Ingegneria genetica per la produzione di farmaci - Progettazione Razionale di Farmaci

biologia

Ingegneria genetica per la produzione di farmaci

Una delle principali applicazioni delle tecniche di ingegneria geneticanel campo farmacologico consiste nella produzione di farmaci costituiti da proteine naturali. L'insulina, l'eritropoietina, la somatotro 919c27j pina sono proteine prodotte normalmente dall'organismo umano, ma assenti o insufficienti a causa di alcune malattie: tali malattie sono curate con le proteine mancanti, che diventano veri e propri farmaci.
I metodi tradizionali di preparazione di queste proteine prevedono l'estrazione da sangue, urina o tessuti (umani o animali), in quantità limitate e con costi elevati. Inoltre, agenti infettivi patogeni possono essere presenti nel sangue e nei tessuti usati per la preparazione e contaminare il farmaco. Trattamenti chimici o termici impiegati per inattivare questi eventuali agenti infettivi possono ridurre l'efficacia del farmaco e non sempre sono eseguibili. Una decina di anni fa, in Francia, trasfusioni e terapie con farmaci derivati da sangue umano infetto con il virus dell'AIDS hanno contagiato numerosi pazienti.
Le tecniche di ingegneria genetica consentono di ottenere in grandi quantità prodotti puri, spesso migliori di quelli preparati con i metodi tradizionali e, inoltre, esenti dal rischio di contaminazione con agenti infettivi patogeni.
Come si ottiene un farmaco con l'ingegneria genetica? L'informazione necessaria per la costruzione della proteina umana (il farmaco) è contenuta in un genenel DNA umano. Grazie alle tecniche di ingegneria genetica, il gene viene isolato e clonato. Il gene clonato viene poi inserito in opportune cellule ospiti, per esempio batteri, lieviti o cellule di mammifero coltivate, che considerano il gene inserito come se fosse proprio e costruiscono la proteina ad esso corrispondente. Riproducendosi su larga scala in appositi bioreattori, le cellule ospiti accumulano il farmaco che viene poi estratto dalla coltura e purificato. Oppure, il gene viene introdotto in animali (per esempio pecore o maiali) per ottenere animali transgenici; questi producono il farmaco nel loro organismo e lo liberano nel latte, da dove viene facilmente estratto.
Alcune proteine umane subiscono un processo di «maturazione» nelle cellule dell'organismo, ricevendo delle modificazioni dopo la sintesi; tali proteine non possono essere prodotte nei batteri, ma solo in cellule animali o umane coltivate, oppure direttamente negli animali transgenici.
Attualmente, vengono prodotte con queste tecniche oltre 300 proteine diverse, di cui alcune sono già in uso e altre sono ancora in fase di sperimentazione.

Progettazione Razionale di Farmaci 
Fino a circa dieci anni fa, la ricerca di nuovi farmaci avveniva tramite lo studio di migliaia di molecole estratte da piante o ottenute per sintesi chimica; queste molecole erano sperimentate su colture di batteri o cellule e su numerosi animali da laboratorio, per determinarne gli effetti biologici. Oggi, la conoscenza dei meccanismi molecolari delle malattie rende possibile la vera e propria progettazione razionale di nuovi farmaci.
Le ricerche di biologia molecolare hanno mostrato che i geni sono coinvolti nella maggior parte delle malattie, non solo ereditarie: ad esempio, l'influenza attiva i geni che contengono l'informazione per la produzione degli anticorpi specifici contro il virus influenzale che ci ha colpito. Lo studio del comportamento dei geni durante una malattia permette di comprenderne i meccanismi molecolari e, di conseguenza, di identificare i farmaci più efficaci per combatterla.
Quando uno dei geni coinvolti in una malattia viene individuato, è possibile clonarlo e ottenere in grandi quantità la proteina corrispondente. In seguito, disponendo della proteina se ne potranno studiare la struttura e la funzione. Immaginate di dover aprire una serratura senza sapere quale chiave di un mazzo sia quella giusta: se poteste vedere all'interno della serratura capireste quale forma dovrebbe avere la chiave in grado di aprirla e sareste facilitati nella scelta. Allo stesso modo, una volta note le caratteristiche della proteina, tramite specifici programmi al computer si identifica la molecola più appropriata per agire su di essa e curare la malattia. Tale molecola (il nuovo farmaco) può essere già disponibile oppure prodotta attraverso nuove reazioni chimiche.
La progettazione razionale di un farmaco si avvale di conoscenze in campi diversi: la biologia molecolare, l'informatica e la chimica, oltre, naturalmente, alla medicina e alla farmacologia. Grazie a queste tecniche sono stati ottenuti, per esempio, farmaci oggi usati nella terapia dell'AIDS: sono molecole capaci di legarsi efficacemente ad una proteina del virus HIV, la proteasi, in modo da impedire la riproduzione virale.

Alcuni Farmaci Biotecnologici in Uso   
Insulina
L'insulina umana è stata il primo farmaco biotecnologico prodotto e messo in commercio nel 1982.
E' un farmaco «salvavita»: costituisce l'unica cura per il diabete mellito, malattia cronica con predisposizione ereditaria che colpisce bambini e giovani e di cui soffrono milioni di persone nel mondo. In Italia, si registrano ogni anno 6-9 nuovi casi ogni 100.000 ragazzi sotto i 14 anni. Nel diabete vengono distrutte le cellule del pancreas naturalmente produttrici di insulina. L'insulina è un ormone indispensabile per il mantenimento della corretta concentrazione di glucosio nel sangue e per consentirne l'utilizzo da parte dell'organismo: la sua assenza determina uno scompenso metabolico che danneggia reni, retina, nervi e vasi sanguigni. Se non curato tempestivamente, il diabete può portare ad invalidità e morte. E' possibile curare il diabete con insulina simile a quella umana estratta industrialmente da pancreas di suino o bovino, ma l'insulina così prodotta presenta diversi inconvenienti: minore efficacia rispetto all'insulina umana, effetti collaterali (per esempio a!
 llergia) e notevoli costi di estrazione e purificazione.
Grazie all'ingegneria genetica il gene dell'insulina è stato clonato e oggi l'ormone umano viene prodotto da batteri. 
Somatotropina
L'ormone della crescita umano (hGH), o somatotropina, è prodotto dall'adenoipofisi, una ghiandola situata alla base del cervello. Svolge numerose funzioni nell'organismo, tra cui, indirettamente, la stimolazione dell'accrescimento dei tessuti, in particolare di ossa e cartilagini. La sua carenza ereditaria durante l'infanzia e l'adolescenza è causa del nanismo. In passato, l'ormone della crescita veniva estratto dall'ipofisi di cadaveri: alcuni bambini affetti da nanismo e curati con l'ormone così estratto e infetto avevano contratto la malattia di Creutzfeldt-Jakob, una degenerazione mortale del cervello, oggi nota per essere correlata alla malattia della «mucca pazza». Oggi il nanismo viene curato con l'ormone della crescita prodotto con l'ingegneria genetica, che è privo di qualunque agente infettivo. 
Proteine del sangue
Molte proteine del sangue umano vengono impiegate come farmaci e sono disponibili come prodotti biotecnologici. Viene così evitato il ricorso a sangue di donatori per estrarre queste proteine, rischioso per la potenziale presenza di agenti infettivi e insufficiente a soddisfare la  domanda di questi prodotti.
-  I fattori della coagulazione del sangue sono impiegati nella cura di malattie genetiche (come l'emofilia B) dovute alla carenza congenita dei fattori stessi e causa di gravi emorragie.
-  Il tPA (attivatore tissutale del plasminogeno) è una molecola usata nel trattamento dell'infarto per degradare i coaguli di sangue; l'ingegneria genetica ha permesso anche di migliorare le caratteristiche terapeutiche della molecola.
-  L'alfa-1-antitripsina è usata per facilitare la respirazione in alcuni casi di enfisema polmonare. La preparazione tradizionale di questo farmaco, estratto da sangue di donatori, è molto costosa e ne fornisce una quantità limitata. La preparazione biotecnologica consiste nell'estrazione dal latte di pecore transgeniche, portartici del gene per l'alfa-1-antitripsina umana. Si calcola che 500-1000 pecore transgeniche capaci di fornire 30 grammi di farmaco per litro di latte potrebbero coprire l'intero fabbisogno mondiale, con un costo minore rispetto alla produzione tradizionale. 
Eritropoietina 
L'eritropoietina è un ormone prodotto dai reni che stimola il midollo osseo a produrre globuli rossi. I globuli rossi hanno una vita limitata nel sangue (circa 120 giorni) e devono costantemente essere rilasciati dal midollo osseo. Le malattie renali croniche riducono la quantità di eritropoietina sintetizzata dai reni, provocando la diminuzione dei globuli rossi circolanti e causando anemia. Oggi, circa il 40 per cento dei pazienti dializzati in tutto il mondo viene trattato con eritropoietina umana ricombinante (cioè ottenuta tramite l'ingegneria genetica), prodotta da cellule di criceto coltivate.
Vaccini
I vaccini sono composti da microrganismi patogeni, o loro parti, opportunamente trattati che, iniettati in un individuo sano, inducono una specifica immunità verso la malattia di cui i microrganismi stessi sono responsabili.
I microrganismi patogeni vengono inattivati con un trattamento chimico e con il calore per renderli inoffensivi. In alcuni casi è possibile identificare una o più parti (gli antigene del microrganismo sufficienti a stimolare la risposta immunitaria, mentre in altri casi è necessario l'intero batterio o virus.

Il primo vaccino biotecnologico disponibile per l'uomo è stato il vaccino per l'epatite B, negli anni ottanta.
L'epatite B è una malattia grave e diffusa provocata dal virus HBV che colpisce il fegato. L'infezione provoca cirrosi epatica e aumenta notevolmente il rischio di sviluppare il cancro al fegato. L'antigene responsabile della risposta immunitaria all'infezione è una proteina presente alla superficie esterna del virus, chiamata antigene di superficie (HBsAg). Il vaccino tradizionale per l'epatite B è costituito da particelle di HBsAg ottenute dal sangue di individui portatori sani del virus. Il vaccino è efficace, ma è disponibile in quantità ridotte, dato il numero limitato di donatori.
Il vaccino biotecnologico è stato ottenuto clonando il gene per l'antigene di superficie in cellule di lievito. Tale lievito produce in grande quantità una proteina HBsAg identica alla proteina virale e, dopo purificazione, pronta per essere usata come vaccino.
Il vaccino biotecnologico per la pertosse è stato studiato e sviluppato in Italia ed è disponibile dal 1993.
La pertosse è un'infezione delle vie respiratorie provocata dal batterio Bordetella pertussis, che colpisce soprattutto i bambini. La malattia può provocare danni cerebrali e anche la morte. Il trattamento antibiotico è efficace, ma spesso la malattia viene diagnosticata quando i batteri hanno già danneggiato le vie respiratorie e rilasciato le tossine responsabili delle sue più gravi conseguenze. Queste si verificano soprattutto nei paesi in via di sviluppo, dove i malati hanno difficilmente accesso alle cure appropriate.
Il primo vaccino tradizionale contro la pertosse è stato sviluppato negli anni quaranta. E' un vaccino di tipo «cellulare», cioè composto da cellule intere di B. pertussis uccise con un trattamento chimico e termico. Tuttavia, reazioni collaterali alla somministrazione del vaccino ne hanno scoraggiato l'uso. I rischi associati alla vaccinazione, benché siano minimi rispetto a quelli della malattia, hanno stimolato la ricerca di vaccini più sicuri.
E' stato identificato l'antigene di B. pertussis sufficiente ad indurre l' immunità: è la tossina pertossica, una proteina che è anche responsabile degli effetti collaterali del vaccino cellulare. Vari trattamenti chimici sono stati sperimentati nel tentativo di rendere innocua questa tossina, senza privarla della proprietà di indurre l'immunità per la pertosse. Il problema è stato risolto grazie all'ingegneria genetica. Il gene della tossina pertossica è stato clonato e successivamente mutato. Il gene così modificato produce una proteina che ha perso la tossicità ma ha conservato le proprietà antigeniche e che può essere impiegata come vaccino. Il vaccino così ottenuto è di tipo «acellulare», perché non contiene cellule batteriche.