El ARNm ha entrado en el léxico

Dec 08, 2023

3 de agosto de 2023

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por Bruce Goldman, Universidad de Stanford

En ocasiones, la catástrofe se disculpa por sí misma ofreciendo un premio de consolación. La Segunda Guerra Mundial nos dio penicilina. Así que contemos nuestras bendiciones.

La pandemia de COVID-19, de la que todavía estamos luchando por salir, ha ampliado nuestro vocabulario de trabajo, dotando al léxico público de palabras y conceptos nuevos, aunque en su mayoría sombríos. (Ejemplos: proteína de pico, intubación, N95, prueba rápida de antígenos). Puede que no inundemos nuestro discurso con estos términos, pero ahora estamos al menos ligeramente familiarizados con ellos.

Por último, pero no menos importante, como la esperanza que sale valientemente de la caja de Pandora, emerge un pequeño y exótico acrónimo: ARNm. Una vez conocido sólo por los estudiantes de biología, el ARNm (más formalmente llamado ARN mensajero) ha entrado en la lista de palabras de la sociedad, cortesía de un nuevo tipo de vacuna.

Rara vez el desarrollo de vacunas ha superado la velocidad con la que se descascarilla la pintura. Pero las vacunas de ARNm alcanzaron la viabilidad comercial gracias a la Operación Warp Speed, un programa federal creado en 2020 para acelerar el desarrollo de cualquier vacuna que pudiera evitar los síntomas más graves del COVID-19.

Desde que recibió una autorización de uso de emergencia de la Administración de Alimentos y Medicamentos en diciembre de 2020, solo en los Estados Unidos se han inyectado en los brazos de personas cientos de millones de dosis de la vacuna COVID-19 basada en ARNm. Han igualado o superado a las vacunas contra el COVID-19 fabricadas por medios tradicionales, tanto en seguridad como en eficacia. Y pueden desarrollarse o modificarse con facilidad y rapidez. Hoy en día, los científicos están desarrollando vacunas de ARNm para todo tipo de enfermedades infecciosas, además del cáncer.

Hay razones sólidas por las que el ARNm puede ser un material superior para muchas vacunas, especialmente cuando los patógenos siguen evolucionando rápidamente en nuevas cepas. Pero aprovechar todo el potencial del ARNm significa abordar algunos desafíos no despreciables, que los investigadores de la Universidad de Stanford están abordando. Entre ellos: cómo sacar más provecho de la dosis, cómo enviar esa dosis sólo a donde se supone que debe ir y cómo garantizar que se quede una vez que llegue allí.

La repentina aparición de un nuevo tipo de vacuna ha generado preocupaciones que van desde lo espurio hasta lo innegable. Por ejemplo, las inyecciones pueden tener efectos secundarios, un problema que puede tener mucho que ver con la forma en que se administra actualmente el ARNm y que, como veremos, los investigadores están abordando.

La mayor fuente de escepticismo sobre las vacunas de ARNm, según el vacunólogo Bali Pulendran, Ph.D., profesora Violetta L. Horton y profesora de microbiología e inmunología, no tiene sus raíces en la biología sino en nuestra propia psicología; específicamente, una ciencia amorfa y libre. -miedo flotante a lo desconocido.

"La mente humana rechaza cualquier idea nueva, como el cuerpo rechaza un órgano trasplantado", afirmó.

A menos que seas una célula, producir proteínas es una tarea complicada. Así como diferentes creaciones culinarias requieren recetas muy diferentes (recipientes para cocinar, tiempos, métodos de mezcla y temperaturas del horno), cada proteína tiene sus propias especificaciones de fabricación peculiares. Esto supone un obstáculo para la producción rápida de vacunas tradicionales, que tienen proteínas específicas como componentes clave.

Sin embargo, producir proteínas es fácil para las células. Es lo que hacen. El núcleo celular, que alberga nuestro genoma, no deja salir de sus instalaciones a ninguno de los 22.000 genes que contiene. Pero esos genes constituidos por ADN se pueden copiar en forma de hebras más pequeñas de ARN, una sustancia doble del ADN que puede salir del núcleo.

La misión de cada molécula de ARNm es llevar la receta genética de cualquier proteína que codifique (de ahí la "m" de "mensajero") al citoplasma: todo el territorio de la célula fuera del núcleo. Ahí es donde se encuentran abundantes cantidades de un tipo de máquina molecular: prensas de impresión de proteínas llamadas ribosomas. Los ribosomas saben leer cualquier receta de ARNm y cocinar un lote de la proteína indicada en un santiamén. Se trata de máquinas bien engrasadas y perfeccionadas por eones de evolución.

El éxito de la tecnología de ARNm radica en subcontratar el trabajo pesado de la fabricación de proteínas a las fábricas de proteínas definitivas: nuestras propias células, que pueden albergar millones de ribosomas cada una.

Debido a que los biotecnólogos pueden sintetizar rápidamente conjuntos de moléculas de ARNm que especifican cualquier proteína deseada, es una estrategia razonable para crear una vacuna pronto. (Las proteínas de patógenos, o fragmentos de esas proteínas, son las que componen la mayoría de las vacunas. La exposición a ellas entrena al sistema inmunológico para lanzar un ataque contra ese patógeno).

Bien. Entonces, producir ARNm es muy sencillo. Pero llevarlo a las células adecuadas y, una vez dentro, a los ribosomas (la clave para obtener una gran protección con efectos secundarios mínimos) requiere ingenio. Simplemente introduzca ARNm desnudo en las venas de alguien y rápidamente será masticado por las enzimas de la sangre o los tejidos. Es muy delicado. Y el ARNm no puede atravesar sin esfuerzo las membranas protectoras externas de las células.

Necesitas un vehículo de reparto.

Las vacunas de ARNm contra el COVID-19 han sido introducidas en nuestras células a través de camiones de reparto llamados nanopartículas lipídicas (lípido es un término científico para "material graso"). Las nanopartículas lipídicas, o LNP, son glóbulos de grasa glorificados.

"Un LNP es un burdo intento de hacer lo que hace un virus para ganarse la vida", dijo el profesor de química de la Universidad de Stanford, Bob Waymouth, Ph.D. "Los virus son realmente buenos para entrar en las células y poder replicarse".

Una nanopartícula lipídica es una esfera de cuatro ingredientes de aproximadamente 100 a 200 nanómetros de diámetro (casualmente, el tamaño del virus que causa el COVID-19). Dos ingredientes estabilizan la composición química de las nanopartículas lipídicas. Un tercero evita que las nanopartículas de lípidos se aglutinen, como suelen ocurrir las masas de grasa. El cuarto ingrediente, el eje, es un grupo de moléculas grasas lineales que llevan una carga eléctrica generalmente positiva a lo largo de su longitud.

Una cadena de ARNm está cargada negativamente a lo largo de su longitud. Y, como todos sabemos, los opuestos se atraen, especialmente en la electrónica. Entonces, los dos se unen, anclando el ARNm a la nanopartícula lipídica. Una sola nanopartícula lipídica puede encerrar múltiples moléculas de ARNm.

Las nanopartículas lipídicas están formuladas para entregar su carga de ARNm de forma segura a las células y liberarla. Esto libera a las moléculas de ARNm para que se deslicen hacia el citoplasma y trepen a los ribosomas residentes. Pero en la práctica, sólo alrededor del 10% del ARNm introducido de contrabando en una célula mediante nanopartículas lipídicas termina produciendo proteínas.

"Los LNP tienen problemas para dejar ir", dijo Waymouth.

Otro problema: la mayoría de las nanopartículas lipídicas nunca llegan a las células deseadas. Una vez inyectadas, las nanopartículas lipídicas tienden a gravitar hacia ciertos órganos y tipos de células. Dejados a su suerte después de la inyección intravenosa, la gran mayoría se dirige al hígado (excelente, si se trata de medicar células hepáticas). (Empresas de todo el mundo están trabajando en medicamentos basados ​​en ARNm diseñados para este propósito, dijo Waymouth).

De lo contrario, no tan bien.

Las inyecciones de COVID-19, por supuesto, se inyectan en el tejido muscular, no en las venas. Aun así, algunos ensayos con animales sugieren que parte del ARNm transmitido por nanopartículas lipídicas llega al hígado. Más ingresa a las células musculares. Pequeñas cantidades terminan en otros lugares, lo que, según Waymouth, podría causar algunos de los efectos secundarios de las vacunas.

Afortunadamente, una buena cantidad llega a las células centinela de primera línea del sistema inmunológico que "muestran y cuentan" que se encuentran en el tejido muscular o en los ganglios linfáticos cercanos. Estas células inmunes son objetivos ideales para las vacunas. Devoran nanopartículas lipídicas, siguen las instrucciones del ARNm ingerido y producen proteínas, que cortan en pequeños trozos y las exhiben en sus superficies para que otras células inmunes las reconozcan como material extraño, un paso clave para poner en marcha una respuesta inmune coordinada.

Las nanopartículas lipídicas no son demasiado tóxicas en sí mismas, pero causan cierta inflamación y se sospecha que son responsables de algunos de los efectos secundarios más comunes de la vacuna COVID-19, como dolor en los brazos, fiebre y enrojecimiento.

Algunos efectos secundarios son más preocupantes, por ejemplo, la miocarditis, un raro problema cardíaco provocado por una inflamación que experimentan principalmente hombres jóvenes y adolescentes. Si el potencial inflamatorio de las nanopartículas lipídicas, más su tendencia a divagar, podría contribuir a algunos de estos síntomas asociados con la vacuna COVID-19 que se observan con menos frecuencia, pero preocupantes, es una cuestión abierta. (Tener COVID-19 en sí implica un mayor riesgo de miocarditis).

Es una apuesta razonable que si los científicos biomédicos pudieran dirigir el ARNm a células u órganos específicos y a ningún otro lugar, esto podría reducir el riesgo de efectos secundarios. Lo que es indiscutible es que sería necesario inyectar menos vacuna. Si se desperdiciara menos, habría más para todos. Vale la pena considerar esto cuando se intenta vacunar a toda la población mundial, o cerca de ella, de una sola vez.

Puede que haya una manera de hacer precisamente eso. Formas más nuevas, más eficientes y más específicas de empaquetar el ARNm podrían proporcionar un poderoso impulso para su uso ampliado en el tratamiento de afecciones más allá de la COVID-19.

Waymouth y el profesor de química Paul Wender, Ph.D., han estado trabajando juntos durante más de una década en vehículos de entrega de ARNm simplificados y más eficientes. Estos vehículos se denominan transportadores liberables con alteración de carga, o CART.

Los CART (descritos en un artículo de enero de 2017 en Proceedings of National Academy of Sciences) son pequeñas esferas del mismo tamaño que las nanopartículas lipídicas. Pero los CART no son simples glóbulos de grasa extravagantes. Consisten principalmente en una única sustancia fibrosa que es en parte grasa y en parte similar a una proteína. Al igual que las nanopartículas lipídicas, las moléculas de esta sustancia están cargadas positivamente, por lo que pueden adherirse al ARNm, que tiene una carga negativa.

Ajustar la composición de los CART (por ejemplo, cambiando un tipo de componente básico por otro) puede cambiar radicalmente el lugar en el que se ubican en el cuerpo. Constituidos de una manera e inyectados por vía intravenosa, casi todos se dirigirán al bazo, un órgano prácticamente repleto de células inmunes esperando órdenes de atacar cualquier patógeno que se cruce en su camino. Esto es una ventaja para cualquier científico que busque una nueva forma de administrar vacunas potentes.

Constituidos de forma un poco diferente, los CART atacarán principalmente los pulmones.

"Adónde van depende de de qué están hechos", dijo Wender, que está trabajando con Waymouth en variaciones adicionales que podrían ampliar la lista de destinos designados en el cuerpo. Esa lista podría resultar útil, por ejemplo, para desarrollar una terapia genética destinada a inducir la producción de una proteína particular en un solo órgano o tipo de célula.

Cuando los CART se administran por vía intramuscular (en ratones, al menos), en su mayoría permanecen alrededor del lugar de la inyección hasta que las células inmunes locales los detectan y los ingieren. O, mejor aún, los CART se dirigen a un ganglio linfático cercano donde equipos de células inmunitarias los absorben e inician una respuesta.

Una vez dentro de cualquier célula, inmune o no, un CARRO no espera mucho antes de que sus ruedas se salgan. Literalmente se desmorona. Poco después de lograr ingresar a una célula, sus moléculas transportadoras híbridas similares a grasas y proteínas pierden su carga positiva, sueltan la carga que contenían (cadenas de ARNm) y se rompen en pedazos diminutos.

"Los diseñamos de esa manera", dijo Waymouth.

El resultado general, afirmó Wender, es que "la molécula de ARNm se libera a tiempo, prácticamente todo el tiempo". En otras palabras, los CART liberan su carga de ARNm en el lugar correcto y en buenas condiciones, y esa es la receta para la administración exitosa de cualquier medicamento o vacuna.

Descompuestas, las piezas de los CART no son tóxicas, al igual que los CART intactos. De hecho, los CART no son inmunogénicos, lo que significa que en realidad hay que agregar mejoras que estimulen el sistema inmunológico para acelerar la respuesta inmune.

Waymouth sugiere que la naturaleza inerte de los CART los hace potencialmente sintonizables. "Esto podría permitirnos marcar la respuesta inmune particular que queremos inducir", dijo. "Mantenerlo inmunológicamente inerte", añadió, "evitaría que múltiples inyecciones con el tiempo desencadenen una respuesta inflamatoria no deseada".

En 2021, Wender, Waymouth, el profesor de oncología Ronald Levy, MD, y sus compañeros de trabajo realizaron un estudio para probar esta idea, cuyos frutos se publicaron en ACS Central Science. En CART llenos de ARNm, cargaron un tramo adicional de código genético. Este tramo, común entre los virus, alerta a los receptores intracelulares sobre la presencia de microbios dentro de una célula. Su inclusión aumentó sustancialmente la respuesta inmune a la proteína codificada por ARNm en ratones, una señal prometedora para el desarrollo futuro de vacunas.

Levy, ampliamente conocido por sus innovaciones en inmunoterapia contra el cáncer, comenzó a colaborar con Waymouth y Wender hace media década. En un estudio con ratones publicado en 2019 en Cancer Research, inyectaron una combinación de fragmentos de ARNm dibujados por CART directamente en un tumor. Los tres fragmentos eran recetas de tres conocidas sustancias estimulantes del sistema inmunológico.

Los investigadores presenciaron una fuerte respuesta inmune no sólo al tumor al que habían inyectado el ARNm inmunoestimulante (un resultado no del todo inesperado) sino también a un tumor separado y similar ubicado en otra parte del cuerpo, lo que sugiere que este método podría algún día tener aplicación para librar a un paciente con cáncer de metástasis.

Una molécula de ARNm casera estándar no dura mucho dentro de una célula. No está hecho para durar. De lo contrario, una célula seguiría produciendo proteínas cuando ya no fueran necesarias. Las enzimas dentro de las células lo previenen mordiendo los extremos de una molécula de ARNm pieza por pieza, como tallando una barra de cecina de res.

Pero una molécula de ARN cuyos extremos se han unido para formar un anillo es inmune a esas enzimas que mastican y mastican.

Buscando una mayor rentabilidad para la dosis, Waymouth y Wender han estado colaborando con el profesor de dermatología y genética Howard Chang, MD, Ph.D., un experto mundial en la exploración y explotación de ARN circulares o circRNA. Se trata, como su nombre lo indica, de moléculas individuales de ARN unidas de la cabeza a la cola, mejoradas con sitios de entrada incorporados a los que pueden agarrarse los ribosomas (las prensas de impresión de proteínas de las células). Una vez que han atrapado el ARNm, pueden expulsar proteínas en abundancia y durante más tiempo. (Imagínese una sola molécula de ARNm dando vueltas y vueltas como un disco de vinilo en un tocadiscos).

Un artículo de Chang, Wender y otros investigadores, publicado en línea en Nature Biotechnology en abril de 2022, demostró que podían improvisar un ARN circular que se mantuviera más fuerte durante más tiempo. Resiste la degradación en su camino hacia las células, produce abundantes copias de la proteína que codifica y dura más dentro de las células antes de descomponerse.

"En nuestro propio trabajo, el ARNm lineal normalmente sobrevive dentro de una célula durante aproximadamente 24 horas", dijo Wender. "A las 48 horas, desapareció". Pero el artículo de Nature Biotechnology mostró que, en ratones, el circRNA administrado en CART duró dentro de las células en las que penetró durante más de siete días. Por lo tanto, una sola molécula podría producir mucha más proteína deseada que si fuera más efímera.

Los CART aún no se han probado en humanos en ensayos clínicos rigurosos. Parece que faltan algunos años para eso, aunque, como hemos visto con el COVID-19, la necesidad percibida puede acelerar enormemente el tratamiento.

"Los CircRNA también se pueden empaquetar y administrar en nanopartículas de lípidos", señaló Chang, profesor de investigación del cáncer de Virginia y DK Ludwig. Algunas empresas que desarrollan medicamentos con ARN circular están utilizando nanopartículas de lípidos como vehículos de administración, dijo.

Ya sea administrado mediante nanopartículas lipídicas, mediante CART o mediante alguna tecnología innovadora aún por surgir, el ARNm desempeñará un papel cada vez más prevalente en el desarrollo de vacunas.

La COVID-19 fue la plataforma de lanzamiento de la tecnología de vacunas de ARNm. Mientras el mundo emerge de lo peor de la pandemia, ¿puede la misma plataforma enviar vacunas de ARNm dirigidas a prácticamente cualquier microbio de su elección? Pulendran, el vacunólogo, responde con un rotundo sí.

"Cualquier vacuna que se pueda imaginar, las empresas pioneras en ARNm están trabajando en ella", dijo Pulendran, quien ha consultado con BioNTech, Moderna y Pfizer, tres empresas estrechamente asociadas con la tecnología. "Su visión del mundo es que la tecnología de ARNm reemplazará a todas las anteriores. El futuro es extremadamente brillante para las vacunas de ARNm".

Pulendran señaló un par de críticas que se han dirigido a las vacunas COVID-19 basadas en ARNm. "Han sido muy buenos para prevenir enfermedades graves, hospitalizaciones y muertes", afirmó. "Hasta ahora, no han sido tan buenos para prevenir infecciones durante largos períodos de tiempo, particularmente frente a variantes virales cada vez más nuevas, y no han sido muy buenos para prevenir la transmisión".

Pero la transmisión es un problema común a todas las infecciones respiratorias, afirmó. Es difícil prevenir completamente la infección de la nariz y la garganta con cualquier vacuna, ya que las células de estas cavidades que miran hacia afuera están constantemente expuestas al aire y, en consecuencia, a los microbios que inhalamos.

"Para mí, el objetivo más importante de una vacuna es prevenir la enfermedad grave o incluso moderada", afirmó Pulendran. "Un 'resfriado' leve de COVID puede incluso beneficiarnos al mantener nuestro sistema inmunológico alerta". Por otro lado, dijo, las vacunas de ARNm que emplean sistemas de administración que se dirigen a los revestimientos secretores de moco de nuestras vías respiratorias y nuestro intestino pueden resultar más eficaces para prevenir la infección de forma duradera.

¿Fue la tecnología que rescató a los más susceptibles a las depredaciones del SARS-CoV-2 (el virus que causa el COVID-19) una maravilla de un solo éxito, o fue una cornucopia que confiere protección contra amenazas microbianas de todo tipo? El tiempo dirá.

Y no tardará mucho. Se están realizando pruebas clínicas de vacunas basadas en ARNm contra la influenza, el VIH, el citomegalovirus, el dengue, la rabia y varios otros virus, así como contra la malaria, la tuberculosis y otros microbios no virales. Moderna está presentando su vacuna basada en ARNm dirigida contra el virus respiratorio sincitial a la FDA para su aprobación. Moderna y Merck están colaborando en una vacuna personalizada contra el cáncer de piel que emplea ARNm, que ahora se encuentra en ensayos clínicos.

Todas estas son enfermedades familiares, aunque no deseadas. Lo que más debería temer la humanidad (y contra lo que la tecnología de la vacuna de ARNm plug-and-play promete proporcionar la defensa más valiente y rápida) son esos próximos monstruos desconocidos que suben la colina hacia nosotros, que las películas de ciencia ficción siempre parecen representar como gigantes pero en realidad son microscópicos.