« Grâce à notre organisation hautement multidisciplinaire et axée sur la traduction, nous avons pu rapidement pivoter et recentrer nos capacités d’ingénierie uniques sur des solutions diagnostiques, thérapeutiques et vaccinales très attendues, et nous espérons faire partie de la solution à bon nombre des innombrables problèmes que pose la pandémie actuelle », a déclaré le directeur fondateur du Wyss Institute, Donald Ingber, M.D., Ph.D., qui est également titulaire de la chaire Judah Folkman de biologie vasculaire à la faculté de médecine de Harvard et à l’hôpital pour enfants de Boston, et professeur de bio-ingénierie à l’école d’ingénierie et de sciences appliquées John A. Paulson de Harvard (SEAS). « Nous nous efforçons d’apporter une contribution majeure à la maîtrise de cette crise, et nous sommes convaincus que ce que nous accomplissons sous la contrainte maintenant contribuera à prévenir de futures épidémies. »

Répondre aux défis sur les lignes de front des soins aux patients

De nombreuses institutions hospitalières partenaires de l’Institut et des agences gouvernementales ont contacté les dirigeants de l’Institut pour les aider dans cette bataille contre le COVID-19 qui s’intensifie rapidement. L’équipe d’Ingber travaille en étroite collaboration avec des collaborateurs du Beth Israel Deaconess Medical Center (BIDMC), d’autres hôpitaux affiliés à Harvard et de généreuses entreprises partenaires afin de développer des solutions potentielles à la pénurie croissante d’écouvillons nasopharyngés et de masques N95. Les ingénieurs principaux Richard Novak, Ph.D., et Adama Sesay, Ph.D., et le chercheur principal Pawan Jolly, Ph.D., travaillent avec diligence avec nos partenaires cliniques pour aider à concevoir une solution aussi rapidement que possible.

Diagnostiquer le COVID-19 plus rapidement, plus facilement et plus largement

Avec le COVID-19 qui se répand rapidement sur la planète, la détection efficace du virus CoV2 est cruciale pour isoler les individus infectés le plus tôt possible, les soutenir de toutes les manières possibles, et ainsi empêcher la propagation incontrôlée de la maladie. Actuellement, les tests les plus performants consistent à détecter des bribes du matériel génétique du virus, son ARN, en les amplifiant par une technique dite de « réaction en chaîne par polymérase » (PCR) à partir d’écouvillons nasopharyngés prélevés dans le nez et la gorge des individus.

Ces tests présentent toutefois de sérieuses limitations qui empêchent de déterminer efficacement si les personnes des communautés plus larges sont infectées ou non. Bien que les tests basés sur la PCR puissent détecter l’ARN du virus à un stade précoce de la maladie, les kits de test ne sont disponibles que pour une fraction des personnes qui doivent être testées, et ils nécessitent des travailleurs de la santé formés, un équipement de laboratoire spécialisé et beaucoup de temps pour être réalisés. En outre, les agents de santé qui effectuent les tests sont particulièrement susceptibles d’être infectés par le CoV2. Pour raccourcir les temps de réponse spécifiques aux patients et à l’échelle de la communauté, les chercheurs de l’Institut Wyss adoptent différentes approches parallèles :

  • Par une voie, une équipe dirigée par Peng Yin, Ph.D., membre de la faculté centrale de Wyss, et Thomas Schaus, M.D., Ph.D., Senior Staff Scientist, dans le cadre de l’initiative de robotique moléculaire de l’Institut, est en train de mettre au point un test jetable qui utilise un « dispositif à flux latéral » (LFD) semblable à un test de grossesse à domicile – facile à fabriquer à grande échelle et pouvant être manipulé sans équipement ou expertise particulière. L’équipe adapte une série de techniques de nanotechnologie de l’ADN bioinspirées que le laboratoire de Yin a précédemment développées pour permettre la détection de l’ARN ou des protéines de virus à partir de simples écouvillons nasopharyngés avec une sensibilité et une précision élevées. Dans le dispositif LFD portable, ces outils permettraient aux utilisateurs de transformer la présence d’ARN ou de protéines virales dans un échantillon en la formation d’une ligne colorée sur une simple bande de papier nitrocellulose. Yin est l’un des responsables de l’initiative de robotique moléculaire de l’Institut Wyss et également professeur de biologie des systèmes à la Harvard Medical School (HMS).
  • De meilleures méthodes de détection des ARN viraux sont également recherchées par Sherlock Biosciences Inc, une startup de diagnostic moléculaire issue du Wyss Institute et du Broad Institute en 2019. La société a obtenu une licence pour la technologie INSPECTRTM développée par James Collins, Ph.D., membre de la faculté centrale du Wyss, et son groupe, y compris l’ancien responsable du développement commercial du Wyss, William Blake, Ph.D., qui a rejoint Sherlock Biosciences depuis l’Institut Wyss en tant que directeur technique de la société. M. Collins est cofondateur de Sherlock Biosciences, et également titulaire de la chaire Termeer d’ingénierie médicale &sciences au Massachusetts Institute of Technology (MIT). Selon Rahul Dhanda, M.B.A., PDG et cofondateur de Sherlock Biosciences, la société travaille actuellement sur différentes solutions pour le diagnostic du COVID-19, dont l’une déploie la technologie INSPECTRTM. INSPECTRTM consiste en des capteurs basés sur l’ADN, qui peuvent être programmés pour détecter l’ARN du CoV2 avec une spécificité allant jusqu’à un seul de ses nucléotides constitutifs ; les capteurs sont couplés à des réseaux de gènes synthétiques sur papier qui produisent un signal bioluminescent. Les capteurs sont couplés à des réseaux de gènes synthétiques sur papier qui produisent un signal bioluminescent. Les signaux peuvent être générés à température ambiante, capturés sur un film instantané et lus à partir d’un dispositif simple sans équipement sophistiqué, et le test est actuellement conçu pour fonctionner de manière similaire à un test de grossesse standard. Comme l’approche LFD développée par le groupe de Yin, la technologie INSPECTRTM peut être facilement ajustée pour permettre la détection spécifique des différents variants du CoV2 apparaissant continuellement, et pour suivre leur propagation dans la population.
  • Dans un autre projet dirigé par Collins et piloté par les chercheurs Peter Nguyen, Ph.D., et Nina Donghia, et l’ancien étudiant diplômé Luis Soenksen à l’Institut Wyss, l’équipe développe un masque facial de diagnostic rapide auto-activé du COVID-19 comme diagnostic portable. Porté par des patients ou des personnes à domicile présentant des symptômes de la maladie, le masque facial pourrait rapidement signaler la présence du virus sans qu’il soit nécessaire de le manipuler, de sorte que les patients puissent être rapidement triés pour recevoir les soins médicaux appropriés, tout en protégeant les travailleurs de la santé et les patients qui se trouvent à proximité. Issue de la plateforme technologique de diagnostic portable de l’équipe de Collins, créée dans le cadre de l’initiative Living Cellular Devices du Wyss Institute, l’approche utilisera des capteurs moléculaires très sensibles qui, couplés à des réseaux de biologie synthétique, pourraient permettre la production d’un signal de couleur immédiatement visible ou fluorescent en cas de présence du CoV2. L’ensemble de la machinerie moléculaire acellulaire peut être lyophilisée et intégrée au matériau synthétique sur la face intérieure des masques. Exposées aux petites gouttelettes qui sont expulsées par les porteurs lors de la respiration normale, des éternuements et de la toux, ainsi qu’à l’humidité de l’air expiré, les réactions sont réhydratées et donc activées pour produire un signal positif ou négatif en 1 à 3 heures.
  • Une méthode permettant de capturer les particules du virus CoV2 à partir d’échantillons humains en une seule étape et de les identifier en moins d’une heure est en cours d’exploration par le Senior Staff Scientist, Michael Super, Ph.D., qui travaille sur la plateforme Bioinspired Therapeutics & Diagnostics de Don Ingber. Les chercheurs s’appuient sur la technologie de capture des agents pathogènes FcMBL de l’Institut Wyss pour lier les particules du virus CoV2, qu’ils espèrent identifier rapidement par spectrométrie de masse. Le FcMBL est une variante génétiquement modifiée de la protéine immunitaire « Mannose Binding Lectin » (MBL) qui se lie aux molécules à la surface de plus de 100 agents pathogènes différents, dont certains virus. L’équipe d’Ingber a confirmé que la FcMBL se lie à un virus CoV2 pseudotypique non infectieux qui affiche la protéine CoV2 Spike à sa surface.
  • Des tests ultrasensibles pour détecter les niveaux de cytokines – des molécules qui sont sécrétées par certaines cellules immunitaires pour affecter d’autres cellules – sont en cours de développement par David Walt, Ph.D., chef de l’accélérateur de diagnostics Wyss, pour aider à identifier des interventions thérapeutiques efficaces qui peuvent prévenir la tempête mortelle de cytokines qui peut être déclenchée par la surproduction de cellules immunitaires. Le laboratoire met également au point un test sérologique pour identifier les personnes qui ne présentent pas encore de symptômes, mais qui ont été exposées au virus et ont mis en place une réponse immunitaire. Walt est également le Hansjörg Wyss Professor of Biologically Inspired Engineering à HMS, professeur de pathologie au Brigham and Women’s Hospital de Boston, et professeur d’institut du Howard Hughes Medical Institute.

L’avancement des thérapeutiques antivirales sur la voie rapide

À ce jour, il n’existe aucun médicament antiviral qui a été prouvé pour réduire l’intensité et la durée de l’infection chez les patients plus gravement touchés, ou pour protéger les patients vulnérables de l’infection par le CoV2. Les médecins peuvent simplement fournir des soins de soutien à leurs patients atteints du COVID-19 en s’assurant qu’ils reçoivent suffisamment d’oxygène, en contrôlant leur fièvre et en soutenant généralement leur système immunitaire pour leur donner le temps de combattre eux-mêmes l’infection. Les groupes de recherche universitaires et industriels qui travaillent à un rythme effréné ont dressé une liste de candidats thérapeutiques et de vaccins qui pourraient apporter une certaine aide. Cependant, étant donné les taux d’échec élevés des médicaments candidats dans les essais cliniques, des efforts supplémentaires sont nécessaires pour développer des médicaments efficaces pour une population mondiale qui variera probablement en ce qui concerne sa susceptibilité et son accès aux nouvelles technologies thérapeutiques.

La pandémie de COVID-19 en cours nécessite une action rapide, et le moyen le plus rapide de combattre ce défi est de réadapter des médicaments existants qui sont déjà approuvés par la FDA pour d’autres applications médicales en tant que thérapeutiques du COVID-19. Alors que les cliniciens du monde entier tentent de le faire, les approches ont été désordonnées, et il y a un grand besoin d’attaquer ce problème de manière systématique.

  • L’équipe d’Ingber, codirigée par la scientifique principale Rachelle Prantil-Baun, Ph.D. et la scientifique principale Girija Goyal, Ph.D., a mis au point un modèle préclinique d’infection par le CoV2 qui exploite la technologie d’émulation humaine in vitro de l’Institut Wyss, Organ-on-a-Chip (Organ Chip). L’équipe a mis au point un pseudovirus CoV2 qui peut être utilisé en toute sécurité en laboratoire et qui exprime la protéine clé de surface Spike, qui permet son entrée dans les cellules. Elle a également démontré qu’il réussit à infecter les puces pulmonaires humaines tapissées de cellules épithéliales des voies respiratoires hautement différenciées, dont l’équipe avait déjà montré qu’elles reproduisaient avec une grande fidélité la physiopathologie pulmonaire humaine, y compris les réponses à l’infection par le virus de la grippe. D’autres membres de l’équipe, dont l’ingénieur principal Richard Novak et le scientifique principal Charles Reilly, utilisent respectivement des algorithmes d’analyse de réseau et des approches de conception rationnelle de médicaments basées sur la simulation de la dynamique moléculaire pour identifier les médicaments existants approuvés par la FDA et les nouveaux composés qui peuvent être testés dans le pipeline de réadaptation thérapeutique COVID-19 basé sur la puce à organe. Le scientifique principal Diogo Camacho, Ph.D., qui travaille dans le cadre de l’initiative de biodécouverte prédictive du Wyss Institute, dirigée par Jim Collins, applique également de nouveaux outils informatiques basés sur l’apprentissage automatique pour relever ce défi de la reconversion. L’équipe collabore désormais activement avec des chercheurs qui peuvent étudier le virus CoV2 infectieux natif dans des laboratoires de biosécurité agréés BSL3, et elle travaille d’arrache-pied pour identifier rapidement les médicaments et les combinaisons de médicaments existants approuvés par la FDA qui pourraient être utilisés comme thérapie pour le COVID-19, ou comme thérapie prophylactique pour les travailleurs de la santé ou les patients qui sont particulièrement vulnérables à cette maladie. Reilly, en collaboration avec le Senior Staff Scientist Ken Carlson, Ph.D., utilise également son approche de simulation de la dynamique moléculaire pour développer de nouvelles thérapeutiques à large spectre du Coronavirus, ciblées contre une région conservée de sa protéine Spike de surface, qui aideraient à la fois les patients infectés à survivre à la pandémie actuelle de COVID-19, et nous permettraient d’être préparés à prévenir les infections par des virus Corona apparentés qui pourraient émerger à l’avenir.
  • L’équipe de Collins déploie également des algorithmes computationnels pour prédire les structures chimiques qui pourraient inhiber différents aspects de la biologie des virus ou de la pathologie des maladies et être développées en thérapeutiques. Dans le cadre d’une collaboration avec Regina Barzilay, Ph.D., professeur au département de génie électrique et d’informatique du MIT, son équipe exploite les réseaux neuronaux profonds pour élaborer des stratégies thérapeutiques qui pourraient aider à traiter la pneumonie bactérienne, qui peut se superposer à la pneumonie causée par le virus CoV2 et mettre davantage en danger la vie des patients. Dans une étude récente, motivée par la pénurie actuelle d’antibiotiques, le groupe de Collins a inauguré avec succès une approche d’apprentissage profond pour la découverte d’antibiotiques qui a conduit les chercheurs à découvrir de nouvelles molécules ayant des effets antibactériens envers différentes souches pathogènes.
  • Le membre de la faculté centrale de Wyss, George Church, docteur en médecine, et son étudiant diplômé Kettner Griswold empruntent encore une autre voie. Une façon de combattre le virus CoV2 est d’exploiter la puissance du système immunitaire. Church et Griswold mettent au point des anticorps qui se lient spécifiquement au virus et pourraient permettre une puissante attaque immunitaire contre lui. En partant d’un « anticorps neutralisant » existant qui se lie à la protéine Spike du virus responsable de l’épidémie de SRAS de 2003, ils espèrent faire correspondre l’anticorps au virus CoV2, étroitement apparenté. Un tel agent neutralisant s’apparenterait aux traitements par lesquels les patients atteints de maladies infectieuses reçoivent du « plasma sanguin » (la partie liquide du sang qui contient les cellules sanguines) provenant de personnes ayant récupéré de l’infection, qui contient des anticorps neutralisants contre l’agent pathogène. Cependant, un anticorps modifié pourrait être fabriqué en grande quantité et fourni aux patients atteints du COVID-19 beaucoup plus rapidement et facilement que le plasma sanguin. Church est également professeur de génétique à HMS et professeur de sciences de la santé et de technologie à Harvard et au MIT.

À la recherche de la protection ultime – un vaccin

Avec aucun vaccin actuellement disponible, mais plusieurs candidats vaccins explorés dans le monde, les chercheurs de l’Institut Wyss dirigés par David Mooney, Ph.D., membre de la faculté centrale Wyss, développent un matériau qui pourrait rendre les vaccinations plus efficaces. Auparavant, l’équipe de Mooney a développé des vaccins anticancéreux implantables et injectables qui peuvent inciter le système immunitaire à attaquer et à détruire les cellules cancéreuses.

  • Un ingrédient clé des vaccins est un fragment de l’agent infectieux, appelé antigène, mais la réponse immunitaire à de nombreux antigènes est faible. Les matériaux bioactifs du vaccin de Wyss sont programmés avec des molécules qui orchestrent le recrutement et la stimulation des cellules immunitaires avec présentation de l’antigène. Il en résulte des réponses robustes qui, dans le cas du COVID-19, pourraient théoriquement permettre au système immunitaire de tuer immédiatement le virus chez les personnes infectées et de créer une mémoire chez les personnes infectées et non infectées sans avoir besoin de rappels supplémentaires. Compte tenu de la structure hautement modulaire du matériau, il est possible de brancher et d’utiliser facilement divers antigènes identifiés par les chercheurs du monde entier, en optimisant la réponse à chacun d’eux. Cette approche pourrait donner naissance à une plateforme très polyvalente dans la lutte contre les futures épidémies et de nombreuses maladies infectieuses. Mooney dirige le Wyss Institute’s Immuno-Materials Focus Area et également le Robert P. Pinkas Family Professor of Bioengineering au SEAS.

Comprendre comment COVID-19 se développe et comment le contrôler

COVID-19 ne frappe pas avec la même force chez tous les individus qu’il infecte. Indépendamment de l’âge, certains sont enclins à tomber gravement malades, tandis que d’autres font preuve d’une étonnante résilience face à la maladie. Comprendre la base biologique de ces différences pourrait conduire à de nouvelles stratégies de protection.

  • Church et Ting Wu, Ph.D., membre associé de la faculté Wyss, travaillent avec « The Personal Genome Project » (PGP), une initiative internationale qui crée des données publiques sur le génome, la santé et les traits génétiques qui seront exploitées par la communauté de la recherche biomédicale pour stimuler le progrès scientifique dans de nombreux domaines. Wu est également professeur de génétique à HMS. M. Church a joué un rôle déterminant dans la création de l’initiative en 2005, dont il a étendu la portée grâce à des avancées technologiques majeures et à sa gestion énergique. Les deux chercheurs de Wyss et leurs équipes dirigées par Sarah Wait Zaranek, Ph.D., présidente de Curie et codirectrice de l’informatique du PGP, lancent actuellement un projet visant à exploiter la plateforme du PGP en comparant les génomes, les microbiomes, les viromes et les systèmes immunitaires de personnes consentantes présentant une susceptibilité extrême au COVID-19 et de personnes présentant une résistance. Leur approche de biologie des systèmes à grande échelle pourrait conduire à des connaissances inattendues sur la maladie, et révéler des leviers clés qui pourraient être ajustés avec les médicaments existants pour contrôler l’infection, aider à prioriser les individus pour des soins urgents, ainsi que fournir des indications sur les travailleurs de la santé qui feraient mieux d’être en première ligne des soins.
  • En plus de poursuivre diverses activités axées sur le COVID-19 dans ses laboratoires, le Wyss Institute travaille avec les communautés plus larges de la recherche, des hôpitaux et de la santé publique pour intégrer ses efforts à l’échelle nationale. Par exemple, M. Church resserre les liens avec son ancien stagiaire postdoctoral Jay Shendure, Ph.D., professeur de sciences du génome à l’Université de Washington, à Seattle, qui dirige l' »étude sur la grippe de Seattle », qui a donné naissance à COVID-19, ainsi qu’avec David Baker, Ph.D., directeur de l’Institut de conception des protéines à Seattle, et Jonathan Rothberg, Ph.D., fondateur de la société de sciences de la vie 4Bionics, entre autres, afin de mettre au point un kit de test à domicile simple, mais différent.
    Au niveau national, Walt est membre d’une discussion COVID-19 entamée au sein du tout nouveau « Comité permanent sur les maladies infectieuses émergentes et les menaces sanitaires du XXIe siècle » des Académies nationales. Le comité se concentre fortement maintenant sur la pandémie actuelle de coronavirus pour trouver des moyens d’aider le gouvernement fédéral à consolider et à rationaliser les efforts à travers la nation, mais il travaillera également à long terme pour développer des stratégies et faire des recommandations pour les futures menaces sanitaires.

Au niveau international, l’Institut Wyss fonctionne comme un centre d’excellence du Réseau mondial des virus (GVN), avec Ingber comme leader et les autres membres de la faculté Wyss comme membres participants clés. Le GVN est conçu pour intégrer les efforts de surveillance et de réponse aux menaces biologiques, aux épidémies et aux pandémies en intégrant les efforts des meilleures institutions de recherche sur les virus du monde entier. Ingber travaille également actuellement en étroite collaboration avec la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) et la Fondation Bill &Melinda Gates, ainsi qu’en discussions actives avec le National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) des NIH, la Biomedical Advanced Research and Development Authority (BARDA) et Public Health England, alors qu’ils tentent tous d’aligner et de coordonner les efforts pour relever ce défi sanitaire monumental.

« L’Institut Wyss et ses collaborateurs adoptent exactement le type d’approche globale et intégrée pour faire face à cette pandémie qui est nécessaire aux niveaux local, national et international », a déclaré Walt.

Contacts presse

Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard University
Benjamin Boettner, , +1 917-913-8051

Le Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l’Université de Harvard (http://wyss.harvard.edu) utilise les principes de conception de la Nature pour développer des matériaux et des dispositifs bioinspirés qui transformeront la médecine et créeront un monde plus durable. Les chercheurs du Wyss développent de nouvelles solutions d’ingénierie innovantes pour les soins de santé, l’énergie, l’architecture, la robotique et la fabrication, qui se traduisent par des produits commerciaux et des thérapies grâce à des collaborations avec des chercheurs cliniques, des alliances avec des entreprises et la création de nouvelles start-ups. Le Wyss Institute crée des percées technologiques transformatrices en s’engageant dans des recherches à haut risque, et franchit les barrières disciplinaires et institutionnelles, en travaillant dans le cadre d’une alliance qui inclut les écoles de médecine, d’ingénierie, d’arts &de sciences et de design de Harvard, et en partenariat avec le Beth Israel Deaconess Medical Center, Brigham and Women’s Hospital, Boston Children’s Hospital, Dana-Farber Cancer Institute, Massachusetts General Hospital, la faculté de médecine de l’université du Massachusetts, Spaulding Rehabilitation Hospital, l’université de Boston, l’université Tufts, Charité – Universitätsmedizin Berlin, l’université de Zurich et le Massachusetts Institute of Technology.