Un camino de nanomateriales para el desarrollo de la vacuna COVID-19

Profesora de nanoingeniería de UC San Diego Nicole Steinmetz. Crédito: David Baillot/Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego

Desde las vacunas de ARNm que ingresan a los ensayos clínicos hasta las vacunas basadas en péptidos y el uso de la agricultura molecular para escalar la producción de vacunas, la pandemia de COVID-19 está empujando a las nanotecnologías nuevas y emergentes al frente. y los titulares.

Los nanoingenieros de UC San Diego detallan los enfoques actuales para el desarrollo de la vacuna COVID-19 y destacan cómo la nanotecnología ha permitido estos avances, en un artículo de revisión en Nature Nanotechnology publicado el 15 de julio.

«La nanotecnología juega un importante en el diseño de vacunas», escribieron los investigadores, dirigidos por la profesora de nanoingeniería de UC San Diego, Nicole Steinmetz. Steinmetz también es el director fundador del Centro de Nanoingeniería de UC San Diego. «Los nanomateriales son ideales para la entrega de antígenos, sirviendo como plataformas adyuvantes e imitando estructuras virales. Los primeros candidatos lanzados a ensayos clínicos se basan en nanotecnologías novedosas y están preparados para tener un impacto».

Steinmetz lidera un esfuerzo financiado por la Fundación Nacional de Ciencias para desarrollar, utilizando un virus de planta, un parche de vacuna COVID-19 estable y fácil de fabricar que se puede enviar a todo el mundo y que los pacientes pueden autoadministrar sin dolor. Tanto la vacuna en sí como la plataforma de administración de parches con microagujas se basan en la nanotecnología. Esta vacuna se enmarca en el enfoque basado en péptidos que se describe a continuación.

«Desde el punto de vista del desarrollo de tecnología de vacunas, este es un momento emocionante y las nuevas tecnologías y enfoques están preparados para tener un impacto clínico por primera vez». Por ejemplo, hasta la fecha, ninguna vacuna de ARNm ha sido aprobada clínicamente, sin embargo, la tecnología de vacunas de ARNm de Moderna para COVID-19 está avanzando y fue la primera vacuna en ingresar a pruebas clínicas en los EE. UU.».

A partir de 1 de junio, hay 157 vacunas candidatas contra el COVID-19 en desarrollo, con 12 en ensayos clínicos.

«Hay muchas tecnologías de plataforma de nanotecnología que se utilizan para aplicaciones contra el SARS-CoV-2; aunque son muy prometedoras, muchas de sin embargo, es posible que falten varios años para su implementación y, por lo tanto, es posible que no tengan un impacto en la pandemia del SARS-CoV-2», escribió Steinmetz. «Sin embargo, tan devastador como es COVID-19, puede servir como un impulso para que la comunidad científica, los organismos de financiación y las partes interesadas pongan más esfuerzos enfocados en el desarrollo de tecnologías de plataforma para preparar a las naciones para futuras pandemias», escribió Steinmetz.

Para mitigar algunas de las desventajas de las vacunas contemporáneas, a saber, las cepas vivas atenuadas o inactivadas del propio virus, los avances en nanotecnología han permitido varios tipos de vacunas de próxima generación, que incluyen:

Péptido- Vacunas basadas en: Usando una combinación de informática e investigación inmunológica de anticuerpos y sueros de pacientes, se han identificado varios epítopos de células B y T de la proteína S del SARS-CoV-2. A medida que pasa el tiempo y el suero de los pacientes convalecientes de COVID-19 se analiza en busca de anticuerpos neutralizantes, los epítopos peptídicos derivados experimentalmente confirmarán las regiones epitópicas útiles y darán lugar a antígenos más óptimos en las vacunas peptídicas contra el SARS-CoV-2 de segunda generación. Los Institutos Nacionales de Salud recientemente financiaron el Instituto de Inmunología de La Jolla en este esfuerzo.

Los enfoques basados en péptidos representan la forma más simple de vacunas que se diseñan fácilmente, se validan rápidamente y se fabrican rápidamente. Las vacunas basadas en péptidos pueden formularse como péptidos más mezclas de adyuvantes o los péptidos pueden administrarse mediante un nanoportador apropiado o codificarse mediante formulaciones de vacunas de ácido nucleico. Varias vacunas basadas en péptidos, así como conjugados de péptidos y nanopartículas, se encuentran en desarrollo y pruebas clínicas dirigidas a enfermedades crónicas y cáncer, y OncoGen y la Universidad de Cambridge/DIOSynVax están utilizando secuencias peptídicas de proteína S derivadas de la inmunoinformática en sus formulaciones de vacunas contra la COVID-19.

Una clase intrigante de nanotecnología para vacunas peptídicas son las partículas similares a virus (VLP) de bacteriófagos y virus de plantas. Si bien no son infecciosos para los mamíferos, estos VLP imitan los patrones moleculares asociados con los patógenos, haciéndolos muy visibles para el sistema inmunitario. Esto permite que los VLP sirvan no solo como plataforma de entrega sino también como adyuvante. Las VLP mejoran la captación de antígenos virales por parte de las células presentadoras de antígenos y proporcionan el estímulo inmunitario adicional que conduce a la activación y amplificación de la respuesta inmunitaria subsiguiente. Steinmetz y el profesor Jon Pokorski recibieron una subvención de respuesta rápida de investigación de la NSF para desarrollar una vacuna COVID-19 basada en péptidos a partir de un virus vegetal. Su enfoque utiliza el virus del mosaico del caupí que infecta las legumbres, lo diseña para que se parezca al SARS-CoV-2 y teje péptidos antigénicos en su superficie, lo que estimulará una respuesta inmunitaria.

Un gráfico del SARS-CoV-2 virus. Crédito: UC San Diego

Su enfoque, así como otros sistemas de expresión basados en plantas, se pueden ampliar fácilmente mediante la agricultura molecular. En la agricultura molecular, cada planta es un biorreactor. Cuantas más plantas se cultivan, más vacunas se fabrican. Medicago demostró recientemente la velocidad y escalabilidad de la plataforma al fabricar 10 millones de dosis de vacuna contra la influenza en un mes. En la epidemia de ébola de 2014, los pacientes fueron tratados con ZMapp, un cóctel de anticuerpos fabricado mediante agricultura molecular. La agricultura molecular tiene costos de fabricación bajos y es más segura ya que los patógenos humanos no pueden replicarse en las células vegetales.

Vacunas basadas en ácido nucleico: para infecciones virales emergentes rápidas y pandemias como COVID-19, desarrollo rápido y a gran escala el despliegue de vacunas es una necesidad crítica que puede no ser satisfecha por las vacunas de subunidades. Entregar el código genético para la producción in situ de proteínas virales es una alternativa prometedora a los enfoques de vacunas convencionales. Tanto las vacunas de ADN como las vacunas de ARNm entran en esta categoría y se están buscando en el contexto de la pandemia de COVID-19.

* Las vacunas de ADN están formadas por pequeñas piezas circulares de plásmidos bacterianos diseñados para atacar maquinaria nuclear y producen la proteína S del SARS-CoV-2 aguas abajo.

* Las vacunas de ARNm, por otro lado, se basan en ARNm de diseñador que se administra en el citoplasma, donde la maquinaria de la célula huésped luego traduce el gen en un proteínaen este caso la proteína S de longitud completa del SARS-CoV-2. Las vacunas de ARNm se pueden producir a través de la transcripción in vitro, lo que excluye la necesidad de células y sus obstáculos regulatorios asociados.

Si bien las vacunas de ADN ofrecen una mayor estabilidad que las vacunas de ARNm, el ARNm no se integra y, por lo tanto, no presenta riesgo de mutagénesis por inserción. Además, la vida media, la estabilidad y la inmunogenicidad del ARNm se pueden ajustar mediante modificaciones establecidas.

Se están desarrollando varias vacunas contra el COVID-19 que utilizan ADN o ARN: Inovio Pharmaceuticals tiene un ensayo clínico de Fase I en curso y Entos Pharmeuticals está en camino de realizar un ensayo clínico de Fase I con ADN. La tecnología basada en ARNm de Moderna fue la más rápida en el ensayo clínico de Fase I en los EE. UU., que comenzó el 16 de marzo, y BioNTech-Pfizer anunció recientemente la aprobación regulatoria en Alemania para los ensayos clínicos de Fase 1/2 para probar cuatro candidatos principales de ARNm.

Vacunas de subunidades: Las vacunas de subunidades utilizan solo elementos estructurales mínimos del virus patógeno que priman la inmunidad protectora, ya sea proteínas del propio virus o VLP ensambladas. Las vacunas de subunidades también pueden utilizar VLP no infecciosas derivadas del propio patógeno como antígeno. Estas VLP carecen de material genético y retienen algunas o todas las proteínas estructurales del patógeno, imitando así las características topológicas inmunogénicas del virus infeccioso, y pueden producirse mediante expresión recombinante y escalables mediante fermentación o cultivo molecular. Los principales desarrolladores entre los desarrolladores son Novavax, que inició un ensayo de Fase I/II el 25 de mayo de 2020. También Sanofi Pasteur/GSK, Vaxine, Johnson & Johnson y la Universidad de Pittsburgh han anunciado que esperan comenzar los ensayos clínicos de Fase I en los próximos unos meses. Otros, incluidos Clover Biopharmaceuticals y la Universidad de Queensland, Australia, están desarrollando de forma independiente vacunas de subunidades diseñadas para presentar la confirmación del trímero de prefusión de la proteína S utilizando la tecnología de abrazadera molecular y la tecnología de etiqueta de trímero, respectivamente.

Desarrollo de dispositivos de administración

Por último, los investigadores señalan que el impacto de la nanotecnología en el desarrollo de la vacuna COVID-19 no termina con la vacuna en sí, sino que se extiende a través del desarrollo de dispositivos y plataformas para administrar la vacuna. Históricamente, esto se ha complicado por las vacunas vivas atenuadas e inactivadas que requieren refrigeración constante, así como por la falta de profesionales de la salud donde se necesitan las vacunas». lanzar implantes y parches a base de microagujas que podrían reducir la dependencia de la cadena de frío y garantizar la vacunación incluso en situaciones en las que los profesionales de la salud calificados son escasos o tienen una gran demanda», escriben los investigadores. «Los parches basados en microagujas podrían incluso autoadministrarse, lo que aceleraría drásticamente el lanzamiento y la diseminación de tales vacunas, además de reducir la carga sobre el sistema de atención médica».

Pokorski y Steinmetz están desarrollando conjuntamente un plataforma de entrega de microagujas con su vacuna COVID-19 de virus de plantas por ambas razones.

«Los avances en bio/nanotecnología y nanofabricación avanzada junto con informes abiertos y el intercambio de datos sientan las bases para el desarrollo rápido de tecnologías de vacunas innovadoras para tener un impacto durante la pandemia de COVID-19», escribieron los investigadores. «Varias de estas tecnologías de plataforma pueden servir como tecnologías plug-and-play que se pueden adaptar a cepas nuevas o estacionales de coronavirus. COVID-19 alberga el potencial de convertirse en una enfermedad estacional, lo que subraya la necesidad de una inversión continua en vacunas contra el coronavirus».

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Sanofi amplía su empresa de vacunas en los EE. UU. en la carrera por la COVID-19 Más información: Matthew D. Shin et al, Desarrollo de vacunas contra la COVID-19 y posible camino a seguir con nanomateriales, Nature Nanotechnology (2020). DOI: 10.1038/s41565-020-0737-y Información de la revista: Nature Nanotechnology

Proporcionado por la Universidad de California – San Diego Cita: Un camino a seguir de nanomateriales para COVID -19 desarrollo de la vacuna (2020, 15 de julio) recuperado el 31 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2020-07-nanomaterial-path-covid-vaccine.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.