Introduzione alla biotecnologia

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1 Introduzione alla biotecnologia

2 La scienza innovativa produce farmaci salvavita Sin dalla sua costituzione, nel 1980, mgen si concentra sulla scoperta, lo sviluppo e la produzione di nuovi farmaci per i pazienti affetti da gravi malattie. li scienziati di mgen sono pionieri nel campo della biotecnologia, grazie all introduzione di trattamenti basati sui progressi fatti nella biologia cellulare e molecolare. Le terapie mgen hanno assistito milioni di persone in tutto il mondo nella lotta contro il cancro, le patologie renali e ossee, l artrite reumatoide e altre malattie gravi.

3 os è la biotecnologia? Nel 1919, l ingegnere agronomo ungherese Karl Ereky predisse un era in cui la biologia sarebbe stata utilizzata per trasformare le materie prime in prodotti utili e coniò il termine biotecnologia per descrivere la fusione fra biologia e tecnologia. La visione di Ereky è ora una realtà, concretizzata da migliaia di aziende e istituti di ricerca. L elenco crescente dei prodotti biotecnologici comprende farmaci, dispositivi medici e diagnostica, raccolti più resistenti, biocombustibili, biomateriali e antinquinanti. Il campo della biotecnologia è molto vario, ma in questo opuscolo ci concentreremo sui farmaci biotecnologici. Qual è la differenza fra i farmaci biotecnologici e gli altri farmaci? Un farmaco è una sostanza terapeutica per il trattamento, la prevenzione o la cura di una malattia. Il tipo più comune di farmaco è un composto chimico contenuto in una pillola, una compressa o una capsula. li esempi comprendono l aspirina e altri analgesici, antibiotici, antidepressivi e antipertensivi. Questo tipo di farmaco è noto anche come piccola molecola perché l ingrediente attivo ha una struttura chimica e dimensioni ridotte rispetto a molecole grandi e complesse come le proteine. Un farmaco può essere creato in laboratorio da un chimico. La maggior parte dei farmaci di questo tipo può essere assunta per via orale, in forma solida o liquida. I farmaci biotecnologici, spesso chiamati biofarmaci, sono grandi molecole simili o identiche alle proteine e ad altre sostanze complesse di cui si avvale il corpo per rimanere sano. Sono troppo grandi e intricati per essere creati soltanto chimicamente. Invece, sono creati utilizzando banche viventi microbi o linee cellulari geneticamente modificate per produrre la molecola desiderata. Un biofarmaco deve essere iniettato o infuso nel corpo per proteggerne la struttura complessa dalla decomposizione causata dalla digestione in caso di assunzione per via orale. In genere, qualunque farmaco creato o derivato da organismi viventi viene considerato una terapia biotecnologica o bioterapia. lcune di queste terapie, come l insulina e certi vaccini, sono utilizzate da decenni. La maggior parte delle bioterapie è stata sviluppata dopo l avvento dell ingegneria genetica, che ha portato all espansione del settore biotecnologico moderno negli anni Settanta. mgen è stata una delle prime aziende a rendersi conto della promessa di questo nuovo campo e a produrre bioterapie per i pazienti. ome i prodotti farmaceutici, le bioterapie non possono essere prescritte ai pazienti finché il loro uso non è stato approvato dalle autorità regolatorie. Per esempio, negli Stati Uniti, l ente Food and Drug dministration è preposto alla valutazione di nuovi farmaci. Nell Unione Europea, l genzia Europea per i medicinali ha tale ruolo. 1

4 ene romosoma DN La struttura molecolare del DN la doppia elica L illustrazione è tutelata da copyright della Bioech Primer, Inc. e qui riprodotta previa autorizzazione della stessa. La scienza della biotecnologia La biotecnologia viene usata, in forma rudimentale, da quando i nostri antenati hanno cominciato a usare colture di lievito per fare la birra. La svolta decisiva alla base della biotecnologia moderna è stata la scoperta della struttura del DN agli inizi degli anni inquanta. Per capire come questo evento ha portato alla creazione delle bioterapie è utile conoscere in linea generale il ruolo centrale del DN nella salute e nelle malattie. Qual è il ruolo del DN? Il DN è una lunghissima molecola elicoidale presente nel nucleo, o centro di comando, di una cellula. È lo schema completo per la creazione e il funzionamento di un organismo vivente, sia esso un microbo, un uccello o un essere umano. Le informazioni contenute nel DN sono archiviate in un codice costituito da quattro elementi base chiamati nucleotidi. La sequenza in cui compaiono i nucleotidi è simile a quella delle lettere che formano parole, frasi, storie. Nel caso del DN, la sequenza dei nucleotidi forma geni diversi. Ogni gene contiene le istruzioni per una proteina specifica. parte poche eccezioni, ogni cellula di un organismo contiene una copia completa del DN di tale organismo. I geni nel DN di una cellula particolare possono essere attivati o disattivati, secondo le funzioni e le esigenze della cellula stessa. L attivazione di un gene consente l utilizzo delle informazioni in esso contenute per creare, o esprimere, la proteina per la quale è codificato. Molte malattie sono causate dall attivazione o disattivazione errata dei geni. Quali sono le funzioni controllate dalle proteine? li amminoacidi che formano una proteina interagiscono fra di loro, e queste complesse interazioni conferiscono a ogni proteina la sua struttura tridimensionale specifica. ale struttura a sua volta determina in che modo funziona la proteina e su quali altre molecole essa ha effetto. ipi comuni di proteine sono: i messaggi fra le cellule, e i recettori che ricevono i segnali inviati tramite proteine da altre cellule. che proteggono dalle malattie e da minacce esterne. agli organi. Data l enorme varietà delle funzioni da loro svolte, quando le proteine chiave non funzionano bene o sono assenti, il risultato è spesso una malattia. ome funziona l ingegneria genetica? L ingegneria genetica è la pietra angolare della moderna In che modo il corpo produce una proteina? La produzione di una proteina è un processo in varie fasi che comprende la trascrizione e la traslazione. Durante la trascrizione, il codice originale del DN per una proteina specifica viene riscritto in una molecola chiamata RN messaggero (mrn); l mrn ha nucleotidi simili a quelli del DN. Ogni successivo raggruppamento di tre nucleotidi forma un codone, o codice, per uno dei 20 amminoacidi diversi che formano le proteine. Durante la traslazione, una struttura cellulare chiamata ribosoma si lega con un nastro di mrn. ltre molecole, chiamate transfer RN, compongono una catena di amminoacidi corrispondente alla sequenza di codoni nell mrn. Brevi catene di amminoacidi sono chiamate peptidi. Lunghe catene, chiamate polipeptidi, formano le proteine. 2

5 li strumenti dell ingegneria genetica Per manipolare le cellule e il DN, gli scienziati utilizzano strumenti presi in prestito dalla natura, fra cui: Enzimi di restrizione. Questi enzimi presenti in natura vengono usati come difesa dai batteri per tagliare il DN dai virus. Esistono centinaia di enzimi di restrizione specifici che i ricercatori utilizzano come forbici per tagliare geni specifici dal DN. DN ligasi. Questo enzima viene utilizzato in natura per riparare il DN rotto. Può essere utilizzato anche per incollare nuovi geni nel DN. Plasmidi. Sono unità circolari di DN. Possono essere ingegnerizzati per trasportare i geni che interessano. Batteriofagi (o fagi). Sono virus che infettano i batteri. I batteriofagi possono essere ingegnerizzati per trasportare il DN ricombinante. biotecnologia. Si basa su strumenti scientifici, sviluppati negli ultimi decenni, che consentono ai ricercatori di: interessa. un campione di DN. o batteriofago. della cellula ospite, per es. Escherichia coli (E coli) o cellule di mammiferi cresciute in coltura. proteina desiderata. Quando segmenti di DN sono tagliati e riuniti per formare nuove sequenze, il risultato viene chiamato DN ricombinante. Quando il DN ricombinante viene inserito nelle cellule, queste utilizzano lo schema così modificato e il proprio macchinario cellulare per creare la proteina codificata dal DN ricombinante. Le cellule con DN ricombinante sono chiamate cellule geneticamente modificate o transgeniche. di creare molecole troppo complesse per essere create chimicamente. iò ha portato a importanti tipi innovativi di terapie, come le proteine terapeutiche. Le proteine terapeutiche comprendono quelle descritte di seguito e quelle utilizzate per sostituire o integrare le proteine naturali di un paziente, se i suoi livelli sono bassi o se sono assenti a causa di una malattia. Esse possono essere utilizzate per trattare certe malattie come il cancro, i disturbi del sangue, l artrite reumatoide, e le malattie del metabolismo e del sistema immunitario. li anticorpi monoclonali sono una classe specifica di proteine terapeutiche progettate per essere utilizzate dal sistema immunitario contro invasori estranei, o cellule tumorali. li anticorpi terapeutici possono bersagliare e inibire proteine e altre molecole nel corpo che causano una malattia. peptibody sono proteine elaborate che presentano caratteristiche sia dei peptidi che degli anticorpi, ma sono distinte dagli stessi. I vaccini stimolano il sistema immunitario per proteggere il corpo, soprattutto dai virus. I vaccini tradizionali utilizzano virus indeboliti o uccisi per preparare il corpo contro l attacco del virus vero. La biotecnologia può creare vaccini ricombinanti basati su geni virali. Queste nuove modalità di trattamento offrano ulteriori opzioni per combattere una malattia; tuttavia, la ricerca e lo sviluppo (R&S) di nuove molecole nel campo delle biotecnologie, come in quello farmaceutico, è un processo lungo e pieno di incognite. 3

6 In che modo sono scoperti e sviluppati i farmaci biotecnologici? 4 Nel trattare qualunque malattia occorre prima di tutto chiarirne la causa e porsi molte domande: quali geni sono attivati o disattivati nelle cellule modo l organismo che provoca l infezione interagisce Nei laboratori moderni vengono utilizzati strumenti complessi per rispondere a queste domande, mirati a scoprire le radici della malattia e indicare con precisione le differenze fra le cellule sane e quelle malate. I ricercatori si avvalgono spesso di più approcci per ottenere un quadro completo e dettagliato del processo patologico. Quando il quadro comincia a essere più chiaro, potrebbero passare lo stesso diversi anni prima di determinare quali sono i cambiamenti più importanti legati a una malattia. Il cambiamento è la conseguenza della malattia o è la malattia la difetti molecolari che causano la malattia, gli scienziati possono identificare meglio i bersagli dei nuovi farmaci. Spesso la scoperta di un farmaco mira a fornire una terapia totalmente nuova diretta a uno specifico nuovo bersaglio. In alcuni casi un farmaco esistente copre al meglio il target di una malattia, nondimeno la ricerca si può indirizzare a una molecola con altri vantaggi. La selezione di un bersaglio Il termine bersaglio si riferisce a molecole specifiche nel corpo sulle quali un farmaco è destinato ad agire. Per esempio, gli antibiotici hanno come bersaglio proteine specifiche, che non sono presenti negli esseri umani, ma sono indispensabili per la sopravvivenza dei batteri. Molti farmaci anticolesterolo hanno come bersaglio gli enzimi che il corpo utilizza per produrre il colesterolo. li scienziati ritengono che esistano circa bersagli terapeutici, che possono essere alla base di nuovi farmaci. La maggior parte sono proteine di vari tipi, compresi gli enzimi, i fattori di crescita, i recettori cellulari e le molecole di trasduzione del segnale. lcuni bersagli sono presenti in eccesso durante una malattia, pertanto l obiettivo è di bloccarne l attività. iò è possibile con un farmaco che si lega al bersaglio impedendone l interazione con altre molecole nel corpo. In altri casi la proteina bersaglio è insufficiente o manca e l obiettivo è di aumentarla o sostituirla in modo da ripristinare le funzioni sane. La biotecnologia ha reso possibile la creazione di terapie simili o identiche alle molecole complesse di cui si avvale il corpo per rimanere sano. La sorprendente complessità della biologia umana è un problema per la scelta di buoni bersagli. Possono trascorrere molti anni di ricerche e sperimentazioni cliniche prima di scoprire che un nuovo bersaglio non produce i risultati desiderati. Per ridurre tale rischio gli scienziati cercano di provare il valore di un bersaglio tramite sperimentazioni che mostrino il ruolo del

7 Modelli per lo studio delle malattie I seguenti strumenti aiutano i ricercatori a capire come si sviluppano le malattie. olture cellulari. oltivando cellule malate e cellule sane in colture cellulari i ricercatori possono studiare le differenze nei processi cellulari e nell espressione delle proteine. Studi incrociati di specie. I geni e le proteine presenti negli esseri umani possono essere presenti anche in altre specie. Le funzioni di molti geni di esseri umani sono state rivelate studiando geni paralleli in altri organismi. Bioinformatica. La comunità scientifica genera ogni giorno volumi enormi di dati biologici. La bioinformatica aiuta a organizzare tali dati per formare un quadro completo più chiaro dell attività di cellule normali e cellule malate. Biomarker. Sono sostanze, spesso proteine, che possono essere utilizzate per misurare una funzione biologica, identificare un processo patologico o stabilire le risposte a una terapia. Possono essere utilizzate anche per diagnosi, prognosi e trattamenti guida. Proteomica. La proteomica studia l attività delle proteine in particolari cellule, tessuti o organismi. I cambiamenti in tale attività possono chiarire il processo patologico e l impatto dei farmaci allo studio. bersaglio stesso nel processo della malattia. L obiettivo è di dimostrare che l attività del bersaglio è il fattore principale nel decorso della malattia. La selezione di un farmaco Dopo aver individuato il bersaglio occorre identificare un farmaco che agisca sul bersaglio stesso nel modo prescelto. Se i ricercatori decidono di utilizzare un composto chimico, viene solitamente adottata una tecnologia chiamata analisi dell effetto del farmaco. on sistemi automatizzati, gli scienziati possono provare rapidamente migliaia di molecole per vedere quali interagiscono con l attività del bersaglio. Le molecole più efficaci possono essere sottoposte ad ulteriori test per scoprire quella potenzialmente più adatta a diventare un farmaco. l contrario, le bioterapie si avvalgono dell ingegneria genetica. Se l obiettivo è di fornire una proteina mancante o insufficiente, il gene di tale proteina viene utilizzato per creare una versione ricombinante della proteina da fornire ai pazienti. Se l obiettivo è di bloccare la proteina bersaglio con un anticorpo, un approccio comune è quello di esporre topi transgenici al bersaglio in modo da indurre il loro sistema immunitario a creare gli anticorpi contro tale proteina. Le cellule che producono questi anticorpi specifici sono quindi estratte e manipolate per creare una nuova linea cellulare. I topi utilizzati in questo processo vengono geneticamente modificati per creare anticorpi umani per ridurre il rischio di reazioni allergiche nei pazienti. Lo sviluppo del farmaco Dopo essere stato identificato, un farmaco sperimentale promettente deve essere sottoposto a esaurienti test prima di poter essere studiato negli esseri umani. Molti studi sulla sicurezza dei farmaci vengono eseguiti utilizzando linee cellulari ingegnerizzate per esprimere i geni che spesso sono responsabili degli effetti collaterali. I modelli di linee cellulari hanno diminuito il numero di animali necessari per i test e hanno contribuito ad accelerare il processo di sviluppo del farmaco. lcuni test devono lo stesso essere condotti sugli animali per garantire che il farmaco non interferisca con le complesse funzioni biologiche presenti solo in forme di vita superiori. Se un farmaco sperimentale non presenta gravi problemi di sicurezza negli studi preclinici, i ricercatori possono 5

8 chiedere alle autorità regolatorie il permesso di condurre sperimentazioni cliniche su esseri umani. Le fasi della ricerca clinica sono tre, e un farmaco deve soddisfare i criteri di successo in ogni fase prima di passare a quella successiva. Fase 1. est condotti su volontari sani e, a volte, su pazienti. li obiettivi principali sono quelli di accertare la sicurezza e la tollerabilità del farmaco e di vedere come esso si comporta nel corpo (per quanto tempo rimane nel corpo, quanto farmaco raggiunge il bersaglio, ecc.). Una casa farmaceutica può continuare a condurre sperimentazioni cliniche su un farmaco che è stato approvato per vedere se funziona in altre condizioni specifiche oppure in altri gruppi di pazienti, e le autorità regolatorie potranno richiedere altre sperimentazioni, definite studi di fase 4. L intero processo di sviluppo di un farmaco dura, in media, dai 10 ai 15 anni. Pochissimi farmaci in sperimentazione arrivano a completare il ciclo. Fase 2. Studi condotti su circa pazienti. li obiettivi sono quelli di valutare se il farmaco sia efficace, esaminarne ulteriormente l efficacia e stabilire la dose migliore. Fase 3. Studi estesi su o più pazienti, secondo la malattia e il disegno dello studio. Spesso è necessario condurre sperimentazioni cliniche molto estese per determinare se un farmaco può prevenire esiti clinici negativi. Qui l obiettivo è di confrontare l efficacia, la sicurezza e la tollerabilità del farmaco sperimentale con un altro farmaco o un placebo. Se il farmaco sperimentale indica chiari benefici e rischi accettabili nella fase 3, la casa farmaceutica può presentare domanda di approvazione alle autorità regolatorie per vendere il farmaco. Negli Stati Uniti, l ente Food and Drug dministration è preposto alla valutazione di nuovi farmaci. Nell Unione Europea, l genzia Europea per i medicinali ha tale ruolo. Le autorità regolatorie esaminano i dati di tutti gli studi e decidono se i benefici del farmaco sono più importanti di eventuali rischi. Se il farmaco viene approvato, le autorità regolatorie possono richiedere comunque un piano per ridurre qualunque rischio per i pazienti. Viene richiesto anche un piano per monitorare gli effetti collaterali sui pazienti. Lo strumento giusto per il bersaglio Una delle principali decisioni da prendere nello sviluppo di un farmaco riguarda l uso o di piccole molecole o di una grande molecola biologica. iascuna opzione ha i suoi vantaggi e svantaggi. Le piccole molecole possono essere disegnate in modo da attraversare le membrane cellulari, entrare nelle cellule e quindi essere usate per i bersagli all interno delle cellule stesse. lcune possono anche attraversare la barriera ematica cerebrale per trattare malattie psichiatriche e altre malattie del cervello. Le grandi molecole biologiche di solito non possono attraversare le membrane cellulari o entrare nel cervello. Il loro utilizzo è in gran parte limitato a bersagli sulla superficie cellulare o a circolare all esterno della cellula. Le piccole molecole hanno spesso una buona specificità per i loro bersagli, ma la specificità degli anticorpi terapeutici tende a essere estremamente elevata. La maggior parte delle grandi molecole rimane più a lungo nel corpo, pertanto richiede una somministrazione meno frequente. 6

9 In che modo sono creati i farmaci biotecnologici? La produzione di grandi molecole biologiche è un processo molto lungo. Le bioterapie, quelle basate sulle proteine, hanno strutture molto più grandi, più complesse e più variabili delle strutture di farmaci chimici. Inoltre, i biofarmaci vengono creati utilizzando organismi viventi molto complessi, che richiedono condizioni stabili per ottenere prodotti di qualità costante nel tempo. Il processo di produzione comprende quattro passi principali: 1. Produzione della linea cellulare primaria contenente il gene che produce la proteina desiderata 2. rescita di un gran numero di cellule che producono la proteina 3. Isolamento e purificazione della proteina 4. Preparazione della molecola da utilizzarsi sui pazienti lcune molecole biologiche si possono ottenere utilizzando batteri comuni, come l E coli. ltre richiedono linee cellulari estratte da mammiferi, come ad esempio i criceti, perché molte proteine hanno caratteristiche strutturali che solo le cellule dei mammiferi possono creare. Per esempio, certe proteine sono caratterizzate da molecole di zucchero e non funzionano bene se non presentano la struttura originaria corretta. Il giusto ambiente di coltura Il processo di produzione inizia con una coltura cellulare, ovvero cellule cresciute in laboratorio. Le cellule vengono dapprima poste in capsule di Petri o beute contenenti un brodo ricco di nutrienti per la loro coltura. Durante un processo di proliferazione, le cellule vengono trasferite sequenzialmente in contenitori sempre più grandi chiamati bioreattori. lcuni dei bioreattori utilizzati contengono litri di cellule e terreni di coltura. È essenziale mantenere l ambiente specifico necessario per la proliferazione delle cellule in ogni fase di questo processo. nche minimi cambiamenti possono influire sulle cellule e alterare le proteine che producono. Per questo motivo sono necessari rigorosi controlli, atti ad assicurare la qualità e la regolarità del prodotto finale. li scienziati controllano attentamente variabili quali temperatura, ph, concentrazione dei nutrienti e livelli di ossigeno. Eseguono inoltre test frequenti per proteggere le proteine dalla contaminazione di batteri, lieviti e altri microrganismi. lla fine del processo di crescita, la proteina desiderata viene isolata dalle cellule e dai terreni di coltura. Per isolare e purificare le proteine vengono utilizzate varie tecnologie di filtraggio in base alle loro dimensioni, al peso molecolare e alla carica elettrica. La proteina purificata viene di solito mescolata con una soluzione sterile, che può essere iniettata o infusa. Le operazioni finali sono il riempimento di fiale o siringhe con monodosi del farmaco finito, l etichettatura delle fiale o siringhe e il loro confezionamento. Il farmaco a questo punto viene reso disponibile a medici e pazienti. 7

10 Qual è il futuro delle bioterapie? Le biotecnologie sono ancora un ambito relativamente nuovo con un grande potenziale di stimolo per i progressi in medicina, la maggior parte dei quali riguarderanno la medicina personalizzata. Questo nuovo paradigma di trattamento mira ad assicurare che i pazienti ricevano le terapie più adatte alle loro condizioni specifiche, al loro profilo genetico e ad altre caratteristiche. Per esempio, una nuova disciplina chiamata farmacogenomica cerca di stabilire in che modo il profilo genetico di un paziente influisce sulle sue risposte a particolari farmaci. L obiettivo è quello di sviluppare test che possano predire quali profili genetici con maggiore probabilità trarranno beneficio da un dato farmaco. Questo modello viene definito medicina personalizzata. La farmacogenomica ha già cambiato il modo di condurre le sperimentazioni cliniche: i dati genetici sono raccolti regolarmente in modo che i ricercatori possano determinare se fattori genetici siano all origine di risposte diverse a un farmaco sperimentale. I dati rimangono anonimi per proteggere la privacy dei pazienti. La biotecnologia sta rivoluzionando anche la diagnosi di malattie causate da fattori genetici. Nuovi test possono rilevare i cambiamenti della sequenza del DN dei geni associati al rischio di una malattia e predire la probabilità che un paziente la sviluppi. La diagnosi precoce è spesso la chiave della prevenzione o del rallentamento di una malattia grazie al trattamento precoce. I progressi nella tecnologia del DN sono la chiave della farmacogenomica e della medicina personalizzata. Questi sviluppi promettono un assistenza sanitaria più efficace e individualizzata e progressi nella medicina preventiva. 8

11 Le terapie che verranno La terapia genica comporta l inserimento di geni nelle cellule dei pazienti per sostituire i geni difettosi con geni nuovi e funzionali. Questo campo è tuttora in fase sperimentale, ma si è grandemente ampliato dalla prima sperimentazione clinica condotta nel Le cellule staminali sono cellule non specializzate che possono maturare in tipi diversi di cellule funzionali. Le staminali possono essere coltivate in laboratorio, guidate verso il tipo di cellula desiderato e quindi impiantate chirurgicamente nei pazienti. L obiettivo è quello di sostituire il tessuto malato con tessuto nuovo e sano. La nanomedicina mira a manipolare le molecole e le strutture a livello atomico. Un esempio è dato dall uso sperimentale di nanogusci, o lenti metalliche, che trasformano la luce a infrarossi in energia termica per distruggere le cellule cancerogene. I nuovi sistemi di somministrazione dei farmaci comprendono particelle microscopiche chiamate microsfere dotate di fori grandi appena per dispensare i farmaci ai loro bersagli. Le terapie con microsfere sono disponibili e in fase di ricerca per il trattamento di varie forme tumorali e di malattie. Uno sguardo al futuro La pratica della medicina è cambiata incredibilmente nel corso degli anni grazie ai progressi nella ricerca biotecnologica; milioni di pazienti in tutto il mondo traggono beneficio da terapie sviluppate da aziende che scoprono, sviluppano e producono farmaci innovativi per il trattamento di gravi malattie. Perseguendo nella ricerca biotecnologica, nuovi ed entusiasmanti progressi aiuteranno un numero sempre maggiore di persone in tutto il mondo. 9

12 mgen Inc. One mgen enter Drive housand Oaks, In Italia: mgen S.p.a. Via azzoli, Milano Visita il sito web di biotecnologia