N.72 – Nuevas líneas de investigación preclínica

Entre los años 2020 y 2022, la propagación global del virus del síndrome respiratorio agudo severo -coronavirus 2 (SARS-CoV-2), causante de la Covid-19, recalcó la prioridad de contar con herramientas efectivas para prevenir y mitigar la propagación y la infectividad de dicho virus en sus variantes conocidas y las aún desconocidas que previsiblemente podrían emerger en el futuro. Mientras las vacunas autorizadas y aprobadas exhibieron su aptitud para responder a dicha prioridad, surgieron diversas líneas de investigación generadas (o redirigidas) para avanzar aun más en la lucha contra el patógeno, Como muestra de algunas de esas líneas emergentes, la presente reseña comprende cinco (5) artículos. El primero (1) trata sobre la reingeniería de glóbulos rojos para constituirlos en vehículos para vacunación. El segundo (2) aborda la temática de las vacunas basadas en nanopartículas. El tercero (3) se refiere al uso de viriones artificiales del SARS-CoV-2 con fines de investigación. El cuarto (4) trata sobre miniproteínas diseñadas por software que pueden actuar como minianticuerpos. El quinto (5) aborda el uso de nanocuerpos monoméricos biespecíficos para neutralizar las distintas variantes del coronavirus.

1.- Primer artículo: Reingeniería de glóbulos rojos para constituirlos en vehículos vacunales (1.1.) (1.2.)

Un grupo de físicos, químicos e inmunólogos de la Universidad McMaster (Ontario, Canadá) unió sus esfuerzos para desarrollar un nuevo vehículo para la vacunación: modificar los glóbulos rojos para transportar moléculas virales que puedan activar al sistema inmunitario para proteger contra el SARS-CoV-2 y otros patógenos. Este nuevo método se sustenta en la incrustación de proteínas espiculares de SARS-CoV-2 en las membranas de los glóbulos rojos, que luego forman partículas similares a virus. En pruebas con ratones se verificó que las partículas, que activan al sistema inmunitario y producen anticuerpos, son completamente inofensivas. Las células pueden cargarse con una gran dosis de proteínas virales y, sin embargo, es probable que produzcan escasos efectos secundarios, lo que hace que el nuevo método sea más tolerable y eficaz que otras opciones vacunales. Esta plataforma permite utilizar las propias células sanguíneas como nanorrobots inteligentes dentro del cuerpo, en este caso como una vacuna. La tecnología se puede adaptar rápidamente para desarrollar vacunas para variantes o nuevos virus que puedan surgir en el futuro. Los investigadores de McMaster informaron por primera vez sobre esta técnica en 2020, cuando modificaron los glóbulos rojos para administrar medicamentos en todo el cuerpo, que luego podrían atacar infecciones o tratar enfermedades como el cáncer o el Alzheimer.

2.- Segundo artículo: Vacunas basadas en nanopartículas (2.1.) (2.2.) (2.3.)

El estudio aquí reseñado, del equipo de investigación liderado por Chad A. Mirkin en la Northwestern University, se centra en sintetizar y aplicar ácidos nucleicos esféricos (spherical nucleic acids, SNA) para el tratamiento de enfermedades, comprender cómo interactúan esos nanomateriales con otras entidades en entornos biológicos complejos, establecer relaciones estructura-actividad para los nanomateriales en respuestas biológicas y comprender los mecanismos de tránsito de SNA dentro de células y tejidos Los SNA son nanoestructuras tridimensionales (3D) compuestas por ácidos nucleicos densamente funcionalizados y configurados esféricamente alrededor de un núcleo de nanopartículas. Estas construcciones definen una nueva clase de ácidos nucleicos que reúnen propiedades superiores a las de las cadenas análogas lineales (1D) de la misma secuencia. Por ejemplo, secuencia por secuencia, los SNA se unen con mayor fuerza a los ácidos nucleicos complementarios e ingresan en las células más rápidamente y en cantidades más altas sin el uso de agentes de trasfección. Los SNA se han probado en más de 60 tipos de células.

Para investigar las relaciones estructura-función que determinan la eficacia de la vacuna antiviral basada en SNA, el equipo adoptó al SARS-CoV-2 como caso relevante de agente infeccioso. Se mostró que la plataforma SNA se puede emplear rápidamente para inmunizar contra el coronavirus, y que la vacuna resultante activa poderosamente la inmunidad de ratones in vivo y de células humanas in vitro. El nuevo prototipo vacunal se envió al Laboratorio Nacional de Argonne, donde se vacunaron ratones transgénicos que expresan un receptor ACE2 humanizado. Los ratones fueron luego infectados con una dosis letal del virus SARS-CoV-2 en un estudio a doble ciego. En respuesta al desafío, sólo los ratones que habían recibido la vacuna SNA tuvieron una tasa de supervivencia del 100%, y sus pulmones estaban indemnes y libres de virus. Dos semanas después de la inyección, los ratones vacunados con la vacuna SNA tuvieron la mayor producción de anticuerpos en comparación con los vacunados con una mezcla salina simple de los mismos componentes, superando notoriamente a otras formulaciones con adyuvantes comerciales. Todos los ratones que no recibieron la vacuna SNA murieron dentro del lapso de 14 días.

Las inmunizaciones virales típicas consisten en una mezcla de moléculas del virus (antígenos) que le indican al sistema inmunitario cuál será su objetivo (el virus), y otras moléculas (adyuvantes) que estimulan al sistema inmunitario para combatir contra ese objetivo cuando eventualmente aparezca más tarde. Debido a que la mezcla no suele empaquetarse conjuntamente, se señala que las células no reciben una dosis potente de antígenos y adyuvantes. El equipo de Mirkin empaquetó el antígeno (una porción de la proteína espicular del SARS-CoV-2) dentro del núcleo de un SNA y usó una secuencia específica de ADN conocida para estimular al sistema inmunológico (adyuvante) como la capa radial que rodea al núcleo. Mirkin acuñó el término “vacunología racional” para describir cómo la administración conjunta y simultánea de estos dos medicamentos -a través de una nanopartícula- puede hacer que las vacunas sean más efectivas.

El trabajo subraya el potencial de los SNA para implementarse como una plataforma fácilmente adaptable y generalizable para combatir contra diversas enfermedades. Mirkin señaló: “Esta es una demostración notable de vacunología racional: la idea de que la estructura de una vacuna, a diferencia de solo los componentes, puede tener una profunda influencia en la eficacia”, “Si bien hemos demostrado anteriormente que este es el caso de las inmunoterapias contra el cáncer, esta es la primera demostración en la prevención de una enfermedad infecciosa”. Si bien los resultados fueron elocuentes, el objetivo no fue competir con las vacunas Covid-19 existentes, sino desarrollar y probar le viabilidad de la plataforma SNA para la próxima mutación o la próxima enfermedad emergente que necesite una vacuna altamente estructurada. Según los investigadores, la plataforma podría incluso usarse para atacar a una enfermedad tan compleja como el VIH. La modularidad de este enfoque implicaría que es posible que solo se requiera un ajuste rápido para hacer una nueva vacuna para un virus futuro; todo lo que debería hacerse es cambiar el blanco que se enseñará al sistema inmunitario para atacar.

3.-´Tercer artículo: Uso de viriones artificiales del SARS-CoV-2 con fines de investigación (3.1.) (3.2.)

Investigadores del Instituto Max Planck de Investigación Médica en Heidelberg y sus colaboradores del Centro Max Planck Bristol de Biología Mínima de la Universidad de Bristol desarrollaron un nuevo enfoque para la investigación sistemática y estandarizada de SARS-CoV-2: construyeron partículas sintéticas y mínimas del virus donde pueden incorporar distintas estructuras del virus SARS-CoV-2. Ello les permite estudiar mecanismos moleculares individuales en un entorno que pueden manipular y controlar. Utilizando esta técnica para estudiar la proteína espicular (que es crítica para la infección y la interacción virus-huésped) descubrieron que, tras la unión a moléculas de ácidos grasos que se producen como parte de la respuesta inflamatoria, la proteína espicular cambia su conformación, por lo que se vuelve menos “visible” para el sistema inmunitario del huésped.

Para el estudio desarrollaron viriones artificiales de SARS-CoV-2, los cuales tienen una estructura similar a la de los virus naturales pero, por no contener información genética, pueden manipularse de forma segura. Otra ventaja de construir estos viriones sintéticos desde cero es que su composición y estructura pueden diseñarse con precisión. Ello permite realizar estudios sistemáticos paso a paso sobre distintos mecanismos. Estos viriones artificiales fueron utilizados para estudiar el efecto de los ácidos grasos inflamatorios en la conformación de la proteína espicular de SARS-CoV-2. Utilizando estas partículas pseudovirales, los investigadores mostraron que, tras la unión de un ácido graso, la proteína espicular cambia su conformación y se “pliega”. Como resultado, la unión al receptor ACE2 del huésped ya no es posible y, por otro lado, menos anticuerpos pueden unirse a la proteína. Al “plegarse” la proteína espicular, tras unirse a los ácidos grasos inflamatorios, el virus se tornaría menos visible para el sistema inmunitario. Este podría ser un mecanismo para evitar la detección por parte del huésped, demorar la respuesta inmune y así aumentar la eficiencia total de la infección. Utilizando esta herramienta, los investigadores ahora pueden comenzar a estudiar cómo impacta este mecanismo en la infección y en la respuesta del huésped, y determinar si ello puede aprovecharse para desarrollar nuevas estrategias terapéuticas. Adicionalmente, se visualiza un gran potencial en el uso de partículas sintéticas similares a virus para estudiar virus más allá de la aplicación actual para SARS-CoV-2.

4.- Cuarto artículo: Miniproteínas diseñadas por software pueden actuar como minianticuerpos (4.1.) (4.2.) (4.3.)

Los anticuerpos son proteínas cuya función es detectar elementos extraños que puedan ingresar al organismo. Normalmente detectan partes concretas de esos elementos, por ejemplo, proteínas de la superficie bacteriana o vírica, que se denominan “antígenos”. Cuando los anticuerpos se unen a estos antígenos, se producen una serie de reacciones (aglutinación, precipitación, opsonización y neutralización) que bloquean y destruyen al patógeno. Pero debido a que los anticuerpos son proteínas grandes, su producción en laboratorio es costosa. Por tanto, los investigadores procuran obtener versiones en miniatura de estos aglutinantes que sean más baratos y, a menudo, más estables. Pero al ser tan pequeños no les resulta fácil unirse a los antígenos. Para superar esta deficiencia se ha procurado identificar puntos críticos (o puntos de apoyo) en las proteínas objetivo, para luego construir mini anticuerpos que reconozcan y se unan a esos anclajes. Sin embargo, eso solo funciona para un puñado de objetivos suficientemente estudiados como para haber identificado sus puntos críticos.

Para sortear esta problemática, David Baker (biólogo computacional estructural en la University of Washington en Seattle) y sus colegas recurrieron a “Rosetta”, un software que diseñaron para predecir estructuras de proteínas en función de su secuencia de aminoácidos. Para crear un mapa de puntos de apoyo potenciales, el equipo instruyó al programa para que primero calculara con qué fuerza se unirían los aminoácidos específicos a diferentes puntos en la superficie de una proteína objetivo. Luego, el software buscó estructuras moleculares vecinas que pudieran servir de puntos de apoyo y determinó cómo construir una miniproteína estable que se uniera de manera hiperestable a la mayor cantidad posible ellos. Los investigadores utilizaron el software para diseñar decenas de miles de mini proteínas virtuales y compararon experimentalmente su capacidad de unión sobre 13 blancos localizados en 12 proteínas diferentes, entre ellos la proteína espícular de SARS-CoV-2. Se prevé que las miniproteínas también podrían dirigir cargas tóxicas a tejidos cancerosos, o transportar moléculas diagnósticas emisoras de luz o radioactivas al cáncer u otras células enfermas, para indicar el progreso del tratamiento.

5.- Quinto artículo: Nanocuerpos monoméricos biespecíficos (5.1.) (5.2.)

Sin perjuicio del rápido progreso en el desarrollo de vacunas contra el SARS-CoV-2, algunas variantes emergentes del virus parecen ser neutralizadas de manera menos efectiva por los anticuerpos provocados por las vacunas de primera generación. Para disponer de opciones de emergencia frente a la eventual aparición de nuevas variantes, se requieren nuevas formas de inhibir y neutralizar al virus y sus eventuales variantes. Los llamados “nanocuerpos” (anticuerpos en miniatura) no solo se unen a su antígeno con una especificidad y afinidad muy altas, sino que también se pueden producir fácilmente en grandes cantidades en E. coli y muestran características bioquímicas favorables, incluida una buena estabilidad térmica. Pueden combinarse fácilmente para formar homodímeros y heterodímeros u otros multímeros para aumentar la potencia y apuntar a múltiples epítopos simultáneamente. Esta estrategia permite neutralizar múltiples variantes virales conocidas y aún desconocidas y reduce el riesgo de escape viral.

En el artículo aquí reseñado investigadores del Karolinska Institutet describen una estrategia novedosa para identificar potentes “nanocuerpos” contra las variantes emergentes del SARS-CoV-2. Dicho enfoque condujo al descubrimiento de múltiples nanocuerpos que, en cultivos celulares y ratones, bloquearon de manera efectiva la infección con diferentes variantes del SARS-CoV-2. Se muestra que este nanocuerpo neutraliza potentemente las diversas variantes conocidas del SARS-CoV-2 y neutraliza de forma cruzada el SARS-CoV. Además, se demuestra el potencial terapéutico del nanocuerpo en un modelo de ratón transgénico humano ACE2. Se prevé que una vez establecidas las bibliotecas de nanocuerpos, podrán expandirse para extraer de ellas nanocuerpos que neutralicen nuevas variantes emergentes.