Los muchos sistemas modelo de COVID-19
ARRIBA: Un hámster sirio dorado ISTOCK.COM, 4KODIAK
A principios de este año, como transmisión del SARS-CoV-2, el virus detrás del COVID -19 comenzó a acelerarse, los investigadores de todo el mundo se apresuraron a encontrar sistemas modelo que pudieran proporcionar información sobre la propagación de la enfermedad, las respuestas inmunitarias del huésped y los posibles tratamientos.
Cuando comenzó la pandemia, nadie realmente sabía cuál iba a ser el mejor modelo, dice Amanda Martinot, patóloga veterinaria de la Escuela de Medicina Veterinaria Tufts Cummings.
Los candidatos más ampliamente disponibles eran los ratones, que son fáciles de alojar y tan bien investigados que hay toneladas de herramientas disponibles para estudiar casi todos los aspectos de su biología. Pero como sospechaban los investigadores, basándose en la incompatibilidad previa de ratones y otros coronavirus, los animales presentan desafíos cuando se trata de estudiar el SARS-CoV-2. El virus usa un receptor humano llamado ACE2 para ingresar a las células, pero el ACE2 de ratón es lo suficientemente diferente como para que el virus no se adhiera fácilmente a él.
Los científicos han superado el problema usando dos estrategias separadas: generar animales transgénicos que expresen el receptor humano y modificando el virus SARS-CoV-2 para que sea más capaz de unirse a ACE2 de ratón.
Incluso con el éxito de esos enfoques, los investigadores también han estado buscando otras opciones. Los hurones, por ejemplo, son útiles para estudiar la transmisión viral y la replicación viral en el tracto respiratorio superior y varios grupos los han utilizado para experimentos con el SARS-CoV-2. Algunos investigadores también han recurrido a los hámsteres, que se han utilizado en el pasado para estudiar otros virus, incluidos los coronavirus responsables del síndrome respiratorio agudo severo y el síndrome respiratorio de Oriente Medio.
Los hámsteres son conocidos en virología por su permisividad. a todo tipo de infección viral en realidad, y, como regla general, diría que si algo no funciona en un ratón, también puedes probar con un hámster, dice Jakob Trimpert, un postdoctorado en la Universidad Libre de Berlín. Y si tienes suerte, funciona allí. Junto con sus colaboradores, ha estado utilizando varias especies de hámsteres para estudiar las infecciones por SARS-CoV-2 y las posibles terapias.
El receptor ACE2 del hámster es compatible con el SARS-CoV-2 y los animales desarrollan indicadores clínicos claros. de la enfermedad, explica. Por ejemplo, los hámsteres sirios (Mesocricetus auratus), una de las especies de hámster más utilizadas en la investigación de virus en todo el mundo, contraen infecciones leves por SARS-CoV-2, pero sus El síntoma principal es la pérdida de peso reproducible y posible de medir. Estos animales también tienen una neumonía grave que es detectable a través de una patología pulmonar. Trimpert y sus colegas utilizaron transcriptómica y proteómica para evaluar las respuestas inmunitarias de los animales al SARS-CoV-2 en un estudio que publicaron el 20 de julio.
Muchos espacios de aire alveolar (blanco) se colapsan durante un SARS-CoV-2 infección pulmonar en un hámster sirio (derecha). No están colapsados en un pulmón de hámster no infectado (izquierda). Amanda Martinot, Facultad de Medicina Veterinaria de Tufts Cummings
Los hámsters han sido el mejor modelo hasta ahora para mostrarnos cualquier enfermedad clínica, dice Martinot. Desarrollan pérdida de peso y desarrollan una neumonía fulminante que afecta a veces más del cincuenta por ciento de sus pulmones, agrega. También se recuperarán si se les da tiempo, pero creemos que la patología es más representativa de lo que podrías ver en humanos. Martinot, Dan Barouch, quien dirige el Centro de Virología e Investigación de Vacunas en el Centro Médico Beth Israel Deaconess, y otros colaboradores publicaron recientemente un estudio que muestra que una vacuna contra el SARS-CoV-2 protegió contra la pérdida de peso y la neumonía en hámsters sirios.</p
Esta especie, también conocida como el hámster dorado sirio, también tiene algunos inconvenientes, dice Trimpert. Son grandes, por ejemplo, con un peso de 150 a 160 gramos completamente desarrollados, en contraste con los ratones adultos, que inclinan la balanza a unos 3035 gramos. Los hámsteres sirios también son agresivos entre sí y, a veces, con las personas que los cuidan. Su tamaño y agresividad significan que a menudo tienen que ser alojados solos en jaulas más grandes, lo que los hace más caros de mantener.
Los mayores problemas, según Trimpert, son la mala calidad del genoma secuenciado, muchos genes son solo falta y la falta de herramientas moleculares que funcionen en hámsters. Para evitar estos problemas, Trimpert y sus colegas están volviendo a secuenciar y anotando el genoma del hámster sirio.
Debido a que la pérdida de peso en los hámsteres sirios (su único síntoma clínico fácilmente observable) es bastante leve, también es un inconveniente, especialmente cuando se prueban terapias o vacunas, le dice Trimpert a The Scientist. Si necesita treinta hámsters para obtener significación estadística. . . ese es un gran problema práctico.
Los investigadores están eludiendo este problema al comenzar a trabajar con otra especie, los hámsteres enanos de Roborovski (Phodopus roborovskii), que son más pequeños que los ratones y menos agresivos. que los hámsters sirios. Los hámsteres enanos también se enferman mucho más que sus parientes más grandes después de la infección por SARS-CoV-2, y desarrollan coágulos de sangre masivos en los pulmones, que a menudo también están presentes en casos graves de COVID-19 en las personas. La mayoría de estos hámsteres finalmente mueren debido a las complicaciones de la infección, lo que, según Trimpert, indica que podrían ser un buen modelo de enfermedad grave en humanos.
Organoides además de modelos animales
Un organoide intestinal humano (con núcleos etiquetados en azul y la forma de la célula delineada en verde) infectado con SARS-CoV-2 (etiquetado en rojo)Joep Beumer
Obtener una mejor imagen de lo que sucede en las personas es un objetivo común. Eric Song, estudiante de MD/PhD en el laboratorio de Akiko Iwasakis en la Facultad de Medicina de Yale, quería determinar qué efecto estaba teniendo el SARS-CoV-2 en el cerebro. Él y sus colegas utilizaron un modelo de ratón humanizado, en el que un promotor impulsa la expresión de ACE2 humano en células epiteliales, en un estudio publicado como preimpresión a principios de este año. Descubrieron que el SARS-CoV-2 podía infectar el sistema nervioso central en los ratones, pero aún no estaba claro si esos hallazgos se traducían en pacientes humanos.
Para investigar esa pregunta, los investigadores recurrieron a organoides cerebrales cultivados, órganos en miniatura que se asemejan al cerebro en desarrollo y contienen tipos de células neuronales y gliales derivadas de células madre pluripotentes inducidas por humanos (iPSC). El SARS-CoV-2 no solo infectó los organoides, sino que la infección también pareció causar la muerte celular, un hallazgo corroborado por otro estudio en organoides cerebrales publicado por un grupo separado el 23 de septiembre. Song y sus colegas también encontraron anticuerpos contra el SARS-CoV-2 en el líquido cefalorraquídeo de personas con COVID-19 y evidencia de infección por SARS-CoV-2 en los cerebros post-mortem de pacientes con COVID-19.
El equipo utilizó tres métodos complementarios para tener en cuenta las limitaciones de cada uno , Song le dice a The Scientist. Hay espacio para todos los diferentes modelos que están en juego, agrega. Con muestras humanas, solo puede tomar una instantánea de los pacientes más enfermos porque esa es la única vez que obtendrá una muestra post-mortem, pero combinado con el modelo de ratón y organoide, puede estudiar [la] cinética y el proceso dinámico de invasión viral. Cosas como los organoides realmente nos ayudan a acceder a tejidos a los que de otro modo no tendríamos acceso.
El inmunólogo y biólogo del desarrollo Hans Clevers de la Universidad de Utrecht en los Países Bajos y sus colegas están aprovechando ese acceso con organoides intestinales. Sin embargo, en lugar de derivar los organoides de las iPSC, utilizan células madre multipotentes extraídas de cualquier tejido epitelial adulto. De alguna manera, la estrategia es más limitada: las células epiteliales intestinales solo pueden producir mini intestinos, por ejemplo, en contraste con los organoides derivados de iPSC, que pueden convertirse en muchos tejidos diferentes. Por otro lado, crecen para siempre, dice Clevers. organoides basados en iPSC, los haces y luego tienes que usarlos para un experimento porque dejan de crecer en el momento en que comienzas a especificarlos.
Su grupo publicó un estudio el 3 de julio investigando si SARS- CoV-2 puede atacar el intestino, una hipótesis basada en la expresión de ACE2 en el revestimiento intestinal y los síntomas gastrointestinales que experimentan muchos pacientes con COVID-19. Su trabajo en organoides del intestino delgado humano confirmó que el virus ingresa a las células del revestimiento intestinal, se replica y causa cambios en la expresión génica.
Ahora, Clevers y sus colegas están utilizando organoides para probar posibles COVID-19. 19 terapéuticas. La cloroquina es un ejemplo de un fármaco que parecía prometedor para bloquear la infección por SARS-CoV-2 cuando los investigadores lo probaron en cultivos celulares convencionales, en ese caso, células derivadas de riñones de monos verdes africanos y cultivadas en una capa en un plato, dice. Pero, como han demostrado en un nuevo estudio que se envió para revisión por pares, en el modelo de organoide intestinal, la cloroquina es ineficaz contra el SARS-CoV-2, tal como lo es en los pacientes. Según Clevers, este último hallazgo indica que un paso adicional de detección en organoides después de la identificación de un fármaco prometedor en un sistema de cultivo celular tradicional podría proporcionar otra capa de información antes de pasar a modelos animales preclínicos o a la clínica.
Las líneas celulares son baratas, crecen rápido y la mayoría de las estrategias robóticas para la detección han sido diseñadas para células que crecen en dos dimensiones, dice Clevers. Hay múltiples esfuerzos ahora en todo el mundo para crear las máquinas para hacer pantallas similares de alto rendimiento con 3D. Con los organoides, es un poco más complejo de analizar porque no son planos, explica, pero el tipo de organoides que generan en su laboratorio crece rápidamente. Él predice que los organoides se usarán más ampliamente porque su fisiología recapitula muy bien la de los humanos, pero que nunca reemplazarán a los animales.
SARS-CoV-2 en primates no humanos
Junto con los hámsteres, los primates no humanos son uno de los principales modelos que utilizan los investigadores que estudian las terapias contra el COVID-19. El SARS-CoV-2 infecta fácilmente a los primates, como los macacos, debido a la compatibilidad de su receptor ACE2, pero no muestran síntomas de la enfermedad, dice Martinot. La experiencia de primates no humanos de COVID-19 parece ser más similar a los casos levemente sintomáticos de la mayoría de las personas infectadas, agrega. Desarrollan regiones de patología en sus pulmones que son detectables con un microscopio, pero no es suficiente para enfermarlos, y es poco probable observar ese tipo de enfermedad en una persona porque estos animales son sacrificados temprano en la infección para permitir que los investigadores rastreen cualquier cambio. .
Sería bueno tener un modelo primate de enfermedad grave, dice Barouch. Nadie ha podido desarrollar uno hasta ahora, pero los modelos siempre están en desarrollo.
Y la presentación de síntomas no lo es todo. Estos animales son más difíciles de acceder y de albergar que los roedores, pero son un modelo maravilloso para la investigación de vacunas y para la evaluación. . . la respuesta inmune adaptativa a COVID-19, dice Martinot, al menos en parte porque hay muchas herramientas existentes que los investigadores pueden aprovechar. Los reactivos que están disponibles para evaluar la respuesta inmunitaria [en las personas] funcionan en los monos, por lo que podemos monitorear con mucho cuidado al primate no humano para el desarrollo de anticuerpos, respuestas de citoquinas y respuestas de células T, agrega.
Uno siempre quiere elegir su mejor modelo para su pregunta específica, le dice Martinot a The Scientist. Pero dependiendo de qué tipo de pregunta esté haciendo o qué tipo de fármaco esté probando, realmente tiene que elegir el modelo que mejor se adapte a su capacidad para responder a esas preguntas de una manera muy precisa y reproducible.
La Organización Mundial de la Salud Research & Development Blueprint Team ha estado trabajando en esto desde febrero. El equipo revisa el progreso y coordina los esfuerzos en modelos animales de COVID-19 con el objetivo principal de avanzar en el desarrollo de terapias y vacunas contra el COVID-19. El 23 de septiembre, algunos miembros del grupo y un puñado de otros investigadores publicaron una revisión que detalla el trabajo que se ha realizado para modelar las infecciones por SARS-CoV-2 en animales, en particular, ratones, hámsteres, hurones y primates no humanos, y destaca cómo los hallazgos en animales corresponden a enfermedades. progresión en las personas.
El desarrollo y uso de estos modelos no es un proceso lineal, y están bajo revisión constante, dice Barouch, quien es parte del grupo de trabajo de la OMS. Cuando hay datos humanos, eso permite la validación posterior o el refinamiento del modelo. . . por lo que tiene que haber una retroalimentación continua de los modelos a los ensayos clínicos y viceversa.
En cosas que son tan nuevas, como el SARS-CoV-2, bien puede ser que haya más de un modelo animal útil , dice Trimpert. Debemos ser abiertos y flexibles, especialmente en situaciones de emergencia como esta.