nel caso degli agonisti sfruttati come adiuvanti vaccinali, invece, buona parte di essi sono in grado di provocare una risposta Th1, ottima in caso di infezioni batteriche e virali; tuttavia, alcuni di essi sono in grado di provocare una risposta Th2, più adatta in caso di infezioni parassitarie. Pertanto, siamo potenzialmente in grado di scegliere l’adiuvante più adatto al tipo di vaccino necessario.7 Ovviamente, molti di questi composti sono ancora allo stadio iniziale della ricerca: pertanto è necessario ancora molto lavoro per arrivare a dei risultati definitivi.

Un’altra piccola molecola interessante. Su quali altre molecole vi siete concentrati? 

Il nostro gruppo di ricerca si sta concentrando su modulatori di natura glicolipidica, sulla base dell’agonista naturale del TLR4, anch’esso un glicolipide.

Alcuni modulatori con natura simili e ai nostri sono già stati studiati in passato, uno in particolare, MPLA, è già in commercio. Tuttavia, molti di questi composti sono difficili e costosi da preparare: noi puntiamo invece ad ottenere dei composti con attività comparabile od addirittura migliore, ma con sintesi molto più semplici ed economiche, quindi anche più facilmente scalabili su scala industriale e meno costose per la popolazione. Un esempio del nostro lavoro è una molecola chiamata FP7, un potente antagonista selettivo del TLR4. Tale molecola presenta una struttura semplice ed una sintesi molto meno complessa di alternative che sono arrivate fino ai trial clinici.

Nonostante tale semplicità, FP7 si è dimostrata sicura ed efficace: è stata testata in vivo su diversi modelli (danni vascolari da infiammazione, sclerosi laterale amiotrofica, danni polmonari da influenza) ed in tutti i casi ha protetto i topi dai danni conseguenti da dette patologie senza provocare danni collaterali degni di nota.8–10 Un altro esempio degno di nota è la molecola FP18, un agonista selettivo del TLR4. In uno studio recentemente accettato per la pubblicazione, abbiamo dimostrato come tale molecola sia un ottimo adiuvante vaccinale: essa presenta un’attività immunostimolatoria in vivo addirittura migliore di MPLA (l’agonista del TLR4 attualmente usato nei vaccini contro papillomavirus ed epatite B), nonostante sia più piccola e molto più facile da preparare.

Stiamo inoltre lavorando una nuova molecola agonista del TLR4 che dai primi test è comparabile ad FP18, ma ancora più facile da preparare, che stiamo attualmente brevettando.

Cosa ne pensate dello stato di salute delle ricerche in Italia attorno alle piccole molecole e, nello specifico, attorno alle molecole naturali?

Le piccole molecole, soprattutto derivanti da fonti naturali o dalla modifica chimica di molecole naturali, sono a tutt’oggi la fonte principale della scoperta di nuovi farmaci. Nonostante siano sempre più importanti i cosiddetti farmaci biologici basati su macromolecole, quali proteine (enzimi, anticorpi) o acidi nucleici (principalmente RNA) ed occupino una fetta di mercato sempre maggiore, le piccole molecole costituiscono ancora la maggior parte dei farmaci di utilizzo più comune (antiinfiammatori, antiipertensivi, antiasmatici, antitumorali, antibatterici, ecc…). La ricerca farmacologica in Italia è attiva anche se lo sviluppo di nuove entità chimiche da portare sul bancone del farmacista come nuovi farmaci sta diventando un processo sempre più raro perché costoso e rischioso dal punto di vista economico. Ci sarebbe dunque bisogno di maggiore innovazione nel settore e di aziende che investissero in ricerca di base. Nell’era post-COVID si prevede inoltre che l’intelligenza artificiale ed i metodi computazionali possano dare un impulso decisivo alla scoperta di nuove entità chimiche con attività farmacologica nel campo dell’oncologia e della lotta ai patogeni resistenti.

Cos’è l’immunità innata e qual è la relazione con i vostri lavori?

L’immunità innata è la prima linea di difesa di un organismo multicellulare contro minacce esterne od interne. Essa è basata sul riconoscimento di motivi molecolari associati a patogeni o danni cellulari da parte di recettori proteici (come appunto il TLR4) situati sulla membrana di cellule immunitarie, ma non solo.1

Proprio per questo, è meno specifica ed efficace dell’immunità adattativa, che invece agisce tramite il riconoscimento di siti specifici per ogni patogeno grazie agli anticorpi. Tuttavia, l’immunità innata è molto più veloce ad attivarsi: per una risposta immunitaria innata sono richiesti solo pochi minuti; al contrario, può essere necessario fino ad una settimana di tempo all’immunità adattativa, perché deve sviluppare e selezionare degli anticorpi specifici.11

Si può pertanto dire che l’immunità innata dà al nostro organismo il tempo di organizzare una risposta specifica senza soccombere immediatamente ad ogni minaccia.

Qual è il rapporto tra immunità innata e minor rischio di contrarre il Covid19? (Se c’è)

Un rapporto di questo tipo in effetti esiste, ma è difficilmente sfruttabile: uno studio ha dimostrato che la stimolazione preventiva dell’immunità innata tramite la somministrazione di citochine può prevenire l’infezione da Sars-Cov-1, ma la somministrazione deve avvenire poco prima dell’infezione, e pertanto non è sicuramente un metodo efficace per la prevenzione del Covid19.12 Tuttavia, la modulazione dell’immunità innata può essere sfruttata in un altro modo. Gran parte dei danni polmonari provocati da Covid19 sono in realtà conseguenza di un’eccessiva infiammazione da parte del virus a danno dei tessuti polmonari (si parla di tempesta citochinica): in pratica, il nostro sistema immunitario sta tentando in tutti i modi di difenderci da qualcosa che non conosce, ma nel farlo per sbaglio distrugge anche cellule e tessuti sani.

L’utilizzo di antinfiammatori specifici per l’immunità innata può portare a ridimensionare la infiammazione violenta (detta anche “tempesta di citochine”) e prevenire i danni polmonari (non differentemente da come una nostra molecola sintetica riduce i danni polmonari da infezione da influenza virus nei topi): ci sono tentativi in questo senso, e diversi farmaci che bloccano il rilascio o la circolazione delle citochine sono stati testati in trial clinici a questo scopo, anche da gruppi di ricerca italiani. 13

Tuttavia, molti dei farmaci testati sono anticorpi monoclonali (farmaci biologici), per loro natura molto costosi, ed i vaccini rimangono l’alternativa migliore.

Riferimenti

  1. Medzhitov R. Toll-Like Receptors and Innate Immunity. Nat Rev Immunol. 2001;1(1):135-145.
  2. Mohan C, Zhu J. Toll-like receptor signaling pathways – Therapeutic opportunities. Mediators Inflamm. 2010;2010. doi:10.1155/2010/781235
  3. Opal SM, Laterre P-F, Bruno F, LaRosa SP, Angus DC. Effect of eritoran, an antagonist of MD2-TLR4, on mortality in patients with severe sepsis: The ACCESS randomized trial (JAMA – Journal of the American Medical Association (2013) 309, 11 (1154-1162)). JAMA – J Am Med Assoc. 2013;310(3):324. doi:10.1001/jama.2013.3460
  4. Awasthi S. Toll-like receptor-4 modulation for cancer immunotherapy. Front Immunol. 2014;5(JUL):1-5. doi:10.3389/fimmu.2014.00328
  5. Casella CR, Mitchell TC. Putting endotoxin to work for us: Monophosphoryl lipid a as a safe and effective vaccine adjuvant. Cell Mol Life Sci. 2008;65(20):3231-3240. doi:10.1007/s00018-008-8228-6
  6. McKeage K, Romanowski B. AS04-Adjuvanted Human Papillomavirus (HPV) Types 16 and 18 Vaccine (Cervarix®). Drugs. 2011;71(4):465-488.
  7. Romerio A, Peri F. Increasing the Chemical Variety of Modulators : An Overview. Front Immunol. 2020;11(July):1-16. doi:10.3389/fimmu.2020.01210
  8. De Paola M, Sestito SE, Mariani A, et al. Synthetic and natural small molecule TLR4 antagonists inhibit motoneuron death in cultures from ALS mouse model. Pharmacol Res. 2016;103:180-187. doi:10.1016/j.phrs.2015.11.020
  9. Perrin-Cocon L, Aublin-Gex A, Sestito SE, et al. TLR4 antagonist FP7 inhibits LPS-induced cytokine production and glycolytic reprogramming in dendritic cells, and protects mice from lethal influenza infection. Sci Rep. 2017;7(January):1-13. doi:10.1038/srep40791
  10. Palmer C, Peri F, Neumann F, Ahmad F, Leake DS, Pirianov G. The synthetic glycolipid-based TLR4 antagonist FP7 negatively regulates in vitro and in vivo haematopoietic and non-haematopoietic vascular TLR4 signalling. Innate Immun. 2018;24(7):411-421. doi:10.1177/1753425918798904
  11. Medzhitov R, Janeway CAJ. Innate immunity : impact on the adaptive immune response. Curr Opin Immunol. 1997;9(1):4-9. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9039775.
  12. Schijns V, Lavelle EC. Prevention and treatment of COVID-19 disease by controlled modulation of innate immunity. Eur J Immunol. 2020;50(7):932-938. doi:10.1002/eji.202048693
  13. Montesarchio V, Parella R, Iommelli C, et al. Outcomes and biomarker analyses among patients with COVID-19 treated with interleukin 6 (IL-6) receptor antagonist sarilumab at a single institution in Italy. J Immunother Cancer. 2020;8(2):1-10. doi:10.1136/jitc-2020-001089

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