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¿Un tomate como vacuna comestible que inmuniza contra COVID19? Biotecnólogos mexicanos trabajan en hacerlo realidad

Mientras grandes empresas y consorcios del sector público en Estados Unidos, Canadá, China, Europa y Australia corren a toda velocidad por el desarrollo de una vacuna cultivada en plantas de tabaco transgénico, un grupo de investigadores de una universidad mexicana trabajan con el mismo objetivo pero con una estrategia distinta e innovadora: la identificación de antígenos candidatos a vacuna mediante bioinformática e ingeniería genética computacional y su expresión en plantas de tomate que al ingerirse nos inmunizaría contra COVID-19.

Cornell Alliance for Science / 6 de mayo, 2020.- En los momentos que escribo estas líneas, ya se contabilizan más de 3.6 millones de contagiados (reportados) por la pandemia de COVID19 y más de 252 mil muertes a nivel global. En el país con más contagiados hasta el momento, Estados Unidos, las muertes por COVID han sobrepasado en apenas un par de meses a las muertes causadas por cáncer, enfermedad coronaria e incluso por influenza/neumonía.

Esta situación crítica ha llevado a que el mundo completo se enfrasque en una verdadera carrera por desarrollar una vacuna que inmunice a la población contra esta nueva cepa de coronavirus surgida a fines del año 2019 en China. Hasta el momento, son más de 100 vacunas que se están investigando para COVID-19 desde universidades, centros de investigación públicos y especialmente empresas privadas. Algunas ya se encuentran bajo ensayo clínico.

Los enfoques usados para su producción no difieren mucho de los clásicos a nivel general en vacunas, donde los antígenos (compuesto del patógeno utilizado para generar inmunidad en el paciente) puede ser el virus inactivado, así como el material genético o una proteína del virus, el cual se cultiva a gran escala en huevo de gallina, tejido celular de mamíferos/insectos o microorganismos genéticamente modificados.

Plantas como fábricas biológicas de vacunas

Un enfoque menos conocido para producir antígenos y vacunas a gran escala es el uso de plantas como biofábricas, las cuales son genéticamente modificadas (Figura 1) para producir, por ejemplo, virus-like-particles (VLPs), que son proteínas estructurales del virus, o proteínas “multi-epítopo”, donde se trabaja con distintas secuencias de un antígeno que permiten generar una respuesta inmunizadora y de protección en el ser humano.

La planta más utilizada suele ser Nicotiana benthamiana, un pariente cercano del tabaco, por su biomasa, fácil manejo en laboratorio y rápido periodo de crecimiento, pero también se ha trabajado con una serie de otros cultivos como lechuga, zanahoria, papa, arroz, tomate, maíz, entre otros.

A inicios de 2020 se contabilizaban 97 vacunas en etapa experimental obtenidas con esta metodología, donde se incluyen antígenos cultivados en plantas para VIH, poliomielitis, hepatitis B, rabia, VPH, cólera, tuberculosis, entre otros patógenos, e incluso, se ha trabajado en el cultivo de compuestos anticancerígenos y para enfermedades autoinmunes.

Algunas que han logrado llegar a ensayos clínicos avanzados incluyen una vacuna para la influenza desarrollada por Medicago, una vacuna para malaria de Fraunhofer, y ZMapp, un suero de tres anticuerpos monoclonales desarrollado por Kentucky Bioprocessing, el cual ya fue usado con pacientes en los brotes de ébola de 2014-2015 y 2018-2019 en África. Todas estas vacunas fueron obtenidas en cultivo de tabaco transgénico.

Actualmente los fármacos de origen vegetal ya son una realidad y al menos uno ha entrado en el mercado: taliglucerasa alfa, una enzima cultivada en zanahoria y obtenida en biorreactores, que se prescribe como terapia de reemplazo para la enfermedad de Gaucher.

vacunas elaboradas en plantas

Figura 1.- Esquema general para la producción de proteínas recombinantes en plantas usando agroinfiltración: El ciclo de expresión de la proteína o antígeno recombinante lleva de 6 a 10 días, comenzando con la agroinfiltración de las plantas cultivadas mediante Agrobacterium (A). La agroinfiltración se logra sumergiendo las plantas en un cultivo de Agrobacterium que alberga vectores plasmídicos que codifican el gen de interés (en este caso del antígeno para la vacuna) y se le someten a un pulso de vacío para forzar al cultivo bacteriano a ingresar (B). Las plantas se incuban durante varios días (C) y se cosechan (D) mediante un protocolo estrictamente controlado diseñado para evitar la liberación de bacterias GM en el medio ambiente. Posteriormente se realiza la extracción de proteínas recombinantes (E) y la purificación para elaborar el fármaco o vacuna recombinante (F). Fuente: Pharmacognosy, 2017

Las ventajas de las vacunas cultivadas en plantas incluyen el facilitamiento de su transporte y almacenamiento sin necesidad de cadena de frío (lo cual abarata costos), además, no es necesario preocuparse por contaminación de toxinas y agentes patógenos para el ser humano, un riesgo que puede presentarse en la producción de vacunas en microorganismos o cultivos en mamíferos.

Esfuerzos en COVID-19 desde el sector público y privado

Dentro de la carrera de vacunas contra COVID-19, el enfoque de cultivo en plantas o (“Biopharming”) no se ha quedado fuera. Dos empresas ya mencionadas están trabajando en el cultivo de antígenos de COVID-19 mediante la expresión de VLPs en tabaco transgénico. Una de ellas es la empresa canadiense Medicago, en la cual su CEO afirmó poder fabricar “10 millones de dosis por mes” si es que su innovador método de producción y ensayos clínicos obtienen la aprobación de la FDA en Estados Unidos. Por otro lado, la empresa estadounidense Kentucky Bioprocessing está utilizando un tabaco transgénico propio de rápido crecimiento y afirmó públicamente que ya están realizando pruebas preclínicas y poseer la capacidad de fabricar hasta 3 millones de dosis por semana.

El tercer grupo de investigación del sector privado es una alianza entre la empresa estadounidense iBio y la china Beijing CC-Pharming, que están combinando el cultivo de VLPs y un adyuvante inmunoestimulador portador de liquenasa en tabaco.

Mientras tanto, el sector público no se queda atrás. La Universidad de California en San Diego trabaja en un innovador proyecto colaborativo interno para el desarrollo de un parche-vacuna con microagujas que utiliza proteínas cultivadas en plantas transgénicas.

Por otro lado, el Centro de Investigación en Agrigenómica (CRAG) de España, desarrollará antígenos para COVID 19 en lechuga y tabaco transgénico, y el proyecto internacional NEWCOTIANA, que trabaja en el desarrollo de medicamentos y vacunas en plantas con financiamiento de la Unión Europea, ha liberado la secuencia genética completa de Nicotiana benthamiana a fin de acelerar el desarrollo de una vacuna basada en plantas. Este último trabajo fue liderado por el IBMCP (España) y la Universidad Tecnológica de Queensland (Australia).

¿Y si la vacuna se pudiera “comer” en lugar de inyectarse?

Si bien las vacunas elaboradas en plantas anteriormente mencionadas poseen ciertas ventajas sobre las convencionales, su vía de administración sigue siendo por inyección parenteral (que tanto dolor nos causó a más de alguno en el colegio). ¿Y si en lugar de usar tabaco y purificar los antígenos, se pudiera comer directamente un fruto genéticamente modificado que nos inmunice?

A pesar de que aún no existe algo como esto en uso clínico, no es una novedad en términos experimentales, ya que desde los años 1990’s varios grupos de investigación han trabajado en la modificación de plantas y frutos comestibles que generen una respuesta inmunitaria en el epitelio intestinal de animales tras ingesta oral (Figura 2). Los cultivos modificados (experimentales) para crear “vacunas comestibles” van desde papa, tomate, lechuga, papaya, zanahoria, arroz, hasta quinua, alfalfa, plátano y algas; y se han enfocado en diversas enfermedades como hepatitis, B, rotavirus, virus Norwalk, malaria, cólera, enfermedades autoinmunes, entre otras.

Esta vía fue la que decidió usar el joven biotecnólogo y empresario Daniel Garza, con estadía en el Instituto de Biotecnología de la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL) en México, como un enfoque para vacuna contra COVID-19. “El desarrollo de una vacuna comestible contra el SARS-CoV-2 hasta ahora ha sido una alternativa poco explorada, aún cuando los beneficios son evidentes. Bajo esa premisa se abordaría esta problemática con el enfoque de desarrollar una proteína de fusión con las características de vacuna para ser expresada en plantas de tomate” afirma Garza en una entrevista para Cornell Alliance for Science.

Garza junto a un grupo multidisciplinario de investigadores utilizan la bioinformática e ingeniería genética computacional aplicando la estrategia de vacunología inversa. De manera más específica, mediante el uso de herramientas de la bioinformática identifican los antígenos más  probable a ser candidatos a vacuna para inducir una respuesta inmunológica a través análisis “in silico” del genoma del patógeno.

“El desarrollo de vacunas mediante técnicas convencionales depende de un gran número de métodos bioquímicos, inmunológicos y microbiológicos que requieren de una gran cantidad de tiempo y que implican mayores costes de producción” afirma Garza. “Mientras que la estrategia de vacunología inversa ofrece la posibilidad de identificar un mayor número de proteínas de cada patógeno y seleccionar los mejores antígenos vacunales candidatos. Esto permite el desarrollo de vacunas que antes eran difíciles o imposibles de fabricar” agrega.

Figura 2.- Rutas de desarrollo para la producción de anticuerpos o vacunas de origen vegetal contra el virus SARS-CoV-2. Los enfoques de transformación transitoria permiten altos rendimientos de proteínas en las plantas transformadas, que se procesan para purificar el antígeno y obtener vacunas inyectables o anticuerpos monoclonales. Las tecnologías de transformación genética estable aplicadas en especies de plantas comestibles pueden producir formulaciones de vacunas orales (por ejemplo, cápsulas o tabletas que contienen hojas liofilizadas). Fuente: Rosales-Mendoza, 2020

Investigadores del laboratorio de Garza trabajaron con este enfoque desde 2018 para buscar nuevos antígenos candidatos para una vacuna contra el ébola, trabajo que publicaron a fines del año pasado en la revista Planta de la UANL. “Los resultados hasta ahora observados nos permiten identificar nuevos epítopos en las regiones de la secuencia de la proteína VP40 del virus Ébola; con características de inmunogenicidad, antigenicidad, hidrofilia y accesibilidad que los vuelven un candidato a vacuna” relata Garza.

Una vez identificada la secuencia candidata, prosiguen con la optimización de la secuencia nucleotídica en planta de tomate y la transformación genética por Agrobacterium tumefaciens. “La expresión en plantas de tomate con los nuevos epítopos identificados nos permite obtener niveles altos de expresión de la proteína recombinante” agrega Garza. En palabras simples, el modelamiento bioinformático previo permite ahorrar esfuerzos y trabajar con los antígenos que presentan una elevada respuesta protectora contra el patógeno, útil para el desarrollo de una vacuna viable y escalable.

Sin embargo, debido a la contingencia y la gravedad del brote de SARS-CoV-2, el grupo de Garza decidió dedicar sus esfuerzos a trabajar en el modelamiento bioinformático de una potencial vacuna para este patógeno, utilizando la misma estrategia empleada contra el virus del ébola a través del desarrollo de un tomate comestible como método de inmunización.

El único trabajo parecido que se puede encontrar en la bibliografía es el desarrollo de un tomate con antígenos de SARS-CoV en 2006, responsable del síndrome respiratorio agudo grave (SARS) en países del sudeste asiático en 2002-2003, y que posee un 70% de similitud genómica con el patógeno detrás de la actual pandemia. Si bien los ratones inmunizados por vía oral con este tomate transgénico revelaron niveles significativamente altos de anticuerpos específicos contra SARS-CoV-1, no hubo mayor avance hacia fases clínicas.

“Nos encontramos en la etapa de análisis utilizando las secuencias genómicas y proteómicas de SARS-CoV-2 y haciendo uso de herramientas bioinformáticas que permiten identificar los antígenos más probables a ser candidatos para inducir una respuesta inmunológica” afirma Garza respecto al estado actual para desarrollar una vacuna contra SARS-CoV2 en plantas de tomate.

“Los epítopos candidatos son seleccionadas con base a la predicción de su función, como accesibilidad y secreción, para luego ser clonados, expresados y analizados para confirmar posteriormente su localización celular in vitro y el empleo de modelos animales nos permitirá evaluar su inmunogenicidad y capacidad protectora” agrega Garza.

Daniel Garza García en el Instituto de Biotecnología de la UANL (2019).

Como bien explica Daniel Garza, actualmente esta investigación se encuentra en la etapa de análisis e identificación de regiones potenciales para el desarrollo de una vacuna, proyecto que el equipo de investigación está postulando en estos días a una Convocatoria General del Gobierno Mexicano, la cual financia los gastos para una colaboración con el Instituto Paul Scherrer de Suiza – dirigida a los investigadores mexicanos que se encuentren trabajando en el desarrollo de fármacos contra COVID-19.

La próxima fase del proyecto será la expresión de los antígenos candidatos en tomate y evaluar su capacidad inmunogénica y protectora en modelos animales. Según continue el avance se buscarán vinculaciones para llevar la vacuna candidata a fase clínica.

Beneficios de una vacuna comestible

Más allá de la no necesidad del molesto “pinchazo”, el enfoque de frutos o plantas comestibles que inmunizan contra enfermedades, se incluye la ventaja central de no necesidad de tratamiento o purificación previa a la administración oral, lo que reduce aún más el costo involucrado en la producción.

El consumo directo de una materia prima (ya sea a través del fruto o su biomasa liofilizada encapsulada en píldoras o tabletas de gelatina) es una ventaja clara, lo cual reduce el costo de procesamiento y purificación de antígenos, así como la degradación de los antígenos en el tracto gastrointestinal debido al papel protector de las células vegetales dentro del estómago.

Por otro lado, la expresión del antígeno en las semillas permite el mantenimiento y la estabilidad durante períodos más largos. También las vacunas comestibles puede producir proteínas multiméricas complejas que no pueden ser expresadas por sistemas microbianos y es un método seguro y efectivo de vacunación.

Sin embargo, el hecho de que las formulaciones de vacunas basadas en plantas no requieran la purificación de antígenos sería el factor principal que las convertirá en alternativas de bajo costo, lo cual es necesario para lograr una amplia cobertura de vacunación en países en desarrollo y de bajos ingresos.

Las estadísticas muestran, por ejemplo, que se requerirían sólo 16 hectáreas para producir todas las vacunas anuales para Hepatitis B para toda la población de China, y apenas unas unas 81 hectáreas para producir vacunas comestibles para todos los niños a nivel global. El objetivo final de este tipo de tecnología sería entregar no solo “vacunas” como tal sino también reales “alimentos medicinales” -no en el plano alternativo o de marketing, sino en un sentido literalmente curativo- a través de plantas y frutos que refuercen la salud y el sistema inmune contra patógenos, cáncer o enfermedades autoinmunes, especialmente en países subdesarrollados, donde es difícil conseguir tratamientos o procedimientos que requieren equipos complejos o vacunas convencionales que son difíciles de almacenar y transportar.

Desafíos pendientes

Dentro de los obstáculos que podrían retrasar la llegada de vacunas comestibles a nuestras mesas y hospitales, especialmente de los países más necesitados, no serían principalmente técnicos y experimentales, sino más bien regulatorios y de bioseguridad.

Si bien muchos países en todos los continentes desarrollan (o han desarrollado) cultivos genéticamente modificados a nivel experimental, sólo una veintena tiene actualmente una regulación implementada para su uso comercial. El que aún haya muchos países sin una legislación, o marcos regulatorios atrasados y engorrosos como el europeo, esto puede aumentar el costo final (de llevar el cultivo desde el laboratorio al mercado) dificultando el desarrollo de esta tecnología por parte de de pequeñas y medianas empresas o centros públicos.

En el caso de México donde ya están trabajando en el desarrollo de una vacuna comestible en plantas de tomate contra COVID-19, los científicos locales están lidiando con tiempos difíciles al estar bajo el mandato de un presidente que reiteradamente ha declarado estar en contra del uso de cultivos GM y nombrar como directora de CONACYT (organismo que regula el presupuesto nacional de ciencia) a una científica que es famosa por ser una acérrima opositora a este tipo de cultivos; y sin olvidar el reciente problema que tienen los algodoneros mexicanos al no recibir nuevos permisos para el cultivo de OGMs por el actual gobierno.

“Ante la situación actual de contingencia por el COVID-19 que vivimos, sin duda nos hará replantearnos la legislación de los OGMs que aplican no sólo en México sino en América Latina. Lo que actualmente acontece nos permite repensar si realmente somos capaces como países de poder hacerle frente a una pandemia de tal magnitud sin hacer uso de todo el potencial que nos ofrecen los OGMs para el desarrollo de vacunas, especialmente para países en vías de desarrollo… los beneficios de la biotecnología deben mostrársele a la sociedad no como un mal sino como una solución efectiva para muchos de los problemas que actualmente tenemos en la región” afirma certeramente Daniel Garza respecto a la situación de su país.

Lo paradójico es que si la investigación de esta prometedora vacuna comestible contra COVID19 (creado en el sector público mexicano) avanza con éxito, es muy probable que su desarrollo hacia fase clínica y escalamiento productivo deba moverse hacia el norte, precisamente en Estados Unidos o Canadá, donde ya hay empresas que trabajan en molecular pharming dirigido a COVID-19 y cuentan con marcos regulatorios de los más ágiles del mundo para el uso de OGMs. Esto ocurriría a pesar de haber centros de investigación de alto nivel que trabajan en biotecnología agrícola en México, como el CIMMYT, CINVESTAV, INIFAP o diversas universidades con capacidades de biopharming.

Frente al contexto de agencias regulatorias que no han desarrollado normativas para compuestos farmacéuticos cultivados en plantas, y una inminente llegada de alguna vacuna de origen vegetal para COVID-19, el investigador mexicano Sergio Rosales Mendoza, quien investiga vacunas recombinantes en plantas y algas en la Universidad Autónoma de San Luis de Potosi, cierra una editorial de Expert Opinion on Biological Therapy con interrogantes claves:

¿Las agencias reguladoras mostrarán flexibilidad para validar y aprobar los biofarmacéuticos de origen vegetal anti-SARS-CoV-2 (por ejemplo, adaptando/simplificando los requisitos reglamentarios para esta tecnología específica)? ¿Acelerarán las agencias reguladoras el proceso de evaluación de biofarmacéuticos de origen vegetal contra el virus del SARS-CoV-2? ¿Los ensayos clínicos existentes de vacunas de origen vegetal contra la gripe (con resultados alentadores) y la enzima ya aprobada harán que la vía de aprobación sea más fluida? ¿Se beneficiarán en última instancia los países en desarrollo y de bajos ingresos de las tecnologías basadas en plantas en la lucha contra COVID-19?

Un problema de fondo con las vacunas comestibles, es la noción popular errónea aún arraigada en muchas personas de que los cultivos genéticamente modificados “son dañinos para la salud o el medio ambiente”, a pesar de que miles de estudios y revisiones, más de dos décadas de consumo sin reporte de efectos adversos y declaraciones de más de 250 instituciones técnicas/científicas corroboran su seguridad. Un desafío central es seguir llevando esta información, especialmente al público y reguladores de países en desarrollo, en momentos centrales cuando ya vemos que nuevas tecnologías “basadas en plantas” van haciendo su nicho en otros campos, como la revolucionaria carne de laboratorio.

¿Podremos contarle a nuestros nietos y bisnietos sobre historias del pasado de dolorosas inyecciones que nos ponían cuando éramos niños? ¿Vivirán ellos en un futuro donde un par de cápsulas de lechuga y zanahoria liofilizada los inmunizará contra todos los patógenos asesinos del siglo XIX, XX y XXI? ¿O les bastará una deliciosa ensalada de tomate-vacuna para protegerse contra alguna nueva cepa virulenta que aún no existe?

Quizás esta carrera a contrarreloj y la urgencia de encontrar una vacuna viable para COVID-19 le permita a las plantas GM salvar millones de vidas y limpiar de una vez por todas su nombre injustamente manchado y demonizado por el miedo y la desinformación.

Referencias recomendadas:

Rosales-Mendoza, S.; Márquez-Escobar, V.A.; González-Ortega, O.; Nieto-Gómez, R.; Arévalo-Villalobos, J.I. 2020. What Does Plant-Based Vaccine Technology Offer to the Fight against COVID-19? Vaccines8, 183.
Capell T.: Twyman, R.; Armario-Najera, V.; K.-C. Ma, J.; Schillberg, S.; Christou, P. 2020. Potential Applications of Plant Biotechnology against SARS-CoV-2. Trend in Plant Science.
Balke, I., & Zeltins, A. 2020. Recent Advances in the Use of Plant Virus-Like Particles as Vaccines. Viruses12(3), 270.
Kurup, V. M., & Thomas, J. 2020. Edible Vaccines: Promises and Challenges. Molecular biotechnology62(2), 79–90.
Concha C, Canas R, Macuer J, Torres MJ, Herrada AA, Jamett F, Ibanez C. 2017. Disease prevention: an opportunity to expand edible plant-based vaccines? Vaccines (Basel) 5:14.
Pogrebnyak, N.; Golovkin, M.; Andrianov, V.; Spitsin, S.; Smirnov, Y.; Egolf, R.; Koprowski, H. 2005. Severe acute respiratory syndrome (SARS) S protein production in plants: Development of recombinant vaccine. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 102, 9062–9067.
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