Istituto Superiore di Sanità - Ricerca di base avanzata nella patogenesi virale, microbica, parassitologica e della relativa immunità

Chi siamo - Chi siamo

Oltre ad una straordinaria valenza conoscitiva, le ricerche in quest'area rivestono una fondamentale importanza per l'dentificazione di nuovi bersagli vaccinali e/o terapeutici nonché per la messa a punto di approcci metodologici avanzati. I gruppi attivi in quest'area provengono da diverse esperienze metodologiche e disciplinari e contribuiscono in maniera integrata alle ricerche di base nel settore della patologia infettiva.

Immunoevasione - Immunoevasione

Molti microorganismi causano malattie come conseguenza della loro attiva replicazione e/o produzione di sostanze tossiche nell'organismo umano o animale. Il sistema immunitario si è evoluto per contrastare la crescita microbica o gli effetti dannosi delle tossine. Tuttavia, in numerose situazioni l'intervento del sistema immunitario non è sufficiente per evitare un danno. Questo accade sia in quanto è necessario del tempo affinché sia preparata una risposta immunitaria efficace, sia perché i microorganismi hanno evoluto dei meccanismi attraverso i quali possono eludere il sistema di difesa specifico messo in atto dal sistema immunitario: i meccanismi di immunoevasione/ immunodeviazione. Alcuni batteri hanno evoluto una capsula polisaccaridica che impedisce il loro riconoscimento da parte delle cellule dell'immunità naturale o più in generale di attivare l'opsonofagocitosi da parte del sistema complementare, o degradano enzimaticamente i fattori difensivi solubili (fattori del complemento o immuoglobuline secretorie) mentre altri microrganismi mutano frequentemente la composizione degli antigeni di superficie, anche in relazione allo stadio o alla fase di crescita. Alcuni patogeni dispongono di strutture molto simili a quelle dell'ospite in modo da evitare una risposta immunitaria confondendosi con il self (molecular mimicry). Infine, vari patogeni possono indurre immunoevasione attraverso l'interferenza con il differenziamento e la funzione delle cellule dendritiche, le più importanti cellule presentanti l'antigene, minando alla base la possibilità di generare una risposta immunitaria specifica efficace.
Alcuni di questi meccanismi erano noti già da tempo e la loro conoscenza ha contribuito ad un approccio più mirato per il potenziamento del sistema immunitario, con la preparazione ad esempio di vaccini più efficaci. Lo studio di possibili altri meccanismi utilizzati da microrganismi ancora non eliminati fra le cause di malattie più o meno gravi è quindi di grande attualità ed interesse. In questo specifico ambito sono attivamente impegnati vari gruppi di ricerca del Dipartimento MIPI che hanno già contribuito significativamente ad aumentare le conoscenze sul problema della immunoevasione da parte di patogeni.

Immunità naturale - Immunità naturale

Grande importanza nella lotta contro i patogeni hanno i meccanismi non specifici dell'immunità naturale. Il sistema immunitario naturale è costituito da una varietà d'effettori cellulari che direttamente o attraverso prodotti sono in grado di indurre una risposta immunitaria che, se sufficiente, previene la diffusione del patogeno e l'insorgenza della malattia. Se da sola la risposta naturale non è sufficiente, interviene la risposta immunitaria acquisita, antigene-specifica, che è in grado di indurre una memoria immunologica.
L'immunità naturale si mette in atto entro pochi minuti dall'aggressione ed è mediata fondamentalmente dalle cellule fagocitarie(monociti/macrofagi, le cellule dendritiche e i polimorfonucleati, dalle cellule di citotossicità naturale NK) e da prodotti solubili, quali gli interferoni (IFN).
Le cellule dell'immunità naturale esprimono recettori (Pathogen Recognition Receptors: PRRs) in grado di riconoscere strutture caratteristiche di gruppi di microrganismi (pathogen associated molecular patterns: PAMPs).
I "Toll-like receptors" (TLR) rappresentano al momento una delle classi più studiate di PRR. Utilizzando specifiche combinazione di TLRs le cellule dell'immunità naturale sono capaci di discriminare tra le varie classi di patogeni e, quindi, di reagire attivando direttamente una risposta in grado di contenere la diffusione del patogeno oppure stimolando e/o indirizzando nel giusto verso la risposta immunitaria acquisita. Recenti dati suggeriscono che i TLRs possono anche costituire un meccanismo di immunoevasione di certi microorganismi patogeni.
Per mettere in atto una pronta difesa naturale un forte sinergismo fra le diverse componenti tra loro e con l' immunità specifica è necessario. L'immunità naturale è inoltre in grado di regolare l'attivazione del sistema immunitario specifico, e quindi la produzione di anticorpi e cellule T antigene-specifiche. Le cellule dendritiche rappresentano un ponte tra il sistema immune naturale ed antigene specifico. Questi aspetti sono ampiamente affrontati da diversi gruppi del dipartimento come è evidenziato dai vari progetti di ricerca.

Malattie virali - Malattie virali

Le interazioni dinamiche tra agente patogeno ed ospite rappresentano i determinanti della patogenesi e dello sviluppo della malattia. Qualsiasi interrelazione cellula-patogeno è costituita da eventi dinamici la cui comprensione può rivelare nuovi target terapeutici. A tale proposito viene oggi attribuita estrema importanza alla comprensione di come e quando hanno luogo gli eventi codificati dai singoli geni ed alle interrelazioni tra i prodotti dell'espressione genica.
Lo studio a livello molecolare dei meccanismi patogenetici alla base delle infezioni virali ha finora rivelato un certo numero di temi comuni che coinvolgono famiglie di fattori regolatori dell'espressione genica nonchè virus specifiche interazioni con l'ospite, che ne determinano anche l'organo bersaglio, come nel caso delle epatitivirali od , in converso, delle virosi respiratorie. Critica è in proposito è la distinzione fra infezioni virali acute, quale ad es. l'influenza, e quelle cronico-persistenti come alcune forme di epatiti e l'AIDS.
Per quest'ultime, la capacità di vari virus, in particolare del virus dell'immunodeficienza umana (HIV) di sovvertire e/o modulare diverse funzioni cellulari allo scopo di sovvertire a proprio vantaggio la risposta immunitaria, è di vitale importanza. ( Per ulteriori informazioni su questo interessante aspetto della patogenesi, vedi l'apposito tema sull'immunoevasione ). Questa capacità di evasione dal sistema immune utilizza non solo differenti strategie per agenti patogeni diversi, ma anche target diversi e relativamente numerosi da parte dello stesso agente patogeno.
La conoscenza a livello molecolare dei componenti sia dell'ospite sia del virus coinvolti nel danno cellulare e/o nella mancanza di una adeguata risposta immune è intensamente studiata anche nel Dipartimento MIPI per lo sviluppo e il disegno razionale di interventi preventivi e/o terapeutici con vaccini o nuove molecole attive.

Virus e tumori - Virus e tumori

La ricerca sui virus ad RNA ed a DNA associati allo sviluppo di tumori ha fornito un contributo fondamentale negli ultimi 20 anni alla ricerca sul cancro. In particolare gli studi sul controllo della crescita cellulare hanno contribuito all'identificazione degli elementi funzionali e delle basi genetiche che sono risultati validi per tutti i tipi di neoplasie.
I virus ad RNA associati a tumori, principalmente i retrovirus, trasportano oncogeni cellulari coinvolti nei processi di mitosi e crescita cellulare. I virus tumorali a DNA codificano per oncogeni virali cruciali per la replicazione virale e la crescita e trasformazione cellulare. Lo studio di questi meccanismi ha condotto all'identificazione dei soppressori della crescita tumorale.
La ricerca in questi settori ha, inoltre, fatto sviluppare il concetto che lo sviluppo del cancro si verifica attraverso la concorrenza di multipli fattori e di multipli eventi successivi e cooperanti.
I virus finora identificati come causa eziologica di tumori nell'uomo sono: il virus di Epstein Barr, i virus dell'epatite B e C, papillomavirus, il virus della leucemia a cellule T di tipo I. I singoli virus hanno ruoli differenti nel processo di trasformazione cellulare e specifici ceppi possono avere diverso potere oncogeno. I virus associati a tumori sono caratterizzati dalla capacità di instaurare infezione persistente nell'uomo e non essendo esclusivamente agenti carcinogenetici, lo sviluppo del tumore rappresenta un evento accidentale nel corso della storia naturale dell'infezione. Tra l'infezione iniziale e la comparsa del tumore possono intercorrere parecchi anni, sebbene i processi di carcinogenesi nei tumori associati a virus possano essere oltre che di tipo indiretto, anche di tipo diretto.

Microrganismi patogeni - Microrganismi patogeni

La crescente disponibilità di sequenze genomiche, sia complete che parziali, di un numero significativo di organismi ha stimolato i ricercatori a sviluppare nuove tecnologie che consentissero loro di analizzare contemporaneamente e confrontare una enorme mole di dati sulla regolazione dell'espressione di interi genomi o porzioni di essi (trascrittoma) o sul relativo complemento proteico (proteoma). I geni e/o le proteine non sono più visti come singole entità ma messi in relazione tra loro con la finalità di identificare, ad esempio, tutte le componenti di un organello, di un pathway metabolico, della risposta cellulare ad un agente patogeno e la loro regolazione o interazione. Questi nuovi approcci metodologici allo studio della biologia fondamentale rientrano in quella che oggi viene definita "genomica funzionale".
Nel campo delle malattie infettive sono urmai disponibili sequenze di importanti microrganismi patogeni dell'uomo, dei loro vettori e di modelli sperimentali animali, quali il topo. Queste informazioni consentono di affrontare in modo globale lo studio dei meccanismi molecolari alla base della infettività, della patogenesi, dell' interazione patogeno-ospite e/o vettore.
Nella costituzione del nuovo Dipartimento MIPI grande attenzione è stata posta allo studio dei meccanismi cellulari e molecolari di infezioni batteriche, micotiche, virali e parassitarie, attraverso gli approcci interpretativi e tecnologici della genomica funzionale. A questo scopo ricercatori del Dipartimento stanno sviluppando, in collaborazione con gruppi attivi all'interno e all'esterno dell'ISS, piattaforme tecnologiche innovative quali la proteomica ed i microarray nonchè nuove metodologie per l'analisi dei dati quali la quelle collettivamente incluse nella biologia computazionale.

Malattie virali - Vettori virali per immunizzazione

L'utilizzo di virus animali quali vettori di antigeni per immunizzazione costituisce un interessante approccio di studio riguardante l'induzione di una risposta immune ed in generale lo sviluppo di nuovi vaccini per profilassi e ove possibile nuove forme di terapia. Oltre a veicolare un'appropriata rappresentanza degli antigeni di interesse, la funzione dei vettori virali deve complementare talune proprietà immunogeniche, spesso sovvertite nello sviluppo di una malattia ed essenziali ad evocare una ottimale risposta immune, quali l'interazione con cellule presentanti l'antigene, potenziata induzione di citochine e stimoli infiammatori che offrano un contributo per una più ampia ed efficace partecipazione delle diverse componenti effettrici alla risposta immune. Strategie vaccinali di successo richiedono necessariamente una corrispondenza degli antigeni impiegati con il ciclo infettivo dell'agente patogeno come pure rilevanti appaiono le modalità e le vie di somministrazione prescelte in relazione ai compartimenti mucosale e sistemico dell'immunità. Oltre a definire il grado di immunità protettiva inducibile, sono inoltre fondamentali i requisiti di sicurezza come pure alcune verifiche importanti circa la effettiva immunogenicità di nuovi vaccini o determinate strategie di immunizzazione correlate all'uso ripetuto di componenti vaccinali che possano risentire di una immunità ad essi preesistente. Il virus dell'influenza quale vettore di antigeni estranei costituisce per diverse ragioni un eccellente modello a questo tipo di analisi, ma altri vettori virali sono stati costruiti e proposti per la vaccinazione a DNA e la terapia genica. Studi di questo tipo sono correntemente eseguiti presso il Dipartimento MIPI.

Virus e tumori - Tumori associati alle infezioni da virus epatite B e C

I virus dell'epatite B (HBV) e dell'epatite C (HCV) sono strutturalmente e biologicamente differenti appartenendo a famiglie virali diverse (Hepadnavirus ed Hepacivirus) ed essendo caratterizzati da genomi a DNA ed RNA. Tuttavia la storia naturale delle relative infezioni nell'uomo presenta in comune il quadro patogenetico. Questo include lo sviluppo di epatite cronica, cirrosi ed epatocarcinoma (HCC). Il possibile coinvolgimento in malattie del sistema linfatico viene ipotizzato in base alla dimostrata capacità di replicazione a livello di linfociti e monociti. Questi virus sono la principale causa di epatocarcinoma (HCC), uno dei tipi di tumori più frequenti nel mondo. Infezioni da HBV ed HCV sono associate al 70-85% dei casi notificati di HCC. Gli studi epidemiologici hanno inequivocabilmente dimostrato l'associazione eziologica pur sottolineando la presenza di fattori ambientali concorrenti quali il consumo di alcool, l'ingestione di aflatossine e la presenza di emocromatosi. La diversa incidenza di HCC nelle varie aree geografiche è correlata alla diffusione di tutti questi fattori. Un ruolo eziologico diretto ed indipendente da cofattori è stato dimostrato per l'infezione da virus dell'epatite B nel modello animale Marmota Monax. Gli esatti meccanismi di epatocarcinogenesi non sono a tutt'oggi noti e costituiscono oggetto di ricerca. Inoltre importanti settori della ricerca sia epidemiologica che biologica e molecolare sono dedicati alla definizione del ruolo dei virus dell'epatite, particolarmente del virus dell'epatite C, nello sviluppo di linfomi. Presso il reparto Epatiti Virali sono stati svolti studi epidemiologici antesignani sull'associazione tra infezione da virus HCV ed HCC tra infezione da virus dell'epatite linfomi "non Hodking" e studi sugli aspetti molecolari dell'epatocarcinogenesi da virus dell'epatite B nel modello Marmota monax.

Microrganismi patogeni - Proteomica

La conoscenza della sequenza di un genoma (genomica) consente oggi di predire, tramite complessi algoritmi, tutte le proteine potenzialmente codificate da un organismo, anche quelle di cui non si ha evidenza sperimentale. Il loro studio sistematico -"proteomica"- richiede un approccio multidisciplinare e tecniche analitiche molto sensibili per l'elevato grado di complessità dei proteomi cellulari. Agli strumenti tradizionali della biochimica delle proteine si sono affiancate, in anni recenti, metodologie rivoluzionarie basate sulla spettrometria di massa e dotate di potenzialità precedentemente impensabili nell'analisi di campioni biologici. Il Dipartimento MIPI partecipa insieme d altri Dipartimenti al coordinamento della ricerca proteomica in Istituto. Questa nuova piattaforma tecnologica è dotata di strumenti avanzati e di personale dedicato. Gli strumenti a disposizione comprendono attualmente due spettrometri di massa, un MALDI-TOF (Matrix- Assisted Laser Desorption/Ionization -Time-Off-Flight) e un LC-electrospray (Liquid-Chromatography- electronspray) con trappola ionica per l'identificazione di proteine in miscele complesse. La ricerca del Dipartimento in questo settore comprende lo studio del proteoma di comparti cellulari specifici del parassita malarico con lo scopo di identificare nuovi bersagli terapeudici o vaccinali e la costruzione di microarrays di proteine che includano l'intero proteoma di microrganismi patogeni o porzioni di esso appartenenti a comparti sub cellulari diversi. La ricerca del Dipartimento in questo settore è focalizzata sulla genesi di nuovi comparti subcellulari creati dal Plasmodio appena penetrato nella cellula ospite e sui meccanismi di trasporto, localizzazione e interazione di proteine del parassita esportate in questi nuovi comparti. Un esempio è costituito dal vacuolo parassitoforo generato da una seconda membrana che circonda il parassita e che lo accompagna durante tutto il ciclo di sviluppo intraeritrocitario. Questo nuovo comparto cellulare, che prende inizialmente origine dalla membrana dell'eritrocita durante la penetrazione delle forme invasive, ha un ruolo fondamentale nel trasferimento di proteine secrete ad altri comparti. l'identificazione e il ruolo funzionale delle proteine che lo compongono e lo studio delle loro interazioni sarà effettuato tramite spettrometria di massa e tramite la generazione di mutanti transgenici.Si sta studiando inoltre la capacità di alcuni inibitori delle proteasi di HIV di inibire le plasmepsine, critiche proteasi del Plasmodio.

Microrganismi patogeni - Biologia computazionale

La bioinformatica si è affermata a partire dagli anni '80 come la scienza che attraverso l'elaborazione e l'uso di strumenti computazionali tenta di dare risposta a problemi biologici. Nel corso degli ultimi anni, l'avvento dei grandi progetti di sequenziamento, delle nuove tecniche per lo studio dell'espressione genica e del proteoma (spettrometria di massa, microarrays), hanno reso indispensabile l' applicazione degli strumenti bioinformatici. La bioinformatica comprende molti campi di indagine: la predizione di geni in interi genomi (genome annotation), la ricerca di motivi funzionali in sequenze di acidi nucleici e di amminoacidi (pattern matching), la predizione, a partire dalla sequenza primaria, della struttura tridimensionale di una proteina (protein structure prediction) fino al tentativo ambizioso di ricostruire l'intera rete di interazioni tra proteine in una cellula (protein-protein interaction, system biology). L'attività dei ricercatori bioinformatici del Dipartimento MIPI riguarda, da una parte, l'analisi dei dati che provengono da esperimenti di microarrays e di spettrometria di massa, dall'altra lo sviluppo di nuovi algoritmi per la caratterizzazione del genoma e del proteoma di organismi eucariotici e per lo studio dell'evoluzione virale e dei fenomeni di farmaco-resistenza. Quale esempio di queste ricerche , qui riportiamo l'annotazione del genoma e del proteoma del parassita malarico . Il genoma del parassita malarico presenta caratteristiche peculiari, tra queste l'elevato contenuto in adenine e timine e l'alto numero di sequenze ripetitive e a bassa complessità nelle porzioni codificanti e in quelle non-codificanti. Queste caratteristiche possono rendere particolarmente difficile la annotazione del genoma, in particolare la ricerca di omologhi in altri organismi e l'individuazione di regioni e motivi regolativi nei tratti intergenici. Nel Dipartimento una parte della ricerca in bioinformatica riguarda lo studio delle proprietà statistico-composizionali dei genomi eucariotici in generale e dei genomi dei parassiti malarici (P. falciparum, P. berghei, P. yoelii) in particolare. Queste analisi costituiscono il punto di partenza per l'elaborazione di predittori che consentano di individuare poteziali regioni regolative sulla base delle loro comuni proprietà statistiche. Per quanto riguarda l'analisi del proteoma particolare interesse viene rivolto alla identificazione di quei segnali coinvolti nel trasferimento di proteine in comparti cellulari o all'esterno della cellula che in Plasmodium sono ancora poco noti.