Las vacunas de ARNm ahora están en el centro de atención como una herramienta clave para abordar el COVID-19, pero la tecnología se desarrolló originalmente para otras enfermedades, como el cáncer, que los investigadores ahora esperan tratar. Otras vacunas de ARNm que ya se probaban antes de la pandemia estaban enfocadas en VIH, hepatitis C, malaria, tuberculosis, influenza, herpes genital, entre otros.
Nature Medicine / 31 de mayo, 2021.- Cuando se estaba probando la amplia gama de vacunas contra COVID-19 en ensayos clínicos, solo unos pocos expertos esperaban que la tecnología no probada -en vacunas- del ARNm fuera la estrella. En 10 meses, las vacunas de ARNm fueron las primeras en ser aprobadas y las más efectivas. Aunque estas son las primeras vacunas de ARNm aprobadas, la historia de las vacunas de ARNm comienza hace más de 30 años, con muchos obstáculos en el camino.
En 1990, el difunto médico-científico Jon Wolff y sus colegas de la Universidad de Wisconsin inyectaron ARNm en ratones, lo que provocó que las células de los ratones produjeran las proteínas codificadas. En muchos sentidos, ese trabajo sirvió como el primer paso hacia la fabricación de una vacuna a partir de ARNm, pero quedaba un largo camino por recorrer, y aún lo hay, para muchas aplicaciones.
Las vacunas tradicionales utilizan una forma débil o inactiva de un microorganismo para hacer que el sistema inmunológico se enfrente a la enfermedad. Después de que una persona recibe una inyección de una vacuna de ARNm, sus células producen parte o la totalidad de una proteína que causa una respuesta inmunitaria, incluida la producción de anticuerpos. Aunque los ejemplos más conocidos son las vacunas basadas en ARNm de BioNTech-Pfizer y Moderna dirigidas contra el coronavirus SARS-CoV-2 que causa COVID-19, esa es solo una pequeña parte de este campo, y esas vacunas no fueron las primeras esfuerzos que utilizaron ARNm.
A pesar de los muchos beneficios de usar esta molécula como base de una vacuna, presenta desafíos fundamentales: no es muy estable dentro de las células y el ARNm no se traduce de manera eficiente en proteínas cuando se usa como una herramienta de administración de genes. Hoy en día, el ARNm se puede diseñar para combatir muchas enfermedades, pero no funcionará con todas.
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El director médico de la empresa alemana de biotecnología BioNTech, Özlem Türeci, médico, inmunólogo y empresario, dice que «el ARNm tiene un par de características interesantes que lo hacen atractivo para las vacunas». La adaptabilidad es la característica clave de esta molécula en esta aplicación y más allá. El ARNm puede diseñarse no solo para producir antígenos para vacunas, sino también para codificar anticuerpos, citocinas y otras proteínas relacionadas con el sistema inmunológico. “La versatilidad del ARNm crea un enorme espacio de diseño”, explica.
Los científicos de BioNTech pasaron años investigando y desarrollando técnicas para obtener un control total sobre el ARNm, incluida la optimización de sus partes no codificantes, el diseño de secuencias específicas, el desarrollo de procesos de fabricación y más. Türeci describe los resultados de esos esfuerzos diciendo: «Tenemos una caja de herramientas diversificada y al mezclar y combinar los módulos en esta caja de herramientas, podemos diseñar ARNm con las características que necesitamos para un propósito particular». Agrega que «es un poco como escribir un código: al dominar un lenguaje de programación [que] es rico en términos, uno puede dar cualquier instrucción que desee». Con la caja de herramientas de BioNTech, los científicos pueden controlar cuánta proteína se produce y durante cuánto tiempo, la ruta de administración del ARNm, qué células expresan la proteína y si el ARNm crea una activación o supresión precisa del sistema inmunológico.
Una vez que los científicos saben qué ARNm quieren producir, el proceso es relativamente fácil. En el caso de las vacunas, el uso de ARNm es mucho más rápido que el enfoque tradicional, en el que la vacuna se cultiva en células o en huevos de gallina. Para producir ARNm, un científico comienza con una computadora para diseñar la secuencia deseada. Luego, se usa una reacción de transcripción in vitro para crear una plantilla de ADN que puede sintetizar el ARNm deseado. Por lo tanto, este proceso no requiere cultivo celular o material animal, y el proceso de fabricación permanece prácticamente igual independientemente de la secuencia del ARNm.
Mejorando el enfoque
Aunque la alta eficacia de las vacunas de ARNm parece milagrosa en la lucha contra COVID-19, eso está lejos de ser toda la historia. El trabajo de Wolff en la década de 1990 despertó el interés en el uso de vacunas de ARNm, pero los científicos se encontraron con un problema fundamental: «El ARN es altamente inflamatorio», dice el médico-científico Drew Weissman de la Escuela de Medicina Perelman de la Universidad de Pensilvania.
En 2005, Weissman y su entonces colega Katalin Karikó, ahora en BioNTech, encontraron una manera de hacer que el ARN sea menos inflamatorio. Demostraron que la inclusión de nucleósidos modificados, parte de la estructura básica del ARN, resultó en una respuesta inflamatoria dramáticamente más baja. Este trabajo exploró el uso de nucleósidos como 5-metilcitidina, pseudouridina y otras formas. Con estas modificaciones, dice Weissman, «podría aumentar la cantidad de proteína que el ARNm podría producir de 10 a 1000 veces y hacer una vacuna mucho mejor». Además, las técnicas cromatográficas pueden eliminar contaminantes, como el ARNm de doble hebra, lo que da como resultado una respuesta inflamatoria aún menor.
Una década más tarde, Niek Sanders, investigador principal del laboratorio de terapia génica de la Universidad de Ghent y fundador científico de Ziphius Vaccines, y sus colegas encontraron una modificación diferente para el ARNm. El ARNm que incorporó la modificación de N1-metilpseudouridina por sí mismo o con 5-metilcitidina produjo hasta 44 veces más de su producto previsto que el ARNm con modificaciones anteriores producidas, y aun así resultó en un ataque inmunológico disminuido sobre las moléculas. “Esta sigue siendo la mejor modificación y también se utiliza en las vacunas de ARNm de COVID-19 de BioNTech – Pfizer y Moderna”, dice Sanders.
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Modificado químicamente o no, la simple inyección de ARNm sola no funcionará. “El ARNm desnudo se destruye y las células no lo absorben”, dice el microbiólogo Justin Richner de la Facultad de Medicina de la Universidad de Illinois en Chicago. Una vez que se inyecta el ARNm, las ribonucleasas extracelulares lo cortan.
Se pueden utilizar varias versiones de lípidos, como las nanopartículas de lípidos ionizables, para administrar de forma segura el ARNm a las células diana. Türeci y sus colegas optimizaron una terapia con lo que ella describe como «diferentes formulaciones liposomales para hacer que el ARN se ajuste a los propósitos respectivos, como una inyección intramuscular o intravenosa y apuntar a tipos celulares específicos». BioNTech descubrió que para las vacunas contra el cáncer basadas en ARNm formulado liposómicamente, por ejemplo, el antígeno se expresa principalmente en las células dendríticas de los compartimentos linfáticos. Estas células se especializan en desencadenar respuestas inmunitarias específicas de antígeno.
En el futuro, los científicos esperan tener mucho más control sobre la producción de proteínas resultante. En una colaboración que incluyó al biólogo sintético Ron Weiss del Instituto de Tecnología de Massachusetts y otros, Sanders describió el ARNm conmutable. «Es un interruptor de encendido/apagado para el ARNm», dice Sander, «y demostramos que funciona en ratones». Con esta forma de ARNm, la terapia se puede activar cuando sea necesario y el nivel de producción de proteínas se puede controlar con mayor precisión.
Cada una de estas mejoras (menos inflamación, mayor expresión, suministro protegido y producción controlada de proteínas) permite a los investigadores crear mejores vacunas basadas en ARNm.
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Entre las vacunas más comúnmente utilizadas, la vacuna contra la influenza es quizás la que necesita más mejoras. Se estima que esta vacuna previene decenas de miles de hospitalizaciones cada año. Sin embargo, los datos de los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades de EE. UU. sobre las vacunas contra la influenza estacional para 2009-2020 indican una efectividad promedio de alrededor del 43%. En este período, incluso la vacuna más efectiva, para 2010-2011, alcanzó una eficacia de solo 60%, y en el peor de los casos, en 2014-2015, alcanzó una efectividad de solo 19%, protegiendo aproximadamente a una de cada cinco personas.
En defensa de estas vacunas, deben rastrear un objetivo en movimiento. “Las vacunas contra la influenza son el único bioproducto distribuido masivamente que cambia de manera rutinaria”, dice Philip Dormitzer, vicepresidente y director científico de vacunas virales en Pfizer Vaccines Research and Development. «Un gran desafío con la gripe es mantenerse al día con los cambios».
Con los métodos tradicionales de elaboración de una vacuna contra la influenza, los desarrolladores deben modificar el virus o la proteína que se está produciendo. Esa modificación puede requerir cambios en la fabricación. Por ejemplo, el virus modificado podría crecer un poco diferente de lo esperado, lo que podría requerir cambios en la formulación de una vacuna. Además, los proveedores generalmente comienzan a fabricar vacunas contra la influenza seis meses antes de usarlas, por lo que para cuando las personas reciban las vacunas, es posible que no brinden protección contra las cepas de influenza más importantes de la temporada.
Con un enfoque basado en ARNm, dice Dormitzer, «intercambiar un gen por otro con ARNm cambia muy poco sus propiedades en la fabricación, que es mucho más fácil que cambiar una cepa viral». La velocidad también importa, y los desarrolladores pueden crear rápidamente vacunas de ARNm. “Cuanto más se acerque la selección de cepas a la temporada de gripe, más preciso será”, dice Dormitzer. Al poder hacer vacunas de ARNm más rápido, los fabricantes pueden seleccionar las cepas de influenza a las que apuntar más tarde de lo que pueden hacerlo con los métodos tradicionales, lo que debería aumentar la eficacia del tratamiento.
La ingeniería detrás de las vacunas de ARNm también permite a los científicos crear vacunas multivalentes. «Podemos aumentar la cantidad de antígenos que se expresan», explica Dormitzer, «lo que podría aumentar la solidez de una vacuna contra la influenza».
Sin embargo, buscar la aprobación de una nueva vacuna contra la influenza es diferente de lo que ha sido para el COVID-19, que no tenía tratamiento ni vacuna. Para la influenza, hay una «cantidad de vacunas, pero su eficacia podría ser mejor», dice Dormitzer. «Por lo tanto, es muy importante que una vacuna contra la influenza marque todas las casillas: eficacia, confiabilidad, suministro, tolerancia, etc.»
En consecuencia, es probable que una compañía farmacéutica comercialice una vacuna basada en ARNm contra la influenza solo cuando supere las existentes de varias maneras.
Explorando otras infecciones
COVID-19 y la influenza son solo dos de las muchas enfermedades infecciosas que podrían tratarse con vacunas basadas en ARNm. Por ejemplo, Weissman dice: «Estamos trabajando en unas 30 vacunas de ARNm diferentes, incluidas algunas para la influenza, el VIH, la hepatitis C, la malaria, la tuberculosis y muchas otras». Eso por sí solo muestra cuán flexible puede ser el ARNm para fabricar vacunas.»
[Recomendado: ¿Cura del VIH/SIDA? Eliminan el virus en primates con edición genética; próxima fase sería en humanos]Una vacuna hecha de nanopartículas de ARNm y lípidos es muy similar a otra, señala Weissman. “Lo importante es encontrar el antígeno adecuado”, añade. «Dedicamos mucho tiempo y trabajamos con muchos experimentos para encontrar el mejor antígeno para que una vacuna funcione mejor».
Encontrar un buen antígeno al que apuntar es más fácil con algunas infecciones que con otras. Con el VIH, dice Weissman, «la envoltura es el antígeno importante, pero muta rápidamente y está cubierta de azúcar, y es necesario abordar esos problemas para producir un antígeno que produzca la respuesta correcta». También podrían ser necesarios cambios en el diseño del ARNm.
Weissman y el experto en virus Harvey Friedman de la Universidad de Pensilvania encontraron antígenos dirigibles para el herpes genital. Usando estos antígenos, los científicos desarrollaron una vacuna a partir de nanopartículas de ARNm y lípidos modificados con nucleósidos. Las pruebas en ratones y cobayas mostraron que esta vacuna previno la infección con el virus que causa el herpes genital. «Esta vacuna está entrando en ensayos clínicos», dice Weissman.
[Recomendado: Desarrollan nueva vacuna contra virus VPH (causante de cánceres) mediante plantas transgénicas]El uso de ARNm para vacunas también ofrece esperanzas para infecciones previamente intratables, pero altamente prevalentes, con patógenos como el virus del dengue. El virus del dengue, que es transmitido por mosquitos, pone en peligro a casi la mitad de la población mundial e infecta hasta 400 millones de personas al año. Dado que no existe tratamiento para esta infección, Richner está trabajando en una vacuna.
“El dengue es algo complicado”, dice Richner. Consiste en cuatro virus diferentes que causan una enfermedad similar. «Queremos apuntar a los cuatro», señala. Es necesario apuntar a los cuatro virus del dengue, ya que una infección posterior con un virus del dengue diferente tiende a ser más grave debido a la potenciación mediada por anticuerpos.
Richner y sus colegas comenzaron con el estereotipo 1 del virus del dengue. Al igual que Weissman, el equipo de Richner utilizó un ARNm modificado con nucleósidos en nanopartículas lipídicas. Los anticuerpos neutralizantes provocados por la vacuna fueron suficientes para proteger a los ratones contra un desafío letal. Ahora, el equipo de Richner está trabajando para expandir esta vacuna a los serotipos 2, 3 y 4, y las diferencias en los virus del dengue requieren algunos ajustes en la selección de cada uno. «Necesitaremos optimizar la vacuna para cada virus», dice. El objetivo es brindar protección contra los cuatro virus del dengue con una sola vacuna.
En CureVac, los datos de un ensayo clínico de fase 1 de la vacuna contra la rabia basada en ARNm de la empresa parecen prometedores. «Una vacuna de muy baja dosis generó una respuesta inmunitaria en todos los sujetos», dice Thorsten Schüller, vicepresidente de comunicaciones de CureVac. «Esto demostró el potencial de nuestra tecnología de ARNm por primera vez».
Creando vacunas contra el cáncer
Antes de que llegara el COVID-19, Türeci y sus colegas de BioNTech estaban trabajando en vacunas contra el cáncer basadas en ARNm. «Quieres confrontar el sistema inmunológico de un paciente con un cartel de búsqueda del enemigo y entrenar a los efectores del sistema inmunológico para reconocer al enemigo y enseñarle al sistema inmunológico que esto es peligroso».
Türeci dice que el ARNm se puede utilizar para administrar dos tipos de antígenos del cáncer. El primer enfoque consiste en presentar al sistema inmunológico los propios antígenos de una persona que generalmente se desactivan en las células sanas (los antígenos codificados por genes embrionarios serían un ejemplo de esto) pero que son expresados por el cáncer. Aquí, una vacuna contra el cáncer desencadenaría un ataque a las células que portan esos antígenos. «Para cada indicación de cáncer, utilizamos algoritmos informáticos y aprendizaje automático para identificar los antígenos que cubren a tantos pacientes como sea posible». Para el melanoma, por ejemplo, cuatro antígenos cubren más del 90% de los pacientes. BioNTech fabricó una vacuna basada en ARN multivalente que se dirige a los cuatro antígenos y está en ensayos clínicos.
Alternativamente, una vacuna basada en ARNm puede atacar las mutaciones de un cáncer. Sin embargo, el perfil de mutaciones es único para cada paciente y eso requiere un enfoque personalizado. “Este es el campo de juego perfecto para el ARNm”, dice Türeci. “Partimos de un perfil de paciente, generamos una vacuna multivalente y multimutaciones en cuatro semanas para este paciente y lo tratamos con ella”. Este método, que se encuentra en varios ensayos clínicos llevados a cabo por BioNTech y Genentech / Roche, utiliza un enfoque similar al utilizado para fabricar la vacuna BioNTech – Pfizer contra COVID-19. Türeci describe la estrategia como un análisis de «información genética para adaptar una vacuna y fabricarla rápidamente». Ella agrega: «Ya lo habíamos hecho cientos de veces para nuestros pacientes con cáncer», y eso explica parte de la velocidad detrás del desarrollo de su vacuna contra COVID-19 y por qué ella y sus colegas se sienten preparados para adaptarse a las variantes virales, si necesario.
Para los tumores sólidos, un ataque del sistema inmunológico no es suficiente. El microambiente del tumor combate la respuesta inmunitaria de varias formas, incluida la supresión de las acciones de las células T. Para el melanoma, dice el biofísico Leaf Huang de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill, «el microambiente del tumor es la barrera real para estos tratamientos con vacunas». Una vacuna debe combinarse con otro tratamiento que modifique ese microambiente, permitiendo que las células T activadas por la vacuna ingresen al tejido tumoral. Huang y sus colegas combinaron una vacuna con la quimioterapia sunitinib y encontraron que esta combinación ayudó a las células inmunes a llegar al tumor y, por lo tanto, aumentó la eficacia de la vacuna. Las citocinas como la IL-12 también son buenas candidatas para romper el microambiente inmunosupresor del tumor, según Sanders, cuyo equipo combinó con éxito la terapia génica de IL-12 con una vacuna anticancerosa basada en genes.
No obstante, dice Huang, «el desarrollo de agentes que se puedan utilizar de forma segura y eficaz para modificar el microambiente del tumor todavía tiene un largo camino por recorrer».
Expandiendo la innovación
En muchos sentidos, las vacunas de ARNm apenas están comenzando. “No tenemos una plataforma para cada enfermedad, pero la gran ventaja de las vacunas de ARNm es que podemos probar nuevas hipótesis en rápida sucesión”, dice Richner. «Para las nuevas vacunas, necesitamos encontrar lo que genera una buena respuesta inmune, y eso requiere ciencia básica».
Este campo impulsará más ciencia básica durante años. También se involucrará mucha ingeniería. En BioNTech, Türeci llama a los científicos de vacunas de la compañía «ingenieros inmunológicos» y prevé muchos avances en el futuro. Mientras piensa en las posibilidades futuras de las vacunas de ARNm, dice: «Se trata de la naturaleza de la innovación, no de un invento, sino de descubrir lo que es posible en muchas cosas y unirlas».