¿Qué pasaría si los científicos supieran exactamente qué impacto tuvo el coronavirus SARS-CoV-2 dentro de las células pulmonares, dentro de las primeras horas de haber sido infectado? ¿Podrían usar esa información para encontrar medicamentos que interrumpan el proceso de replicación del virus antes de que se ponga en marcha por completo? El descubrimiento de que varios medicamentos existentes aprobados por la FDA, incluidos algunos diseñados originalmente para combatir el cáncer, pueden detener el coronavirus en seco indica que la respuesta es un rotundo sí.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Boston (BU), provenientes de los Laboratorios Nacionales de Enfermedades Infecciosas Emergentes (NEIDL) de BU, el Centro de Medicina Regenerativa (CReM) en el Campus Médico de BU y el Centro de Biología de Sistemas de Red (CNSB) de BU, se embarcó en una búsqueda larga, colaborativa e interdisciplinaria, que combina múltiples áreas de experiencia en virología, ingeniería de tejidos pulmonares derivados de células madre y secuenciación molecular profunda para comenzar a responder esas preguntas.
Al mismo tiempo, infectaron decenas de miles de células pulmonares humanas con el virus SARS-CoV-2, y luego rastrearon con precisión lo que sucede en todas esas células durante los primeros momentos después de la infección. Como si eso no fuera suficientemente complicado, el equipo tuvo que enfriar toda su instalación de investigación de alta contención dentro del NEIDL a 61 grados Fahrenheit.
Esta investigación apunta que intervenciones terapéuticas más efectivas y oportunas podrían ayudar a reducir el número total de muertes relacionadas con las infecciones por COVID-19
¿El resultado? El equipo investigador ha revelado el mapa más completo hasta la fecha de todas las actividades moleculares que se desencadenan dentro de las células pulmonares al inicio de la infección por coronavirus. También descubrieron que existen al menos 18 medicamentos aprobados por la FDA que podrían reutilizarse para combatir las infecciones por COVID-19 poco después de que una persona se infecte. Experimentalmente, cinco de esos medicamentos redujeron la propagación del coronavirus en las células pulmonares humanas en más del 90 por ciento. Sus hallazgos se publicaron recientemente en Molecular Cell .
Ahora, los colaboradores académicos y de la industria de todo el mundo están en contacto con el equipo sobre los próximos pasos para trasladar sus hallazgos del banco a la cama, dicen los investigadores. Aunque las vacunas COVID-19 están comenzando a implementarse, se espera que la mayor parte de un año para que se vacunen suficientes personas para crear inmunidad colectiva no sea posible. Y no hay garantías de que las formulaciones de vacunas actuales sean tan efectivas contra futuras cepas del SARS-CoV-2 que podrían surgir con el tiempo. Esta investigación apunta que intervenciones terapéuticas más efectivas y oportunas podrían ayudar a reducir el número total de muertes relacionadas con las infecciones por COVID-19.
"Lo que hace que esta investigación sea inusual es que observamos momentos muy tempranos [de la infección], apenas una hora después de que el virus infecta las células pulmonares. Fue aterrador ver que el virus ya comienza a dañar las células tan temprano durante la infección, ", dice Elke Mühlberger , una de las investigadoras principales del estudio y viróloga de NEIDL de BU. Normalmente trabaja con algunos de los virus más letales del mundo, como el ébola y Marburg.
"El aspecto más sorprendente es cuántas vías moleculares se ven afectadas por el virus", dice Andrew Emili , otro de los investigadores principales del estudio y director del CNSB de BU, que se especializa en proteómica y secuenciación profunda de interacciones moleculares. "El virus realiza una remodelación al por mayor de las células pulmonares; es sorprendente el grado en que el virus se apodera de las células que infecta".
"El virus realiza una remodelación al por mayor de las células pulmonares; es sorprendente el grado en que el virus se apodera de las células que infecta"
Los virus no pueden replicarse a sí mismos porque carecen de la maquinaria molecular para fabricar proteínas, por eso dependen de las células infectadas para secuestrar la maquinaria interna de las células y usarla para difundir su propio material genético. Cuando el SARS-CoV-2 se hace cargo, cambia por completo los procesos metabólicos de las células, dice Emili, e incluso daña las membranas nucleares de las células dentro de las tres a seis horas posteriores a la infección, lo que el equipo encontró sorprendente. Por el contrario, "las células infectadas con el mortal virus del Ébola no muestran ningún cambio estructural obvio en estos primeros momentos de la infección, e incluso en las últimas etapas de la infección, la membrana nuclear sigue intacta", dice Mühlberger.
TOMA EL CONTROL
La membrana nuclear rodea el núcleo, que contiene la mayor parte de la información genética de una célula y controla y regula las funciones celulares normales. Con el núcleo celular comprometido por el SARS-CoV-2, las cosas rápidamente toman un mal giro para toda la célula. Bajo asedio, las células, que normalmente desempeñan un papel en el mantenimiento del intercambio de gases esenciales de oxígeno y dióxido de carbono que se produce cuando respiramos, mueren. A medida que las células mueren, también emiten señales de angustia que aumentan la inflamación, lo que desencadena una cascada de actividad biológica que acelera la muerte celular y eventualmente puede provocar neumonía, dificultad respiratoria aguda e insuficiencia pulmonar.
"No podría haber predicho muchas de estas vías, la mayoría de ellas eran nuevas para mí", dice Andrew Wilson , uno de los autores principales del estudio, científico de CReM y neumólogo del Boston Medical Center (BMC), la enseñanza de la BU hospital. En BMC, el hospital de la red de seguridad de Boston, Wilson ha estado en la primera línea de la pandemia de COVID-19 desde marzo de 2020, tratando de tratar y salvar a los pacientes más enfermos en la UCI del hospital. "Es por eso que nuestro modelo experimental es tan valioso".
El equipo aprovechó la experiencia en organoides del CReM para hacer crecer las células del saco de aire del pulmón humano, el tipo de célula que recubre el interior de los pulmones. Las células del saco de aire suelen ser difíciles de cultivar y mantener en cultivos tradicionales y difíciles de extraer directamente de los pacientes con fines de investigación. Es por eso que gran parte de la investigación sobre coronavirus realizada hasta la fecha por otros laboratorios se ha basado en el uso de tipos de células más fácilmente disponibles, como las células renales de los monos. El problema con eso es que las células renales de los monos no reaccionan de la misma manera a la infección por coronavirus que las células pulmonares de los humanos, lo que las convierte en un modelo deficiente para estudiar el virus; lo que se aprenda de ellos no se traduce fácilmente en clínicamente relevante. hallazgos para el tratamiento de pacientes humanos.
"Nuestros organoides, desarrollados por nuestra facultad de CReM, están diseñados a partir de células madre; no son idénticos a las células vivas que respiran dentro de nuestro cuerpo, pero son lo más parecido", dice Darrell Kotton , uno de los miembros del estudio. autores senior. Es director del CReM y neumólogo en BMC, donde ha trabajado junto a Wilson en la UCI tratando a pacientes con COVID-19. Los dos a menudo colaboraron con Mühlberger, Emili y otros miembros de su equipo de investigación a través de llamadas de Zoom a las que lograron unirse durante breves momentos de calma en la UCI.
MEDICAMENTOS PARA LA COVID-19
En otro estudio reciente que utilizó células pulmonares humanas diseñadas por CReM, el equipo de investigación confirmó que los medicamentos existentes remdesivir y camostat son efectivos para combatir el virus, aunque ninguno de los dos es una solución perfecta para controlar la inflamación que causa el COVID-19. Remdesivir, un antiviral de amplio uso, ya se ha utilizado clínicamente en pacientes con coronavirus. Pero basándose en los hallazgos del nuevo estudio de que el virus causa un daño grave a las células en cuestión de horas, lo que desencadena la inflamación, los investigadores dicen que probablemente no haya mucho que los medicamentos antivirales como el remdesivir puedan hacer una vez que una infección ha avanzado hasta el punto en que alguien debería estar poner un ventilador en la UCI.
Al ver cuán magistralmente el SARS-CoV-2 se apodera de las células humanas y las subvierte para hacer el trabajo de fabricación de replicar el genoma viral, les recordó a los investigadores otro invasor mortal.
"Me sorprendió que hubiera tantas similitudes entre las células cancerosas y las células infectadas con SARS-CoV-2", dice Mühlberger. El equipo examinó varios medicamentos contra el cáncer como parte de su estudio y descubrió que varios de ellos pueden bloquear la multiplicación del SARS-CoV-2. Al igual que los virus, las células cancerosas quieren replicar sus propios genomas, dividiéndose una y otra vez. Para hacer eso, necesitan producir mucha pirimidina, un componente básico para el material genético. La interrupción de la producción de pirimidina, utilizando un medicamento contra el cáncer diseñado para ese propósito, también bloquea la construcción del genoma del SARS-CoV-2. Pero Mühlberger advierte que los medicamentos contra el cáncer suelen tener muchos efectos secundarios. "¿Realmente queremos usar ese material pesado contra un virus?" ella dice. Se necesitarán más estudios para sopesar los pros y los contras de tal enfoque.
"Me sorprendió que hubiera tantas similitudes entre las células cancerosas y las células infectadas con SARS-CoV-2"
Los hallazgos de su último estudio llevaron a los cuatro investigadores y científicos principales, becarios postdoctorales y estudiantes graduados de sus laboratorios durante casi cuatro meses, trabajando casi las veinticuatro horas del día, para completar la investigación. Para los líderes del equipo era de vital importancia asegurarse de que la configuración experimental tuviera bases sólidas para imitar lo que realmente está sucediendo cuando el virus SARS-CoV-2 infecta a las personas.
"La ciencia es la respuesta: si usamos la ciencia para preguntar a las células pulmonares qué sale mal cuando se infectan con el coronavirus, las células nos lo dirán", dice Kotton. "Los datos científicos objetivos nos dan pistas sobre qué hacer y tienen lecciones que enseñarnos. Pueden revelar un camino para salir de esta pandemia".
Está particularmente entusiasmado con el alcance que el equipo ha recibido de colaboradores de todo el mundo. "Las personas con experiencia en supercomputadoras y aprendizaje automático están entusiasmadas con el uso de esas herramientas y los conjuntos de datos de nuestra publicación para identificar los objetivos farmacológicos más prometedores [para el tratamiento de COVID-19]", dice.
Kotton dice que el tema que se ha vuelto obvio entre los médicos y científicos de COVID-19 es comprender cuál es el momento clave. "Una vez que un paciente está conectado a un ventilador en la UCI, nos sentimos limitados en lo que podemos hacer por su cuerpo", dice. "El tiempo lo es todo, es crucial identificar las primeras oportunidades de intervención. Puede seguir adivinando y esperar que tengamos suerte, o puede hacer investigación para comprender realmente la infección desde su inicio y eliminar las conjeturas de los medicamentos desarrollo."