I vaccini prevengono malattie gravi in molte persone, ma la protezione immunitaria che ne deriva può variare notevolmente da persona a persona. I risultati di una nuova ricerca condotta dall’Arizona State University forniscono indicazioni su ciò che potrebbe stare alla base di queste differenze.
Gli anticorpi nel sangue potrebbero rivelare la risposta immunitaria al vaccino
Il sistema immunitario potrebbe fornire, già prima della vaccinazione, indicazioni sull’intensità della sua risposta. I ricercatori dell’ASU e delle istituzioni collaboratrici hanno analizzato campioni di sangue di oltre 4.000 persone, identificando gli anticorpi in grado di riconoscere 185 antigeni. Tra questi bersagli immunitari figuravano virus e batteri comuni, nonché bersagli associati a malattie autoimmuni. Successivamente è stata impiegata l’intelligenza artificiale per individuare modelli nei campioni di sangue prelevati prima e dopo la vaccinazione contro il COVID-19. L’analisi ha individuato firme anticorpali che potrebbero aiutare a distinguere le persone con una forte risposta vaccinale da quelle con una risposta più debole. I risultati potrebbero, in ultima analisi, contribuire a definire strategie vaccinali più accuratamente adattate al sistema immunitario del singolo individuo.
«Il nostro studio ha dimostrato che determinati biomarcatori, se analizzati con l’IA, possono prevedere chi probabilmente risponderà bene a un vaccino ancora prima che venga somministrato. Ciò suggerisce che alcune persone potrebbero essere immunologicamente più preparate di altre», ha affermato Joshua LaBaer, che ha guidato lo studio. LaBaer è amministratore delegato del Biodesign Institute presso l’ASU e direttore del Virginia G. Piper Center for Personalized Diagnostics. Al progetto hanno partecipato anche ricercatori dell’ASU e partner di istituzioni mediche e di ricerca di tutti gli Stati Uniti. Lo studio è stato pubblicato nell’ultimo numero della rivista scientifica Cell Press Blue .
Di norma, gli scienziati valutano la risposta immunitaria dopo la somministrazione del vaccino, misurando se il sistema immunitario ha prodotto anticorpi contro la molecola bersaglio prevista. In questo studio, i ricercatori hanno affrontato il problema da una prospettiva opposta. Volevano capire se i modelli immunitari già presenti nel sangue potessero fornire indicazioni su come una persona avrebbe reagito, ancora prima di ricevere il vaccino. Molti fattori possono influenzare la risposta al vaccino, tra cui l’età, il sesso, la genetica, le malattie pregresse e le patologie preesistenti. Le persone affette da malattie che compromettono il sistema immunitario mostrano spesso reazioni più deboli. Tuttavia, i risultati della vaccinazione possono variare notevolmente anche tra individui appartenenti alla stessa categoria di salute generale. I ricercatori hanno utilizzato uno dei primi approcci per studiare un’«impronta» anticorpale completa, presente già prima della vaccinazione, come misura della prontezza immunitaria. Mentre alcune altre strategie predittive si basano su test genetici, questo metodo analizza i modelli anticorpali nel sangue, il che ne facilita potenzialmente l’applicazione nella pratica clinica.
Lo stato di salute da solo non dice nulla sulla risposta
Per verificare se queste «impronte digitali» anticorpali potessero indicare una predisposizione alla vaccinazione, il team ha misurato le reazioni immunitarie a 185 antigeni. Tra gli antigeni bersaglio figuravano il SARS-CoV-2, il virus responsabile del COVID-19, nonché altri virus e batteri diffusi e antigeni bersaglio associati a malattie autoimmuni.
In totale, i ricercatori hanno analizzato 8.687 campioni provenienti da 4.089 partecipanti. Il gruppo comprendeva volontari sani e persone affette da patologie o sottoposte a trattamenti associati a immunosoppressione, tra cui l’HIV, il mieloma multiplo, i tumori maligni degli organi solidi, le malattie autoimmuni, le malattie infiammatorie intestinali e i trapianti di organi solidi.
In diversi gruppi di soggetti immunosoppressi, la probabilità di una risposta ridotta al vaccino contro il COVID-19 era più elevata. Tuttavia, la semplice classificazione di una persona nella categoria «immunosoppressa» o «sana» non consentiva una previsione affidabile del risultato. Alcuni partecipanti con un sistema immunitario indebolito hanno comunque sviluppato reazioni intense. Allo stesso tempo, circa il 5-6% dei partecipanti sani ha mostrato reazioni deboli al vaccino.
Gli anticorpi «sentinella» segnalano la prontezza immunitaria
Nell’analisi sono emersi in modo particolare alcuni anticorpi già presenti nel sangue prima della vaccinazione. Concentrazioni più elevate di anticorpi contro microrganismi comuni, tra cuilo Staphylococcus aureus, l’RSV e il virus respiratorio umano 3, erano associate a reazioni più intense ai vaccini contro il COVID-19. I ricercatori definiscono questi anticorpi «sentinella», poiché possono fungere da una sorta di segnale di allerta precoce per la prontezza immunitaria di base di una persona. Non si tratta del fatto che questi anticorpi supportino direttamente il vaccino. Piuttosto, potrebbero fornire indicazioni sulla capacità di determinate aree del sistema immunitario di reagire a un nuovo stimolo già prima della vaccinazione. Gli anticorpi riflettono inoltre l’esperienza immunitaria individuale di una persona, plasmata da precedenti contatti con virus e batteri.
Il team ha quindi esaminato anche se l’impronta completa degli anticorpi potesse essere più significativa rispetto ai singoli biomarcatori. A tal fine, un modello di deep learning ha analizzato contemporaneamente numerosi valori anticorpali, alla ricerca di modelli associati a una risposta vaccinale forte o debole. Questo approccio potrebbe rivelarsi particolarmente utile, poiché la risposta immunitaria è influenzata da molti fattori e dalla storia clinica individuale. I risultati suggeriscono che non è un singolo anticorpo a essere determinante, bensì l’interazione di numerosi segnali immunitari. L’IA potrebbe aiutare a rendere visibili tali schemi complessi, che sarebbero difficili da individuare con i metodi di analisi convenzionali. Sono necessari ulteriori studi per verificare se queste caratteristiche possano essere applicate in modo affidabile ad altri vaccini e gruppi di popolazione.
L’IA analizza milioni di segnali immunitari
I risultati evidenziano un potenziale vantaggio dell’impiego dell’IA nella ricerca biomedica. I sistemi di apprendimento automatico sono in grado di analizzare contemporaneamente milioni di dati biologici e di individuare correlazioni sottili, difficili da rilevare con i metodi tradizionali. Questo approccio può rivelarsi particolarmente utile proprio nello studio del sistema immunitario, poiché numerosi fattori interagiscono contemporaneamente. Età, patologie pregresse, infezioni e vaccinazioni precedenti, nonché la storia immunitaria individuale, possono influenzare il modo in cui l’organismo reagisce a un vaccino.
In questo caso, il modello di deep learning non ha analizzato solo singoli anticorpi, ma i modelli dell’intero profilo anticorpale esaminato. Ciò ha permesso ai ricercatori di riconoscere che determinate combinazioni di segnali immunitari potrebbero rivelare più informazioni sulla successiva risposta vaccinale rispetto a un singolo biomarcatore. Ciò suggerisce che il sistema immunitario dovrebbe essere considerato piuttosto come un insieme interconnesso. L’intelligenza artificiale non sostituisce la decisione medica, ma aiuta i ricercatori a individuare, all’interno di grandi set di dati, correlazioni che altrimenti potrebbero facilmente sfuggire.
La ricerca evidenzia inoltre il potenziale delle tecnologie più recenti, che consentono di misurare contemporaneamente numerose reazioni anticorpali. Anziché limitarsi a verificare se una persona possiede anticorpi contro un singolo agente patogeno, i ricercatori possono tracciare un quadro immunitario molto più completo. Questo quadro riflette i numerosi contatti del sistema immunitario con virus, batteri e altri bersagli immunitari. In futuro, tali analisi su larga scala potrebbero aiutare a comprendere meglio perché le persone reagiscono in modo diverso allo stesso vaccino.
Verso una vaccinazione più personalizzata
Tuttavia, l’applicazione di tale analisi nella pratica medica è ancora agli inizi. I modelli individuati devono innanzitutto essere verificati in ulteriori studi. Se i risultati dovessero confermarsi in studi futuri ed essere estendibili anche ad altri vaccini, l’approccio potrebbe trovare applicazione ben oltre il COVID-19. L’analisi degli anticorpi sentinella potrebbe aiutare a identificare, già prima della vaccinazione, quali persone svilupperanno probabilmente una risposta immunitaria forte e quali invece una risposta potenzialmente più debole. Ciò sarebbe particolarmente interessante per gli anziani o per le persone affette da patologie o sottoposte a trattamenti che possono compromettere il sistema immunitario. Allo stesso tempo, queste scoperte potrebbero sostenere la ricerca e lo sviluppo dei vaccini, fornendo una migliore comprensione dei presupposti biologici che favoriscono un’immunizzazione efficace.
Per i medici, un test di questo tipo potrebbe fornire, a lungo termine, ulteriori informazioni per pianificare le vaccinazioni in modo più personalizzato. Per le persone con una risposta immunitaria prevedibilmente debole, ad esempio, potrebbe essere opportuno un monitoraggio più ravvicinato della reazione immunitaria. Si potrebbero anche prendere in considerazione in modo più mirato dosi aggiuntive di vaccino o altre misure di protezione, a condizione che studi futuri dimostrino che tali strategie apportino effettivamente un beneficio aggiuntivo. Al contrario, le persone con una risposta immunitaria al vaccino presumibilmente buona potrebbero eventualmente fare a meno di misure aggiuntive. L’obiettivo non sarebbe quello di sostituire in linea di principio le attuali raccomandazioni vaccinali, ma di integrarle con informazioni sulla situazione immunitaria individuale.
Anche lo sviluppo dei vaccini potrebbe trarre vantaggio da una migliore comprensione di queste differenze. Se si sapesse quali caratteristiche del sistema immunitario sono associate a una risposta vaccinale particolarmente buona, i ricercatori potrebbero studiare in modo più mirato come favorire una reazione immunitaria sufficiente anche nelle persone con condizioni di partenza più deboli. Tali risultati potrebbero quindi essere rilevanti non solo per capire chi risponde bene a un vaccino, ma anche per determinare come i vaccini possano essere utilizzati o sviluppati in futuro in modo che il maggior numero possibile di persone sviluppi una protezione affidabile.
La strada da percorrere prima di arrivare a un’applicazione nella pratica medica è tuttavia ancora lunga. Lo studio attuale dimostra innanzitutto che nel sangue è possibile individuare, già prima della vaccinazione, indicatori misurabili della successiva risposta immunitaria. Ora ulteriori studi dovranno chiarire quanto siano effettivamente affidabili queste firme, se funzionino anche con altri vaccini e se da esse si possano trarre decisioni mediche concrete. Se l’approccio dovesse trovare conferma, a lungo termine potrebbe rappresentare un passo importante verso una medicina vaccinale più personalizzata, in cui si tenga maggiormente conto non solo del vaccino, ma anche della biologia immunitaria individuale di ogni persona.