La scoperta, nel 1982, dei ribozimi – enzimi composti da RNA – ha rivelato che gli acidi nucleici non servono solo a conservare le informazioni genetiche. Possono infatti svolgere vari altri ruoli nelle cellule, come catalizzare reazioni chimiche o interagire con altre proteine, grazie alla loro capacità di ripiegarsi in strutture tridimensionali.

Da questa intuizione nacque, pochi anni dopo, una nuova classe di molecole: gli aptameri. Il termine viene dal latino “aptus” – adatto – proprio per la capacità di queste molecole a base di DNA o RNA, lunghe circa 10-100 nucleotidi, di ripiegarsi su sé stessi in forme tridimensionali complesse, un po’ come origami molecolari. Queste strutture permettono loro di legarsi in modo molto preciso a una molecola bersaglio ed è proprio questa selettività ciò che li rende preziosi in un’ampia gamma di applicazioni, dalla diagnostica medica alle terapie e al rilevamento di biomarcatori. L’idea di selezionare aptameri in laboratorio nasce nei primi anni ’90, grazie a due gruppi di ricerca indipendenti: quello di Jack Szostak, premio Nobel per la Medicina, e quello di Larry Gold e Craig Tuerk.
Furono loro a mettere a punto una tecnica ancora oggi fondamentale: la SELEX, acronimo di Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment. In pratica, si parte da una library contenente miliardi di sequenze di DNA o RNA tutte diverse. Queste vengono messe a contatto con una molecola bersaglio: solo le sequenze che riescono a legarla vengono trattenute, mentre le altre vengono scartate. Il processo si ripete più volte, fino a ottenere poche molecole altamente specifiche: gli aptameri più affini. 

Gli aptameri vantano numerosi vantaggi: essendo totalmente di origine sintetica, hanno bassi costi di sviluppo e produzione ed una limitata variabilità batch-to-batch. Sono scarsamente immunogenici e generalmente risultano essere piuttosto resistenti a modifiche di temperature a pH. Possono inoltre essere funzionalizzati con fluorofori o altri gruppi chimici, ampliando così il loro spettro di applicazioni. 

Tuttavia, il principale limite degli aptameri è la loro scarsa stabilità biologica: nel sangue e nei tessuti sono presenti infatti enzimi chiamati nucleasi che determinano la loro degradazione e ne limitano l’efficacia. Per renderli più adatti all’uso clinico, gli aptameri vengono quindi ottimizzati con una serie di modifiche dette post-SELEX, che possono includere l’eliminazione di parti non essenziali, l’aggiunta di gruppi chimici protettivi o la coniugazione con grandi molecole. Queste modifiche sono quelle che troviamo in diversi aptameri ad oggi approvati o in fase clinica. 

Pegaptanib (Macugen) è stato il primo farmaco a RNA approvato dalla Food and Drug Administration (FDA) nel 2004. È un aptamero di 28 nucleotidi, covalentemente legato a due catene ramificate di polietilenglicole di 20 KDa. Pegaptanib lega e blocca l’attività del fattore di crescita dell’endotelio vascolare extracellulare (VEGF), in particolare dell’isoforma 165. Ciò impedisce a VEGF 165 di legarsi ai suoi recettori cellulari, bloccando così l’angiogenesi e prevenendo l’aumento della permeabilità vascolare indotto da VEGF 165.  

Più recente (agosto 2023) è l’approvazione FDA di un secondo aptamero a RNA legato covalentemente a catene di PEG – Avacincaptad pegol. Questo secondo aptamero, pur essendo diretto verso un target diverso, condivide la stessa indicazione terapeutica del primo, ossia è indicato per il trattamento dell’atrofia geografica (GA) secondaria alla degenerazione maculare legata all’età (AMD), un disturbo della retina che causa visione offuscata e cecità. 

Vari altri aptameri per il trattamento di varie patologie cardiovascolari, oncologiche o infettive sono attualmente in fase clinica.  

Nel laboratorio di Paolo Ciana, dove sto svolgendo il mio dottorato di ricerca, sviluppiamo aptameri contro particolari proteine coinvolte nelle prime fasi del ciclo di infezione virale, quando il virus si lega alla cellula ospite. Diversamente da altre terapie antivirali, volte ad attaccare e neutralizzare il virus, gli aptameri possono bloccare il sito di accesso utilizzato dal virus per entrare nella cellula. 

È noto infatti che un virus, per poter replicarsi deve infettare una cellula ospite e questo avviene prendendo contatto con una proteina espressa generalmente in modo molto conservato sulla membrana cellulare. Questo fatto rappresenta uno stratagemma evolutivo per il virus, che gli permette di potersi replicare facilmente nell’ospite ma allo stesso tempo offre un vantaggio per progettare terapie antivirali ad ampio spettro. 

È quello che abbiamo osservato infatti con il SARS-CoV-2, per il quale, sebbene siano state ad oggi isolate migliaia di varianti diverse, il sito di legame per iniziare l’infezione nelle cellule dell’epitelio respiratorio dell’uomo rimane la proteina enzima convertitore dell’angiotensina 2, nota come ACE2 e condivisa anche con altri coronavirus, tra cui il SARS-CoV-1 e il MERS-CoV.

Nel 2020 abbiamo selezionato due aptameri a DNA in grado di riconoscere e legarsi con alta affinità proprio alla porzione di ACE2 usata dai coronavirus. Queste molecole sono riuscite a bloccare l’ingresso di particelle virali in sistemi cellulari che simulano l’infezione. Oggi il nostro lavoro è rivolto a migliorare la stabilità di questi aptameri e a testarne la somministrazione, con l’obiettivo di creare farmaci capaci di bloccare le infezioni da diversi coronavirus, indipendentemente dalle varianti. Abbiamo inoltre dimostrato che lo stesso approccio può funzionare anche contro altri virus respiratori. In laboratorio, infatti, abbiamo ottenuto risultati promettenti contro il Rhinovirus, responsabile non solo dei comuni raffreddori, ma anche di forme più gravi come le riacutizzazioni della BPCO e altre malattie polmonari croniche. Per queste patologie, una terapia antivirale ad ampio spettro potrebbe rappresentare un importante passo avanti.