«Con nuestra organización altamente multidisciplinar y centrada en la traducción, pudimos pivotar rápidamente y reorientar nuestras capacidades únicas de ingeniería hacia soluciones diagnósticas, terapéuticas y vacunas muy necesarias, y esperamos formar parte de la solución de muchos de los innumerables problemas que plantea la actual pandemia», dijo el director fundador del Instituto Wyss, Donald Ingber, M.D., Ph.D., que también es profesor Judah Folkman de Biología Vascular en la Facultad de Medicina de Harvard y el Hospital Infantil de Boston, y profesor de Bioingeniería en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS). «Nos esforzamos por hacer una contribución importante para controlar esta crisis, y confiamos en que lo que logremos ahora bajo presión ayudará a prevenir futuras epidemias».

Cumplir con los desafíos en la primera línea de atención al paciente

Muchas de las instituciones hospitalarias asociadas al Instituto y agencias gubernamentales se han puesto en contacto con la dirección del Instituto para ayudar en esta batalla que se intensifica rápidamente contra el COVID-19. El equipo de Ingber está trabajando estrechamente con colaboradores del Centro Médico Beth Israel Deaconess (BIDMC), otros hospitales afiliados a Harvard y generosos socios corporativos para desarrollar posibles soluciones a la creciente escasez de hisopos nasofaríngeos y mascarillas N95. Los ingenieros senior Richard Novak, Ph.D., y Adama Sesay, Ph.D., y el científico de investigación senior Pawan Jolly, Ph.D., están trabajando diligentemente con nuestros socios clínicos para ayudar a idear una solución lo antes posible.

Diagnosticar el COVID-19 de forma más rápida, sencilla y amplia

Dado que el COVID-19 se está extendiendo rápidamente por todo el planeta, la detección eficaz del virus CoV2 es fundamental para aislar a los individuos infectados lo antes posible, prestarles apoyo en la medida de lo posible y evitar así una mayor propagación incontrolada de la enfermedad. Actualmente, las pruebas más realizadas consisten en detectar fragmentos del material genético del virus, su ARN, amplificándolos con una técnica conocida como «reacción en cadena de la polimerasa» (PCR) a partir de hisopos nasofaríngeos tomados de la nariz y la garganta de los individuos.

Sin embargo, las pruebas tienen graves limitaciones que impiden decidir eficazmente si las personas de las comunidades más amplias están infectadas o no. Aunque las pruebas basadas en la PCR pueden detectar el ARN del virus en una fase temprana de la enfermedad, los kits de pruebas sólo están disponibles para una fracción de las personas que necesitan ser analizadas, y requieren trabajadores sanitarios capacitados, equipos de laboratorio especializados y un tiempo considerable para su realización. Además, los trabajadores sanitarios que realizan las pruebas son especialmente propensos a infectarse por el CoV2. Para acortar los tiempos de respuesta específicos para cada paciente y para toda la comunidad, los investigadores del Instituto Wyss están adoptando diferentes enfoques paralelos:

  • Por una vía, un equipo dirigido por el doctor Peng Yin, miembro del cuerpo docente del Instituto Wyss, y el doctor Thomas Schaus, científico principal de la Iniciativa de Robótica Molecular del Instituto está desarrollando una prueba desechable que hace uso de un «dispositivo de flujo lateral» (LFD) muy parecido a una prueba de embarazo casera: fácil de fabricar a gran escala y capaz de ser manipulada sin necesidad de equipos o conocimientos especiales. El equipo está adaptando un conjunto de técnicas de nanotecnología de ADN bioinspiradas que el laboratorio de Yin ha desarrollado previamente para permitir la detección de ARN o proteínas de virus a partir de simples hisopos nasofaríngeos con alta sensibilidad y precisión. En el dispositivo portátil LFD, estas herramientas permitirían a los usuarios transformar la presencia de ARN o proteínas virales en una muestra en la formación de una línea de color en una simple tira de papel de nitrocelulosa. Yin es uno de los líderes de la Iniciativa de Robótica Molecular del Instituto Wyss y también profesor de Biología de Sistemas en la Facultad de Medicina de Harvard (HMS).
  • Mejores métodos de detección de ARN viral también están siendo perseguidos por Sherlock Biosciences Inc, una startup de diagnóstico molecular surgida del Instituto Wyss y el Instituto Broad en 2019. La empresa obtuvo la licencia de la tecnología INSPECTRTM desarrollada por el doctor James Collins, miembro de la facultad principal de Wyss, y su grupo, incluido el ex jefe de desarrollo comercial de Wyss, el doctor William Blake, que se unió a Sherlock Biosciences desde el Instituto Wyss como director de tecnología de la empresa. Collins es cofundador de Sherlock Biosciences, y también profesor Termeer de Ciencias de la Ingeniería Médica & en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Según Rahul Dhanda, director general y cofundador de Sherlock Biosciences, la empresa está trabajando actualmente en diferentes soluciones para diagnosticar el COVID-19, una de las cuales utiliza la tecnología INSPECTRTM. INSPECTRTM consiste en sensores basados en el ADN, que pueden programarse para detectar el ARN del CoV2 con una especificidad de hasta uno de sus bloques de construcción de nucleótidos; los sensores se acoplan con redes genéticas sintéticas de papel que producen una señal bioluminiscente. Las señales pueden generarse a temperatura ambiente, capturarse en una película instantánea y leerse desde un sencillo dispositivo sin necesidad de equipos sofisticados, y la prueba está diseñada actualmente para funcionar de forma similar a una prueba de embarazo comercial. Al igual que el enfoque LFD desarrollado en el grupo de Yin, la tecnología INSPECTRTM puede ajustarse fácilmente para permitir la detección específica de las diferentes variantes de CoV2 que surgen continuamente, y para seguir su propagación en la población.
  • En un proyecto diferente dirigido por Collins y encabezado por los científicos investigadores Peter Nguyen, Ph.D., y Nina Donghia, y el antiguo estudiante de posgrado Luis Soenksen en el Instituto Wyss, el equipo está desarrollando una máscara facial de diagnóstico de COVID-19 que se autoactiva rápidamente como un diagnóstico portátil. Si la llevan los pacientes o las personas que están en casa con síntomas de la enfermedad, la mascarilla podría señalar rápidamente la presencia del virus sin necesidad de manipularla, de modo que los pacientes puedan ser clasificados rápidamente para recibir la atención médica adecuada, mientras que los trabajadores sanitarios y los pacientes que están cerca están protegidos. Este método, que surge de la plataforma tecnológica de diagnóstico portátil creada por el equipo de Collins en el marco de la Iniciativa de Dispositivos Celulares Vivos del Instituto Wyss, utilizará sensores moleculares altamente sensibles que, acoplados a redes de biología sintética, podrían permitir la producción de una señal de color inmediatamente visible o fluorescente en caso de que se encuentre el CoV2. Toda la maquinaria molecular libre de células puede liofilizarse e integrarse con el material sintético en la cara interior de las mascarillas. Expuestas a las pequeñas gotas que expulsan los portadores durante la respiración normal, los estornudos y la tos, y a la humedad del aire exhalado, las reacciones se rehidratan y, por tanto, se activan para producir una señal positiva o negativa en un plazo de 1 a 3 horas.
  • Un método para capturar las partículas del virus CoV2 de muestras humanas en un solo paso e identificarlas en el plazo de 1 hora está siendo explorado por el científico principal del personal, Michael Super, Ph.D., que trabaja en la plataforma de diagnóstico Bioinspired Therapeutics & de Don Ingber. Los investigadores están aprovechando la tecnología de captura de patógenos FcMBL del Instituto Wyss para unir partículas del virus CoV2, que esperan identificar rápidamente mediante espectrometría de masas. La FcMBL es una variante modificada genéticamente de la proteína inmunitaria «Mannose Binding Lectin» (MBL) que se une a las moléculas de la superficie de más de 100 patógenos diferentes, incluidos ciertos virus. El equipo de Ingber ha confirmado que FcMBL se une a un virus CoV2 pseudoinfeccioso que muestra la proteína CoV2 Spike en su superficie.
  • El doctor David Walt, líder del Acelerador de Diagnóstico Wyss, está desarrollando ensayos ultrasensibles para detectar los niveles de citoquinas -moléculas que segregan ciertas células inmunitarias para afectar a otras células- con el fin de ayudar a identificar intervenciones terapéuticas eficaces que puedan prevenir la mortal tormenta de citoquinas que puede desencadenar la sobreproducción de células inmunitarias. El laboratorio también está desarrollando una prueba serológica para determinar los individuos que aún no muestran síntomas, pero que han estado expuestos al virus y han montado una respuesta inmunitaria. Walt es también profesor Hansjörg Wyss de ingeniería inspirada en la biología en el HMS, profesor de patología en el Brigham and Women’s Hospital de Boston y profesor de instituto del Howard Hughes Medical Institute.

Avanzar la terapéutica antiviral por la vía rápida

Hasta la fecha no existe ningún fármaco antiviral que haya demostrado reducir la intensidad y la duración de la infección en los pacientes más gravemente afectados, ni proteger a los pacientes vulnerables de la infección por CoV2. Los médicos pueden limitarse a proporcionar cuidados de apoyo a sus pacientes con COVID-19 asegurándose de que reciban suficiente oxígeno, controlando la fiebre y, en general, apoyando su sistema inmunitario para ganar tiempo para combatir la infección por sí mismos. Los grupos de investigación del mundo académico y de la industria, que trabajan a un ritmo vertiginoso, han compilado una lista de candidatos a terapias y vacunas que podrían ofrecer alguna ayuda. Sin embargo, dadas las altas tasas de fracaso de los fármacos candidatos en los ensayos clínicos, se necesitan más esfuerzos para desarrollar medicamentos eficaces para una población mundial que probablemente variará en cuanto a su susceptibilidad y acceso a las nuevas tecnologías terapéuticas.

La actual pandemia de COVID-19 requiere una acción rápida, y la forma más rápida de combatir este desafío es reutilizar los fármacos existentes que ya están aprobados por la FDA para otras aplicaciones médicas como terapéutica de COVID-19. Mientras que los médicos de todo el mundo están tratando de hacer esto, los enfoques han sido al azar, y hay una gran necesidad de atacar este problema de una manera sistemática.

  • El equipo de Ingber, co-dirigido por la Científica Senior Rachelle Prantil-Baun, Ph.D. y la Científica Senior de Investigación Girija Goyal, Ph.D., ha desarrollado un modelo preclínico de infección por CoV2 que aprovecha la tecnología de emulación humana in vitro Organ-on-a-Chip (Organ Chip) del Instituto Wyss. El equipo diseñó un pseudovirus CoV2 que es seguro de usar en el laboratorio y expresa la proteína clave de la superficie Spike, que media su entrada en las células. También demostraron que infecta con éxito los Lung Chips humanos revestidos de células epiteliales de las vías respiratorias humanas altamente diferenciadas, que el equipo ha demostrado previamente que recapitulan con gran fidelidad la fisiopatología pulmonar humana, incluidas las respuestas a la infección por el virus de la gripe. Otros miembros del equipo, entre ellos el ingeniero principal Richard Novak y el científico principal Charles Reilly, están utilizando algoritmos de análisis de redes y enfoques de diseño racional de fármacos basados en la simulación dinámica molecular para identificar los fármacos aprobados por la FDA y los nuevos compuestos que pueden ser probados en la línea de reutilización terapéutica COVID-19 basada en el chip de órganos. El doctor Diogo Camacho, que trabaja en la Iniciativa de Biodescubrimiento Predictivo del Instituto Wyss, dirigida por Jim Collins, también está aplicando nuevas herramientas computacionales basadas en el aprendizaje automático para afrontar este reto de reutilización. El equipo está colaborando activamente con investigadores que pueden estudiar el virus CoV2 infeccioso nativo en laboratorios de bioseguridad aprobados BSL3, y están trabajando intensamente para identificar rápidamente los fármacos y las combinaciones de fármacos aprobados por la FDA que pueden utilizarse como terapias contra el COVID-19, o como terapias profilácticas para los trabajadores sanitarios o los pacientes que son especialmente vulnerables a esta enfermedad. Reilly, en colaboración con el científico principal Ken Carlson, Ph.D., también está utilizando su enfoque de simulación de dinámica molecular para desarrollar nuevas terapias de amplio espectro para el Coronavirus dirigidas contra una región conservada de su proteína de superficie Spike que ayudaría a los pacientes infectados a sobrevivir a la actual pandemia de COVID-19, y nos permitiría estar preparados para prevenir las infecciones por virus Corona relacionados que pudieran surgir en el futuro.
  • El equipo de Collins también está desplegando algoritmos computacionales para predecir estructuras químicas que podrían inhibir diferentes aspectos de la biología del virus o de la patología de la enfermedad y ser desarrolladas en terapias. En colaboración con la doctora Regina Barzilay, profesora del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática del MIT, su equipo está aprovechando las redes neuronales profundas para desarrollar estrategias terapéuticas que podrían ayudar a tratar la neumonía bacteriana, que puede superponerse a la causada por el virus CoV2 y poner aún más en peligro la vida de los pacientes. En un estudio reciente, motivado por la actual escasez de antibióticos, el grupo de Collins fue pionero en un enfoque de aprendizaje profundo para el descubrimiento de antibióticos que llevó a los investigadores a descubrir nuevas moléculas con efectos antibacterianos hacia diferentes cepas patógenas.
  • El doctor George Church, miembro del cuerpo docente de Wyss, y su estudiante de posgrado Kettner Griswold están tomando otro camino. Una forma de combatir el virus CoV2 es aprovechar el poder del sistema inmunitario. Church y Griswold están diseñando anticuerpos que se unen específicamente al virus y podrían permitir un potente ataque inmunitario contra él. Partiendo de un «anticuerpo neutralizador» ya existente que se une a la proteína Spike del virus responsable de la epidemia de SARS de 2003, esperan hacer que el anticuerpo se adapte al virus CoV2, estrechamente relacionado. Este agente neutralizador sería similar a los tratamientos en los que los pacientes con enfermedades infecciosas reciben «plasma sanguíneo» (la parte líquida de la sangre que contiene las células sanguíneas) de individuos que se han recuperado de la infección, que contiene anticuerpos neutralizantes contra el patógeno. Sin embargo, un anticuerpo diseñado podría fabricarse en grandes cantidades y suministrarse a los pacientes de COVID-19 de forma mucho más rápida y sencilla que el plasma sanguíneo. Church es también catedrático de Genética en el HMS y profesor de Ciencias de la Salud y Tecnología en Harvard y el MIT.

En busca de la protección definitiva: una vacuna

Sin que haya ninguna vacuna disponible en la actualidad, pero con varios candidatos a vacuna que se están estudiando en todo el mundo, los investigadores del Instituto Wyss, dirigidos por el doctor David Mooney, miembro del cuerpo docente del Wyss, están desarrollando un material que podría hacer que las vacunas fueran más eficaces. Anteriormente, el equipo de Mooney ha desarrollado vacunas contra el cáncer implantables e inyectables que pueden inducir al sistema inmunitario a atacar y destruir las células cancerosas.

  • Un ingrediente clave de las vacunas es un fragmento del agente infeccioso, llamado antígeno, pero la respuesta inmunitaria a muchos antígenos es débil. Los materiales bioactivos de la vacuna de Wyss están programados con moléculas que orquestan el reclutamiento y la estimulación de las células inmunitarias con la presentación del antígeno. Esto da lugar a respuestas robustas que, en relación con el COVID-19, en teoría pueden permitir al sistema inmunitario tanto eliminar el virus inmediatamente en los individuos infectados, como crear una memoria en los individuos infectados y no infectados sin necesidad de refuerzos adicionales. Dada la estructura altamente modular del material, se pueden conectar fácilmente varios antígenos que están siendo identificados por investigadores de todo el mundo, optimizando la respuesta a cada uno. Este enfoque puede dar lugar a una plataforma muy versátil en la lucha contra futuras epidemias y muchas enfermedades infecciosas. Mooney dirige el Área de Enfoque de Inmunomateriales del Instituto Wyss y también es el Profesor de la Familia Robert P. Pinkas de Bioingeniería en SEAS.

Entender cómo se desarrolla el COVID-19 y cómo controlarlo

El COVID-19 no ataca con la misma fuerza a todos los individuos que infecta. Independientemente de la edad, algunos son propensos a enfermar gravemente, mientras que otros muestran un asombroso nivel de resistencia contra la enfermedad. Averiguar la base biológica de estas diferencias podría conducir a nuevas estrategias de protección.

  • Church y la doctora Ting Wu, miembro del cuerpo docente de Wyss, colaboran con el «Proyecto Genoma Personal» (PGP), una iniciativa internacional que crea datos públicos sobre el genoma, la salud y los rasgos genéticos para que sean aprovechados por la comunidad de investigadores biomédicos con el fin de impulsar el progreso científico en muchas áreas. Wu es también catedrático de genética en HMS. Church desempeñó un papel decisivo en la fundación de la iniciativa en 2005, y ha impulsado su alcance con avances tecnológicos clave y su enfática dirección. Los dos investigadores de Wyss y sus equipos, dirigidos por la doctora Sarah Wait Zaranek, presidenta de Curie y codirectora de informática del PGP, están poniendo en marcha un proyecto para aprovechar la plataforma del PGP comparando los genomas, microbiomas, viomas y sistemas inmunitarios de individuos con consentimiento con extrema susceptibilidad al COVID-19 y de individuos que muestran resistencia. Su enfoque de biología de sistemas de largo alcance podría conducir a conocimientos inesperados sobre la enfermedad, y revelar palancas clave que podrían ajustarse con los medicamentos existentes para controlar la infección, ayudar a priorizar a los individuos para la atención urgente, así como proporcionar orientación sobre qué trabajadores de la salud harían mejor en la primera línea de atención.
  • Además de llevar a cabo diversas actividades centradas en la COVID-19 en sus laboratorios, el Instituto Wyss está trabajando con las comunidades de investigación, hospitalaria y de salud pública más amplias para integrar sus esfuerzos a nivel nacional. Por ejemplo, Church está estrechando lazos con su antiguo becario posdoctoral, el doctor Jay Shendure, profesor de Ciencias del Genoma en la Universidad de Washington, Seattle, que dirige el «estudio de la gripe de Seattle», que dio origen a COVID-19, así como con el doctor David Baker, director del Instituto de Diseño de Proteínas de Seattle, y el doctor Jonathan Rothberg, fundador de la empresa de ciencias de la vida 4Bionics, entre otras compañías, para desarrollar un kit de pruebas caseras sencillo pero diferente.
    En el ámbito nacional, Walt es miembro de un debate COVID-19 iniciado en el recién formado «Comité Permanente sobre Enfermedades Infecciosas Emergentes y Amenazas para la Salud del Siglo XXI» de las Academias Nacionales. El comité se está centrando en gran medida en la actual pandemia de coronavirus para encontrar formas de ayudar al gobierno federal a consolidar y racionalizar los esfuerzos en toda la nación, pero también trabajará a largo plazo para desarrollar estrategias y hacer recomendaciones para futuras amenazas sanitarias.

A nivel internacional, el Instituto Wyss funciona como Centro de Excelencia de la Red Global de Virus (GVN), con Ingber como líder y los demás profesores de Wyss como miembros participantes clave. La GVN está diseñada para integrar los esfuerzos de vigilancia y respuesta a las amenazas biológicas, epidemias y pandemias mediante la integración de los esfuerzos de las principales instituciones de investigación de virus de todo el mundo. Ingber también trabaja actualmente en estrecha colaboración con la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) y la Fundación Bill & Melinda Gates, y mantiene conversaciones activas con el Instituto Nacional de Alergia y Enfermedades Infecciosas (NIAID) de los Institutos Nacionales de Salud (NIH), la Autoridad de Investigación y Desarrollo Biomédico Avanzado (BARDA) y el Ministerio de Salud de Inglaterra, en su intento de alinear y coordinar los esfuerzos para hacer frente a este monumental desafío sanitario.

«El Instituto Wyss y sus colaboradores están adoptando exactamente el tipo de enfoque global e integrado para hacer frente a esta pandemia que se requiere a nivel local, nacional e internacional», dijo Walt.

CONTACTOS DE PRENSA

Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de la Universidad de Harvard
Benjamin Boettner, , +1 917-913-8051

El Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de la Universidad de Harvard (http://wyss.harvard.edu) utiliza los principios de diseño de la naturaleza para desarrollar materiales y dispositivos de inspiración biológica que transformarán la medicina y crearán un mundo más sostenible. Los investigadores del Wyss desarrollan nuevas e innovadoras soluciones de ingeniería para la sanidad, la energía, la arquitectura, la robótica y la fabricación que se traducen en productos y terapias comerciales a través de colaboraciones con investigadores clínicos, alianzas corporativas y la formación de nuevas startups. El Instituto Wyss crea avances tecnológicos transformadores participando en investigaciones de alto riesgo, y cruza las barreras disciplinarias e institucionales, trabajando como una alianza que incluye las Escuelas de Medicina, Ingeniería, Artes & Ciencias y Diseño de Harvard, y en asociación con el Centro Médico Beth Israel Deaconess, el Brigham and Women’s Hospital, el Boston Children’s Hospital, el Dana-Farber Cancer Institute, el Massachusetts General Hospital, la Facultad de Medicina de la Universidad de Massachusetts, el Spaulding Rehabilitation Hospital, la Universidad de Boston, la Universidad Tufts, la Charité – Universitätsmedizin Berlin, la Universidad de Zúrich y el Massachusetts Institute of Technology.