I camelidi sono animali notoriamente robusti e utili. Sorprendentemente, i loro insoliti anticorpi sono altrettanto resistenti e stanno rivoluzionando la scienza medica.
Il 2024 è stato proclamato dalle Nazioni Unite Anno Internazionale dei Camelidi. I camelidi, tra cui alpaca, cammelli e lama, svolgono un ruolo importante come mezzo di trasporto e fonte di latte, carne e fibre, anche negli ambienti più estremi. Forse avete accarezzato la morbida lana di un alpaca allo zoo o fatto un giro su un cammello durante le vostre vacanze. Ma sapevate che queste creature pelose dalle gambe e il collo lunghi e dall’aspetto sereno hanno dato importanti contributi al progresso della scienza?
Gli anticorpi convenzionali sono proteine a forma di Y prodotte dalle cellule immunitarie (cellule B) di mammiferi come topi, cani ed esseri umani. La funzione biologica degli anticorpi è quella di legarsi in modo specifico alle proteine estranee dei microbi, come virus, batteri e parassiti, fornendo così una protezione contro le infezioni. Tuttavia, gli anticorpi sono anche importanti strumenti di ricerca e vengono persino usati come farmaci per il trattamento di malattie, poiché è possibile sviluppare anticorpi che si legano specificamente a qualsiasi bersaglio di scelta.
Gli anticorpi convenzionali sono proteine a forma di Y composte da quattro catene proteiche: due catene pesanti e due catene leggere identiche (Figura 2). Queste catene sono composte da due (catene leggere) o quattro (catene pesanti) domini proteici globulari (forme turchesi nella Figura 2). Le parti superiori delle catene leggere e pesanti formano la regione di legame, che è come una mano che può afferrare un bersaglio. A seconda della conformazione di questa mano, un determinato anticorpo può afferrare solo una certa forma. In altre parole, gli anticorpi effettuano un riconoscimento specifico, riconoscendo in modo univoco il loro bersaglio e legandosi ad esso come un velcro molecolare.
Oltre tre decenni fa, un gruppo di ricercatori belgi ha sorpreso la comunità scientifica scoprendo che anche i camelidi producono una versione più piccola degli anticorpi.[1] Questi anticorpi sono composti solo da due catene pesanti e non hanno catene leggere. Gli scienziati hanno poi scoperto di poter produrre separatamente il dominio della mano di questi anticorpi “solo catene pesanti” dei camelidi per ottenere una versione ancora più piccola,[2] nota come nanocorpi (Figura 2).[3]
Queste piccole mani dei nanocorpi possono legarsi al loro bersaglio con la stessa forza e precisione degli anticorpi. Rispetto agli anticorpi convenzionali, i nanocorpi sono più stabili, possono funzionare in condizioni calde, acide o alcaline e non possono essere facilmente degradati.[3] Grazie alle loro dimensioni ridotte (2.5 x 4.0 x 3.0 nm),[2] i nanocorpi possono facilmente intrufolarsi in luoghi ai quali gli anticorpi molto più grandi non possono accedere. Una delle “dita” che i nanocorpi utilizzano per il riconoscimento del bersaglio è talvolta più lunga di quelle presenti negli anticorpi convenzionali ed è quindi in grado di entrare in cavità profonde di altre proteine. I nanocorpi sono solubili in acqua, una proprietà importante sia per la ricerca che per le applicazioni cliniche. La loro capacità di essere trasportati nel flusso sanguigno ne favorisce la distribuzione nell’organismo. Infine, essendo piccoli, i nanocorpi non legati vengono rapidamente filtrati dal flusso sanguigno dai reni, il che riduce il numero di potenziali effetti collaterali. Nel complesso, sembra che i nanocorpi abbiano molto in comune con la loro origine: camelidi che sono in grado di prosperare nei deserti. dove le condizioni sono tra le più dure sul pianeta terra! Le proprietà uniche dei nanocorpi li rendono potenzialmente utili per una varietà di applicazioni, sia nella ricerca che nella medicina.
I nanocorpi sono diventati strumenti utili per la ricerca. Un uso particolarmente comune dei nanocorpi è nel campo della biologia strutturale, un ramo della ricerca in cui si studia la struttura di biomolecole come le proteine. Un metodo molto utile per determinare la struttura delle proteine è la cristallografia a raggi X, che consiste nel bombardare i cristalli di proteine con i raggi X. Questa tecnica richiede cristalli regolari, in cui tutte le molecole proteiche devono essere impacchettate in modo ordinato. La coltivazione di questi cristalli è spesso un compito difficile perché molte proteine sono flessibili e possono assumere forme leggermente diverse (dette conformazioni) e quindi non riescono a formare cristalli regolari. Un nanocorpo può essere utilizzato come “chaperone” per bloccare la proteina bersaglio in una forma specifica e favorire la formazione di cristalli proteici (vedi Figura 4).[4]
Il primo farmaco a base di nanocorpi, chiamato Cablivi, è stato approvato nel 2018 per il trattamento di un raro disturbo della coagulazione del sangue, potenzialmente letale, chiamato porpora trombotica trombocitopenica acquisita (aTTP). Nella aTTP, una proteina chiamata fattore di von Willebrandt forma grandi grumi quando interagisce con le piastrine del sangue, il che porta a una grave coagulazione del sangue. Il nanocorpo Cablivi è stato progettato per legare il fattore von Willebrandt e bloccare la sua pericolosa interazione con le piastrine. Viene ora utilizzato negli ospedali per trattare questa malattia mortale.[5] Un farmaco più recente, l’Ozoralizumab, utilizzato in Giappone, lega e blocca una proteina umana che causa infiammazione, chiamata fattore di necrosi tumorale alfa (TNFα), che è un vero e proprio problema nelle articolazioni delle persone affette da artrite reumatoide.[6] Un altro farmaco a base di nanocorpi, l’Envafolimab, lega le cellule T e le attiva per attaccare le cellule tumorali.[7]
Come già detto, i nanocorpi hanno diversi usi nella ricerca e nelle applicazioni mediche. Tuttavia, l’aspetto più interessante dei nanocorpi è che possono essere facilmente attaccati ad altre molecole. Possiamo pensare ai nanocorpi come elementi costitutivi che possono essere attaccati a particelle funzionali per guidarle in punti specifici di un corpo o di un campione. Queste particelle potrebbero a) fungere da marcatore per consentire la rilevazione/localizzazione del bersaglio o b) fornire una funzione “effettrice” come un farmaco (Figura 5).
I composti radioattivi legati ai nanocorpi possono servire sia come rivelatori che come distruttori di cellule tumorali. Degli atomi radioattivi possono essere collegati ai nanocorpi in modo da poter essere rilevati in un organismo vivente, ad esempio in pazienti umani. Questi atomi radioattivi emettono radiazioni che attraversano facilmente i tessuti e possono essere rilevati con la tomografia a emissione di positroni (PET). Nella PET guidata da nanocorpi con gallio, la dose di irradiazione è estremamente bassa (0.013 mSv);[8] in confronto, secondo il rapporto 2008 del Comitato scientifico delle Nazioni Unite sugli effetti delle radiazioni atomiche (UNSCEAR)[9], la dose media annuale di irradiazione nella nostra vita quotidiana è di 2,4 mSv. I nanocorpi specifici per i tumori, legati al composto minimamente radioattivo gallio 68, si sono rivelati utili per l’imaging dei tumori del colon-retto e delle cellule tumorali che si sono diffuse in altre parti del corpo nei pazienti,[7] il che è un esempio di nanocorpo modificato che funge da rivelatore. A dosi più elevate, le radiazioni possono essere utilizzate anche per uccidere le cellule tumorali, per cui i nanocorpi specifici per le cellule tumorali, collegati ad atomi radioattivi, possono erogare radiazioni direttamente al tumore, portandolo alla distruzione. In uno studio, gli atomi radioattivi di lutezio 177, collegati a un nanocorpo specifico per il cancro al seno, hanno erogato una dose di irradiazione tossica mirata al tumore pari a 900 mSv.[10] Indirizzando le radiazioni al tumore, possiamo ridurre al minimo i danni alle cellule sane e quindi ridurre gli effetti collaterali.
La tendenza dei nanocorpi, iniziata dai nostri amici camelidi un paio di decenni fa, ha fatto passi da gigante negli ultimi anni. È ora possibile sviluppare nanocorpi in qualsiasi laboratorio di biologia molecolare senza bisogno di una mandria di lama! I nanocorpi possono ora essere creati in modo completamente sintetico, con l’aiuto di semplici microrganismi, ovvero batteri, cellule di lievito e virus. Quando è scoppiata la pandemia COVID, i colleghi dell’European Molecular Biology Laboratory (EMBL) hanno impiegato meno di tre settimane per sviluppare nanocorpi sintetici in grado di legare efficacemente il coronavirus.[11] Tuttavia, l’identificazione di nanocorpi efficienti è solo il primo passo; per arrivare in clinica, i farmaci a base di nanocorpi, proprio come qualsiasi altro prodotto medico, devono essere sottoposti a vigorosi test preclinici sugli animali e a studi clinici su pazienti umani per garantirne la sicurezza e l’efficacia. Attualmente si sta persino cercando di identificare molecole che legano i nanocorpi utilizzando l’intelligenza artificiale,[12] un approccio che potrebbe semplificare ulteriormente la produzione di queste proteine multifunzionali. Purtroppo, i nanocorpi sintetici spesso non hanno le stesse prestazioni di quelli derivati da camelidi immunizzati e necessitano di ulteriori aggiustamenti per ottenere un’attività ottimale. C’è ancora molto da imparare!
Nel complesso, i nanocorpi sono strumenti versatili, facilmente modificabili e collegabili ad altre molecole, e i nanocorpi modificati possono aiutare i ricercatori e i pazienti in molti modi. Da quando sono stati scoperti, hanno ispirato i ricercatori di tutto il mondo a sviluppare soluzioni innovative. Forse un giorno verrà in mente a VOI un’idea di ricerca o di trattamento per la quale un nanocorpo, questo magnifico velcro molecolare, sarà esattamente ciò di cui avete bisogno.
[1] Hamers-Casterman C et al. (1993) Naturally occurring antibodies devoid of light chains. Nature 363: 446–448. doi: 10.1038/363446a0
[2] Kunz S et al. (2023) NANOBODY® molecule, a Giga medical tool in nanodimensions. International Journal of Molecular Sciences 24: 13229. doi: 10.3390/ijms241713229
[3] Jin BK et al. (2023) NANOBODIES®: A review of diagnostic and therapeutic applications. International Journal of Molecular Sciences 24: 5994. doi: 10.3390/ijms24065994
[4] Cheloha RW et al. (2020) Exploring cellular biochemistry with nanobodies. The Journal of Biological Chemistry 295: 15307–15327. doi: 10.1074/jbc.REV120.012960
[5] Canadian Agency for Drugs and Technologies in Health (2022) Executive Summary. Clinical Review Report: Caplacizumab (Cablivi). Indication: Indicated for the treatment of adults with acquired thrombotic thrombocytopenic purpura (aTTP) in combination with plasma exchange (PEX) and immunosuppressive therapy. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK567591/
[6] Tsumoto K, Takeuchi T (2024). Next-generation anti-TNFα agents: The example of ozoralizumab. BioDrugs: Clinical Immunotherapeutics, Biopharmaceuticals and Gene Therapy 38: 341–351. doi: 10.1007/s40259-024-00648-3
[7] Cui C et al. (2024). Model-informed drug development of envafolimab, a subcutaneously injectable PD-L1 antibody, in patients with advanced solid tumours. The Oncologist 29: e1189–e1200. doi: 10.1093/oncolo/oyae102
[8] Li Let al. (2023) Immuno-PET of colorectal cancer with a CEA-targeted [68 Ga]Ga-nanobody: from bench to bedside. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging 50: 3735–3749. doi: 10.1007/s00259-023-06313-1
[9] The United Nations scientific committee on the effects of atomic radiation (2008) Sources of ionizing radiation. UN Publications. ISBN: 978-92-1-142274-0
[10] D’Huyvetter M et al. (2014) Targeted radionuclide therapy with a 177Lu-labeled anti-HER2 nanobody. Theranostics 4: 708–720. doi: 10.7150/thno.8156
[11] Custódio TF et al. (2020) Selection, biophysical and structural analysis of synthetic nanobodies that effectively neutralize SARS-CoV-2. Nature Communications 11: 5588. doi: 10.1038/s41467-020-19204-y
[12] Bennett NR et al. (2024). Atomically accurate de novo design of single-domain antibodies. bioRxiv: the preprint server for biology. doi: 10.1101/2024.03.14.585103
Questo articolo offre una chiara introduzione ai nanocorpi, un argomento all’avanguardia nel campo dell’immunologia e delle biotecnologie, pensato per gli studenti dagli 11 ai 14 anni. È in linea con gli argomenti chiave del curriculum di biologia, come il sistema immunitario e i progressi nei trattamenti medici.
Gli insegnanti di scienze possono utilizzare l’articolo per incoraggiare discussioni sul futuro della medicina e sulle considerazioni etiche in materia di biotecnologie. È anche un utile esercizio di comprensione, che aiuta gli studenti a riassumere e spiegare i concetti chiave e a sviluppare le capacità di pensiero critico.
António Pedro Fonseca, insegnante di scienze e ricercatore di dottorato, Portogallo
Come i sistemi di Intelligenza Artificiale sviluppati per vincere contro gli esseri umani nel gioco possono aiutare a svelare i segreti delle funzioni proteiche?
