“Con la nostra organizzazione altamente multidisciplinare e focalizzata sulla traduzione, siamo stati in grado di fare rapidamente perno e rifocalizzare le nostre capacità ingegneristiche uniche su soluzioni diagnostiche, terapeutiche e vaccinali molto necessarie, e speriamo di essere parte della soluzione per molti degli innumerevoli problemi che l’attuale pandemia pone”, ha detto il direttore fondatore del Wyss Institute Donald Ingber, MD, Ph.D., che è anche il professore Judah Folkman di biologia vascolare presso la Harvard Medical School e il Boston Children’s Hospital, e professore di bioingegneria presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). “Ci sforziamo di dare un contributo importante per portare questa crisi sotto controllo, e siamo fiduciosi che ciò che realizziamo sotto costrizione ora aiuterà a prevenire future epidemie.”

Rispondere alle sfide in prima linea nella cura dei pazienti

Molte delle istituzioni ospedaliere partner dell’Istituto e le agenzie governative hanno raggiunto la leadership dell’Istituto per assistere in questa battaglia in rapida escalation contro COVID-19. Il team di Ingber sta lavorando a stretto contatto con i collaboratori del Beth Israel Deaconess Medical Center (BIDMC), altri ospedali affiliati ad Harvard e generosi partner aziendali per sviluppare potenziali soluzioni alla crescente carenza di tamponi nasofaringei e maschere facciali N95. Gli ingegneri senior dello staff Richard Novak, Ph.D., e Adama Sesay, Ph.D., e il Senior Research Scientist Pawan Jolly, Ph.D., stanno lavorando diligentemente con i nostri partner clinici per aiutare a concepire una soluzione il più rapidamente possibile.

Diagnosticare la COVID-19 più rapidamente, facilmente e ampiamente

Con la rapida diffusione della COVID-19 in tutto il pianeta, l’individuazione efficiente del virus CoV2 è fondamentale per isolare gli individui infetti il più presto possibile, sostenerli in ogni modo possibile e prevenire così l’ulteriore diffusione incontrollata della malattia. Attualmente, i test più eseguiti rilevano frammenti del materiale genetico del virus, il suo RNA, amplificandoli con una tecnica nota come “reazione a catena della polimerasi” (PCR) da tamponi nasofaringei prelevati dal naso e dalla gola degli individui.

I test, tuttavia, hanno gravi limitazioni che impediscono di decidere efficacemente se le persone nelle comunità più ampie sono infette o meno. Anche se i test basati sulla PCR possono rilevare l’RNA del virus nelle prime fasi della malattia, i kit di test sono disponibili solo per una frazione delle persone che devono essere testate, e richiedono operatori sanitari addestrati, attrezzature di laboratorio specializzate e un tempo significativo per essere eseguiti. Inoltre, gli operatori sanitari che eseguono i test sono particolarmente inclini ad essere infettati dal CoV2. Per accorciare i tempi di risposta specifici per i pazienti e per tutta la comunità, i ricercatori del Wyss Institute stanno adottando diversi approcci paralleli:

  • Per una via, un team guidato dal membro della Wyss Core Faculty Peng Yin, Ph.D., e dal Senior Staff Scientist Thomas Schaus, M.D., Ph.D, nella Molecular Robotics Initiative dell’Istituto stanno sviluppando un test monouso che fa uso di un “dispositivo a flusso laterale” (LFD) molto simile a un test di gravidanza domestico – facile da produrre su larga scala, e in grado di essere gestito senza attrezzature speciali o competenze. Il team sta adattando una serie di tecniche di nanotecnologia del DNA bioispirate che il laboratorio di Yin ha precedentemente sviluppato per consentire il rilevamento di virus RNA o proteine da semplici tamponi nasofaringei con alta sensibilità e precisione. Nel dispositivo palmare LFD, questi strumenti permetterebbero agli utenti di trasformare la presenza di RNA o proteine virali in un campione nella formazione di una linea colorata su una semplice striscia di carta nitrocellulosa. Yin è uno dei leader della Molecular Robotics Initiative del Wyss Institute e anche professore di biologia dei sistemi alla Harvard Medical School (HMS).
  • Migliori metodi di rilevamento dell’RNA virale sono anche perseguiti da Sherlock Biosciences Inc, una startup di diagnostica molecolare nata dal Wyss Institute e dal Broad Institute nel 2019. La società ha concesso in licenza la tecnologia INSPECTRTM sviluppata dal membro della Wyss Core Faculty James Collins, Ph.D., e dal suo gruppo, compreso l’ex Wyss Business Development Lead William Blake, Ph.D., che si è unito a Sherlock Biosciences dal Wyss Institute come CTO della società. Collins è un co-fondatore di Sherlock Biosciences, e anche il professore Termeer di ingegneria medica & scienze al Massachusetts Institute of Technology (MIT). Secondo Rahul Dhanda, M.B.A., il CEO e co-fondatore di Sherlock Biosciences, l’azienda sta attualmente lavorando su diverse soluzioni per la diagnosi di COVID-19, una delle quali utilizza la tecnologia INSPECTRTM. INSPECTRTM consiste in sensori basati sul DNA, che possono essere programmati per rilevare il CoV2 RNA con specificità fino a un singolo dei suoi blocchi di costruzione nucleotidici; i sensori sono accoppiati con reti genetiche sintetiche basate su carta che producono un segnale bioluminescente. I segnali possono essere generati a temperatura ambiente, catturati su pellicola istantanea e letti da un semplice dispositivo senza attrezzature sofisticate, e il test è attualmente progettato per funzionare in modo simile a un test di gravidanza off-the-shelf. Come l’approccio LFD sviluppato dal gruppo di Yin, la tecnologia INSPECTRTM può essere facilmente adattata per consentire il rilevamento specifico delle diverse varianti di CoV2 che sorgono continuamente e per seguire la loro diffusione nella popolazione.
  • In un altro progetto guidato da Collins e guidato dai ricercatori Peter Nguyen, Ph.D., e Nina Donghia, e dall’ex studente laureato Luis Soenksen al Wyss Institute, il team sta sviluppando una rapida maschera diagnostica COVID-19 autoattivante come diagnostica indossabile. Indossata da pazienti o individui a casa con sintomi della malattia, la maschera potrebbe segnalare rapidamente la presenza del virus senza alcuna necessità di manipolazione manuale in modo che i pazienti possano essere rapidamente smistati per un’adeguata assistenza medica, mentre gli operatori sanitari e i pazienti che sono nelle vicinanze sono protetti. Emergendo dalla piattaforma di tecnologia diagnostica indossabile del team di Collins creata nella Living Cellular Devices Initiative del Wyss Institute, l’approccio utilizzerà sensori molecolari altamente sensibili che, accoppiati a reti di biologia sintetica, potrebbero consentire la produzione di un segnale di colore immediatamente visibile o fluorescente nel caso in cui si incontri il CoV2. L’intero macchinario molecolare senza cellule può essere liofilizzato e integrato con il materiale sintetico sul lato interno delle maschere facciali. Esposte a piccole goccioline che vengono espulse da chi le indossa durante la normale respirazione, starnuti e tosse, e all’umidità dell’aria espirata, le reazioni vengono reidratate e quindi attivate per produrre un segnale positivo o negativo entro 1 o 3 ore.
  • Un metodo per catturare le particelle del virus CoV2 da campioni umani in un unico passaggio e identificarle entro 1 ora è stato esplorato dal Senior Staff Scientist, Michael Super, Ph.D., che lavora sulla piattaforma diagnostica Bioinspired Therapeutics & di Don Ingber. I ricercatori stanno sfruttando la tecnologia di cattura degli agenti patogeni FcMBL del Wyss Institute per legare le particelle del virus CoV2, che sperano di identificare rapidamente utilizzando la spettrometria di massa. FcMBL è una variante geneticamente modificata della proteina immunitaria “Mannose Binding Lectin” (MBL) che si lega alle molecole sulla superficie di oltre 100 diversi agenti patogeni, compresi alcuni virus. Il team di Ingber ha confermato che FcMBL si lega a un virus CoV2 pseudotipato non infettivo che mostra la proteina CoV2 Spike sulla sua superficie.
  • Saggi ultrasensibili per rilevare i livelli di citochine – molecole che sono secrete da alcune cellule immunitarie per influenzare altre cellule – sono in fase di sviluppo da David Walt, Ph.D., leader del Wyss Diagnostics Accelerator, per aiutare a identificare interventi terapeutici efficaci che possono prevenire la tempesta mortale di citochine che può essere innescata dalla sovrapproduzione di cellule immunitarie. Il laboratorio sta anche sviluppando un test sierologico per accertare gli individui che non mostrano ancora alcun sintomo, ma sono stati esposti al virus e hanno montato una risposta immunitaria. Walt è anche Hansjörg Wyss Professor of Biologically Inspired Engineering all’HMS, professore di patologia al Brigham and Women’s Hospital di Boston, e Institute Professor dell’Howard Hughes Medical Institute.

Perfezionare le terapie antivirali sulla corsia preferenziale

Ad oggi non esiste un farmaco antivirale che abbia dimostrato di ridurre l’intensità e la durata dell’infezione nei pazienti più gravi, o proteggere i pazienti vulnerabili dall’infezione da CoV2. I medici possono semplicemente fornire cure di supporto ai loro pazienti affetti da COVID-19 assicurandosi che ricevano abbastanza ossigeno, gestendo la loro febbre, e generalmente sostenendo il loro sistema immunitario per guadagnare tempo per combattere l’infezione da soli. Gruppi di ricerca nel mondo accademico e industriale che lavorano a ritmo serrato hanno ormai compilato una lista di candidati terapeutici e vaccini che potrebbero offrire un aiuto. Tuttavia, dato l’alto tasso di fallimento dei farmaci candidati negli studi clinici, sono necessari maggiori sforzi per sviluppare farmaci efficaci per una popolazione mondiale che probabilmente varierà per quanto riguarda la loro suscettibilità e l’accesso alle nuove tecnologie terapeutiche.

La pandemia di COVID-19 in corso richiede un’azione rapida, e il modo più veloce per combattere questa sfida è la riproposizione di farmaci esistenti che sono già approvati dalla FDA per altre applicazioni mediche come terapeutici COVID-19. Mentre i medici di tutto il mondo stanno tentando di fare questo, gli approcci sono stati casuali, e c’è un grande bisogno di attaccare questo problema in modo sistematico.

  • Il team di Ingber, guidato dallo scienziato senior Rachelle Prantil-Baun, Ph.D. e dallo scienziato senior di ricerca Girija Goyal, Ph.D, ha sviluppato un modello preclinico di infezione da CoV2 che sfrutta la tecnologia di emulazione umana in vitro Organ-on-a-Chip (Organ Chip) del Wyss Institute. Il team ha progettato uno pseudovirus CoV2 che è sicuro da usare in laboratorio ed esprime la proteina chiave Spike di superficie, che media il suo ingresso nelle cellule. Hanno anche dimostrato che infetta con successo i Lung Chips umani rivestiti da cellule epiteliali delle vie aeree polmonari umane altamente differenziate, che il team ha precedentemente dimostrato di ricapitolare la fisiopatologia polmonare umana, comprese le risposte all’infezione da virus dell’influenza, con alta fedeltà. Altri membri del team, tra cui l’ingegnere senior Richard Novak e lo scienziato senior Charles Reilly, Ph.D., stanno rispettivamente utilizzando algoritmi di analisi di rete e approcci di progettazione razionale di farmaci basati sulla simulazione dinamica molecolare per identificare i farmaci esistenti approvati dalla FDA e nuovi composti che possono essere testati nella pipeline di riproposizione terapeutica COVID-19 basata su Organ Chip. Il Senior Staff Scientist Diogo Camacho, Ph.D., che lavora nella Predictive Biodiscovery Initiative del Wyss Institute guidata da Jim Collins, sta anche applicando nuovi strumenti computazionali basati sull’apprendimento automatico per affrontare questa sfida di repurposing. Il team è ora in collaborazione attiva con i ricercatori che possono studiare il virus infettivo nativo CoV2 in laboratori di biosicurezza BSL3 approvati, e stanno lavorando duramente per identificare rapidamente i farmaci esistenti approvati dalla FDA e le combinazioni di farmaci che possono essere utilizzati come terapeutici COVID-19, o come terapie profilattiche per gli operatori sanitari o i pazienti che sono particolarmente vulnerabili a questa malattia. Reilly, lavorando con il Senior Staff Scientist Ken Carlson, Ph.D., sta anche utilizzando il suo approccio di simulazione di dinamica molecolare per sviluppare nuove terapie del Coronavirus ad ampio spettro mirate contro una regione conservata della sua proteina Spike di superficie che aiuterebbe i pazienti infetti a sopravvivere all’attuale pandemia di COVID-19 e ci permetterebbe di essere preparati a prevenire le infezioni da virus Corona correlati che potrebbero emergere in futuro.
  • Il team di Collins sta anche impiegando algoritmi computazionali per prevedere le strutture chimiche che potrebbero inibire diversi aspetti della biologia del virus o della patologia della malattia ed essere sviluppate in terapie. In una collaborazione con Regina Barzilay, Ph.D., un professore del dipartimento di ingegneria elettrica e informatica del MIT, il suo team sta sfruttando le reti neurali profonde per sviluppare strategie terapeutiche che potrebbero aiutare a trattare la polmonite batterica, che può sovrapporsi alla polmonite causata dal virus CoV2 e mettere ulteriormente in pericolo la vita dei pazienti. In un recente studio, motivato dall’attuale penuria di antibiotici, il gruppo di Collins ha sperimentato con successo un approccio di deep learning alla scoperta di antibiotici che ha portato i ricercatori a scoprire nuove molecole con effetti antibatterici verso diversi ceppi patogeni.
  • Il membro della Wyss Core Faculty George Church, Ph.D., e il suo studente laureato Kettner Griswold stanno prendendo un’altra strada. Un modo per combattere il virus CoV2 è sfruttare la potenza del sistema immunitario. Church e Griswold stanno ingegnerizzando degli anticorpi che si legano specificamente al virus e che potrebbero permettere un potente attacco immunitario contro di esso. Partendo da un “anticorpo neutralizzante” già esistente che lega la proteina Spike del virus responsabile dell’epidemia di SARS del 2003, sperano di rendere l’anticorpo adatto al virus CoV2 strettamente correlato. Un tale agente neutralizzante sarebbe simile ai trattamenti in cui i pazienti con malattie infettive ricevono “plasma sanguigno” (la parte liquida del sangue che contiene le cellule del sangue) da individui che sono guariti dall’infezione, che contiene anticorpi neutralizzanti contro l’agente patogeno. Tuttavia, un anticorpo ingegnerizzato potrebbe essere prodotto in grandi quantità e fornito ai pazienti COVID-19 molto più rapidamente e facilmente del plasma sanguigno. Church è anche professore di genetica all’HMS e professore di scienze della salute e tecnologia ad Harvard e al MIT.

Alla ricerca della protezione definitiva – un vaccino

Non essendo attualmente disponibile alcun vaccino, ma essendo diversi candidati vaccini esplorati in tutto il mondo, i ricercatori del Wyss Institute guidati dal membro della Wyss Core Faculty David Mooney, Ph.D., stanno sviluppando un materiale che potrebbe rendere le vaccinazioni più efficaci. In precedenza, il team di Mooney ha sviluppato vaccini contro il cancro impiantabili e iniettabili che possono indurre il sistema immunitario ad attaccare e distruggere le cellule tumorali.

  • Un ingrediente chiave nei vaccini è un frammento dell’agente infettivo, chiamato antigene, ma la risposta immunitaria a molti antigeni è debole. I materiali bioattivi del vaccino di Wyss sono programmati con molecole che orchestrano il reclutamento e la stimolazione delle cellule immunitarie con la presentazione dell’antigene. Questo si traduce in risposte robuste che in relazione al COVID-19, in teoria, possono consentire al sistema immunitario sia di uccidere immediatamente il virus negli individui infetti, sia di creare una memoria negli individui infetti e non infetti senza bisogno di ulteriori impulsi. Data la struttura altamente modulare del materiale, si possono facilmente collegare e giocare vari antigeni che vengono identificati dai ricercatori di tutto il mondo, ottimizzando la risposta a ciascuno. Questo approccio può produrre una piattaforma altamente versatile nella lotta contro le epidemie future e molte malattie infettive. Mooney guida la Immuno-Materials Focus Area del Wyss Institute e anche il Robert P. Pinkas Family Professor di Bioingegneria al SEAS.

Capire come COVID-19 si sviluppa e come controllarlo

COVID-19 non colpisce con la stessa forza ogni individuo che infetta. Indipendentemente dall’età, alcuni sono inclini ad ammalarsi gravemente, mentre altri mostrano un sorprendente livello di resilienza contro la malattia. Capire la base biologica di queste differenze potrebbe portare a nuove strategie di protezione.

  • Church e il membro associato della facoltà Wyss Ting Wu, Ph.D., stanno lavorando con “The Personal Genome Project” (PGP), un’iniziativa internazionale che crea dati pubblici sul genoma, sulla salute e sui tratti genetici per essere estratti dalla comunità di ricerca biomedica per guidare il progresso scientifico in molte aree. Wu è anche professore di genetica alla HMS. Church è stato determinante nel fondare l’iniziativa nel 2005, e ha fatto progredire la sua portata con progressi tecnologici chiave e la sua enfatica gestione. I due ricercatori Wyss e i loro team guidati da Sarah Wait Zaranek, Ph.D., presidente della Curie e co-direttore informatico PGP, stanno ora lanciando un progetto per sfruttare la piattaforma PGP confrontando i genomi, microbiomi, viromi e sistemi immunitari di individui consenzienti con estrema suscettibilità COVID-19 e individui che mostrano resistenza. Il loro lontano approccio di biologia dei sistemi potrebbe portare a intuizioni inaspettate sulla malattia e rivelare leve chiave che potrebbero essere regolate con i farmaci esistenti per controllare l’infezione, aiutare a dare priorità agli individui per le cure urgenti, così come fornire indicazioni su quali operatori sanitari farebbero meglio in prima linea di cura.
  • Oltre a perseguire varie attività incentrate sul COVID-19 nei suoi laboratori, il Wyss Institute sta lavorando con la più ampia comunità di ricerca, ospedaliera e di salute pubblica per integrare i suoi sforzi a livello nazionale. Per esempio, Church sta stringendo legami con il suo ex postdottorato Jay Shendure, Ph.D., professore di scienze del genoma all’Università di Washington, Seattle, che conduce lo “studio sull’influenza di Seattle”, che ha fatto perno sul COVID-19, così come David Baker, Ph.D., direttore dell’Istituto per la progettazione di proteine a Seattle, e Jonathan Rothberg, Ph.D., fondatore della società di scienze della vita 4Bionics, tra le altre società, per sviluppare un semplice, ma diverso kit di test a casa.
    A livello nazionale, Walt è un membro di una discussione COVID-19 iniziata presso la neonata “Commissione permanente sulle malattie infettive emergenti e le minacce sanitarie del 21° secolo” delle Accademie nazionali. Il comitato è fortemente concentrato ora sull’attuale pandemia di coronavirus per trovare modi per aiutare il governo federale a consolidare e razionalizzare gli sforzi in tutta la nazione, ma lavorerà anche a lungo termine per sviluppare strategie e fare raccomandazioni per le future minacce sanitarie.

A livello internazionale, il Wyss Institute funziona come un centro di eccellenza del Global Virus Network (GVN), con Ingber come leader e gli altri docenti Wyss come membri partecipanti chiave. Il GVN è progettato per integrare la sorveglianza e gli sforzi di risposta per minacce biologiche, epidemie e pandemie integrando gli sforzi dei migliori istituti di ricerca sui virus di tutto il mondo. Ingber sta anche attualmente lavorando a stretto contatto con la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) e Bill & Melinda Gates Foundation, così come in discussioni attive con il NIH’s National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID), Biomedical Advanced Research and Development Authority (BARDA) e Public Health England, come tutti cercano di allineare e coordinare gli sforzi per affrontare questa sfida monumentale salute.

“Il Wyss Institute e i suoi collaboratori stanno adottando esattamente il tipo di approccio globale e integrato per affrontare questa pandemia che è richiesto a livello locale, nazionale e internazionale”, ha detto Walt.

CONTATTI STAMPA

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

Il Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard University (http://wyss.harvard.edu) usa i principi di design della natura per sviluppare materiali e dispositivi bioispirati che trasformeranno la medicina e creeranno un mondo più sostenibile. I ricercatori del Wyss stanno sviluppando nuove soluzioni innovative di ingegneria per l’assistenza sanitaria, l’energia, l’architettura, la robotica e la produzione che vengono tradotte in prodotti e terapie commerciali attraverso collaborazioni con ricercatori clinici, alleanze aziendali e formazione di nuove startup. Il Wyss Institute crea scoperte tecnologiche trasformative impegnandosi in ricerche ad alto rischio, e attraversa le barriere disciplinari e istituzionali, lavorando come un’alleanza che include le Scuole di Medicina, Ingegneria, Arti & Scienze e Design di Harvard, e in collaborazione con il Beth Israel Deaconess Medical Center, Brigham and Women’s Hospital, Boston Children’s Hospital, Dana-Farber Cancer Institute, Massachusetts General Hospital, University of Massachusetts Medical School, Spaulding Rehabilitation Hospital, Boston University, Tufts University, Charité – Universitätsmedizin Berlin, University of Zurich e Massachusetts Institute of Technology.