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COVID-19. Nanocuerpos estables y altamente potentes detienen el SARS-CoV-2

 

La figura muestra cómo dos de los nanocuerpos recientemente desarrollados (azul y magenta) se unen al dominio de unión al receptor (verde) de la proteína espiga del coronavirus (gris), previniendo así la infección con Sars-CoV-2 y sus variantes. Los nanocuerpos se originan en alpacas y son más pequeños y simples que los anticuerpos convencionales. Fuente: Sociedad Max Planck

Los investigadores de Göttingen han desarrollado mini-anticuerpos que bloquean eficientemente el coronavirus SARS-CoV-2 y sus peligrosas nuevas variantes. Estos llamados nanocuerpos se unen y neutralizan el virus hasta 1.000 veces mejor que los mini-anticuerpos desarrollados anteriormente. 

Además, los científicos optimizaron sus mini-anticuerpos para lograr estabilidad y resistencia al calor extremo. Esta combinación única los convierte en agentes prometedores para tratar COVID-19. Dado que los nanocuerpos se pueden producir a bajo costo en grandes cantidades, podrían satisfacer la demanda mundial de terapias COVID-19. Los nuevos nanocuerpos se encuentran actualmente en preparación para ensayos clínicos.

Los anticuerpos ayudan a nuestro sistema  a defenderse de los patógenos. Por ejemplo, las moléculas se adhieren a los virus y los neutralizan para que ya no puedan infectar las células. Los anticuerpos también pueden producirse industrialmente y administrarse a pacientes con enfermedades agudas. Luego actúan como medicamentos, aliviando los síntomas y acortando la recuperación de la enfermedad. Esta es una práctica establecida para el tratamiento de la hepatitis B y la rabia. Los anticuerpos también se utilizan para tratar pacientes con COVID-19. Sin embargo, producir estas moléculas a escala industrial es demasiado complejo y caro para satisfacer la demanda mundial. Los nanocuerpos podrían resolver este problema.

Los científicos del Instituto Max Planck (MPI) de Química Biofísica en Göttingen (Alemania) y el Centro Médico Universitario de Göttingen (UMG) han desarrollado mini-anticuerpos (también conocidos como anticuerpos VHH o nanocuerpos) que unen todas las propiedades necesarias para un potente fármaco contra COVID-19. Por primera vez, combinan una estabilidad extrema y una eficacia sobresaliente contra el  y sus mutantes Alfa, Beta, Gamma y Delta.

A primera vista, los nuevos nanocuerpos apenas difieren de los nanocuerpos anti-SARS-CoV-2 desarrollados por otros laboratorios. Todos están dirigidos contra una parte crucial de los picos de coronavirus, el dominio de unión al receptor que el virus despliega para las células huésped invasoras. Los nanocuerpos bloquean este dominio de unión y, por lo tanto, evitan que el virus infecte las células.

Los nuevos nanocuerpos pueden soportar temperaturas de hasta 95°C sin perder su función ni formar agregados. Por un lado, esto nos dice que pueden permanecer activos en el cuerpo el tiempo suficiente para ser efectivos. Por otro lado, los nanocuerpos resistentes al calor son más fáciles de producir, procesar y almacenar.

Nanocuerpos simples, dobles y triples

Los mini-anticuerpos más simples desarrollados por el equipo de Göttingen ya se unen hasta 1.000 veces más fuertemente a la proteína de pico que los nanocuerpos previamente reportados. También se unen muy bien a los dominios de unión a receptores mutados de las cepas Alfa, Beta, Gamma y Delta. 

"Nuestros nanocuerpos individuales son potencialmente adecuados para la inhalación y, por lo tanto, para la neutralización directa del virus en el tracto respiratorio", dice Dobbelstein. "Además, debido a que son muy pequeños, podrían penetrar fácilmente los tejidos y evitar que el virus se propague más en el sitio de la infección".

Una 'tríada de nanocuerpos' mejora aún más la unión: los investigadores agruparon tres nanocuerpos idénticos de acuerdo con la simetría de la proteína de pico, que se compone de tres bloques de construcción idénticos con tres dominios de unión. "Con la tríada de nanocuerpos, literalmente unimos fuerzas: en un escenario ideal, cada uno de los tres nanocuerpos se adhiere a uno de los tres dominios de unión", informa Thomas Güttler, científico del equipo de Görlich. "Esto crea un enlace virtualmente irreversible. El triple no permitirá que se libere la proteína de pico y neutraliza el virus incluso hasta 30.000 veces mejor que los nanocuerpos individuales". Otra ventaja: el tamaño más grande de la tríada de nanocuerpos retrasará la excreción renal. Esto los mantiene en el cuerpo por más tiempo y promete un efecto terapéutico más duradero.

Como tercer diseño, los científicos produjeron tándems. Estos combinan dos nanocuerpos que se dirigen a diferentes partes del dominio de unión al receptor y juntos pueden unirse a la proteína de pico. "Estos tándems son extremadamente resistentes a las mutaciones del virus y al 'escape inmune' resultante porque se unen al pico viral con tanta fuerza", explica Metin Aksu, investigador del equipo de Görlich.

Para todas las variantes de nanocuerpos, monoméricas, dobles y triples, los investigadores encontraron que cantidades muy pequeñas son suficientes para detener el patógeno. Si se usa como medicamento, esto permitiría una dosis baja y, por lo tanto, menos efectos secundarios y costos de producción más bajos.

Las alpacas proporcionan planos para mini-anticuerpos

Los nuevos nanocuerpos tienen su origen en las alpacas y son más pequeños y simples que los anticuerpos convencionales. Para generar los nanocuerpos contra el SARS-CoV-2, los investigadores inmunizaron a tres alpacas (Britta, Nora y Xenia de la manada en el MPI de Química Biofísica) con partes de la proteína del pico del coronavirus. Luego, las yeguas produjeron anticuerpos y los científicos extrajeron una pequeña muestra de sangre de los animales. Para las alpacas, la misión se completó, ya que todos los pasos adicionales se llevaron a cabo con la ayuda de enzimas, bacterias, los llamados bacteriófagos y levaduras. "La carga general sobre nuestros animales es muy baja, comparable a la vacunación y los análisis de sangre en humanos", explica Görlich.

El equipo de Görlich extrajo alrededor de mil millones de planos de nanocuerpos de la sangre de las alpacas. Lo que siguió fue una rutina de laboratorio perfeccionada durante muchos años: los bioquímicos utilizaron bacteriófagos para seleccionar los mejores nanocuerpos del grupo inicialmente amplio de candidatos. Luego, se probó su eficacia contra el SARS-CoV-2 y se mejoraron aún más en sucesivas rondas de optimización.

No todos los anticuerpos son 'neutralizantes'. Por lo tanto, los investigadores del grupo de Dobbelstein determinaron si los nanocuerpos impiden que los virus se repliquen en las células cultivadas en el laboratorio y qué tan bien evitan. "Al probar una amplia gama de diluciones de nanocuerpos, descubrimos qué cantidad es suficiente para lograr este efecto", explica Antje Dickmanns del equipo de Dobbelstein. Su colega Kim Stegmann agrega: "Algunos de los nanocuerpos eran realmente impresionantes. Menos de una millonésima de gramo por litro de medio fue suficiente para prevenir completamente la infección. En el caso de las tríadas de nanocuerpos, incluso otra dilución de veinte veces fue suficiente. "

También es eficaz contra las variantes actuales del coronavirus.

En el transcurso de la pandemia de coronavirus, han surgido nuevas variantes de virus que rápidamente se han vuelto dominantes. Estas variantes suelen ser más infecciosas que la cepa que apareció por primera vez en Wuhan (China). Su proteína espiga mutada también puede "escapar" de la neutralización por algunos anticuerpos originalmente efectivos de personas infectadas, recuperadas o vacunadas. Esto hace que sea más difícil, incluso para un sistema inmunológico ya entrenado, eliminar el virus. Este problema también afecta a los anticuerpos y nanocuerpos terapéuticos desarrollados previamente.

Aquí es donde los nuevos nanocuerpos muestran todo su potencial, ya que también son efectivos contra las principales variantes de coronavirus preocupantes. Los investigadores habían inoculado sus alpacas con parte de la proteína de pico del primer virus conocido del SARS-CoV-2, pero sorprendentemente, el sistema inmunológico de los animales también produjo anticuerpos que son activos contra las diferentes variantes del virus. "Si nuestros nanocuerpos resultan ineficaces contra una variante futura, podemos volver a inmunizar a las alpacas. Como ya han sido vacunadas contra el virus, muy rápidamente producirían anticuerpos contra la nueva  ", afirma Güttler con seguridad.

Aplicación terapéutica a la vista

El equipo de Göttingen está preparando actualmente los nanocuerpos para uso terapéutico. Dobbelstein enfatiza, "Queremos probar los nanocuerpos tan pronto como sea posible para un uso seguro como medicamento para que puedan ser beneficiosos para aquellos que están gravemente enfermos con COVID-19 y aquellos que no han sido vacunados o no pueden desarrollar una inmunidad efectiva. " El equipo cuenta con el apoyo de expertos en transferencia de tecnología: Dieter Link (Max Planck Innovation), Johannes Bange (Lead Discovery Center, Dortmund, Alemania) y Holm Keller (kENUP Foundation).

Se sabe que el dominio de unión al receptor del SARS-CoV-2 es un buen candidato para una vacuna proteica, pero hasta ahora es difícil de fabricar económicamente a gran escala y en una forma que active el sistema inmunológico contra el virus. Las bacterias programadas en consecuencia producen material plegado incorrectamente. Los investigadores de Göttingen descubrieron una solución para este problema: identificaron nanocuerpos especiales que imponen el plegado correcto en las células bacterianas, sin obstruir la parte neutralizante crucial del dominio de unión al receptor. Esto podría permitir que las vacunas se puedan producir de forma económica, se puedan adaptar rápidamente a nuevas variantes de virus y se puedan distribuir con una logística simple incluso en países con poca infraestructura. "

Más información: Thomas Güttler et al, Neutralization of SARS‐CoV‐2 by highly potent, hyperthermostable, and mutation‐tolerant nanobodies, The EMBO Journal (2021). DOI: 10.15252/embj.2021107985

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