„Dzięki naszej wysoce multidyscyplinarnej i skoncentrowanej na przełożeniu organizacji, byliśmy w stanie szybko zmienić kierunek i ponownie skoncentrować nasze unikalne możliwości inżynieryjne na bardzo potrzebnych rozwiązaniach diagnostycznych, terapeutycznych i szczepionkach, i mamy nadzieję, że będziemy częścią rozwiązania wielu niezliczonych problemów, jakie stwarza obecna pandemia” – powiedział dyrektor założyciel Instytutu Wyss, Donald Ingber, M.D., który jest również profesorem biologii naczyniowej Judah Folkman w Harvard Medical School i Boston Children’s Hospital oraz profesorem bioinżynierii w Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). „Staramy się wnieść znaczący wkład w opanowanie tego kryzysu i jesteśmy przekonani, że to, co osiągniemy teraz pod przymusem, pomoże zapobiec przyszłym epidemiom.”

Podejmowanie wyzwań na pierwszej linii frontu opieki nad pacjentami

Wiele partnerskich instytucji szpitalnych i agencji rządowych Instytutu zwróciło się do kierownictwa Instytutu z prośbą o pomoc w tej szybko zaostrzającej się walce z COVID-19. Zespół Ingbera ściśle współpracuje ze współpracownikami z Beth Israel Deaconess Medical Center (BIDMC), innymi szpitalami stowarzyszonymi z Harvardem oraz hojnymi partnerami korporacyjnymi, aby opracować potencjalne rozwiązania problemu rosnącego niedoboru wacików nosowo-gardłowych i masek N95. Starsi inżynierowie Richard Novak, Ph.D., i Adama Sesay, Ph.D., oraz starszy naukowiec Pawan Jolly, Ph.D., pracują pilnie z naszymi partnerami klinicznymi, aby pomóc opracować rozwiązanie tak szybko, jak to możliwe.

Szybsze, łatwiejsze i szersze diagnozowanie wirusa COVID-19

Przy szybkim rozprzestrzenianiu się wirusa COVID-19 na całej planecie, skuteczne wykrywanie wirusa CoV2 ma kluczowe znaczenie dla jak najwcześniejszego wyizolowania zakażonych osób, udzielenia im wszelkiej możliwej pomocy, a tym samym zapobieżenia dalszemu niekontrolowanemu rozprzestrzenianiu się choroby. Obecnie najczęściej przeprowadzane testy polegają na wykrywaniu fragmentów materiału genetycznego wirusa, jego RNA, poprzez ich amplifikację techniką znaną jako „łańcuchowa reakcja polimerazy” (PCR) z wymazów z jamy nosowo-gardłowej pobranych od osób.

Testy te mają jednak poważne ograniczenia, które stoją na drodze do skutecznego decydowania o tym, czy ludzie w szerszych społecznościach są zakażeni, czy nie. Chociaż testy oparte na metodzie PCR mogą wykryć RNA wirusa na wczesnym etapie choroby, zestawy testowe są dostępne tylko dla ułamka osób, które muszą zostać poddane testom, a ich wykonanie wymaga przeszkolonych pracowników służby zdrowia, specjalistycznego sprzętu laboratoryjnego i znacznego czasu. Ponadto, pracownicy służby zdrowia przeprowadzający testy są szczególnie narażeni na zakażenie wirusem CoV2. Aby skrócić czas reakcji w odniesieniu do konkretnych pacjentów i całej społeczności, naukowcy z Instytutu Wyss stosują różne równoległe podejścia:

  • Jedną drogą zespół kierowany przez członka wydziału głównego Wyss, Peng Yin, Ph.D., i starszego pracownika naukowego, Thomasa Schausa, M.D., Ph.D., w ramach Inicjatywy Robotyki Molekularnej Instytutu opracowuje test jednorazowego użytku, który wykorzystuje „urządzenie z przepływem bocznym” (LFD), podobne do domowego testu ciążowego – łatwe do wyprodukowania na dużą skalę i możliwe do obsługi bez specjalnego sprzętu lub wiedzy specjalistycznej. Zespół adaptuje zestaw inspirowanych biologicznie technik nanotechnologii DNA, które laboratorium Yina opracowało wcześniej, aby umożliwić wykrywanie RNA lub białka wirusa z prostych wymazów z nosogardła z wysoką czułością i dokładnością. W podręcznym urządzeniu LFD, narzędzia te pozwoliłyby użytkownikom przekształcić obecność wirusowego RNA lub białka w próbce w formowanie kolorowej linii na prostym pasku papieru nitrocelulozowego. Yin jest jednym z liderów Inicjatywy Robotyki Molekularnej w Instytucie Wyss, a także profesorem biologii systemów w Harvard Medical School (HMS).
  • Najlepsze metody wykrywania wirusowego RNA są również realizowane przez Sherlock Biosciences Inc, startup diagnostyki molekularnej wydzielony z Instytutu Wyss i Broad Institute w 2019 roku. Firma ta licencjonowała technologię INSPECTRTM opracowaną przez członka Wyss Core Faculty, Jamesa Collinsa, Ph.D., i jego grupę, w tym byłego Wyss Business Development Lead Williama Blake’a, Ph.D., który dołączył do Sherlock Biosciences z Instytutu Wyss jako CTO firmy. Collins jest współzałożycielem Sherlock Biosciences, a także profesorem Termeer Professor of Medical Engineering & Sciences w Massachusetts Institute of Technology (MIT). Według Rahula Dhandy, M.B.A., dyrektora generalnego i współzałożyciela Sherlock Biosciences, firma pracuje obecnie nad różnymi rozwiązaniami do diagnozowania COVID-19, z których jedno wykorzystuje technologię INSPECTRTM. INSPECTRTM składa się z czujników opartych na DNA, które mogą być zaprogramowane do wykrywania RNA CoV2 ze specyficznością aż do pojedynczego nukleotydu; czujniki są połączone z papierowymi syntetycznymi sieciami genów, które wytwarzają sygnał bioluminescencyjny. Sygnały mogą być generowane w temperaturze pokojowej, rejestrowane na kliszy natychmiastowej i odczytywane z prostego urządzenia bez skomplikowanego sprzętu, a test jest obecnie zaprojektowany tak, aby działał podobnie do dostępnego na rynku testu ciążowego. Podobnie jak podejście LFD opracowane w grupie Yina, technologia INSPECTRTM może być łatwo dostosowana, aby umożliwić specyficzne wykrywanie różnych stale pojawiających się wariantów CoV2 i śledzenie ich rozprzestrzeniania się w populacji.
  • W innym projekcie prowadzonym przez Collinsa i zainicjowanym przez naukowców Petera Nguyena, Ph.D., i Ninę Donghia oraz byłego absolwenta Luisa Soenksena w Instytucie Wyss, zespół opracowuje szybką, samoaktywującą się maskę diagnostyczną COVID-19 jako urządzenie diagnostyczne do noszenia. Maska noszona przez pacjentów lub osoby przebywające w domu z objawami choroby mogłaby szybko zasygnalizować obecność wirusa bez konieczności manipulowania rękami, dzięki czemu pacjenci mogliby zostać szybko skierowani do odpowiedniej opieki medycznej, a pracownicy służby zdrowia i pacjenci znajdujący się w pobliżu byliby chronieni. Podejście to, wywodzące się z opracowanej przez zespół Collinsa platformy diagnostycznej typu „wearable”, stworzonej w ramach inicjatywy Wyss Institute’s Living Cellular Devices Initiative, będzie wykorzystywać wysoce czułe czujniki molekularne, które w połączeniu z sieciami biologii syntetycznej umożliwią natychmiastowe generowanie widocznego lub fluorescencyjnego sygnału kolorystycznego w przypadku wykrycia wirusa CoV2. Cała bezkomórkowa maszyneria molekularna może być liofilizowana i zintegrowana z materiałem syntetycznym na wewnętrznej stronie masek twarzowych. Wystawione na działanie małych kropelek, które są wydalane przez użytkowników podczas normalnego oddychania, kichania i kaszlu oraz wilgotności wydychanego powietrza, reakcje są ponownie uwodnione i w ten sposób aktywowane do wytworzenia pozytywnego lub negatywnego sygnału w ciągu 1 do 3 godzin.
  • Metoda wychwytywania cząstek wirusa CoV2 z ludzkich próbek w jednym kroku i ich identyfikacji w ciągu 1 godziny jest badana przez Senior Staff Scientist, Michael Super, Ph.D., pracującego na platformie Bioinspired Therapeutics & Diagnostics Dona Ingbera. Naukowcy wykorzystują opracowaną przez Instytut Wyss technologię wychwytywania patogenów FcMBL do wiązania cząstek wirusa CoV2, które mają nadzieję szybko zidentyfikować za pomocą spektrometrii masowej. FcMBL jest genetycznie zmodyfikowanym wariantem białka odpornościowego „Mannose Binding Lectin” (MBL), które wiąże się z cząsteczkami na powierzchni ponad 100 różnych patogenów, w tym niektórych wirusów. Zespół Ingbera potwierdził, że FcMBL wiąże się z nieinfekcyjnym pseudotypowym wirusem CoV2, który na swojej powierzchni zawiera białko CoV2 Spike.
  • Ultrasensitive assays to detect the levels of cytokines – molecules that are secreted by certain immune cells to affect other cells – are being developed by David Walt, Ph.D., leader of the Wyss Diagnostics Accelerator, to help identify effective therapeutic interventions that can prevent the deadly cytokine storm that can be triggered by overproduction of immune cells. Laboratorium opracowuje również test serologiczny, który pozwoli ustalić, które osoby nie mają jeszcze żadnych objawów, ale były narażone na kontakt z wirusem i zareagowały na niego immunologicznie. Walt jest również profesorem inżynierii biologicznej Hansjörg Wyss w HMS, profesorem patologii w bostońskim Brigham and Women’s Hospital oraz profesorem instytutu Howard Hughes Medical Institute.

Postępowe terapie przeciwwirusowe na szybkiej ścieżce

Do tej pory nie ma leku przeciwwirusowego, który zmniejszyłby intensywność i czas trwania infekcji u poważniej zakażonych pacjentów lub chroniłby wrażliwych pacjentów przed zakażeniem wirusem CoV2. Lekarze mogą jedynie zapewnić opiekę wspomagającą pacjentom z wirusem COVID-19, upewniając się, że otrzymują oni wystarczającą ilość tlenu, kontrolując gorączkę i ogólnie wspierając ich układ odpornościowy, aby kupić im czas na samodzielną walkę z infekcją. Grupy badawcze na uczelniach i w przemyśle, pracujące w zawrotnym tempie, zebrały już listę kandydatów na terapeutyki i szczepionki, które mogłyby zaoferować pewną pomoc. Jednakże, biorąc pod uwagę wysoki odsetek niepowodzeń kandydatów na leki w próbach klinicznych, konieczne są większe wysiłki w celu opracowania skutecznych leków dla światowej populacji, która prawdopodobnie będzie się różnić pod względem podatności i dostępu do nowych technologii terapeutycznych.

Trwająca pandemia COVID-19 wymaga szybkiego działania, a najszybszym sposobem walki z tym wyzwaniem jest ponowne wykorzystanie istniejących leków, które są już zatwierdzone przez FDA do innych zastosowań medycznych jako terapeutyki COVID-19. Chociaż klinicyści na całym świecie próbują to zrobić, podejścia były przypadkowe i istnieje ogromna potrzeba zaatakowania tego problemu w sposób systematyczny.

  • Zespół Ingbera, kierowany wspólnie przez starszego pracownika naukowego Rachelle Prantil-Baun, Ph.D. i starszego pracownika naukowego Girija Goyal, Ph.D., opracował przedkliniczny model zakażenia wirusem CoV2, który wykorzystuje opracowaną przez Instytut Wyss technologię emulacji człowieka in vitro Organ-on-a-Chip (Organ Chip). Zespół zaprojektował pseudowirusa CoV2, który jest bezpieczny do stosowania w laboratorium i wykazuje ekspresję kluczowego białka powierzchniowego Spike, które pośredniczy we wnikaniu wirusa do komórek. Wykazano również, że z powodzeniem infekuje on ludzkie chipy Lung Chips wyścielone wysoce zróżnicowanymi ludzkimi komórkami nabłonka dróg oddechowych, które, jak wcześniej wykazał zespół, z dużą wiernością odtwarzają patofizjologię ludzkich płuc, w tym reakcje na zakażenie wirusem grypy. Inni członkowie zespołu, w tym starszy inżynier Richard Novak i starszy naukowiec Charles Reilly, Ph.D., odpowiednio wykorzystują algorytmy analizy sieciowej oraz metody racjonalnego projektowania leków oparte na symulacji dynamiki molekularnej w celu zidentyfikowania istniejących leków zatwierdzonych przez FDA oraz nowych związków, które mogą być testowane w linii terapeutycznej COVID-19 opartej na chipie organicznym. Starszy pracownik naukowy, dr Diogo Camacho, pracujący w ramach inicjatywy Predictive Biodiscovery w Instytucie Wyss pod kierownictwem Jima Collinsa, również stosuje nowe narzędzia obliczeniowe wykorzystujące uczenie maszynowe, aby stawić czoła temu wyzwaniu. Zespół współpracuje obecnie z naukowcami, którzy mogą badać rodzimego zakaźnego wirusa CoV2 w zatwierdzonych laboratoriach bezpieczeństwa biologicznego BSL3 i ciężko pracuje nad szybką identyfikacją istniejących leków i kombinacji leków zatwierdzonych przez FDA, które mogą być stosowane jako terapeutyki COVID-19 lub jako terapie profilaktyczne dla pracowników służby zdrowia lub pacjentów, którzy są szczególnie narażeni na tę chorobę. Reilly, współpracując ze starszym naukowcem Kenem Carlsonem, Ph.D., wykorzystuje również swoje podejście do symulacji dynamiki molekularnej w celu opracowania nowych leków o szerokim spektrum działania, skierowanych przeciwko konserwowanemu regionowi jego powierzchniowego białka Spike, które pomogłyby zarażonym pacjentom przetrwać obecną pandemię COVID-19 i pozwoliłyby nam być przygotowanym na zapobieganie infekcjom wywołanym przez pokrewne wirusy Corona, które mogą pojawić się w przyszłości.
  • Zespół Collinsa stosuje również algorytmy obliczeniowe do przewidywania struktur chemicznych, które mogłyby hamować różne aspekty biologii wirusa lub patologii choroby i zostać opracowane jako terapeutyki. We współpracy z dr Reginą Barzilay, profesorem Wydziału Inżynierii Elektrycznej i Informatyki MIT, jego zespół wykorzystuje głębokie sieci neuronowe do opracowania strategii terapeutycznych, które mogłyby pomóc w leczeniu bakteryjnego zapalenia płuc, które może nakładać się na zapalenie płuc wywołane wirusem CoV2 i dodatkowo zagrażać życiu pacjentów. W ostatnim badaniu, motywowanym obecnym niedoborem antybiotyków, grupa Collinsa z powodzeniem wprowadziła podejście oparte na głębokim uczeniu się do odkrywania antybiotyków, które doprowadziło naukowców do odkrycia nowych cząsteczek o działaniu antybakteryjnym wobec różnych szczepów chorobotwórczych.

W poszukiwaniu ostatecznej ochrony – szczepionka

Ponieważ obecnie nie jest dostępna żadna szczepionka, ale na całym świecie bada się kilku kandydatów na szczepionki, naukowcy z Instytutu Wyss pod kierownictwem członka wydziału głównego Wyss, dr Davida Mooneya, opracowują materiał, który mógłby zwiększyć skuteczność szczepień. Wcześniej zespół Mooneya opracował wszczepialne i wstrzykiwane szczepionki przeciwnowotworowe, które mogą pobudzić układ odpornościowy do atakowania i niszczenia komórek rakowych.

  • Kluczowym składnikiem szczepionek jest fragment czynnika zakaźnego, zwany antygenem, ale odpowiedź immunologiczna na wiele antygenów jest słaba. Bioaktywne materiały szczepionki Wyss’a są zaprogramowane cząsteczkami, które orkiestrują rekrutację i stymulację komórek odpornościowych z prezentacją antygenu. W ten sposób powstaje silna odpowiedź, która w przypadku szczepionki COVID-19 teoretycznie może umożliwić układowi odpornościowemu zarówno natychmiastowe zabicie wirusa u osób zakażonych, jak i wytworzenie pamięci u osób zakażonych i niezakażonych, bez potrzeby dodatkowych bodźców. Biorąc pod uwagę wysoce modułową strukturę materiału, można łatwo podłączyć i odtwarzać różne antygeny, które są identyfikowane przez naukowców na całym świecie, optymalizując odpowiedź na każdy z nich. Takie podejście może zaowocować wysoce wszechstronną platformą w walce z przyszłymi epidemiami i wieloma chorobami zakaźnymi. Mooney prowadzi w Wyss Institute’s Immuno-Materials Focus Area, a także jest Robert P. Pinkas Family Professor of Bioengineering w SEAS.

Zrozumienie, jak COVID-19 rozwija się i jak go kontrolować

COVID-19 nie uderza równie mocno w każdą osobę, którą infekuje. Niezależnie od wieku, niektórzy są podatni na poważne zachorowania, podczas gdy inni wykazują zadziwiający poziom odporności na chorobę. Poznanie biologicznych podstaw tych różnic może doprowadzić do opracowania nowych strategii ochronnych.

  • Church i Wyss Associate Faculty member Ting Wu, Ph.D., współpracują z „The Personal Genome Project” (PGP), międzynarodową inicjatywą, która tworzy publiczne dane dotyczące genomu, zdrowia i cech genetycznych, które mają być wydobywane przez społeczność badaczy biomedycznych w celu napędzania postępu naukowego w wielu dziedzinach. Wu jest również profesorem genetyki w HMS. Church walnie przyczynił się do powstania tej inicjatywy w 2005 roku i od tego czasu zwiększa jej zasięg dzięki kluczowym postępom technologicznym i swojemu zdecydowanemu kierownictwu. Dwaj naukowcy z Wyss i ich zespoły pod kierownictwem dr Sarah Wait Zaranek, prezes Curie i współdyrektor ds. informatyki PGP, rozpoczynają obecnie projekt mający na celu wykorzystanie platformy PGP poprzez porównanie genomów, mikrobiomów, wirusów i układów odpornościowych osób, które wyraziły zgodę na badanie, z ekstremalną podatnością na COVID-19 i osób, które wykazują odporność. Ich dalekie podejście biologii systemów może doprowadzić do nieoczekiwanego wglądu w chorobę i ujawnić kluczowe dźwignie, które mogłyby być dostosowane do istniejących leków w celu kontrolowania infekcji, pomóc w ustaleniu priorytetów dla osób wymagających pilnej opieki, jak również dostarczyć wskazówek, którzy pracownicy służby zdrowia lepiej poradzą sobie na pierwszej linii opieki.
  • Poza prowadzeniem różnych działań skupionych na COVID-19 w swoich laboratoriach, Instytut Wyss współpracuje z szerszymi środowiskami badawczymi, szpitalnymi i zdrowia publicznego, aby zintegrować swoje wysiłki na poziomie krajowym. Na przykład Church zacieśnia więzi ze swoim byłym stypendystą podoktorskim Jayem Shendure, Ph.D., profesorem nauk o genomie na Uniwersytecie Waszyngtońskim w Seattle, który prowadzi „badania nad grypą w Seattle”, które doprowadziły do powstania COVID-19, jak również z Davidem Bakerem, Ph.D., dyrektorem Instytutu Projektowania Białek w Seattle, i Jonathanem Rothbergiem, Ph.D., założycielem firmy 4Bionics, zajmującej się naukami przyrodniczymi, między innymi w celu opracowania prostego, ale innego domowego zestawu testowego.

Na poziomie międzynarodowym Instytut Wyss funkcjonuje jako Centrum Doskonałości Globalnej Sieci Wirusów (GVN), z Ingberem jako liderem i innymi wydziałami Wyss jako kluczowymi członkami uczestniczącymi. GVN ma na celu zintegrowanie działań w zakresie nadzoru i reagowania na zagrożenia biologiczne, epidemie i pandemie poprzez połączenie wysiłków najlepszych instytucji zajmujących się badaniami nad wirusami z całego świata. Ingber obecnie ściśle współpracuje również z Agencją Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony (DARPA) i Fundacją Billa & Melindy Gates, a także prowadzi aktywne rozmowy z Narodowym Instytutem Alergii i Chorób Zakaźnych NIH (NIAID), Biomedycznym Urzędem Zaawansowanych Badań i Rozwoju (BARDA) oraz Public Health England, ponieważ wszystkie te instytucje starają się dostosować i skoordynować wysiłki, aby sprostać temu ogromnemu wyzwaniu zdrowotnemu.

„Instytut Wyss i jego współpracownicy przyjmują dokładnie taki rodzaj kompleksowego, zintegrowanego podejścia do rozwiązania tej pandemii, jaki jest wymagany na poziomie lokalnym, krajowym i międzynarodowym” – powiedział Walt.

KONTAKTY PRASOWE

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

Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard University (http://wyss.harvard.edu) wykorzystuje zasady projektowania natury do opracowywania materiałów i urządzeń inspirowanych biologicznie, które zmienią medycynę i stworzą bardziej zrównoważony świat. Naukowcy z Wyss opracowują nowe, innowacyjne rozwiązania inżynieryjne w zakresie opieki zdrowotnej, energii, architektury, robotyki i produkcji, które są przekładane na produkty komercyjne i terapie poprzez współpracę z badaczami klinicznymi, sojusze korporacyjne i tworzenie nowych firm. Instytut Wyss tworzy transformacyjne przełomy technologiczne poprzez angażowanie się w badania wysokiego ryzyka i przekracza bariery dyscyplinarne i instytucjonalne, pracując jako sojusz, który obejmuje Harvard’s Schools of Medicine, Engineering, Arts & Sciences i Design, oraz we współpracy z 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 i Massachusetts Institute of Technology.