Mientras el mundo espera vacunas para controlar la pandemia de COVID-19, los científicos de UC San Francisco han ideado un enfoque novedoso para detener la propagación del SARS-CoV-2, el virus que causa la enfermedad.
Dirigido por el estudiante graduado de UCSF Michael Schoof, un equipo de investigadores diseñó una molécula completamente sintética lista para la producción que encamisa la maquinaria crucial del SARS-CoV-2 que permite que el virus infecte nuestras células. Como se informó en un nuevo artículo, ahoradisponible en el servidor de preimpresión bioRxiv, los experimentos que utilizan virus vivos muestran que la molécula se encuentra entre los antivirales del SARS-CoV-2 más potentes descubiertos hasta ahora.
En una formulación en aerosol que probaron, denominada "AeroNabs" por los investigadores, estas moléculas podrían autoadministrarse con un aerosol nasal o un inhalador. Usados una vez al día, los AeroNabs podrían proporcionar una protección potente y confiable contra el SARS-CoV-2 hastauna vacuna está disponible. El equipo de investigación está en conversaciones activas con socios comerciales para acelerar la fabricación y las pruebas clínicas de AeroNabs. Si estas pruebas tienen éxito, los científicos tienen como objetivo hacer que AeroNabs esté ampliamente disponible como un medicamento económico y de venta libre paraprevenir y tratar COVID-19.
"Mucho más eficaz que las formas portátiles de equipo de protección personal, pensamos en AeroNabs como una forma molecular de EPP que podría servir como un recurso provisional importante hasta que las vacunas proporcionen una solución más permanente al COVID-19", dijo el co-inventor de AeroNabs, PeterWalter, PhD, profesor de bioquímica y biofísica en UCSF e investigador del Instituto Médico Howard Hughes. Para aquellos que no pueden acceder o no responden a las vacunas contra el SARS-CoV-2, agregó Walter, los AeroNabs podrían ser una línea de defensa más permanente contraCOVID-19.
"Reunimos a un grupo increíble de bioquímicos, biólogos celulares, virólogos y biólogos estructurales talentosos para llevar el proyecto de principio a fin en sólo unos meses", dijo Schoof, miembro del laboratorio de Walter y co-inventor de AeroNabs.
Diseño inspirado en llamas
Aunque se diseñaron íntegramente en el laboratorio, los AeroNabs se inspiraron en nanocuerpos, proteínas inmunes similares a anticuerpos que se encuentran naturalmente en llamas, camellos y animales relacionados. Desde su descubrimiento en un laboratorio belga a fines de la década de 1980, las propiedades distintivas de los nanocuerpos han intrigadocientíficos de todo el mundo.
"Aunque funcionan de manera muy similar a los anticuerpos que se encuentran en el sistema inmunológico humano, los nanocuerpos ofrecen una serie de ventajas únicas para terapias efectivas contra el SARS-CoV-2", explicó el co-inventor Aashish Manglik, MD, PhD, profesor asistente dequímica farmacéutica que frecuentemente emplea nanocuerpos como herramienta en su investigación sobre la estructura y función de las proteínas que envían y reciben señales a través de la membrana celular.
Por ejemplo, los nanocuerpos son un orden de magnitud más pequeños que los anticuerpos humanos, lo que los hace más fáciles de manipular y modificar en el laboratorio. Su pequeño tamaño y estructura relativamente simple también los hace significativamente más estables que los anticuerpos de otros mamíferos. Además,a diferencia de los anticuerpos humanos, los nanocuerpos se pueden producir en masa de forma fácil y económica: los científicos insertan los genes que contienen los planos moleculares para construir nanocuerpos en E. coli o levadura, y transforman estos microbios en fábricas de nanocuerpos de alto rendimiento. Se ha utilizado el mismo métodode forma segura durante décadas para producir insulina en masa.
Pero como señaló Manglik, "los nanocuerpos fueron solo el punto de partida para nosotros. Aunque eran atractivos por sí mismos, pensamos que podríamos mejorarlos mediante la ingeniería de proteínas. Esto finalmente llevó al desarrollo de AeroNabs".
Spike es la clave de la infección
El SARS-CoV-2 se basa en las llamadas proteínas de pico para infectar las células. Estos picos tachonan la superficie del virus e imparten una apariencia de corona cuando se ven a través de un microscopio electrónico; de ahí el nombre "coronavirus" para elfamilia viral que incluye el SARS-CoV-2. Los picos, sin embargo, son más que una mera decoración: son la clave esencial que permite que el virus ingrese a nuestras células.
Al igual que una herramienta retráctil, los picos pueden cambiar de un estado cerrado e inactivo a un estado abierto y activo. Cuando cualquiera de los aproximadamente 25 picos de una partícula de virus se activa, los tres "dominios de unión al receptor" o RBD de ese pico quedan expuestosy están preparados para unirse a ACE2 pronunciado "as two", un receptor que se encuentra en las células humanas que recubren el pulmón y las vías respiratorias.
A través de una interacción similar a una cerradura y una llave entre un receptor ACE2 y un RBD de pico, el virus ingresa a la célula, donde luego transforma a su nuevo huésped en un fabricante de coronavirus. Los investigadores creían que si podían encontrar nanocuerposque impiden las interacciones spike-ACE2, podrían evitar que el virus infecte las células.
Los nanocuerpos desactivan los picos y previenen la infección
Para encontrar candidatos efectivos, los científicos analizaron una biblioteca desarrollada recientemente en el laboratorio de Manglik de más de 2 mil millones de nanocuerpos sintéticos. Después de sucesivas rondas de pruebas, durante las cuales impusieron criterios cada vez más estrictos para eliminar candidatos débiles o ineficaces, los científicos terminaron con 21nanocuerpos que impidieron que una forma modificada de pico interactuara con ACE2.
Experimentos adicionales, incluido el uso de microscopía crioelectrónica para visualizar la interfaz nanocuerpo-pico, demostraron que los nanocuerpos más potentes bloquearon las interacciones pico-ACE2 uniéndose fuertemente directamente a los RBD de pico. Estos nanocuerpos funcionan un poco como una vainaque cubre la "llave" RBD y evita que se inserte en una "cerradura" ACE2.
Con estos hallazgos en la mano, los investigadores aún necesitaban demostrar que estos nanocuerpos podrían evitar que el virus real infecte las células. Veronica Rezelj, PhD, viróloga del laboratorio de Marco Vignuzzi, PhD, del Institut Pasteur en París, probó eltres nanocuerpos más prometedores contra el SARS-CoV-2 vivo, y descubrió que los nanocuerpos son extraordinariamente potentes, previniendo infecciones incluso en dosis extremadamente bajas.
El más potente de estos nanocuerpos, sin embargo, no solo actúa como una funda sobre los RBD, sino también como una trampa para ratones molecular, reprimiendo el pico en su estado cerrado e inactivo, lo que agrega una capa adicional de protección contra el pico-ACE2interacciones que conducen a la infección.
De nanocuerpos a AeroNabs
Luego, los científicos diseñaron este nanocuerpo de doble acción de varias maneras para convertirlo en un antiviral aún más potente. En un conjunto de experimentos, mutaron cada uno de los bloques de construcción de aminoácidos del nanocuerpo que contacta con el pico condescubra dos cambios específicos que produjeron un aumento de 500 veces en la potencia.
En un conjunto separado de experimentos, diseñaron una cadena molecular que podría unir tres nanocuerpos juntos. Como se señaló, cada proteína de punta tiene tres RBD, cualquiera de los cuales puede unirse a ACE2 para permitir la entrada del virus en la célula. El triple vinculadonanocuerpo ideado por los investigadores aseguró que si un nanocuerpo se adhiere a un RBD, los otros dos se unirían a los RBD restantes. Descubrieron que este nanocuerpo triple es 200.000 veces más potente que un solo nanocuerpo solo.
Y cuando se basaron en los resultados de ambas modificaciones, uniendo tres de los poderosos nanocuerpos mutados, los resultados fueron "fuera de serie", dijo Walter. "Fue tan efectivo que superó nuestra capacidad para medir su potencia".
Sería fácil de administrar como aerosol
Esta construcción de nanocuerpos de tres partes ultrapotente formó la base de AeroNabs.
En un conjunto final de experimentos, los investigadores sometieron los nanocuerpos de tres partes a una serie de pruebas de estrés, sometiéndolos a altas temperaturas, convirtiéndolos en un polvo estable en almacenamiento y produciendo un aerosol. Cada uno de estos procesos es altamenteperjudicial para la mayoría de las proteínas, pero los científicos confirmaron que, gracias a la estabilidad inherente de los nanocuerpos, no hubo pérdida de potencia antiviral en la forma en aerosol, lo que sugiere que los AeroNabs son un potente antiviral para el SARS-CoV-2 que podría ser práctico de administrar a través deun inhalador o spray nasal de larga duración.
"No estamos solos en pensar que los AeroNabs son una tecnología extraordinaria", dijo Manglik. "Nuestro equipo está en conversaciones continuas con socios comerciales potenciales que están interesados en fabricar y distribuir AeroNabs, y esperamos comenzar pronto las pruebas en humanos.Si los AeroNabs resultan tan efectivos como anticipamos, pueden ayudar a remodelar el curso de la pandemia en todo el mundo ".
Autores : Otros autores incluyen a Bryan Faust, Reuben A. Saunders, Smriti Sangwan, Nick Hoppe, Morgane Boone, Christian Bache Billesbølle, Marcell Zimanyi, Ishan Deshpande, Jiahao Liang, Aditya A. Anand, Niv Dobzinski, Beth Shoshana Zha, Benjamin Barsi-Rhyne, Vladislav Belyy, Silke Nock y Yuwei Liu de UCSF; Camille R. Simoneau, Kristoffer Leon, Nevan J. Krogan, Danielle L. Swaney y Melanie Ott del Instituto de Biociencias Cuantitativas QBI de UCSF y los Institutos J. David Gladstone;Andrew W.Barile-Hill de Cytiva Life Sciences; Sayan Gupta y Corie Y. Ralston del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley; Kris M White y Adolfo García-Sastre de la Escuela de Medicina Icahn en Mount Sinai; y el Grupo de Investigación de Coronavirus QBI Structural BiologyConsortium. Schoof, Faust, Saunders, Sangwan y Rezelj son los primeros coautores del manuscrito.
Financiamiento : Este trabajo fue apoyado por el UCSF COVID-19 Response Fund, una subvención de Allen & Company, y patrocinadores del Programa UCSF para Investigación Biomédica Avanzada PBBR, que se estableció con el apoyo de la Fundación Sandler. Otro apoyo incluyóSubvenciones de los Institutos de Salud NIH DP5OD023048, S10OD020054, S10OD021741, 1R01GM126218; Subvención del Laboratoire d'Excellence ANR-10-LABX-62-IBEID; la campaña de recaudación de fondos URGENCE COVID-19 Institut Pasteur; la Oficina de Ciencias y la Oficina de Biología y Medio AmbienteInvestigación del Departamento de Energía de EE. UU. Bajo contrato DE-AC02-05CH11231; una beca postdoctoral Helen Hay Whitney; la Fundación Alfred Benzon; un obsequio de la Fundación Roddenberry; el Instituto Médico Howard Hughes; el Pew Charitable Trusts; el Esther A. &Joseph Klingenstein Fund; y el programa Searle Scholars.
Divulgaciones : Schoof, Faust, Saunders, Hoppe, Walter y Manglik son inventores de una patente provisional que describe los nanocuerpos anti-Spike descritos en el manuscrito.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California, San Francisco . Original escrito por Jason Alvarez. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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