Come funzionano i vaccini: dal vaiolo bovino all'mRNA

Che cos'è un vaccino

Un vaccino è un preparato biologico che allena il corpo a difendersi da una malattia specifica prima ancora di incontrare quella vera. I medici chiamano la protezione che fornisce immunità attiva acquisita: attiva, perché il lavoro lo svolge il sistema immunitario del corpo stesso, e acquisita, perché la protezione si apprende nel corso della vita invece di essere ereditata alla nascita.

La maggior parte dei vaccini contiene qualcosa che somiglia a un microrganismo patogeno senza essere in grado di causare la malattia completa. Può trattarsi di una forma indebolita o uccisa del microbo, di una versione inattivata di una tossina che produce, di una singola proteina della sua superficie oppure di istruzioni genetiche che permettono alle cellule del corpo di produrre quella proteina per breve tempo. Il sistema immunitario tratta questo sosia innocuo come una minaccia, lo distrugge e, cosa più importante, se lo ricorda. Se in seguito compare il germe vero, il corpo lo riconosce rapidamente e lo combatte, spesso prima che si manifesti qualsiasi sintomo.

La maggior parte dei vaccini serve a prevenire malattie infettive causate da virus e batteri, come il morbillo, la poliomielite, il tetano o l'influenza. Alcuni proteggono anche dal cancro: il vaccino contro il papillomavirus umano (HPV) previene infezioni che possono portare al tumore del collo dell'utero, e il vaccino contro l'epatite B riduce il rischio di un tipo di tumore del fegato. Gli scienziati stanno inoltre sviluppando vaccini terapeutici contro il cancro, che mirano ad aiutare il sistema immunitario ad attaccare tumori già presenti.

Come i vaccini allenano il sistema immunitario

Per capire i vaccini è utile sapere come il sistema immunitario affronta un nuovo invasore. Ogni germe porta sulla sua superficie molecole, spesso proteine, che il corpo può riconoscere come estranee. Queste molecole si chiamano antigeni. Quando il sistema immunitario incontra un antigene sconosciuto, avvia una risposta che impiega giorni per svilupparsi. Questo ritardo spiega perché una prima infezione da una malattia nuova può far ammalare gravemente una persona.

I protagonisti principali

• I linfociti B producono anticorpi, proteine a forma di Y che si legano a un antigene specifico. Gli anticorpi possono impedire a un virus di entrare nelle cellule o segnalare i batteri perché vengano distrutti.
• I linfociti T helper coordinano la risposta e aiutano i linfociti B a produrre anticorpi migliori.
• I linfociti T citotossici individuano e distruggono le cellule del corpo infettate da un virus.
• Le cellule della memoria sono linfociti B e T di lunga durata che restano dopo la fine dell'infezione. Sono il vero obiettivo della vaccinazione.

Un vaccino mette in scena una prova generale. Poiché l'antigene che fornisce non può causare la malattia completa, il corpo ha il tempo di attraversare senza pericolo la lenta prima risposta. Le cellule della memoria che rimangono fanno sì che un incontro successivo con il patogeno vero scateni una reazione molto più rapida e forte. Per molte malattie è questa la differenza tra una malattia grave e nessuna malattia.

Richiami e adiuvanti

Alcuni vaccini danno una protezione per tutta la vita dopo una o due dosi, mentre altri hanno bisogno di dosi ripetute, chiamate richiami, per mantenere forte l'immunità. La protezione contro il tetano, per esempio, si attenua con gli anni, per questo agli adulti si consiglia di fare i richiami. Molti vaccini contengono anche un adiuvante, un ingrediente che rende più forte la risposta immunitaria. I sali di alluminio vengono usati come adiuvanti da molti decenni. Gli adiuvanti permettono a un vaccino di funzionare bene con una quantità minore di antigene.

Dalle croste di vaiolo al vaiolo bovino: la nascita della vaccinazione

Molto prima che qualcuno sapesse dell'esistenza dei germi, si era notato che chi sopravviveva al vaiolo non lo contraeva quasi mai una seconda volta. Il vaiolo è stato una delle malattie più letali della storia umana, e molte società cercarono di sfruttare questa osservazione. In una pratica chiamata variolizzazione, persone sane venivano esposte di proposito a materiale prelevato dalle pustole del vaiolo, di solito attraverso un piccolo taglio nella pelle oppure, in Cina, soffiando croste polverizzate nel naso. La variolizzazione provocava di solito una malattia più lieve del vaiolo naturale, ma era rischiosa: alcune persone morivano e chi era stato infettato poteva trasmettere la malattia ad altri.

La variolizzazione fu praticata per secoli in parti dell'Asia e dell'Africa e nell'Impero ottomano. Nel 1721 fu promossa in Inghilterra da lady Mary Wortley Montagu, che l'aveva vista a Costantinopoli e aveva fatto inoculare i propri figli. Nello stesso anno, durante un'epidemia di vaiolo a Boston, il pastore Cotton Mather incoraggiò la pratica dopo averla conosciuta da Onesimus, un africano ridotto in schiavitù che gli aveva descritto come veniva eseguita nella sua terra d'origine.

Il passo decisivo lo compì il medico di campagna inglese Edward Jenner. I contadini dicevano da tempo che le mungitrici che avevano contratto il vaiolo bovino, una malattia lieve presa dalle mucche, non si ammalavano di vaiolo. Nel 1796 Jenner mise alla prova questa idea. Prelevò materiale da una pustola di vaiolo bovino sulla mano di una mungitrice, Sarah Nelmes, e lo introdusse in un piccolo taglio sul braccio di James Phipps, il figlio di otto anni del suo giardiniere. In seguito espose il ragazzo a materiale di vaiolo, e il ragazzo non si ammalò. Il metodo di Jenner era molto più sicuro della variolizzazione e si diffuse rapidamente in Europa e oltre.

La parola vaccino deriva dal latino vacca, a ricordare le origini del metodo nel vaiolo bovino. Più tardi lo scienziato francese Louis Pasteur propose di usare le parole vaccino e vaccinazione per tutti i trattamenti preventivi di questo tipo, in onore del lavoro di Jenner.

Pasteur e l'era dei vaccini di laboratorio

Jenner aveva trovato una fortunata scorciatoia naturale: una malattia affine e più lieve. Alla fine dell'Ottocento Louis Pasteur dimostrò che gli scienziati potevano creare germi indeboliti di proposito. Lavorando sul colera dei polli, il suo gruppo scoprì che i batteri provenienti da vecchie colture avevano perso gran parte della loro capacità di causare la malattia, ma proteggevano comunque i polli da batteri freschi e pericolosi. Pasteur capì che indebolire, o attenuare, i microbi in laboratorio era un metodo generale.

Applicò l'idea al carbonchio, una malattia che uccideva il bestiame, e dimostrò l'efficacia di un vaccino contro il carbonchio in un famoso esperimento pubblico con le pecore nel 1881. Nel 1885 lui e i suoi collaboratori curarono Joseph Meister, un ragazzo morso da un cane rabbioso, con una serie di iniezioni di un preparato antirabbico attenuato. Il ragazzo sopravvisse e il successo rese Pasteur famoso in tutto il mondo. La rabbia ha un periodo di incubazione insolitamente lungo, ed è per questo che un vaccino somministrato dopo un morso può ancora impedire che la malattia si sviluppi.

Nel Novecento seguirono vaccini contro difterite, tetano, pertosse, tubercolosi, febbre gialla, influenza, poliomielite, morbillo, parotite, rosolia e molte altre malattie. I vaccini antipolio sviluppati da Jonas Salk (un vaccino inattivato iniettabile, introdotto nel 1955) e da Albert Sabin (un vaccino orale vivo somministrato in gocce) trasformarono una malattia che ogni anno paralizzava molte migliaia di bambini in una che oggi è vicina all'eradicazione.

I principali tipi di vaccini

Tutti i vaccini hanno lo stesso obiettivo, presentare al sistema immunitario una versione sicura di un antigene, ma lo raggiungono in modi diversi.

1. I vaccini vivi attenuati contengono un germe vivo ma indebolito, che può moltiplicarsi un po' senza causare una malattia grave. Poiché imitano molto da vicino un'infezione naturale, spesso danno un'immunità forte e duratura. Ne sono esempi il vaccino contro morbillo, parotite e rosolia (MPR) e il vaccino contro la febbre gialla. Di solito non vengono somministrati a persone con il sistema immunitario gravemente indebolito.
2. I vaccini inattivati contengono germi uccisi con il calore o con sostanze chimiche. Non possono moltiplicarsi, perciò spesso richiedono più dosi. Il vaccino antipolio iniettabile e i vaccini antirabbici ne sono esempi.
3. I vaccini a subunità, ricombinanti e proteici usano solo parti selezionate di un germe, spesso una proteina di superficie. Il vaccino contro l'epatite B è stato tra i primi prodotti con l'ingegneria genetica, utilizzando cellule di lievito per produrre la proteina virale. Il vaccino contro l'HPV usa proteine che si assemblano in involucri vuoti simili a virus, senza materiale genetico all'interno.
4. I vaccini con anatossina proteggono da malattie in cui il danno principale deriva da una tossina prodotta dai batteri. La tossina viene inattivata chimicamente in modo che non possa danneggiare il corpo, ma continua a insegnare al sistema immunitario a neutralizzarla. I vaccini contro tetano e difterite funzionano così.
5. I vaccini coniugati legano molecole di zucchero del rivestimento esterno di un batterio a una proteina trasportatrice. Il sistema immunitario dei bambini piccoli risponde poco a questi zuccheri da soli, e collegarli a una proteina risolve il problema. I vaccini contro Haemophilus influenzae di tipo b (Hib), lo pneumococco e il meningococco sono vaccini coniugati.
6. I vaccini a vettore virale usano un virus innocuo come veicolo per portare nelle cellule le istruzioni genetiche di un antigene. Alcuni vaccini contro la COVID-19 e un vaccino contro l'Ebola seguono questo approccio.
7. I vaccini a mRNA forniscono un frammento di RNA messaggero avvolto in minuscole particelle di grasso. Le cellule leggono le istruzioni, producono l'antigene per breve tempo e poi demoliscono l'mRNA. L'mRNA non entra mai nel nucleo della cellula e non modifica il DNA di una persona.

La svolta dell'mRNA

Gli scienziati hanno lavorato per decenni all'idea dei vaccini a mRNA, ma le prime versioni provocavano un'infiammazione indesiderata e si degradavano troppo facilmente. Una scoperta chiave arrivò dalla biochimica di origine ungherese Katalin Karikó e dall'immunologo statunitense Drew Weissman, che scoprirono che una leggera modifica dei mattoni dell'mRNA gli permetteva di entrare nelle cellule senza scatenare una reazione infiammatoria dannosa. Il loro lavoro, insieme ai progressi nell'incapsulamento dell'mRNA in nanoparticelle lipidiche, rese possibili i vaccini a mRNA contro la COVID-19.

Quando iniziò la pandemia di COVID-19, questi vaccini furono progettati, testati in grandi sperimentazioni cliniche e autorizzati in circa un anno, molto più rapidamente di qualsiasi vaccino precedente. La velocità derivò da anni di ricerche precedenti, da sperimentazioni molto ampie che condussero diverse fasi in parallelo e da governi che finanziarono la produzione prima di conoscere i risultati, non dal saltare passaggi di sicurezza. Nel 2023 Karikó e Weissman ricevettero il premio Nobel per la medicina per le loro scoperte. Poiché un vaccino a mRNA può essere riprogettato semplicemente cambiando la sequenza genetica, i ricercatori stanno ora sperimentando questa tecnologia contro altre infezioni e contro il cancro.

Immunità di gregge: una protezione che si diffonde

I vaccini non proteggono solo chi li riceve. Quando un numero sufficiente di persone in una comunità è immune, un germe non trova abbastanza nuovi ospiti per continuare a diffondersi e i focolai si spengono. Questo effetto si chiama immunità di gregge o immunità di comunità. Protegge chi non può essere vaccinato, come i neonati, alcune persone con malattie gravi e quelle il cui sistema immunitario non risponde bene ai vaccini.

La quota di persone che devono essere immuni dipende da quanto è contagiosa una malattia. Il morbillo è una delle malattie più contagiose conosciute, perciò serve una copertura vaccinale di circa il 95 per cento per prevenire le epidemie. Quando la copertura cala, anche in una sola città o scuola, il morbillo può tornare rapidamente.

Grandi risultati in cifre

• Il vaiolo ha ucciso centinaia di milioni di persone soltanto nel Novecento. Una campagna mondiale di vaccinazione guidata dall'Organizzazione mondiale della sanità (OMS) individuò e contenne gli ultimi focolai, e nel 1980 l'Assemblea mondiale della sanità dichiarò il vaiolo eradicato. Fu la prima malattia umana mai eliminata dal pianeta.
• La peste bovina, una malattia devastante dei bovini, è stata dichiarata eradicata nel 2011: la seconda malattia eliminata del tutto, ancora una volta grazie alla vaccinazione.
• I casi di poliomielite sono diminuiti di oltre il 99 per cento da quando nel 1988 è partita un'iniziativa mondiale di eradicazione, e il poliovirus selvaggio sopravvive solo in un numero molto ridotto di Paesi.
• Nel 1974 l'OMS ha avviato il suo Programma ampliato di immunizzazione per portare i vaccini infantili di base in ogni Paese. Oggi si stima che i vaccini evitino diversi milioni di morti ogni anno.

Come si verifica la sicurezza dei vaccini

La sicurezza e l'efficacia dei vaccini sono tra gli argomenti più studiati della medicina. Prima di essere approvato, un vaccino passa attraverso studi di laboratorio e poi sperimentazioni cliniche in più fasi: prima piccoli gruppi di volontari, poi centinaia e spesso decine di migliaia di persone, confrontando i risultati con un gruppo che non ha ricevuto il vaccino. Le autorità regolatorie esaminano i dati prima di consentirne l'uso.

Il monitoraggio continua dopo l'approvazione. Le agenzie sanitarie gestiscono sistemi di segnalazione e grandi studi che cercano effetti collaterali rari, visibili solo quando vengono vaccinate milioni di persone. Le reazioni più comuni sono lievi e passeggere: braccio dolorante, un po' di febbre o stanchezza per un giorno o due, segnali che il sistema immunitario sta rispondendo. Le reazioni allergiche gravi sono molto rare, ed è per questo che di solito si chiede di attendere qualche minuto dopo l'iniezione.

I vaccini hanno dovuto affrontare anche la disinformazione. Un articolo del 1998 che sosteneva un legame tra il vaccino MPR e l'autismo si rivelò fraudolento e fu ritrattato, e il suo autore principale perse l'abilitazione a esercitare la medicina. Numerosi grandi studi su milioni di bambini non hanno trovato alcun legame di questo tipo. Tuttavia, la paura che aveva generato contribuì al calo delle vaccinazioni e a epidemie di morbillo in diversi Paesi.

Curiosità poco note sui vaccini

• Il virus usato nel moderno vaccino contro il vaiolo si chiama vaccinia. Gli studi genetici mostrano che è imparentato con il vaiolo bovino ma non è identico, e la sua origine esatta è ancora dibattuta.
• Molti vaccini antinfluenzali vengono ancora coltivati in uova di gallina, ed è per questo che in passato si raccomandava cautela alle persone con grave allergia all'uovo. I metodi più recenti utilizzano invece colture cellulari.
• I vaccini antinfluenzali vengono aggiornati regolarmente perché il virus dell'influenza cambia di continuo. Gli esperti dell'OMS raccomandano nuove composizioni dei ceppi due volte l'anno, una per l'emisfero settentrionale e una per l'emisfero meridionale.
• Non tutti i vaccini sono iniezioni. Esistono vaccini orali contro la polio, il rotavirus e il colera, e un tipo di vaccino antinfluenzale si spruzza nel naso.
• Molti vaccini devono essere conservati al freddo, di solito tra 2 e 8 °C, dalla fabbrica all'ambulatorio. Questa sequenza di frigoriferi, borse termiche e congelatori è nota come catena del freddo, e mantenerla nelle zone remote è una delle sfide più grandi dell'immunizzazione mondiale.
• I vaccini proteggono anche gli animali. In alcune parti d'Europa, esche contenenti il vaccino lanciate da aerei per le volpi selvatiche hanno aiutato a eliminare la rabbia delle volpi da diversi Paesi.

Perché i vaccini contano ancora

Molte malattie che un tempo riempivano gli ospedali, come la difterite, la pertosse e il morbillo, sono diventate rare nei luoghi con alti tassi di vaccinazione. Poiché oggi poche persone hanno visto queste malattie, è facile dimenticare quanto fossero pericolose. I germi, però, non sono scomparsi e possono tornare ogni volta che l'immunità di una popolazione si indebolisce.

La ricerca prosegue su vaccini contro malattie ancora difficili da prevenire, tra cui la malaria, la tubercolosi e l'HIV. Nel 2021 l'OMS ha raccomandato il primo vaccino contro la malaria per un ampio uso nei bambini delle regioni in cui la malattia è comune, un traguardo che ha richiesto decenni di lavoro perché il parassita della malaria è molto più complesso di un virus. Dall'esperimento di Jenner con il vaiolo bovino di una mungitrice ai vaccini progettati al computer a partire da un codice genetico, l'idea è rimasta la stessa: istruire il corpo in anticipo, perché sia pronto quando arriva il pericolo vero.