Le zanzare che portano il parassita mortale della malaria hanno volato accanto agli esseri umani per migliaia di anni, e la malattia appare in rapporti documentati già nel 2700 a.C. La malaria continua ad affliggere gli esseri umani oggi, causando centinaia di migliaia di morti ogni anno.
La malaria è causata dal parassita Plasmodium, un organismo unicellulare che ha più fasi di vita e richiede più di un ospite per sopravvivere. Cinque specie del parassita causano la malattia negli esseri umani – Plasmodium falciparum, P. vivax, P. ovale, P. malariae, e P. knowlelsi. Il Plasmodium falciparum è il ceppo più pericoloso per gli esseri umani e l’obiettivo della maggior parte della ricerca scientifica oggi. Nel 2002, gli scienziati sono riusciti a sequenziare il genoma del P. falciparum, il che ha permesso ai ricercatori di fare grandi passi avanti nel comprendere meglio i modi per colpirlo.
Il nome malaria deriva da mal’aria, che è italiano per “aria cattiva”. Prima dello sviluppo della teoria dei germi alla fine del 1800, molte persone pensavano che la malattia fosse trasmessa attraverso i miasmi, o aria contaminata. Nel 1897, il medico britannico Ronald Ross fece la scoperta che le zanzare erano i vettori che trasmettono la malattia. Gli scienziati hanno poi scoperto che solo la zanzara Anopheles femmina trasmette il parassita (i maschi non si nutrono di sangue). Le femmine di 60 specie diverse di zanzare Anopheles possono fungere da vettori della malaria.
Più della metà della popolazione mondiale vive in aree vulnerabili alla malaria, con casi documentati in più di 109 paesi e la più alta mortalità (circa l’89% di tutte le morti) che si verifica in Africa. Il parassita infetta circa 220 milioni di persone ogni anno. Inoltre, i bambini sotto i cinque anni, le donne incinte e le persone con HIV/AIDS sono i più a rischio di malattie gravi e di morte.
La lunga storia della malaria include molti tentativi storici per sconfiggerla. Il chinino, una sostanza derivata dalla corteccia dell’albero della china, è noto per essere efficace contro la malaria fin dal 1600. Dopo aver compreso il ruolo delle zanzare nella trasmissione della malaria, gli scienziati si sono concentrati sul controllo dei vettori. Ipotizzarono che uccidendo il vettore, avrebbero potuto fermare il ciclo dell’infezione. Di conseguenza, il DDT e altri insetticidi entrarono in voga a metà del 1900 e sono stati utilizzati da allora. Le reti da letto per proteggere le persone che dormono dalle punture di zanzara sono un’altra forma di controllo dei vettori che non solo è efficace, ma anche estremamente conveniente. Infine, lo sviluppo di diversi farmaci antimalaria ha cambiato il modo in cui i viaggiatori vedono i paesi in cui la malaria è endemica e il rischio associato ai viaggi in generale. Infatti, e probabilmente a causa di tutte le misure di cui sopra, le morti stimate per la malaria sono diminuite del 13%, da 755.000 nel 2000 a 655.000 nel 2010. Anche i casi della malattia sono diminuiti, anche se meno drammaticamente, da 223 milioni nel 2000 a circa 216 milioni nel 2010.
Con tutti questi sviluppi, perché la malaria rimane un problema? L’emergere della resistenza ai farmaci e agli insetticidi è una grande preoccupazione. Il parassita della malaria è sopravvissuto per più di 50.000 anni, e la selezione naturale favorisce i ceppi dell’organismo con mutazioni che li aiutano ad eludere le minacce. Oggi vediamo sempre più parassiti resistenti ai farmaci e zanzare resistenti agli insetticidi. Gli sforzi globali sono in corso nella prossima era della prevenzione della malaria: lo sviluppo di vaccini contro la malaria che hanno il potenziale di salvare innumerevoli vite e che potrebbero infine aiutare a sradicare questa storica piaga.
Il ciclo di vita del Plasmodium
La malaria è diversa da qualsiasi malattia infettiva per cui abbiamo già creato un vaccino di successo. La più notevole di queste differenze è che la malaria è trasmessa da un parassita che passa attraverso più stadi di vita, ognuno dei quali presenta una sfida unica per gli sviluppatori di vaccini. Le tre fasi del ciclo di vita del Plasmodium possono essere divise in due categorie distinte – nelle prime due, il parassita subisce una riproduzione asessuata nel corpo dell’ospite, e nella terza subisce la riproduzione sessuale nell’intestino della zanzara vettore. Poiché il parassita può riprodursi sia asessualmente che sessualmente, ha molti vantaggi rispetto ai virus e ai batteri contro cui attualmente ci vacciniamo.
I tre stadi del ciclo di vita del Plasmodium sono (1) lo stadio pre-eritrocitico, meglio conosciuto come stadio epatico, o lo stadio prima che il parassita infetti i globuli rossi umani, (2) lo stadio eritrocitico, o lo stadio del sangue quando il parassita infetta i globuli rossi, e (3) lo stadio sessuale, lo stadio in cui il parassita è stato preso da una zanzara e si riproduce sessualmente nell’intestino della zanzara.
È importante ricordare che ogni stadio vitale si verifica in una parte diversa dell’uomo o del vettore infetto. In primo luogo, quando una zanzara infettata dal Plasmodium punge un ospite umano, il parassita va direttamente al fegato. In secondo luogo, una volta che il parassita è maturato nel fegato, entra nel flusso sanguigno e invade le cellule del sangue. Infine, quando è pronto per infettare l’ospite successivo, sarà risucchiato da un’altra zanzara Anopheles femmina e si riprodurrà sessualmente nell’intestino della zanzara.
Prima di entrare nel dettaglio di come un vaccino potrebbe prevenire la malaria, è utile rivedere le fasi del ciclo di vita del parassita. La prima forma è conosciuta come sporozoite (pronunciato spore-o-zo-ite). Quando una zanzara contenente il parassita della malaria punge una persona, il parassita entra nel corpo umano come sporozoite. Una volta che lo sporozoite arriva al fegato, infetta rapidamente le cellule epatiche e passa attraverso molteplici cicli di riproduzione asessuata per produrre merozoiti (pronunciato mer-o-zo-ites). Tutti questi sviluppi costituiscono la fase pre-eritrocitaria del ciclo di vita del parassita. Uno sporozoite può riprodursi asessualmente per formare fino a 40.000 merozoiti, un numero abbastanza grande da sfidare seriamente la capacità del sistema immunitario di controllare il parassita.
Lo stadio eritrocitario è lo stadio successivo, che si verifica quando i merozoiti lasciano le cellule del fegato ed entrano nel flusso sanguigno. Qui, un merozoite infetta un globulo rosso e inizia a riprodursi asessualmente e a rilasciare centinaia di nuovi merozoiti. Questa è la fase in cui un individuo inizia a sperimentare sintomi come la febbre periodica associata alla malaria. I sintomi sono il risultato dell’esplosione dei globuli rossi, ed è per questo che i sintomi spesso si verificano periodicamente – quando il parassita è all’interno del globulo rosso che si riproduce, la febbre diminuirà e il paziente sembrerà migliorare, ma ricomincerà quando i merozoiti saranno rilasciati.
Nel terzo stadio, o stadio sessuale, alcune cellule del sangue infettate dai merozoiti smetteranno di riprodursi asessualmente e matureranno invece in forme sessuali dei parassiti – note come gametociti maschili e femminili (pronunciato gam-eat-o-cytes). Al microscopio, i gametociti di P. falciparum si distinguono per la loro unica forma a banana. Quando una zanzara Anopheles punge un uomo che ha la malaria, prende i gametociti insieme al sangue. Questi gametociti sono poi in grado di riprodursi sessualmente nell’intestino della zanzara, sviluppandosi in cellule sessuali mature o gameti, e infine fondendosi mentre risalgono la parete intestinale della zanzara per diventare un’oocisti. L’oocisti cresce, si divide e alla fine scoppia e produce migliaia di sporozoiti aploidi, che viaggeranno verso le ghiandole salivari della zanzara per essere iniettati nel prossimo individuo durante il successivo pasto di sangue della zanzara. (Se vi ricordate lo sporozoite è la forma del parassita che infetta il fegato). Così il ciclo di vita del parassita chiude il cerchio, permettendo alla malaria di continuare a diffondersi e infettare le persone in tutto il mondo.
Un vaccino contro la malaria: Un approccio immunologico contro il parassita
Il complicato ciclo di vita del Plasmodium rappresenta una sfida per lo sviluppo del vaccino contro la malaria. I ricercatori devono determinare quale fase di vita del parassita prendere di mira, o se il vaccino deve combinare elementi che prendono di mira più di una fase di vita. Tuttavia, le recenti scoperte ci permettono di essere ottimisti sulla possibilità di un vaccino efficace contro la malaria.
La malaria è un po’ diversa da molte delle malattie che attualmente vacciniamo perché non conferisce la cosiddetta immunità sterile. Questo significa che se ti ammali di malaria e guarisci, puoi essere infettato più e più volte. Il fatto che il tuo sistema immunitario abbia risposto alla malaria in passato non impedirà l’infezione futura. Questo è molto diverso da una malattia come il morbillo: la maggior parte delle persone che contraggono il morbillo saranno immuni alle future infezioni da morbillo per tutta la vita. Con la malaria, c’è qualche prova di un certo grado di immunità acquisita naturalmente – qualcuno che ha avuto la malaria in passato può ancora prenderla di nuovo, ma probabilmente avrà un caso meno grave. In molti paesi africani dove la malaria è comune, la maggior parte delle persone che sono reinfettate con la malaria sperimentano solo sintomi lievi a causa di questa parziale immunità acquisita. Questo è anche il motivo per cui la malaria è così mortale per i bambini sotto i cinque anni. Questi bambini non hanno ancora acquisito alcun livello di immunità al parassita, ed è molto più probabile che sperimentino un caso grave che può portare a complicazioni fatali. Inoltre, questo è anche il motivo per cui gli stranieri che non hanno mai sperimentato la malaria devono stare molto attenti – possono sviluppare un caso molto grave quando vengono infettati per la prima volta. Infine, l’immunità parziale acquisita naturalmente non dura a lungo. Infatti, quando qualcuno ha vissuto in Africa tutta la sua vita e se ne va anche solo per un anno, perderà questa immunità parziale e sarà di nuovo vulnerabile alla malaria come qualcuno che non è mai stato infettato. Quindi, un approccio allo sviluppo di un vaccino contro la malaria sarebbe quello di capire il meccanismo di immunità parziale e sviluppare un vaccino basato su questo principio.
Un’altra strada che ha dato direzione ai ricercatori di vaccini contro la malaria è il concetto di immunizzare con un parassita intero vivo attenuato (indebolito) nella sua forma di sporozoite. Il sostegno a questa idea è venuto in uno studio del 1967 in cui Nussenzweig et al. hanno immunizzato i topi con sporozoiti di Plasmodium berghei (una forma non umana di malaria) attenuati dalle radiazioni e hanno visto che i topi erano protetti in una successiva sfida con sporozoiti infettivi.
Adattando questa idea agli esseri umani nel 2002, Hoffman et al. hanno dimostrato che potevano usare la radiazione gamma per attenuare gli sporozoiti all’interno delle zanzare Anopheles infette, e quindi proteggere quasi completamente gli umani. I soggetti umani sono stati esposti alle punture di zanzare infette, che hanno iniettato gli sporozoiti irradiati nei soggetti. Gli sporozoiti potevano viaggiare nelle cellule del fegato, ma non potevano maturare ulteriormente. Questi sporozoiti indeboliti erano ancora in grado di suscitare una risposta immunitaria nell’ospite umano, ma poiché non potevano svilupparsi oltre il fegato, l’ospite non si sarebbe ammalato. Di conseguenza, la prossima volta che una zanzara infetta prendeva un pasto di sangue dalla persona immunizzata e iniettava alla persona gli sporozoiti del Plasmodium, il sistema immunitario riconosceva la minaccia ed eliminava il parassita prima che causasse la malattia.
Questo approccio di irradiazione aveva due grandi difetti: non era efficace in termini di costi e non era pratico su larga scala. Tuttavia è servito come prova di principio, dando agli scienziati una speranza per il futuro e aiutando a stimolare una grande quantità di ricerca nel campo.
Ricerca attuale
Gli scienziati hanno ampliato quanto appreso nello studio del 2002 per sviluppare molti potenziali vaccini contro la malaria. Invece di tentare un vaccino vivo attenuato, la maggior parte degli scienziati oggi sta usando tecnologie per isolare e fornire antigeni specifici in un vaccino. E poiché il parassita ha tre diversi stadi di vita, ci sono tre approcci vaccinali distinti in fase di studio.
I vaccini pre-eritrocitari mirano alla fase infettiva e mirano a impedire che gli sporozoiti entrino nelle cellule epatiche o a distruggere le cellule epatiche infette. La sfida più significativa per un vaccino pre-eritrocitario è la tempistica: gli sporozoiti raggiungono il fegato meno di un’ora dopo essere stati iniettati dalla zanzara. Di conseguenza, il sistema immunitario ha un tempo limitato per eliminare il parassita. Anche se la maggior parte dei potenziali vaccini pre-eritrocitari sono ancora in Fase I o Fase II di sperimentazione, un vaccino è attualmente in Fase III di sperimentazione e sta mostrando promesse: il vaccino RTS,S. (Si noti che gli studi di Fase I valutano la sicurezza, i test di Fase II valutano il dosaggio e i test di Fase III valutano l’efficacia complessiva. )
Al fine di sviluppare il vaccino RTS,S, gli sviluppatori hanno identificato la proteina che era più responsabile della protezione nello studio sugli sporozoiti irradiati del 2002. Questo antigene è noto come la proteina circumsporozoite, o proteina CS. Anche se questo antigene è protettivo, non è molto immunogenico da solo, cioè non è bravo a stimolare una risposta immunitaria. Così, gli scienziati hanno fuso l’antigene di superficie dell’epatite B (l’antigene responsabile della protezione nel vaccino dell’epatite B) con un antigene della proteina CS. Per stimolare ulteriormente il sistema immunitario, gli scienziati hanno impiegato un composto chiamato adiuvante che aumenta la risposta del sistema immunitario all’antigene. L’obiettivo è quello di indurre alti livelli di anticorpi sia per bloccare gli sporozoiti dall’entrare nelle cellule del fegato sia per etichettare specifiche cellule infette per la distruzione.
Il vaccino RTS,S è stato testato in studi di fase III in 11 diversi paesi africani. Queste prove hanno avuto alcuni successi. I primi risultati, rilasciati nell’ottobre 2011, hanno mostrato che nei bambini di età compresa tra 5 e 17 mesi, la vaccinazione con RTS,S ha ridotto il rischio di malaria clinica e malaria grave del 56% e 47%, rispettivamente. Tuttavia, nei risultati rilasciati nel novembre 2012, il vaccino è stato meno efficace nei neonati di età compresa tra 6-12 settimane alla prima vaccinazione. In quel gruppo, la vaccinazione con RTS,S ha portato a un terzo in meno di episodi di malaria clinica e grave. I risultati finali della sperimentazione, che ha seguito i bambini piccoli per circa tre anni, hanno mostrato una riduzione dei casi di malaria clinica del 26% per i bambini più piccoli al 36% per i bambini fino a 17 mesi di età alla prima vaccinazione. Nel luglio 2015, l’Agenzia europea dei medicinali ha raccomandato che il vaccino sia autorizzato per l’uso nei bambini piccoli in Africa; l’Organizzazione mondiale della sanità sta valutando la raccomandazione sul vaccino. Nel frattempo, un gruppo consultivo dell’OMS ha raccomandato l’attuazione pilota del vaccino in 3-5 paesi dell’Africa subsahariana. Il principale sviluppatore di RTS,S, la Malaria Vaccine Initiative, una no-profit con sede a Seattle, Washington, ha la speranza di sviluppare un vaccino ancora migliore che sia efficace all’80% entro il 2025.
Sono in sperimentazione diversi altri vaccini pre-eritrocitari ma nessuno ha mostrato la promessa o il successo di RTS,S. Gli scienziati stanno lavorando per migliorare l’efficacia del vaccino RTS,S per renderlo più efficace del 50% utilizzando la tecnologia prime boost, gli adiuvanti e l’ottimizzazione dell’antigene.
I vaccini eritrocitari, o vaccini dello stadio ematico, mirano a fermare la rapida invasione e riproduzione asessuata del parassita nei globuli rossi. Ricordiamo che lo stadio ematico è il momento in cui appaiono i sintomi ed è anche il più distruttivo per il paziente a causa dello scoppio dei globuli rossi. A causa dell’enorme numero di merozoiti prodotti durante questo stadio – vengono rilasciati 40.000 merozoiti per ogni cellula epatica infetta – un vaccino per lo stadio ematico può mirare solo a ridurre il numero di merozoiti che infettano i globuli rossi piuttosto che bloccare completamente la loro replicazione. Attualmente non ci sono vaccini per lo stadio ematico che abbiano avuto il successo del vaccino RTS,S e la maggior parte sono ancora in fase di sperimentazione di fase I o II.
Infine, un altro tipo di vaccino prende di mira lo stadio della riproduzione sessuale che avviene nell’intestino della zanzara. Questo approccio è noto come un vaccino di blocco della trasmissione (TBV) perché mira ad uccidere il vettore, la zanzara Anopheles, per fermare l’ulteriore diffusione del parassita. Questo è un approccio indiretto a un vaccino perché non proteggerà direttamente un individuo che prende il parassita, ma piuttosto fermerà la continua diffusione.
Un candidato vaccino TBV è il Pfs25-EPA che è stato sviluppato dall’Istituto Nazionale di Allergia e Malattie Infettive degli Stati Uniti, Laboratorio di Immunologia e Virologia della Malaria e Centro di Ricerca sui Vaccini della Johns Hopkins University. L’idea alla base di questo vaccino è che se il corpo può sviluppare anticorpi contro l’antigene Pfs25, una zanzara che fa un pasto di sangue prenderà alcuni di questi anticorpi nel suo stomaco. Lì gli anticorpi incontreranno l’antigene, permettendo loro di interferire con lo sviluppo e uccidere il parassita.
In definitiva, molti scienziati pensano che il prossimo passo sia quello di combinare più approcci per sviluppare un vaccino contro la malaria. Ma questi vaccini a stadi individuali devono mostrare efficacia da soli prima che gli scienziati possano sviluppare un vaccino che combini gli approcci. Inoltre, la grande sfida che gli scienziati dovranno affrontare in futuro è che non ci sono correlazioni note per l’immunità, il che significa che non c’è altro metodo che i costosi studi clinici sugli esseri umani per dimostrare l’efficacia di un vaccino. Così, anche se sono stati fatti grandi progressi, lo sviluppo di un vaccino contro la malaria continuerà ad essere uno sforzo costoso e multidimensionale.