Jaime E. Padilla Acero

Es el actual Editor Ejecutivo de la revista “Biotecnología en Movimiento”, es exalumno del IBt y ha participado en publicaciones y coproducciones en varios medios de divulgación científica y técnica. El autor agradece la información y el tiempo proporcionado por l@s investigador@s mencionadas en el texto.

Desde antes que la OMS declarara el brote del nuevo coronavirus SARS-CoV-2, causante de la COVID-19 como pandemia mundial, y previo a que en México se registrara el primer caso, la comunidad del IBt ha concertado acciones para contribuir a soluciones en relación a la pandemia, con base en las capacidades técnicas y humanas disponibles en los grupos de investigación y en unidades de servicio del Instituto. La intención ha sido ampliar en cantidad y calidad, la respuesta local y nacional a necesidades concretas como el diagnóstico, la prevención, el tratamiento y el seguimiento de las infecciones [Figura 1]. Buena parte de estas actividades depende de conocimientos de las ciencias biomédicas y de aplicaciones biotecnológicas para su detección a nivel molecular, para su caracterización y seguimiento epidemiológico, así como para la terapéutica a través de biomedicamentos. La prevención que brindan las aplicaciones con anticuerpos monoclonales y vacunas de diversas clases, han sido también objetos de estudio. La capacidad y experiencia de cerca de treinta años en varios aspectos de la investigación básica, optimización y transferencia de tecnologías en el IBt, puede contribuir de forma significativa para el desarrollo de soluciones en torno a la pandemia.

Este reporte de Biotecnología en Movimiento incluye las reseñas de proyectos en curso que realizan actualmente varios grupos de investigadores del Instituto de Biotecnología, dirigidos a la capacitación, prevención, diagnóstico, tratamiento y a otras estrategias de mitigación de la COVID-19. Como un antecedente valioso, en los últimos números especiales de esta revista se abordaron ampliamente temas sobre vacunación contra diversos padecimientos [1].

Detección de virus de ARN a nivel molecular

Una cuestión inmediata ante la alerta en los países afectados fue el disponer de pruebas de diagnóstico. Independientemente de la discusión sobre la intensidad que podía o debiera tener esta actividad, es importante comprender algunos factores de estas pruebas como su complejidad, precisión y costo. La Dra. Susana López, investigadora en virología del IBt, participa con otros académicos en proyectos para estandarizar, capacitar e incluso optimizar los ensayos diagnósticos de la COVID-19 a través de pruebas moleculares. En México, el InDRE (Instituto Nacional de Referencia Epidemiológica) es la instancia oficial encargada de establecer y validar esta y otras pruebas diagnósticas. Aunque ya se contaba con experiencia en pruebas para otros virus y antecedentes de colaboración con el InDRE, fue necesario que el personal de su laboratorio se capacitara en los protocolos estándar para hacer el diagnóstico del nuevo coronavirus. Después de obtener la autorización del InDRE para realizar pruebas diagnósticas del SARS-CoV-2, el grupo de la Dra. López y del Dr. Arias, también se ha dedicado a capacitar a otros laboratorios del ámbito académico en el desarrollo de esta prueba. A la fecha se han capacitado y autorizado 18 laboratorios del país para realizarlas. Ahora bien, ¿cómo se identifica a este nuevo coronavirus? La cuestión central en esta prueba, es determinar con suficiente certeza, la presencia de este virus en particular, reconociendo la información de su genoma a nivel molecular, en las muestras de personas con sospecha de infección. Tomando en cuenta que hay otros virus, bacterias y también células humanas en el hisopo que se talla contra la mucosa nasofaríngea y/o bucofaríngea de los presuntos infectados —muchos con síntomas claros y otros tal vez en recuperación— la detección del nuevo coronavirus requiere un resultado confiable, positivo o negativo, que llevará necesariamente a adoptar medidas individuales, familiares y comunitarias especiales; cada resultado se integra confidencialmente a las estadísticas institucionales y al registro nacional.

El protocolo qRT-PCR

El IBt es uno de los varios laboratorios a nivel nacional, autorizados para llevar a cabo pruebas diagnósticas moleculares del virus SARS-CoV-2, ya que posee la experiencia e instrumental para realizar estas pruebas de forma segura, confiable y confidencial, a partir de las muestras enviadas por entidades autorizadas como el Laboratorio Estatal de Salud Pública en Morelos. Para realizar este método de diagnóstico se requiere utilizar un conjunto de reactivos, procedimientos y equipos bien calibrados, así como de personal capacitado, como el MC Joaquín Moreno y el MC Marco A. Espinosa. Las muestras provienen de clínicas con preparación para colectarlas junto con otros datos; luego son transportadas cuidadosamente a laboratorios, como el que hay en el IBt, bajo condiciones especiales de bioseguridad nivel 2 (BSL2), para procesarlas individualmente con la protección adecuada. A través del protocolo se separa primero la parte que contiene material genético en cada muestra. Enseguida, se deben convertir los genomas hechos de ARN, como el del virus del SARS-CoV-2, en copias equivalentes de ADN (utilizando una enzima llamada ‘transcriptasa reversa’ o RT), para obtener fragmentos que sirvan de ‘moldes’ para el siguiente paso, en donde intervienen ‘plantillas’ para el reconocimiento molecular —los iniciadores o primeros específicos— presentes en la mezcla. Si hay segmentos del nuevo coronavirus, los iniciadores identifican ‘palabras exclusivas’ de su genoma, permitiendo que los fragmentos de ADN sean multiplicados (o amplificados) en numerosas copias. Este último paso de amplificación, se lleva a cabo por un proceso denominado PCR (reacción en cadena de la polimerasa), que hace posible una detección e identificación confiables; éste y otros procesos para el análisis de genomas han sido explicados en esta revista (No. 2, p.23; No. 13, p.13). Al final, el protocolo narrado antes, se conoce como la prueba de RTPCR, a veces antecedido por un prefijo especial (q) que indica que es ‘cuantitativo’ y que se puede monitorear en tiempo real. Esta contribución del IBt ha reforzado la capacidad y cobertura de las autoridades sanitarias federales y estatales, para ampliar y validar la realización de pruebas diagnósticas; no obstante es importante notar que hay ciertas limitaciones de esta prueba, como la disponibilidad de algunos reactivos, y la capacidad de procesamiento actual de varios laboratorios, lo que resulta en tiempos de resolución de hasta 72 hs, considerando la compilación y validaciones requeridas por el mismo InDRE. Paralelamente, en el grupo de la Dra. Susana López, el Dr. Carlos Sandoval explora las condiciones para establecer pruebas serológicas precisas. Finalmente, como parte de actividades de divulgación, ella ha participado de forma decidida en crear publicaciones de acceso abierto sobre la prevención de enfermedades infecciosas [2].

Secuenciación, análisis y seguimiento de variantes del SARS-CoV-2

Este proyecto emergente permite aprovechar las capacidades, experiencia y recursos para la caracterización masiva de secuencias genómicas completas de microorganismos y virus (a partir de estándares o muestras de ADN y ARN) de forma rápida y precisa. La infraestructura actual del IBt es adecuada para determinar el orden de varios millones de ‘letras’ de los ácidos nucleicos en cada experimento. Asimismo, lo es para su análisis bioinformático, haciendo comparaciones de gran cantidad de datos genómicos de este y otros virus que dan soporte a otros proyectos. Tanto la iniciativa como los avances de este proyecto, han sido posibles al constituirse un consorcio de instituciones que complementan sus funciones y habilidades, gracias a que Comisiones Nacionales promovieron la colaboración académica, técnica y clínica entre el InDRE, el INER (Instituto Nacional de Enfermedades Respiratorias), el INCMNSZ (Instituto Nacional de Ciencias Médicas y Nutrición Salvador Zubirán), el IMSS (Instituto Mexicano del Seguro Social), la UNAM e investigadores mexicanos en la Universidad de Oxford, quienes han dado una respuesta ágil y hasta anticipada a la entrada, la dispersión y la evolución de la epidemia en nuestro país. Dentro de este conjunto de instituciones colaboran el Dr. Carlos Arias —investigador en virología y quien forma parte de la Comisión Universitaria para la atención del COVID-19 y de otros Programas Nacionales— y el Dr. Alejandro Sánchez, investigador responsable de la Unidad Universitaria de Secuenciación Masiva y Bioinformática (UUSMB) quienes, junto a otros académicos del IBt como los Dres. Blanca Taboada y Pavel Isa, han completado la secuenciación de las primeras muestras del nuevo coronavirus presentes en la población mexicana. Con ellas, se aportan datos sobre los cambios a nivel molecular que presentan las variantes del SARS-CoV-2, desde que ingresó a nuestro territorio este año. Los resultados iniciales, confirman el origen de los virus de 17 personas con antecedentes de viaje desde Europa o desde los EEUU, e indican que ya había transmisión local en el país en la segunda semana de marzo. Asimismo, determinaron un rango de entre 4 a 10 cambios puntuales de las casi 30 mil letras del genoma de estas muestras, que aparentemente no alteran la virulencia ni la capacidad de transmisión del virus [4]. Este conocimiento es útil para continuar el seguimiento de casos —se secuenciarán pronto otros 250 genomas en México y hasta mil en los próximos 2 años— para explorar si hay cambios en la distribución o prevalencia de las ramas o linajes de una especie de ‘árbol genealógico’ (en el lenguaje científico: ‘flogenómico’). Considerando la proporción de infecciones confirmadas, de asintomáticos y hasta de casos graves o fatales, esta información es relevante para asociarla con posibles cambios que modificaran el comportamiento clínico o alguna variable epidemiológica en los próximos meses. De forma simultánea, los datos ayudarán al monitoreo de variaciones que pudieran relacionarse con el surgimiento de resistencias a fármacos, una vez que estos se usen de manera amplia. Finalmente, para hacer un diseño efectivo de vacunas dirigidas contra las proteínas de superficie y de anclaje del virus (la denominada ‘espícula’ o spike del SARS-CoV-2) se requiere de información precisa de las secuencias de esta región de su genoma.

Anticuerpos para curar y prevenir la COVID-19

En otra línea de trabajo, el Dr. Tonatiuh Ramírez, investigador (actual Director) del IBt y un amplio consorcio de académicos, incluidos colegas en el INSP (Instituto Nacional de Salud Pública), han incursionado desde hace tiempo, en aplicar sus conocimientos y vincularse institucionalmente para la producción de diferentes proteínas recombinantes del tipo ‘anticuerpos monoclonales’, con los que se han desarrollado productos utilizados tanto en pruebas diagnósticas, como para tratamientos preventivos contra alergias severas o crónicas. Por un lado, la inmunización (con una vacuna) produce respuestas de protección y defensa activa, de modo permanente (p. ej., contra viruela, varicela, etc.), o de corto plazo, reforzable (por ejemplo, contra la toxina del tétanos) o bien, una atenuación (para alergias o trasplantes). En algunos casos se requiere ‘actualizarla’ ante las mutaciones frecuentes, por ejemplo, de los virus estacionales de influenza. Por otro lado, las pruebas serológicas conducen también a estrategias de tratamiento y de prevención de tipo ‘pasivo’. Este procedimiento se basa en el hecho de que en la fracción ‘líquida’ de la sangre (el suero, el plasma) en pacientes que hayan cursado y se hayan recuperado de alguna infección, se pueden encontrar nuevos anticuerpos dirigidos contra componentes del agente que la causó. En el caso del nuevo coronavirus no se conoce si estos anticuerpos brindan una protección ante reinfecciones o por cuánto tiempo, pero sería convincente, que la producción de estos anticuerpos habría sido inducida por segmentos de las proteínas de la cápside (la que envuelve el genoma del virus) y revelaría que, aquellos con síntomas leves e inclusive ninguno de ellos, habrían generado una respuesta inmune. Para interpretarla y validarla es necesario contar con una batería de fragmentos o partes del virus específico (y otros como ‘testigos experimentales’). Como una aproximación de tratamiento, se está probando en diversos hospitales del mundo, la aplicación del suero de pacientes recuperados, en otros que sufren complicaciones, esperando que estos anticuerpos anti-SARS-CoV-2 mejoren su defensa ante la infección; el desafío con este y otros ensayos, es probar que esos anticuerpos sean neutralizantes, disminuyendo las complicaciones y, en personas sanas, que prevengan la infección, para utilizarlos como biomedicamento.

Para avanzar en este tipo de solución —parte preventiva y parte terapéutica—, se advierten aspectos complejos y prolongados de bioingeniería, aunque podría completarse antes de disponer de una vacuna efectiva y segura. Entonces ¿cómo se hacen estos anticuerpos monoclonales y cómo se producen como biomedicamento? Mencionamos que es posible encontrar en sueros de pacientes recuperados, una población diversa de anticuerpos (policlonales, del tipo llamado inmunoglobulinas G), que son reactivos contra el virus, junto al resto que reconoce otras moléculas. Dentro del grupo de interés habrá algunos anticuerpos que serán más específicos o afines para determinar su estructura individual (la secuencia como proteína), a fin de diseñar genes sintéticos, recombinantes que, insertados en los ‘vehículos moleculares’ adecuados e introducidos en células animales, produjeran las proteínas que sólo forman ese tipo de anticuerpo. El producto deberá purificarse, evaluarse y dosificarse para su administración. Empero, el proyecto corre aparejado con pruebas críticas de inocuidad, de efectividad, de rendimiento y calidad que pueden condicionar avances o retrocesos; o a veces desafortunadamente, al total abandono de alternativas por no se ajustarse a criterios sanitarios, de bioseguridad o presupuestales. El Dr. Ramírez ha expuesto que se han desarrollado las plataformas ‘del gen al producto’ y se emprendió en la instalación de plantas de producción de proteínas recombinantes en México que tienen impacto en el mercado interno, pero señala que esto requiere tiempo y más apoyos. En este momento, este consorcio tiene la posibilidad de acelerar la caracterización y producción de biomoléculas que reconozcan específicamente al SARS-CoV-2 y colaborar en la caracterización de futuras vacunas.

Otra aproximación para producir anticuerpos anti-SARS-CoV-2, es aprovechar el procedimiento que el Dr. Alejandro Alagón, investigador del IBt y sus colaboradores, han utilizado para la producción de antivenenos de algunos animales ponzoñosos. En principio, es posible inmunizar animales vivos que no se infectan con el virus, pero que sí producen anticuerpos. El paso siguiente es separarlos y concentrarlos, para después modificar parte de su estructura. Aunque un antisuero obtenido de caballos fuera capaz de reconocer y neutralizar al virus, al provenir de otra especie biológica, podría generar efectos adversos en el cuerpo humano. Para evitarlo, se aplica un procedimiento disponible para ‘cortar’ con enzimas los anticuerpos que contiene el concentrado, conservando la parte que reconoce los antígenos y retirando la otra que causaría reacciones indeseadas. La población de anticuerpos ‘recortados’ que reconocieran las espículas del nuevo coronavirus y libres de efectos secundarios, serían tratados como ‘anticuerpos faboterapéuticos’ de COVID-19. Las modificaciones en la estructura y especificidad de los anticuerpos han optimizado la estrategia de ‘inmunidad pasiva’ —que no es permanente ni proviene de una respuesta propia de nuestro organismo—; con base en estos desarrollos, podría conllevar a la recuperación de infectados; como protección auxiliar en grupos de alto riesgo (personal médico, atención al público, transporte), y para población vulnerable (con padecimientos como diabetes, hipertensión y afecciones respiratorias).

Exploración y producción de compuestos antivirales

En otros grupos del IBt donde participan los Dres. Adelfo Escalante y Francisco Bolívar-Zapata, se han desarrollado procesos biotecnológicos para producir, en bacterias recombinantes, los precursores para sintetizar antivirales usados en otros episodios epidémicos como el de la influenza A (H1N1) de 2009. Esto contribuyó a disponer de suministros del medicamento “Tamiflu”, como auxiliar durante y en los siguientes años de esa epidemia. Ahora pueden utilizar estas capacidades para explorar y aplicar estrategias de producción de los compuestos necesarios para sintetizar por ejemplo, el denominado “Remdesivir” que actualmente elabora una empresa estadounidense y que, según algunos ensayos internacionales publicados recientemente, ha sido capaz de reducir el tiempo de recuperación de personas infectadas que estaban hospitalizadas. Es importante aclarar que al día de hoy, las evidencias positivas son preliminares y prosiguen pruebas más amplias, pero los preparativos para una posible producción y posibilidad de acceso en México —por estar ahora restringido por cantidad, costo y propiedad intelectual— es algo que debiera iniciar pronto. El proyecto puede modificarse de acuerdo a los resultados en proceso y que, con resultados positivos, podría cumplir oportunamente con el objetivo de disponer en México de un auxiliar terapéutico para condiciones graves o críticas, solo por prescripción y no como medicamento preventivo.

Aquí las interrogantes y los retos técnicos son: ¿cómo actúan los antivirales contra el SARSCoV-2? ¿qué se necesita para producirlos, como objetivo académico y como medicamento comercial? Para combatir al nuevo coronavirus, una estrategia consiste en bloquear o inhibir algunos de los procesos que se desencadenan con la infección y la replicación del mismo, pero sin afectar las funciones de nuestras propias células. Se ha descrito que una de las proteínas clave que el mismo virus produce, es su enzima ARNpolimerasa que copia la secuencia de ARN de su genoma. Algunos segmentos de esta secuencia se ‘traducen’ como proteínas componentes de nuevas partículas virales; por su parte, esta enzima, denominada formalmente: polimerasa de-ARN-dependiente-de-ARN (abreviada RdRp en inglés), usa toda la secuencia como ‘molde’ y genera al final numerosas copias de ARN del coronavirus, que serán empaquetadas en nuevas cápsides, tanto para reiniciar infecciones y daños en otras células, como también para esparcirse en saliva por tosidos, estornudos y por fujo nasal. Pues bien, dentro de la célula infectada, esta enzima requiere de los eslabones químicos que ensamblará (los ribonucleótidos A,C,G y U son sus sustratos, ver recuadro) para sintetizar ARN de coronavirus. Si se obtiene o se modifica algún compuesto (como el “Remdesivir”), que pueda bloquear o desplazar a estos sustratos, sería posible administrarlo y, —al parecerse sus formas espaciales, semejando llaves similares para la misma cerradura, donde una queda atorada— disminuir o inactivar por completo una parte crucial de su proceso de replicación, limitando la progresión de la infección y posiblemente, más contagios. En paralelo al proyecto, es indispensable seguir corroborando que sean auxiliares terapéuticos seguros, efectivos y accesibles.

Vacunas recombinantes contra el SARS-CoV-2

No todas las vacunas se generan usando los virus inactivados o algunos fragmentos aislados de estos. Existen otras estrategias o ‘plataformas’ para producir moléculas que induzcan la respuesta inmune y brinden una protección específica al vacunado. Para prevenir la COVID-19, es necesario que una proporción importante de la población haya sido inmunizada con una vacuna, pero es probable que las dosis no estén disponibles muy pronto, ni tampoco al alcance de todos. El desarrollo de las vacunas contra este nuevo coronavirus es una prioridad mundial que han abordado casi un centenar de grupos en varios países, incluido México por el IBt-UNAM. Es importante desarrollar y consolidar proyectos nacionales y producir localmente, vacunas seguras, efectivas y suficientes contra esta y otras enfermedades.

La Dra. Laura Palomares, investigadora del IBt que lidera esta iniciativa universitaria, nos explica que, al igual que con el diseño y producción de las actuales vacunas recombinantes (vs. influenza, hepatitis B, virus del papiloma humano), es necesario iniciar con investigación básica sólida con la que se obtiene suficiente información sobre el agente patógeno y sus antígenos, para a continuación generar datos en modelos preclínicos y después llegar a la evaluación en humanos. La rapidez, la eficacia y el costo de producir y de distribuir las vacunas impactan su disponibilidad para la sociedad. Los investigadores de este consorcio, encabezados por la Dra. Palomares y el Dr. Tonatiuh Ramírez, en colaboración con empresas emergentes en biotecnología farmacéutica, han establecido plataformas tecnológicas funcionales para generar y escalar la producción de antígenos de algunos virus. Al interior del IBt, también han interaccionado con otros académicos especialistas en virología, en secuenciación masiva y bioinformática e inmunología, sobre las posibilidades para desarrollar un candidato a vacuna recombinante contra el SARS-CoV-2. La plataforma tecnológica está basada en la producción de antígenos utilizando ciertos elementos auxiliares de otros virus y un sistema de expresión de genes y síntesis de proteínas recombinantes en células de insecto en cultivo. Usando un antígeno específico del nuevo coronavirus como vacuna, se espera inducir la producción de anticuerpos, en este caso dirigidos contra la proteína S (que es la ‘espícula’ externa y que corresponde al sitio de reconocimiento de receptores superficiales de las células humanas, en donde el virus se ‘ancla’), de tal forma que impidieran el inicio del proceso infeccioso.

Es importante aclarar aquí también, que en el diseño y producción de una vacuna, se presentan varios ‘puntos de control’ para decidir sobre la viabilidad de todo el proyecto: (i) contra cuál parte del virus se generaría una respuesta inmune neutralizante; (ii) cómo y quiénes deberán realizar las pruebas preclínicas (en modelos animales) —ya hay adelantos para esta colaboración— y las de tipo clínicas (en humanos) en sus fases progresivas, para ser revisadas y validadas por las autoridades sanitarias; (iii), cuáles serían los bioprocesos para producir cantidades suficientes con eficiencia, calidad y costo adecuados y asimismo, (iv) anticipar como debe ser la logística para su aplicación en la población mexicana de forma segura, asequible y con un seguimiento adecuado que permita monitorear continuamente su eficacia.

A manera de conclusión

En el IBt se han desarrollado líneas de investigación y se dispone de infraestructura que, en la experiencia acumulada en más de 30 años, han abordado temas cruciales de ciencia básica y de tecnología relacionadas con la salud, y que permiten continuar, adecuar y dirigir proyectos sobre diagnóstico, prevención, tratamiento y seguimiento de la COVID-19 [Figura 1]. Estas iniciativas convergen con la intención de fortalecer la capacidad científica y tecnológica en México, para atender o resolver varios problemas del país de la forma más oportuna y encauzada. Existe personal y condiciones para realizar pruebas diagnósticas y optimizar las pruebas. Hay colaboración y liderazgo en procedimientos para determinar secuencias completas del genoma de los virus circulantes, y así apoyar el seguimiento a la evolución de la pandemia. Se cuenta asimismo, con herramientas para mejorar la precisión de pruebas serológicas, que amplíen el conocimiento sobre la inmunidad adquirida y también, sobre estrategias que brinden protección pasiva y segura, a personal no infectado pero expuesto. Existen los medios para explorar la producción microbiológica de componentes para medicamentos antivirales que tuvieran efectos terapéuticos. Finalmente, hay acciones para emprender el diseño, producción inicial y pruebas pre-clínicas de candidatos de vacunas recombinantes que sean suficientes, e idealmente más accesibles para la población mexicana. Los pormenores sobre estas capacidades, avances y perspectivas se han difundido también a través de otras publicaciones [3,4].

Referencias:

1. Varios autores. “Las vacunas salvan vidas” No. 19, (2019-4) y “Vacunas: innovación y mitos”. No. 20 (2020-1), En: Biotecnología en Movimiento. www. biotecmov.org
2. “Pablo se queda en casa”, por Susana López Charretón, Selene Zárate Guerra, Martha Yocupicio Monroy. Ilustraciones: Eva Lobatón. Sociedad Mexicana de Virología, 1a. ed., mayo 2020. Descargar desde el sitio WWW del IBt o en: https://bit.ly/2zL5smw
3. Palomares, Laura A.; Lee, William H.; Ramírez, O.Tonatiuh. (2020). Hacia la soberanía en salud: Aportaciones de la investigación científca de la UNAM y de su Instituto de Biotecnología en la lucha contra COVID-19. Revista Pluralidad y Consenso. Año 10, No. 44, abril-junio 2020. (Senado de la República).
4. Taboada, B. et al., (2020). Genomic analysis of early SARS-CoV-2 strains introduced in Mexico. bioRxiv preprint doi: 10.110.2020.05.27.120402

Fuente. Biotecnología en Movimiento