“Prevenzione delle Malattie e Medicina

Personalizzata”Guido Grandi

Prof. Microbiology and Clinical MicrobiologyUniversity of Trento, Trento, Italy

Bressanone, 26-29 Settembre2016

XXXV Scuola Annuale“La Bioingegneria per il benessere e l’invecchiamento attivo”

Leading causes of deaths worldwide

Infections

(including parasites

and COPD)

Cancer

0.5 Mil. caused by

Streptococcus

The fight against infectious diseases

• Prevention- Hygiene and personal behavior- Vaccination

• Therapy- Antibiotics

The importance of hygiene and personal

behavior: the “Black Death” case

The importance of hygiene and personal

behavior: the “Black Death” caseOver 200 Millions deaths attributed to Yersinia pestis throughout

recorded historyIn industrialized countries plague is extremely rare (less than 13

cases/year between 1984-1994 in the USA)

The dawn of immunoprophylaxis

• First attempt to prevent an infectious disease: inoculation of the smallpox (variolation), reported in China, AD 1000. Scabs from mildly affected patients, stored for >1 month, ground up with Uvularia grandiflora in a 4:1 ratio and inoculated intranasal.

• Lady Mary Montagu introduced the practice in Great Britain in 1715. She pretended to have her 5 year old son inoculated and when back from Constantinople, during the 1721 epidemic, she convinced others to “inoculate” children

• Early variolation procedures

led to death in approximately

1-2% of the immunized

people. This was considered

acceptable

The origin of vaccination

• During the last decades of the 18th century, smallpox was rampant in Europe. At that time was observed that milkmaids were selectively spared by smallpox and this was related to the mild pox infection they acquired from cows

• In 1796 Edward Jenner immunized an eight year old boy with cowpox and later challenged the child with smallpox (variolation)

Louis Pasteur (1822-1895)

Edward Jenner

(1749 - 1823)

The first uses of attenuated bacteria as

parenteral and oral immunizing agents

In the last quarter of the 19th

Century bacteriology became a science. One after another, bacteria came to be revealed as etiological agents of important human diseases (cholera, typhoid fever, plague, diphtheria, tuberculosis, etc.).The ability to obtain pure cultures paved the way for the development of vaccines.

Vaccines:

The Greatest Revolution in the History of Health Care

Disease Max. N° of cases (year)

N° of cases in 2001

Reduction

Smallpox 48,164 (1901-1904) 0 100%

Poliomyelitis 21,269 (1952) 0 100%

Diphtheria 206939 (1921) 2 99.99%

Measles 894134 (1941) 96 99.99%

Rubella 57686 (1969) 19 99.78%

Mumps 152209 (1968) 216 99.86%

Pertussis 265269 (1934) 4788 98.20%

H. influenzae 20000(1992) 242 98.79%

Tetanus 1560 (1923) 26 98.44%

Vaccination remains the medical intervention with the highest impact on health

-75%

- 67%

- 61%

- 41%

Rheumatic fever and rheumatic heart disease

Hypertensive heart disease

Ulcer of stomach and duodenum

Ischemic heart disease

Drop in death rate for diseases prevented or treated with innovative medicines (pharmaceuticals)1965 – 1999

- >97%Infectious Diseases

(polio, measles, Hib, D,, T,, Pertussis, etc)

VACCINATION

THERAPEUTICS

Source: EFPIA 1999 – 2002

INFECTIOUS DISEASES/PATHOGENS

WITHOUT VACCINES

VIRAL BACTERIAL PARASITIC

HIV Leprosis Ascaris

Cytomegalovirus Gonorrhea Malaria

Herpes simplex Urinary infections Schistosomes

Genital herpes Enterotoxigenic E. Coli Hookworm

HCV Streptococcus pyogenes Trichuris

Parainfluenza Streptococcus mutans Filarias

Respiratory syncytial virus Streptococcus agalactiae Giardia

Rotavirus Pseudomonas Leishmania

Ebola virus Shigella

Papillomavirus Campylobacter

Coronavirus (SARS) Lyme disease

H. pylori

S. aureus

Chlamydia

MenB

KlebsiellaKlebsiella

Vaccination challenges1. The need for more vaccines (against

diseases of the poors)

GENOME SEQUENCE

HIGH THROUGHPUT CLONING AND EXPRESSION

IN VITRO AND IN VIVO ASSAYS FOR VACCINE

TARGET IDENTIFICATION

REVERSE VACCINOLOGY: THE RATIONALEIF MICROBIAL PROTEIN ANTIGENS CAPABLE OF ELICITING PROTECTIVE IMMUNITY DO EXIST, THEY MUST BE ENCODED BY GENES SITTING SOMEWHERE IN THE MICROBIAL GENOME

GENOMICS AND VACCINE DISCOVERY

600 potential vaccine candidates identified by in silico analysis

350 proteins successfully expressedin E.coli

344 proteins purified and usedto immunize mice

355 sera tested

91 novel surface-exposedproteins identified

29 novel proteinshave bactericidal

activity

5 highly conserved antigens

REVERSE VACCINOLOGY The MenB Vaccine

5 vaccine candidates

(Pizza et al., Science, 2000)

18

months

24

monthsRegistered

in Europe

this %

this %

and %. this!

The Holy Grail of Vaccinology:Have a look at the genome, click your mouse and say �..

Is the analysis of “Human Pathogen Protectome”

the right path to the Holy Grail?

Altindis et al., Mol. Cell. Proteomics (2014)

Vaccination challenges2. The aging society

The fight against infectious diseases

• Prevention- Understanding of the biology and pathogenesis- Hygiene and personal behavior- Vaccination

• Therapy- Antibiotics

LIF

E E

XP

EC

TAN

CY

(Y

EA

RS

)

Beginning of antibiotics era

(penicillin)

Impact of antibiotics on life expectancy

Therapy for infectious diseases 1. The Challenge of drug resistance

Therapy for infectious diseases 2. The Challenge of new drug discovery

The fight against cancer

• Prevention

• Early diagnostics

• Therapy

I tumori hanno accompagnato gli esseri viventi

sin dalla loro comparsa sulla terra

• L’ analisi tomografica di oltre 10.000 campioni di vertebre di dinosauro vissuti più di 70 Milioni di anni fa ha evidenziato l’esistenza di tumori benigni e nello 0,2% dei campioni, di tumori metastatici.

• I più antichi casi documentati di tumore metastatico nell’uomo sono quelli di un Re Scita e di un Egiziano Tolemaico risalenti rispettivamente al 2700 e 2200 avanti Cristo. Utilizzando moderne tecniche microscopiche, proteomiche e tomografiche sui campioni ossei del primo e sulla mummia del secondo, è stato dimostrato che entrambi erano deceduti a causa di metastasi di tumore alla prostata

La prima descrizione medica del tumore e’ ritrovata nel

“Papiro di Edwin Smith», risalente al 1600 AC, descrizione attribuita al

medico Egizano Inhopet vissuto tra il 3000 ed il 2600 AC

«Caso 45»

«patologia che si manifesta con la presenza sul seno di una massa fredda al tatto, sporgente e diffusa, e per la quale nessun trattamento terapeutico può avere successo».

Life Expectancy CurveD

ati

US

A

20

06

/20

08

1770 1870

1940

19902015

L’uomo ha preso piena consapevolezza

delle malattie tumorali negli ultimi 150 anni

80

60

40

20

0

Life E

xp

ecta

ncy

(ye

ars)

uomodonna

• Globally, cancer claimed an estimated 7.6 million lives in 2008

• Incidence of cancer-related death has been declining over the last 20 years but future trend is uncertain due to prolonged life expectancy and increase of obese population. It has been predicted that cancer-related death could double the 2008 number by 2030

• The Milken Institute estimates that in the United States (US) alone, a 1% reduction in cancer mortality has an economic value of $500 billion

Cancer and Cancer Therapy

Il 12 Febbraio 2016, nel suo discorso agli Stati dell’Unione, il Presidente Barak Obama ha lanciato il programma «moon shot»

Obiettivo del programma:

«For the loved ones we have lost, for the

family we can still save, let’s make

America the country that cures cancer

once and for all».

Verra’ raggiunto l’obiettivo del

“moon shot program”?

The fight against cancer

• Prevention

• Early diagnostics

• Therapy

Prevenzione dei tumori: cenni storici

«De morbis artificum diatriba» (1713) Bernardino RamazziniRelativamente al tumore del collo dell’utero, Ramazzini riportava come l’incidenza Del tumore al collo dell’utero fosse estremamente più bassa nelle suore rispetto alle donne sposate, ipotizzando che l’attività sessuale ne favorisse l’insorgenza (HPV)

Nel 1761, John Hill evidenziava i rischi associati alla masticazione del tabacco«Nessun uomo dovrebbe avventurarsi in questa pratica a meno che non abbia evidenze di essere resistente ai tumori; ma nessun uomo può asserire di avere tale evidenze».

Nel 1775 Percivall Pott assoccio’ l’insorgenza del tumore allo scroto dei giovani «spazzacamini» al deposito della fuliggine tra le pieghe cutanee

Prevenzione dei tumori

A) Tumori di origine virale e batterica1. tumori epatici: 80% dei casi dovuti a infezioni da HBV e HCV 2. tumore al collo dell’utero: infezione da HPV 3. 20% dei tumori della cavità orale: infezione da HPV4. Tumore allo stomaco: infezione da Helicobacter pylori

Modalita’ di prevenzione: - Vaccinazione (HBV e HPV) - Farmaci anti-HCV, antibiotici contro H. pylori

B) Tumori derivanti da esposizione ad agenti cancerogeni1. tumori al polmone: 85% causati dal fumo 2. melanoma della pelle: esposizione raggi UV

Modalita’ di prevenzione: L’astensione dal fumo (si eviterebbero 2 milioni di casi di tumore/anno e 0,8-1milioni di decessi/anno); Protezione da della pelle dall’esposizione prolungata ai raggi solari e astensioneda pratiche abbronzanti mediante esposizione a raggi UV. (si eviterebbero 2 milioni di tumori cutanei)

C) Tumori derivanti da altre causeObesità, inattività fisica e non corretta alimentazione

E’ stato calcolato che nel 2012 in USA questi fattori sono stati responsabili dicirca un terzo dei 577.190 casi di decesso tumore-associati.

The fight against cancer

• Prevention

• Early diagnostics

• Therapy

Importanza della diagnosi precoce

DIAGNOSI PRECOCE

Ispezione degli organi e tessuti alla ricerca di alterazioni isto-

morfologiche sospette. 1. Melanomi o stadi pre-cancerosi della pelle

Analisi morfo-istologica (nei, nevi, etc.)2. Tumore della mammella

Mammografia: esame radiologico che fornisce informazioni sulle strutture delle ghiandole e sulle eventuali alterazioni della mammella.

3. Tumore del collo dell’utero

PAP test: prelievo di cellule dalla cervice mediante il quale è possibileidentificare eventuali anomalie cellulari

4. Tumore colon-retto (CRC)

Ricerca di sangue occulto nelle feci.

L’American Cancer Society ha recentemente pubblicato le statistiche relative al periodo 1990-2015I dati indicano che grazie alla diagnosi precoce, la mortalità associata al tumore

al seno è scesa del 39%, quella per i tumori al colon retto del 45% e quella del

tumore alla cervice di oltre il 50%.

colon

Effetto della diagnosi precoce sulla mortalita’

utero colonseno

Effetto della diagnosi precoce sulla mortalita’

DIAGNOSI PRECOCE DEI TUMORI

PROSPETTIVE FUTURE

1. Identificazione e sequenziamento di DNA circolante

2. Isolamento e caratterizzazione delle cellule tumorali circolanti

3. Isolamento e caratterizzazione degli esosomi

Purificazione e sequenziamento del DNA circolante

Vogetstein B et al., (2013) Science, 339, 1546

Mutation Frequencies in major cancers

Identificazione di cellule tumorali circolanti

Identificazione di cellule tumorali circolanti

Identificazione di cellule tumorali circolanti

Identificazione di Esosomi circolanti

Identificazione di esosomi circolanti

The fight against cancer

• Prevention

• Early diagnostics

• Therapy

Ippocrate:«[Di fronte ad un caso di tumore meglio] non intervenire in quanto, se non trattato, il paziente vive più a lungo».

Leonardo Bertipaglia (influente chirurgo del XV secolo):«Coloro i quali pretendono di curare il cancro incidendo, alzando e estirpando la massa tumorale, come unico risultato hanno quello di trasformare un cancro non ulceroso in uno ulceroso».

William Bainbridge «The Cancer Problem» (1918, pagina 2)«Durante i secoli RR i campi e le foreste, le botteghe dei farmacisti e i templi sono stati saccheggiati alla ricerca di qualche strumentoin grado di alleviare questa malattia intrattabile.Quasi ogni animale vivente ha dovuto pagare il suo contributo in peli, pelle, denti, unghie, timo, tiroide al vano tentativo dell’uomo di trovare qualche rimedio [contro i tumori]».

Terapia Tumorale

1. Farmaci capaci di bloccare la crescita delle cellule tumoraliEsempi:

Gleevec: leucemia mieloide cronica (CML) Iressa e Tarceva: Tumori al polmone con mutazioni di EGFRVelcade: Inibitore del proteasoma Mieloma multiplo

1. Immunoterapia dei tumoriAnticorpi che attivano la risposta immunitaria (check point antibodies)

Medicina personalizzata

Le sfide dell’Immunoterapia Tumorale

1. Contrastare l’ambiente immunosoppressivo

2. Identificare antigeni tumore-specifici

Mechanism of action of checkpoint blocking mAb

Lung tumor

Brain tumor

Examples of therapeutic activity of checkpoint blocking mAb

Immune Checkpoint Inhibitors

PD1 inhibitorsPembrolizumab (Keytruda)

Nivolumab (Opdivo)

melanoma of the skin, non-small cell lung cancer, kidney cancer, head and neck cancers, and Hodgkin lymphoma. They are also being studied for use against many other types of cancer.

PD-L1 inhibitorsAtezolizumab (Tecentriq)

bladder cancer, and is also being studied for use against other types of cancer

CTLA-4 inhibitors

Ipilimumab (Yervoy)

This drug is used to treat melanoma of the skin. It is also being studied for use against other cancers.

Personalized MedicineAdoptive T cell transfer in Tumor Therapy

Personalized MedicineAdoptive T cell transfer in Tumor Therapy

Kreiter et al., Nature, 2015

“Proof-of-concept” of vaccination with mutation-derived neo-epitopes

Periplasmic proteins

Lipoproteins

Outer membrane proteins

Secreted proteins/toxins

LPS

Lipopeptides

Peptidoglican

Others (?)

OMV composition

Protective antigens Adjuvants (PAMPs)

VACCINES WITH BUILT-IN ADJUVANTICITY

Bacterial Outer Membrane Vesicles (OMVs):

Vaccines with Built-in Adjuvanticity

Pathogen-derived OMV vaccines- Neisseria meningitidis B

- Vibrio cholerae

- Burkholderia pseudomallei

- Bordetella pertussis

- Brucella melitensis

- Escherichia coli

- Francisella tularensis

- Salmonella typhimurium

- Porphyromonas gingivalis

Genetically modified OMV vaccines- Neisseria meningiidis B OMVs

overexpressing FHbp protective antigen- Escherichia coli OMVs carrying different

heterologous antigens- Salmonella typhimurium OMVs expressing

Steptococcus pneumoniae PspA

Bacterial Outer Membrane Vesicles (OMVs):

Vaccines with Built-in Adjuvanticity

EGFRvIII

Gene mutation

creating a CD4/CD8 T cell

neoantigen

B16F10EGFRvIII

Cell line

C57 imbred mice

Testing OMV platform for cancer vaccines

EGFRvIII

CD4/CD8 T cell

neoantigen

Engineered OMVs

21

3

Immunization with vIII-OMVs, CD4/CD8-OMVs

vIII-CD4/CD8-OMVs and challenge with B16vIII Cell line

Additive/Synergistic effect of EGFRvIII and CD4/CD8 epitope

vIII-OMVs CD4/CD8-OMVs vIII-CD4/CD8-OMVs