“Com nossa organização altamente multidisciplinar e focada na tradução, fomos capazes de girar rapidamente e redirecionar nossas capacidades únicas de engenharia para soluções diagnósticas, terapêuticas e vacinais muito necessárias, e esperamos ser parte da solução para muitos dos inúmeros problemas que a atual pandemia representa”, disse o diretor fundador do Instituto Wyss, Donald Ingber, M.D, Ph.D., que também é Professor de Biologia Vascular de Judah Folkman na Harvard Medical School e no Boston Children’s Hospital, e Professor de Bioengenharia na Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). “Nós nos esforçamos para fazer uma grande contribuição para colocar esta crise sob controle, e estamos confiantes de que o que realizamos agora sob coação ajudará a prevenir epidemias futuras”

Conhecendo desafios na linha de frente do atendimento ao paciente

Muitas das instituições parceiras hospitalares e agências governamentais do Instituto alcançaram a liderança do Instituto para ajudar nesta batalha em rápida escalada contra a COVID-19. A equipe da Ingber está trabalhando em estreita colaboração com colaboradores do Beth Israel Deaconess Medical Center (BIDMC), outros hospitais afiliados à Harvard e generosos parceiros corporativos para desenvolver soluções potenciais para a crescente escassez de esfregaços nasofaríngeos e máscaras faciais N95. Os Engenheiros de Pessoal Sênior Richard Novak, Ph.D., e Adama Sesay, Ph.D., e o Cientista de Pesquisa Sênior Pawan Jolly, Ph.D., estão trabalhando diligentemente com nossos parceiros clínicos para ajudar a encontrar uma solução o mais rápido possível.

Diagnosticar COVID-19 mais rápida, fácil e amplamente

Com a COVID-19 se espalhando rapidamente pelo planeta, a detecção eficiente do vírus CoV2 é fundamental para isolar os indivíduos infectados o mais cedo possível, apoiá-los da maneira que for possível e, assim, prevenir a propagação descontrolada da doença. Atualmente, os testes mais realizados são a detecção de trechos do material genético do vírus, seu RNA, amplificando-os com uma técnica conhecida como “reação em cadeia da polimerase” (PCR) a partir de esfregaços nasofaríngeos retirados do nariz e da garganta dos indivíduos.

Os testes, no entanto, têm sérias limitações que impedem a decisão eficaz se as pessoas nas comunidades mais amplas estão ou não infectadas. Embora os testes baseados em PCR possam detectar o RNA do vírus precocemente na doença, os kits de teste estão disponíveis apenas para uma fração das pessoas que precisam ser testadas, e requerem profissionais de saúde treinados, equipamento de laboratório especializado e tempo significativo para serem realizados. Além disso, os profissionais de saúde que estão realizando testes são especialmente propensos a serem infectados pelo CoV2. Para encurtar os tempos de resposta específicos dos pacientes e da comunidade, os pesquisadores do Wyss Institute estão adotando diferentes abordagens paralelas:

  • Via one route, uma equipe liderada pelo membro da Faculdade Wyss Core Peng Yin, Ph.D., e pelo cientista sênior Thomas Schaus, M.D., Ph.D., na Iniciativa de Robótica Molecular do Instituto estão desenvolvendo um teste descartável que faz uso de um “dispositivo de fluxo lateral” (LFD) muito parecido com um teste de gravidez doméstico – fácil de fabricar em larga escala, e capaz de ser manuseado sem equipamento especial ou experiência. A equipe está adaptando um conjunto de técnicas de nanotecnologia de DNA de inspiração biológica que o laboratório Yin desenvolveu anteriormente para permitir a detecção de RNA ou proteína do vírus a partir de simples swabs nasofaríngeos com alta sensibilidade e precisão. No dispositivo portátil LFD, estas ferramentas permitiriam aos usuários transformar a presença de RNA ou proteína viral em uma amostra na formação de uma linha colorida em uma simples tira de papel nitrocelulósico. Yin é um dos líderes da Iniciativa de Robótica Molecular do Instituto Wyss e também Professor de Biologia de Sistemas na Escola de Medicina de Harvard (HMS).
  • Melhores métodos de detecção de RNA viral também estão sendo seguidos pela Sherlock Biosciences Inc., um startup de diagnóstico molecular do Wyss Institute e Broad Institute em 2019. A empresa licenciou a tecnologia INSPECTRTM desenvolvida pelo membro da Faculdade Wyss Core James Collins, Ph.D., e seu grupo, incluindo o ex-líder de desenvolvimento de negócios da Wyss, William Blake, Ph.D., que se juntou à Sherlock Biosciences do Wyss Institute como CTO da empresa. Collins é co-fundador da Sherlock Biosciences, e também Professor Termeer de Engenharia Médica & Ciências no Massachusetts Institute of Technology (MIT). Segundo Rahul Dhanda, M.B.A., o CEO e co-fundador da Sherlock Biosciences, a empresa está atualmente trabalhando em diferentes soluções para o diagnóstico da COVID-19, uma das quais utiliza a tecnologia INSPECTRTM. INSPECTRTM consiste em sensores baseados em DNA, que podem ser programados para detectar RNA CoV2 com especificidade até um único dos seus blocos de construção de nucleotídeos; os sensores são acoplados a redes de genes sintéticos baseados em papel que produzem um sinal bioluminescente. Os sinais podem ser gerados à temperatura ambiente, captados em filme instantâneo e lidos a partir de um simples dispositivo sem equipamento sofisticado, e o teste é atualmente projetado para realizar de forma semelhante a um teste de gravidez fora da prateleira. Tal como a abordagem LFD desenvolvida no grupo Yin, a tecnologia INSPECTRTM pode ser facilmente ajustada para permitir a detecção específica das diferentes variantes CoV2 que surgem continuamente, e para acompanhar a sua propagação através da população.
  • Num projecto diferente liderado pela Collins e liderado pelos cientistas de pesquisa Peter Nguyen, Ph.D. e Nina Donghia, e pelo ex-aluno graduado Luis Soenksen do Instituto Wyss, a equipa está a desenvolver uma máscara facial de diagnóstico COVID-19 de rápida auto-activação como um diagnóstico vestível. Usada por pacientes ou indivíduos em casa com sintomas da doença, a máscara facial pode sinalizar rapidamente a presença do vírus sem qualquer necessidade de manipulação prática, de modo que os pacientes possam ser rapidamente triados para um cuidado médico adequado, enquanto os profissionais de saúde e os pacientes que estão por perto são protegidos. Emergindo da plataforma de tecnologia de diagnóstico wearable da equipe da Collins criada na Iniciativa de Dispositivos Celulares Vivos do Instituto Wyss, a abordagem utilizará sensores moleculares altamente sensíveis que, acoplados a redes de biologia sintética, poderiam permitir a produção de um sinal de cor imediatamente visível ou fluorescente caso o CoV2 seja encontrado. Toda a maquinaria molecular livre de células pode ser liofilizada e integrada com o material sintético no lado interior das máscaras faciais. Expostas a pequenas gotículas que são expelidas pelos usuários durante a respiração normal, espirros e tosse, e a umidade do ar exalado, as reações são re-hidratadas e assim ativadas para produzir um sinal positivo ou negativo dentro de 1 a 3 horas.
  • Um método para capturar partículas do vírus CoV2 de amostras humanas em uma única etapa e identificá-las dentro de 1 hora está sendo explorado pelo Cientista Sênior, Michael Super, Ph.D., trabalhando na Terapia Bioinspirada de Don Ingber & Plataforma de diagnóstico. Os pesquisadores estão alavancando a tecnologia de captura de patógenos FcMBL do Instituto Wyss para ligar partículas do vírus CoV2, que eles esperam identificar rapidamente usando a espectrometria de massa. O FcMBL é uma variante geneticamente desenvolvida da proteína imunológica “Mannose Binding Lectin” (MBL) que se liga a moléculas na superfície de mais de 100 patógenos diferentes, incluindo certos vírus. A equipa da Ingber confirmou que a FcMBL se liga a um vírus CoV2 não-infeccioso pseudotipado que exibe a proteína Spike CoV2 na sua superfície.
  • Os ensaios ultra-sensíveis para detectar os níveis de citocinas – moléculas que são secretadas por certas células imunes para afetar outras células – estão sendo desenvolvidos por David Walt, Ph.D., líder do Wyss Diagnostics Accelerator, para ajudar a identificar intervenções terapêuticas eficazes que podem prevenir a tempestade mortal de citocinas que pode ser desencadeada pela superprodução de células imunes. O laboratório também está a desenvolver um teste serológico para determinar indivíduos que ainda não estão a apresentar quaisquer sintomas, mas que foram expostos ao vírus e montaram uma resposta imunológica. Walt é também o Professor Hansjörg Wyss de Engenharia Biologicamente Inspirada no HMS, Professor de Patologia no Hospital Brigham and Women’s de Boston, e Professor do Instituto do Instituto Médico Howard Hughes.

Terapêutica antiviral avançada no caminho rápido

Até à data não há nenhum medicamento antiviral que tenha provado reduzir a intensidade e duração da infecção em pacientes mais seriamente afectados, ou proteger pacientes vulneráveis da infecção por CoV2. Os médicos podem meramente fornecer cuidados de apoio aos seus pacientes COVID-19, assegurando que eles recebam oxigénio suficiente, controlando a sua febre e, em geral, apoiando o seu sistema imunitário para lhes dar tempo para combaterem eles próprios a infecção. Grupos de pesquisa na academia e na indústria que trabalham em ritmo acelerado já compilaram uma lista de candidatos terapêuticos e vacinas para poder oferecer alguma ajuda. Contudo, dadas as elevadas taxas de insucesso dos medicamentos candidatos em ensaios clínicos, são necessários mais esforços para desenvolver medicamentos eficazes para uma população mundial que provavelmente variará em relação à sua susceptibilidade e acesso a novas tecnologias terapêuticas.

A pandemia COVID-19 em curso requer ação rápida, e a maneira mais rápida de combater este desafio é repensando os medicamentos existentes que já são aprovados pelo FDA para outras aplicações médicas como a terapêutica COVID-19. Enquanto clínicos ao redor do mundo estão tentando fazer isso, as abordagens têm sido aleatórias, e há uma grande necessidade de atacar esse problema de forma sistemática.

  • Equipe da Ingber, co-dirigida pela Cientista Sênior Rachelle Prantil-Baun, Ph.D. e Cientista Sênior de Pesquisa Girija Goyal, Ph.D., desenvolveu um modelo pré-clínico de infecção por CoV2 que aproveita a tecnologia de emulação humana in vitro do Instituto Wyss de Órgãos em um chip (Organ Chip). A equipe projetou um pseudovírus CoV2 que é seguro para uso em laboratório e expressa a proteína Spike da superfície chave, que medeia a sua entrada nas células. Eles também demonstraram que ela infecta com sucesso chips pulmonares humanos revestidos por células epiteliais altamente diferenciadas das vias aéreas pulmonares humanas, que a equipe mostrou anteriormente para recapitular a fisiopatologia pulmonar humana, incluindo respostas à infecção pelo vírus Influenza, com alta fidelidade. Outros membros da equipe, incluindo o engenheiro sênior Richard Novak e o cientista sênior Charles Reilly, Ph.D., estão usando, respectivamente, algoritmos de análise de rede e abordagens de projeto de drogas racionais com simulação molecular dinâmica para identificar drogas existentes aprovadas pelo FDA e novos compostos que podem ser testados no gasoduto de repurpação terapêutica COVID-19 baseado em Organ Chip. O cientista sênior Diogo Camacho, Ph.D., trabalhando na Iniciativa de Biodescoberta Preditiva do Instituto Wyss, liderada por Jim Collins, também está aplicando novas ferramentas computacionais habilitadas para a aprendizagem de máquinas para enfrentar esse desafio de redirecionamento. A equipe está agora em colaboração ativa com pesquisadores que podem estudar o vírus nativo do CoV2 em laboratórios de biossegurança BSL3 aprovados, e estão trabalhando arduamente para identificar rapidamente drogas e combinações de drogas aprovadas pela FDA que podem ser usadas como terapêutica COVID-19, ou como terapias profiláticas para profissionais de saúde ou pacientes que são particularmente vulneráveis a esta doença. Reilly, trabalhando com o cientista Ken Carlson, Ph.D., também está usando sua abordagem de simulação de dinâmica molecular para desenvolver uma nova terapêutica de amplo espectro para o Coronavírus de Corona, voltada para uma região conservada de sua superfície, a proteína Spike, que tanto ajudaria os pacientes infectados a sobreviver à atual pandemia de COVID-19, como nos permitiria estar preparados para prevenir infecções por vírus Corona relacionados que possam surgir no futuro.
  • A equipe de Collins também está implantando algoritmos computacionais para prever estruturas químicas que poderiam inibir diferentes aspectos da biologia do vírus ou patologia da doença e ser desenvolvidas em terapêutica. Em colaboração com Regina Barzilay, Ph.D., professora do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação do MIT, sua equipe está alavancando redes neurais profundas para desenvolver estratégias terapêuticas que possam ajudar a tratar a pneumonia bacteriana, que pode sobrepor a pneumonia causada pelo vírus CoV2 e colocar ainda mais em risco a vida dos pacientes. Em um estudo recente, motivado pela atual escassez de antibióticos, o grupo Collins foi pioneiro no aprendizado profundo da descoberta de antibióticos, o que levou os pesquisadores a descobrir novas moléculas com efeitos antibacterianos para diferentes cepas patogênicas.
  • O membro do Corpo Docente George Church, Ph.D., e seu aluno de pós-graduação Kettner Griswold estão tomando mais um caminho. Uma forma de combater o vírus CoV2 é aproveitar o poder do sistema imunológico. Church e Griswold são anticorpos de engenharia que se ligam especificamente ao vírus e podem permitir um poderoso ataque imunológico sobre ele. Partindo de um “anticorpo neutralizante” já existente que liga a proteína Spike do vírus responsável pela epidemia da SRA de 2003, eles esperam fazer com que o anticorpo se ajuste ao vírus CoV2 intimamente relacionado. Tal agente neutralizante seria semelhante a tratamentos em que os doentes com doenças infecciosas recebem “plasma sanguíneo” (a parte líquida do sangue que contém as células sanguíneas) de indivíduos que recuperaram da infecção, que contém anticorpos neutralizantes contra o agente patogénico. No entanto, um anticorpo artificial poderia ser fabricado em grandes quantidades e fornecido a pacientes com COVID-19 muito mais rápida e facilmente do que o plasma sanguíneo. A Igreja também é professora de Genética no HMS e professora de Ciências e Tecnologia da Saúde em Harvard e MIT.

Em busca de proteção máxima – uma vacina

Com nenhuma vacina atualmente disponível, mas vários candidatos a vacinas sendo explorados ao redor do mundo, pesquisadores do Instituto Wyss liderados pelo membro da Faculdade Wyss Core David Mooney, Ph.D., estão desenvolvendo um material que poderia tornar as vacinas mais eficazes. Anteriormente, a equipa de Mooney desenvolveu vacinas contra o cancro implantáveis e injectáveis que podem induzir o sistema imunitário a atacar e destruir as células cancerígenas.

  • Um ingrediente chave nas vacinas é um fragmento do agente infeccioso, chamado antígeno, mas a resposta imunológica a muitos antígenos é fraca. Os materiais bioativos da vacina Wyss são programados com moléculas que orquestram o recrutamento e estimulação das células imunes com a apresentação do antígeno. Isto resulta em respostas robustas que em relação à COVID-19, em teoria, podem permitir que o sistema imunológico mate o vírus imediatamente em indivíduos infectados, bem como criar uma memória em indivíduos infectados e não infectados sem a necessidade de reforços adicionais. Dada a estrutura altamente modular do material, é fácil ligar e desligar vários antigénios que estão a ser identificados por investigadores em todo o mundo, optimizando a resposta a cada um deles. Esta abordagem pode resultar numa plataforma altamente versátil na luta contra futuras epidemias e muitas doenças infecciosas. Mooney lidera a Área de Foco Immuno-Materials do Instituto Wyss e também o Professor de Bioengenharia da Família Robert P. Pinkas no SEAS.

Compreendendo como o COVID-19 se desenvolve e como controlá-lo

COVID-19 não ataca com a mesma força em todos os indivíduos que infecta. Independentemente da idade, alguns são propensos a ficar gravemente doentes, enquanto outros mostram um nível surpreendente de resiliência contra a doença. A descoberta da base biológica para estas diferenças pode levar a novas estratégias de protecção.

  • O membro da Faculdade Ting Wu, Ph.D., da Igreja e da Wyss Associate, está trabalhando com “The Personal Genome Project” (PGP), uma iniciativa internacional que cria dados de genoma público, saúde e traços genéticos a serem minados pela comunidade de pesquisa biomédica para impulsionar o progresso científico em muitas áreas. Wu é também Professor de Genética na HMS. A Igreja foi fundamental na fundação da iniciativa em 2005, e vem avançando seu alcance com os principais avanços tecnológicos e sua gestão enfática. Os dois pesquisadores Wyss e suas equipes lideradas por Sarah Wait Zaranek, Ph.D., Presidente Curie e co-Diretora de Informática da PGP, estão agora lançando um projeto para aproveitar a plataforma PGP, comparando os genomas, microbiomas, viromes e sistemas imunológicos de indivíduos com extrema suscetibilidade à COVID-19 e indivíduos que exibem resistência. Sua abordagem de biologia de sistemas distantes poderia levar a percepções inesperadas sobre a doença e revelar alavancas chave que poderiam ser ajustadas com medicamentos existentes para controlar a infecção, ajudar a priorizar indivíduos para cuidados urgentes, bem como fornecer orientação sobre quais trabalhadores de saúde se sairiam melhor nas linhas de frente dos cuidados.
  • Além de realizar várias atividades focadas na COVID-19 em seus laboratórios, o Instituto Wyss está trabalhando com as comunidades de pesquisa, hospital e saúde pública em geral para integrar seus esforços em nível nacional. Por exemplo, a Igreja está estreitando laços com seu ex-colega de pós-doutorado Jay Shendure, Ph.D., Professor de Ciências Genômicas da Universidade de Washington, Seattle, que lidera o “estudo da gripe de Seattle”, que se ligou ao COVID-19, assim como David Baker, Ph.D., Diretor do Instituto de Design de Proteínas em Seattle, e Jonathan Rothberg, Ph.D., fundador da empresa de ciências da vida 4Bionics, entre outras empresas, para desenvolver um kit de teste doméstico simples, porém diferente.
    A nível nacional, Walt é membro de uma discussão COVID-19 iniciada na recém-formada “Standing Committee on Emerging Infectious Diseases and 21st Century Health Threats” (Comitê Permanente sobre Doenças Infecciosas Emergentes e Ameaças à Saúde do Século 21) das Academias Nacionais. O comitê está focando fortemente agora na atual pandemia do coronavírus para encontrar formas de ajudar o governo federal a consolidar e agilizar os esforços em todo o país, mas também trabalhará a longo prazo para desenvolver estratégias e fazer recomendações para futuras ameaças à saúde.

A nível internacional, o Instituto Wyss funciona como um Centro de Excelência da Rede Global de Vírus (GVN), tendo Ingber como líder e os outros professores Wyss como membros-chave participantes. A GVN é projetada para integrar os esforços de vigilância e resposta a ameaças biológicas, epidemias e pandemias, integrando os esforços das principais instituições de pesquisa de vírus de todo o mundo. Ingber também está trabalhando atualmente de perto com a Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) e Bill & Melinda Gates Foundation, bem como em discussões ativas com o National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) do NIH, Biomedical Advanced Research and Development Authority (BARDA) e Public Health England, já que todos eles tentam alinhar e coordenar esforços para enfrentar este monumental desafio de saúde.

“O Instituto Wyss e seus colaboradores estão tomando exatamente o tipo de abordagem abrangente e integrada para enfrentar esta pandemia que é necessária a nível local, nacional e internacional”, disse Walt.

Contactos de Imprensa

Instituto Wyss de Engenharia de Inspiração Biológica da Universidade de Harvard
Benjamin Boettner, , +1 917-913-8051

Instituto Wyss de Engenharia de Inspiração Biológica da Universidade de Harvard (http://wyss.harvard.edu) usa os princípios de design da Natureza para desenvolver materiais e dispositivos de inspiração biológica que transformarão a medicina e criarão um mundo mais sustentável. Os pesquisadores da Wyss estão desenvolvendo novas soluções inovadoras de engenharia para a saúde, energia, arquitetura, robótica e fabricação que são traduzidas em produtos comerciais e terapias através de colaborações com investigadores clínicos, alianças corporativas e formação de novas startups. O Instituto Wyss cria avanços tecnológicos transformadores ao se envolver em pesquisas de alto risco e cruza barreiras disciplinares e institucionais, trabalhando como uma aliança que inclui as Escolas de Medicina, Engenharia, Artes & Ciências e Design de Harvard, e em parceria com 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.