Los investigadores se apresuran a desarrollar armas antivirales para combatir el coronavirus pandémico
En marzo de 2020, cuando se vislumbraba el alcance de la pandemia de COVID-19, Jen Nwankwo y sus colegas utilizaron un par de herramientas de inteligencia artificial (IA) contra el SARS-CoV-2. Un programa de IA desarrollado recientemente, llamado SUEDE, analiza digitalmente todos los compuestos conocidos similares a los de las drogas en busca de actividad probable contra biomoléculas que se cree que están involucradas en enfermedades. El otro, BAGEL, predice cómo desarrollar inhibidores para objetivos conocidos. Los dos programas buscaron compuestos capaces de bloquear las enzimas humanas que desempeñan funciones esenciales para permitir que el virus infecte nuestras células.
Mientras SUEDE tamizó 14 mil millones de compuestos en solo horas y escupió un golpe, BAGEL hizo un trabajo igualmente rápido en el diseño de una pista. Nwankwo, director ejecutivo de una empresa de biotecnología de Massachusetts llamada 1910 Genetics, pidió a un socio de una empresa química que sintetizara los compuestos. Aproximadamente una semana después, su equipo recibió las órdenes, agregó cada compuesto a su vez a las células humanas y se enteró de que cada uno bloqueaba su objetivo y evitaba la entrada del virus en las células. 1910 Genetics ahora busca asociarse con desarrolladores de medicamentos antivirales para realizar ensayos en animales y humanos. “Demuestra que la IA puede acelerar enormemente el diseño de fármacos”, dice Nwankwo.
Diseñar y desarrollar un medicamento casi siempre es dolorosamente lento, y normalmente toma al menos una década. Muchos pasos, como los estudios en animales, el ajuste de moléculas para evitar efectos secundarios y los ensayos clínicos, no se pueden acelerar. Pero la carrera hacia nuevos tratamientos contra COVID-19 ha tenido un comienzo espectacular a medida que los investigadores aceleran otras partes de la búsqueda, implementando supercomputadoras, robots, sincrotrones y todas las demás herramientas que tienen para encontrar y probar en laboratorio posibles medicamentos a gran velocidad. Según un rastreador de medicamentos de la industria biotecnológica, se están desarrollando unas 239 moléculas antivirales contra COVID-19, dirigidas a múltiples partes del ciclo de vida viral.
Los antivirales han demostrado ser fundamentales para combatir otras infecciones como el VIH y la hepatitis C.Dichos medicamentos también serán vitales en la lucha contra el coronavirus pandémico, a pesar del lanzamiento en curso de las vacunas COVID-19. “Sabemos que no todo el mundo podrá recibir la vacuna o responder a ella”, dice Mark Denison, virólogo de la Universidad de Vanderbilt. Las vacunas también pueden perder eficacia a medida que disminuye la protección inmunitaria o surgen variantes virales. "Por lo tanto, el desarrollo continuo de antivirales es fundamental", dice Denison.
Hasta la fecha, la mayor parte de esa búsqueda se ha centrado en compuestos "reutilizados", antivirales desarrollados originalmente para combatir otras enfermedades. (Otros medicamentos reutilizados, como el esteroide dexametasona, se dirigen a la reacción del cuerpo a la infección en lugar del virus en sí). “La reutilización de medicamentos tenía sentido como lo primero que se debe intentar”, dice Nwankwo. Muchos antivirales reutilizados se han mostrado prometedores contra el SARS-CoV-2 en estudios con células y animales y ahora se encuentran en ensayos clínicos. Uno, el remdesivir, ya ha demostrado acelerar la recuperación unos días en personas muy enfermas. Pero varios otros antivirales reutilizados no han demostrado ser efectivos.
"Sabemos que no todo el mundo podrá recibir la vacuna o responder a ella. Por lo tanto, el desarrollo continuo de antivirales es fundamental."
Mark Denison, Universidad de Vanderbilt
Como resultado, dice Francis Collins, director de los Institutos Nacionales de Salud (NIH), "Realmente, realmente necesitamos muchos más [antivirales]". Alentados por los avances casi diarios en la comprensión del SARS-CoV-2, la lista en rápido crecimiento de nuevos compuestos que podrían bloquearlo y los ensayos clínicos en curso, algunos de ellos en etapa avanzada, Denison y otros esperan entregar medicamentos efectivos este año. Andrew Mesecar, biólogo estructural de la Universidad de Purdue, dice: "Estoy seguro de que tendremos más tratamientos para el coronavirus".
EN LO QUE RESPECTA A LOS VIRUS , el SARS-CoV-2 es un gigante, con unas 30.000 letras de ARN en su código genético. Esas letras codifican 29 proteínas virales que permiten que el virus infecte células, se reproduzca, escape y se propague. "Somos afortunados de que este virus nos haya proporcionado tantos objetivos, tantas oportunidades de intervención", dice Sandra Weller, bióloga molecular de UConn Health.
Las 29 proteínas se dividen en tres categorías principales: proteínas estructurales que forman la capa externa; proteínas no estructurales (NSP), la mayoría de las cuales ayudan al virus a replicarse; y proteínas accesorias, varias de las cuales parecen inhibir la respuesta inmunitaria del huésped. Hasta ahora, los cazadores de drogas han apuntado principalmente a las proteínas estructurales y de replicación, concentrándose en moléculas similares a las que han dado sus frutos en la lucha contra otros virus.
El SARS-CoV-2 tiene solo cuatro proteínas estructurales. Las proteínas de la envoltura y la membrana forman la capa esférica del virus y la proteína de la nucleocápsida protege su genoma. La cuarta proteína, la espiga, sobresale de la cáscara, creando la corona de espinas que le da al virus su nombre y le permite unirse a los receptores de la enzima convertidora de angiotensina 2 (ACE2), su principal punto de entrada a las células.
Spike es el objetivo principal de muchas vacunas y antivirales. Sin embargo, las moléculas pequeñas, el enfoque típico de los programas de descubrimiento de fármacos, no funcionarán porque no son lo suficientemente voluminosas como para evitar que el pico se una al receptor ACE2.
David Baker, biólogo computacional de la Universidad de Washington, Seattle, y sus colegas recurrieron en cambio a las miniproteínas, cada una con unos 60 aminoácidos, personalizada para bloquear las interacciones proteína-proteína. A finales de 2020, el equipo de Baker describió miniproteínas hechas a medida para unirse estrechamente a la proteína de pico del virus y evitar que se adhiera al receptor ACE2. Las diminutas proteínas impidieron que el virus infectara las células humanas en un tubo de ensayo, y Baker dice que las miniproteínas podrían ser medicamentos ideales porque son mucho más estables que las terapias proteicas convencionales, como los anticuerpos, que deben refrigerarse. Baker está en conversaciones con compañías farmacéuticas para seguir sus pistas.
Otros investigadores tienen una estrategia diferente para interferir con la unión viral. Están diseñando imitaciones de ACE2 para que sirvan como señuelos, alejando el SARS-CoV-2 de las células. Los investigadores de Neoleukin Therapeutics y sus socios, por ejemplo, informaron de la creación de una miniproteína, CTC-445.2d, que imita a ACE2 , uniéndose tenazmente al pico. El compuesto protegió a las células humanas de la infección in vitro. Cuando se administró a los hámsteres en forma de aerosol nasal, el señuelo también les impidió contraer una enfermedad grave después de recibir una dosis normalmente letal del virus. Otra molécula de "trampa receptora" , descrita en noviembre de 2020 en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias , también desvió el SARS-CoV-2, evitando que infecte las células en el tubo de ensayo.
DESPUÉS DE ENTRAR EN UNA CÉLULA , un virus transforma a su anfitrión en una fábrica de virus. Ahí es donde entran los NSP del SARS-CoV-2. Las proteínas virales son producidas por las propias fábricas de proteínas de la célula huésped, los ribosomas, que traducen el ARN viral en dos largas cadenas de “poliproteínas”. Las cadenas derivan dos proteínas más pequeñas, NSP3 y NSP5, enzimas proteasas que cortan proteínas que luego cortan el resto de las poliproteínas en proteínas independientes y funcionales.
“Estas son funciones absolutamente críticas que están altamente conservadas y deberían ser muy, muy vulnerables” a los antivirales, dice Denison.
Los medicamentos que bloquean las proteasas han combatido con éxito el VIH y la hepatitis C y se encuentran entre los candidatos a antivirales más populares para el SARS-CoV-2. Dos inhibidores de proteasa reutilizados para el tratamiento del VIH, lopinavir y ritonavir, se mostraron prometedores in vitro contra el SARS-CoV-2, pero en octubre de 2020, el gran ensayo clínico de recuperación del Reino Unido informó que no ofrecían ningún beneficio.
Los investigadores del gigante farmacéutico Pfizer están buscando un inhibidor que puede funcionar mejor porque está diseñado para atacar NSP5, una proteasa que es específica del SARS-CoV-2 y sus parientes del coronavirus. Los científicos de Pfizer desarrollaron el fármaco en 2003 para bloquear la molécula, también conocida como proteasa principal (Mpro), en el síndrome respiratorio agudo severo (SARS), el coronavirus mortal que surgió el año anterior. Ese trabajo se dejó de lado cuando la epidemia de SARS se extinguió. Ahora, Pfizer sacó el compuesto del estante y descubrió que evita que el SARS-CoV-2 se reproduzca dentro de las células humanas. Los investigadores de Pfizer ajustaron la estructura para hacer una versión más soluble, conocida como PF-07304814. Demostraron que redujo drásticamente la carga viral en ratones; en otros animales, altas concentraciones del fármaco podrían llegar a los tejidos.
“Es una pista prometedora”, dice Celia Schiffer, bióloga molecular de la Facultad de Medicina de la Universidad de Massachusetts. En septiembre de 2020, Pfizer lanzó un pequeño ensayo clínico para probar la seguridad de PF-07304814, administrado por vía intravenosa. Pero Annaliesa Anderson, quien dirige el programa antiviral de Pfizer, dice que reclutar voluntarios ha sido difícil. “Los pacientes están muy enfermos y puede que sea demasiado tarde [para inhibir la replicación viral] o es posible que no se sientan tan mal”, lo que hace que una terapia intravenosa sea menos atractiva. Dado el lento reclutamiento, espera resultados hacia fines de este año.
Otros investigadores también están trabajando en inhibidores de Mpro. En Nature Communications en septiembre de 2020, investigadores en China informaron sobre dos medicamentos reutilizados , boceprevir y GC376. El boceprevir es un fármaco contra la hepatitis C, mientras que el GC376 se diseñó para atacar un coronavirus felino. Ambos compuestos ralentizaron la replicación del SARS-CoV-2 en las células. El 5 de febrero, investigadores estadounidenses informaron en una preimpresión de bioRxiv que la mayoría de los ratones que recibieron GC376 después de recibir una dosis letal del virus pandémico sobrevivieron. Y en agosto de 2020 en Science Translational Medicine , investigadores estadounidenses describieron un análogo GC376 que aumentó drásticamente las tasas de supervivencia en ratones infectados con el síndrome respiratorio de Oriente Medio y mostró potentes efectos antivirales contra el SARS-CoV-2 en las células.
Otras moléculas diseñadas específicamente para inhibir el Mpro del SARS-CoV-2 permanecen en una etapa de prueba anterior. En noviembre de 2020, por ejemplo, Charlotte Lanteri, microbióloga investigadora del Instituto de Investigación del Ejército Walter Reed, informó haber descubierto 807 inhibidores de Mpro a través de una pantalla de IA de 41 millones de compuestos. Su equipo ha identificado siete como particularmente prometedores, pero la conversión de uno o más de ellos en medicamentos queda al menos dentro de un par de años, dice Lanteri, quien informó los hallazgos en una cumbre de medicamentos antivirales en los NIH. Ella y sus colegas también están buscando medicamentos antivirales efectivos contra todos los coronavirus. "Queremos estar preparados tanto como sea posible para la próxima amenaza emergente", dice.
DESPUÉS DE QUE LAS proteasas DEL SARS-COV-2 liberaron las proteínas del coronavirus de las cadenas originales, 15 de ellas se unen para formar el complejo de replicación y transcripción (RTC), que copia el genoma del ARN del virus para producir nuevos virus ( ver gráfico arriba ). En el centro de esa maquinaria están NSP9, que se fija en la cadena de ARN del virus, y la ARN polimerasa dependiente de ARN (RdRp) que copia el ARN.
El papel fundamental del RTC lo ha convertido, y RdRp en particular, en el blanco de tratamiento más popular de todos. Es donde remdesivir hace su trabajo. El fármaco es un análogo de nucleósido, una especie de bloque de construcción de ARN de imitación que se asemeja a la adenosina (A), una de las cuatro letras que componen el ARN. El impostor engaña a RdRp para que inserte moléculas de remdesivir en lugar de A en cadenas de ARN en crecimiento, bloqueando RdRp y deteniendo la replicación viral.
Los investigadores esperan que otros nucleósidos y análogos de nucleótidos reutilizados sean mejores para engañar a la RdRp del coronavirus. (Los nucleótidos son nucleósidos con uno o más grupos fosfato agregados). Los candidatos incluyen favipiravir y triazavirina, ambos originalmente diseñados para combatir los virus de la gripe; ribavirina, un tratamiento para el virus respiratorio sincitial y la hepatitis C; y galidesivir, que puede bloquear la replicación de los virus del Ébola, Zika y fiebre amarilla.
Los investigadores farmacéuticos utilizan robótica de alta velocidad y otras herramientas para acelerar la búsqueda de antivirales.
INVESTIGACIÓN DE SCRIPPS
Los investigadores se muestran cautelosamente optimistas sobre el molnupiravir, un análogo de nucleósido que se puede tomar en forma de píldora y que se desarrolló originalmente para combatir la influenza. El año pasado, las preocupaciones se arremolinaron en torno a la droga después de que un denunciante alegara que el amiguismo político condujo a un respaldo federal acelerado para ella. Pero los resultados positivos han mantenido el progreso por buen camino.
Los primeros trabajos mostraron que el molnupiravir se inserta en el ARN en lugar del nucleósido citidina, provocando errores en el proceso de copia y provocando una acumulación letal de mutaciones en el virus. Ese mecanismo ha generado preocupaciones de que el fármaco pueda causar mutaciones similares en las células huésped. Pero Richard Plemper, biólogo celular de la Universidad Estatal de Georgia, dice que tales problemas no se han visto en estudios con animales.
En abril de 2020 en Science Translational Medicine , Denison y sus colegas informaron que en ratones, molnupiravir redujo drásticamente la replicación de múltiples coronavirus, incluido el SARS-CoV-2; el fármaco también cortó la replicación del SARS-CoV-2 en las células epiteliales de las vías respiratorias humanas. Un artículo de Nature se agregó a los datos alentadores en febrero, mostrando que el compuesto disminuyó la replicación viral 100,000 veces en ratones diseñados para tener tejido pulmonar humano.
En diciembre de 2020, Plemper y sus colegas informaron en Nature Microbiology que el molnupiravir podría hacer más que solo prevenir los síntomas. Los investigadores administraron el medicamento a los hurones, que propagaron fácilmente el coronavirus, y la transmisión se redujo a cero en 24 horas. "Esta es la primera demostración de un medicamento disponible por vía oral para bloquear rápidamente la transmisión del SARS-CoV-2", dice Plemper. Eso es crucial para frenar la propagación de enfermedades. Debido a que es una píldora, el molnupiravir se puede administrar temprano en el ciclo de la enfermedad, justo cuando la replicación del SARS-CoV-2 típicamente alcanza su punto máximo, a diferencia de los medicamentos inyectables como el remdesivir. "Queremos comenzar el tratamiento temprano y evitar que las personas se presenten en un hospital", dice Plemper.
El mismo mes, una preimpresión de medRxiv informó que una pequeña prueba de seguridad mostró que el medicamento se toleró bien , sin efectos secundarios graves en voluntarios sanos. Molnupiravir se encuentra ahora en ensayos clínicos de fase 2/3 dirigidos por Merck y Ridgeback Biotherapeutics; En marzo, los científicos informaron en una reunión que el molnupiravir redujo los niveles virales de los pacientes.
AT-527, otro análogo de nucleósido oral desarrollado para tratar la hepatitis C por Atea Pharmaceuticals y Roche, también se encuentra en un ensayo clínico de fase 2 contra COVID-19.
"Somos afortunados de que este virus nos haya proporcionado tantos objetivos, tantas oportunidades de intervención".
Sandra Weller, UConn Health
Los científicos también están tratando de apagar otras proteínas RTC. En resultados recientes, dos compuestos, zotatifina y plitidepsina, parecen bloquear la replicación viral al interferir con NSP9, la enzima que captura el ARN. La plitidepsina se encuentra en un ensayo de fase 2/3 de la compañía farmacéutica española PharmaMar. Al menos otros tres NSP se consideran buenos objetivos, dice Tomáš Cihlář, virólogo de Gilead Sciences, fabricante de remdesivir.
Eventualmente, los medicamentos podrían apuntar al ARN del coronavirus, no solo a sus proteínas. En Nature Biotechnology, en febrero, Emmeline Blanchard, ingeniera biomédica del Instituto de Tecnología de Georgia, y sus colegas informaron sobre la creación de una formulación recubierta de polímero de una enzima de edición genética llamada Cas13a que busca y corta fragmentos de ARN del SARS-CoV-2 . La enzima Cas13a del equipo se dirige a regiones altamente conservadas de dos genes virales que codifican la enzima RdRp y la proteína nucleocápside. Cuando los hámsteres infectados con SARS-CoV-2 inhalaron una formulación vaporizada de la droga, redujeron la replicación viral y los síntomas de la enfermedad.
Y en septiembre de 2020 en ACS Central Science, Matthew Disney, químico del Scripps Research Institute, y sus colegas informaron haber descubierto un compuesto llamado C5 que bloquea un segmento corto en forma de horquilla de ARN involucrado en la replicación del SARS-CoV-2. "Tenemos otros segmentos del genoma viral que creemos que también podemos apuntar", dice.
DEBIDO A QUE EL SARS-COV-2 depende de las proteínas de la célula huésped para reproducirse, la alteración de esas proteínas podría ser otra vía para los tratamientos, con la ventaja de que no atacar directamente al virus podría reducir sus probabilidades de volverse resistente a los medicamentos. Sus objetivos incluyen las proteasas de la célula huésped TMPRSS2 y la furina, que bloquean los fármacos candidatos del equipo de Nwankwo. El mes pasado, NIH anunció que estaba lanzando una prueba de fase 2/3 para camostat mesilato, otro inhibidor de TMPRSS2.
Otro objetivo es una proteína llamada dihidroorotato deshidrogenasa (DHODH). Es el eje de una vía que utilizan las células para producir dos de las cuatro bases de ARN cuando necesitan ARN adicional, por ejemplo, cuando proliferan. Los virus secuestran esa vía para replicarse. En estudios celulares, el bloqueo de DHODH ha detenido el cáncer y las enfermedades virales, como la influenza y el citomegalovirus. Y los bloqueadores de DHODH hasta ahora han demostrado ser seguros cuando se prueban en cientos de pacientes.
Dos empresas de biotecnología, PTC Therapeutics e Immunic Therapeutics, están probando la misma estrategia contra el SARS-CoV-2. Los virus que se reproducen rápidamente "tienen una gran necesidad de ARN", dice Marla Weetall, vicepresidenta de farmacología de PTC Therapeutics. El compuesto de la compañía, PTC299, fue diseñado originalmente como un medicamento oral para detener la proliferación celular en la leucemia mieloide aguda. En una preimpresión de agosto de 2020 en bioRxiv, Weetall y sus colegas informaron que PTC299 inhibía de forma aguda la replicación del SARS-CoV-2 en las células . El compuesto también bloqueó la producción de moléculas inmunes que las células construyen utilizando bases de ARN, lo que sugiere que el PTC299 podría ayudar a controlar la reacción inmune exagerada que se observa en el COVID-19 grave.
Daniel Vitt, director ejecutivo de Immunic Therapeutics, dice que su compañía también ha visto resultados prometedores en ensayos en humanos de su compuesto oral, IMU-838, desarrollado para tratar enfermedades inflamatorias y autoinmunes. En febrero, la compañía informó resultados preliminares que sugerían que los pacientes hospitalizados con el medicamento tenían menos necesidad de ventiladores. Continúan las pruebas para ambas empresas.
EN ÚLTIMA INSTANCIA , es probable que ningún compuesto dé un golpe de gracia al coronavirus pandémico, en parte porque es probable que surjan virus resistentes a los medicamentos. Collins y otros argumentan que la mejor estrategia toma una página del tratamiento para el VIH y la hepatitis C: mezclar y combinar antivirales dirigidos a varias proteínas, lo que dificulta que el virus desarrolle múltiples soluciones a la vez. "Realmente necesitamos un arsenal", dice Lillian Chiang, directora ejecutiva de Evrys Bio, que está trabajando en antivirales contra las proteínas de la célula huésped.
"Esto llevará tiempo", dice Michael Sofia, director científico de Arbutus Biopharma, una empresa canadiense de antivirales. Y dinero. Según estimaciones recientes, llevar un nuevo medicamento al mercado cuesta entre $ 985 millones y $ 2.8 mil millones. Anderson dice que Pfizer, por ejemplo, está comprometiendo los recursos de la compañía para derrotar la pandemia sin esperar ganancias. Otras empresas dicen lo mismo. Pero durante las pausas previas en los brotes de enfermedades infecciosas, muchas compañías farmacéuticas abandonaron el trabajo con los antivirales. “Tan pronto como esto deje de ser un área caliente, la gente seguirá adelante”, dice Nwankwo.
En otro desincentivo, los tratamientos antivirales para el SARS-CoV-2 podrían administrarse solo durante una semana o dos, lo que les da a los fabricantes de medicamentos una ventana estrecha para obtener beneficios. Como resultado, Denison y otros argumentan que se necesita más apoyo del gobierno para seguir almacenando el arsenal de antivirales. Cualquier pausa en la batalla contra el SARS-CoV-2 y sus parientes es probable que sea temporal, dicen.
“Vamos a tener otro coronavirus”, dice Mesecar. "Simplemente no sabemos cómo se verá".
Por: Robert F. Service/ Reportero de noticias para Science en Portland, Oregon, y cubre historias de química, ciencia de materiales e energía.
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