„Cu organizația noastră extrem de multidisciplinară și axată pe traducere, am reușit să ne orientăm rapid și să ne reorientăm capacitățile inginerești unice către soluțiile de diagnosticare, terapeutice și de vaccinare atât de necesare și sperăm să facem parte din soluția pentru multe dintre nenumăratele probleme pe care le ridică actuala pandemie”, a declarat directorul fondator al Institutului Wyss, Donald Ingber, doctor în medicină, Ph.D., care este, de asemenea, profesor Judah Folkman de biologie vasculară la Harvard Medical School și la Boston Children’s Hospital și profesor de bioinginerie la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). „Ne străduim să aducem o contribuție majoră la aducerea sub control a acestei crize și suntem încrezători că ceea ce realizăm acum, în condiții de constrângere, va ajuta la prevenirea unor viitoare epidemii.”

Înfruntând provocările din prima linie a îngrijirii pacienților

Multe dintre instituțiile spitalicești partenere ale Institutului și agențiile guvernamentale au contactat conducerea Institutului pentru a ajuta în această luptă cu escaladare rapidă împotriva COVID-19. Echipa lui Ingber lucrează îndeaproape cu colaboratorii de la Beth Israel Deaconess Medical Center (BIDMC), cu alte spitale afiliate la Harvard și cu parteneri corporativi generoși pentru a dezvolta soluții potențiale la lipsa tot mai mare de tampoane nazofaringiene și măști de față N95. Inginerii principali Richard Novak, Ph.D., și Adama Sesay, Ph.D., și cercetătorul științific principal Pawan Jolly, Ph.D., lucrează cu sârguință cu partenerii noștri clinici pentru a ajuta la elaborarea unei soluții cât mai repede posibil.

Diagnosticarea COVID-19 mai rapid, mai ușor și pe scară mai largă

Ca urmare a răspândirii rapide a COVID-19 pe întreaga planetă, detectarea eficientă a virusului CoV2 este esențială pentru a izola persoanele infectate cât mai devreme posibil, pentru a le sprijini în orice mod posibil și pentru a preveni astfel răspândirea necontrolată a bolii. În prezent, cele mai performante teste detectează fragmente din materialul genetic al virusului, ARN-ul acestuia, prin amplificarea acestora cu ajutorul unei tehnici cunoscute sub numele de „reacție în lanț a polimerazei” (PCR) din tampoane nazofaringiene prelevate din nasul și gâtul indivizilor.

Testele au însă limitări severe care stau în calea deciziei efective de a decide dacă persoanele din comunitățile mai largi sunt sau nu infectate. Deși testele bazate pe PCR pot detecta ARN-ul virusului la începutul bolii, kiturile de testare sunt disponibile doar pentru o fracțiune din persoanele care trebuie testate, iar pentru a fi efectuate au nevoie de lucrători calificați în domeniul sănătății, de echipamente de laborator specializate și de un timp semnificativ. În plus, lucrătorii din domeniul sănătății care efectuează testele sunt deosebit de predispuși să fie infectați cu CoV2. Pentru a scurta timpii de răspuns la nivel de pacient și la nivelul întregii comunități, cercetătorii Institutului Wyss adoptă diferite abordări paralele:

  • Pe o cale, o echipă condusă de Peng Yin, membru al facultății Wyss Core Faculty Peng Yin, Ph.D., și de Thomas Schaus, Senior Staff Scientist Thomas Schaus, M.D., Ph.D., din cadrul Inițiativei de Robotică Moleculară a Institutului dezvoltă un test de unică folosință care utilizează un „dispozitiv de curgere laterală” (LFD) asemănător unui test de sarcină acasă – ușor de fabricat la scară largă și care poate fi manipulat fără echipamente sau expertiză specială. Echipa adaptează o suită de tehnici bioinspirate de nanotehnologie ADN pe care laboratorul lui Yin le-a dezvoltat anterior pentru a permite detectarea ARN-ului sau a proteinelor virale din simple tampoane nazofaringiene cu o sensibilitate și o precizie ridicate. În dispozitivul LFD portabil, aceste instrumente ar permite utilizatorilor să transforme prezența ARN-ului viral sau a proteinelor virale într-un eșantion în formarea unei linii colorate pe o simplă bandă de hârtie de nitroceluloză. Yin este unul dintre liderii Inițiativei de robotică moleculară a Institutului Wyss și, de asemenea, profesor de biologie a sistemelor la Harvard Medical School (HMS).
  • Metode mai bune de detectare a ARN-ului viral sunt, de asemenea, urmărite de Sherlock Biosciences Inc., un startup de diagnosticare moleculară creat de Institutul Wyss și Institutul Broad în 2019. Compania a licențiat tehnologia INSPECTRTM dezvoltată de James Collins, Ph.D., membru al Wyss Core Faculty, și de grupul său, inclusiv de fostul Wyss Business Development Lead William Blake, Ph.D., care s-a alăturat Sherlock Biosciences de la Institutul Wyss în calitate de CTO al companiei. Collins este co-fondator al Sherlock Biosciences și, de asemenea, profesor Termeer de Inginerie Medicală & Științe la Massachusetts Institute of Technology (MIT). Potrivit lui Rahul Dhanda, M.B.A., director executiv și co-fondator al Sherlock Biosciences, compania lucrează în prezent la diferite soluții pentru diagnosticarea COVID-19, una dintre acestea utilizând tehnologia INSPECTRTM. INSPECTRTM constă în senzori pe bază de ADN, care pot fi programați pentru a detecta ARN-ul CoV2 cu specificitate până la unul singur dintre nucleotidele sale; senzorii sunt cuplați cu rețele genetice sintetice pe bază de hârtie care produc un semnal bioluminescent. Semnalele pot fi generate la temperatura camerei, capturate pe o peliculă instantanee și citite de un dispozitiv simplu, fără echipamente sofisticate, iar testul este conceput în prezent pentru a funcționa în mod similar cu un test de sarcină din comerț. La fel ca și abordarea LFD dezvoltată în grupul lui Yin, tehnologia INSPECTRTM poate fi ajustată cu ușurință pentru a permite detectarea specifică a diferitelor variante de CoV2 care apar în mod continuu și pentru a urmări răspândirea acestora în rândul populației.
  • Într-un proiect diferit condus de Collins și condus de cercetătorii Peter Nguyen, Ph.D., și Nina Donghia, precum și de fostul student absolvent Luis Soenksen de la Institutul Wyss, echipa dezvoltă o mască facială de diagnosticare rapidă cu autoactivare a COVID-19 ca diagnostic portabil. Purtată de pacienți sau de persoane aflate la domiciliu cu simptome ale bolii, masca facială ar putea semnala rapid prezența virusului fără a fi nevoie de manipulare manuală, astfel încât pacienții să poată fi triați rapid pentru a primi îngrijiri medicale adecvate, în timp ce lucrătorii din domeniul sănătății și pacienții care se află în apropiere sunt protejați. Apărută din platforma tehnologică de diagnosticare portabilă a echipei lui Collins, creată în cadrul Inițiativei „Living Cellular Devices” a Institutului Wyss, abordarea va utiliza senzori moleculari foarte sensibili care, cuplați cu rețele de biologie sintetică, ar putea permite producerea unui semnal de culoare imediat vizibilă sau fluorescentă în cazul în care se întâlnește CoV2. Întreaga mașinărie moleculară fără celule poate fi liofilizată și integrată cu materialul sintetic pe partea interioară a măștilor de față. Expuse la picăturile mici care sunt expulzate de purtători în timpul respirației normale, al strănutului și al tusei, precum și la umiditatea aerului expirat, reacțiile sunt rehidratate și astfel activate pentru a produce un semnal pozitiv sau negativ în decurs de 1 până la 3 ore.
  • O metodă de captare a particulelor de virus CoV2 din eșantioane umane într-o singură etapă și de identificare a acestora în decurs de 1 oră este explorată de către cercetătorul principal, Michael Super, Ph.D., care lucrează la platforma de diagnosticare Bioinspired Therapeutics & a lui Don Ingber. Cercetătorii valorifică tehnologia de captare a agenților patogeni FcMBL a Institutului Wyss pentru a lega particulele de virus CoV2, pe care speră să le identifice rapid cu ajutorul spectrometriei de masă. FcMBL este o variantă modificată genetic a proteinei imune „Mannose Binding Lectin” (MBL) care se leagă de moleculele de pe suprafața a peste 100 de agenți patogeni diferiți, inclusiv de anumiți viruși. Echipa lui Ingber a confirmat că FcMBL se leagă de un virus CoV2 pseudotipat neinfecțios care prezintă la suprafață proteina CoV2 Spike.
  • Analize ultrasensibile pentru detectarea nivelurilor de citokine – molecule care sunt secretate de anumite celule imune pentru a afecta alte celule – sunt în curs de dezvoltare de către David Walt, Ph.D., conducător al Wyss Diagnostics Accelerator, pentru a ajuta la identificarea unor intervenții terapeutice eficiente care pot preveni furtuna mortală de citokine care poate fi declanșată de supraproducția de celule imune. Laboratorul dezvoltă, de asemenea, un test serologic pentru a determina persoanele care nu prezintă încă niciun simptom, dar care au fost expuse la virus și care au dezvoltat un răspuns imunitar. Walt este, de asemenea, profesor Hansjörg Wyss de inginerie de inspirație biologică la HMS, profesor de patologie la Spitalul Brigham and Women’s din Boston și profesor de institut al Institutului Medical Howard Hughes.

Avansarea terapiei antivirale pe calea cea mai rapidă

Până în prezent nu există niciun medicament antiviral care să se fi dovedit a reduce intensitatea și durata infecției la pacienții mai grav afectați sau să protejeze pacienții vulnerabili de infecția cu CoV2. Medicii pot doar să le ofere îngrijire de susținere pacienților cu COVID-19, asigurându-se că aceștia primesc suficient oxigen, gestionându-le febra și, în general, susținându-le sistemul imunitar pentru a le câștiga timp să lupte singuri împotriva infecției. Grupurile de cercetare din mediul universitar și din industrie, care lucrează în ritm alert, au întocmit până acum o listă de produse terapeutice și vaccinuri candidate care ar putea oferi un anumit ajutor. Cu toate acestea, având în vedere ratele ridicate de eșec ale medicamentelor candidate în testele clinice, sunt necesare mai multe eforturi pentru a dezvolta medicamente eficiente pentru o populație mondială care probabil va varia în ceea ce privește susceptibilitatea și accesul la noile tehnologii terapeutice.

Pandemia COVID-19 în curs de desfășurare necesită acțiuni rapide, iar cea mai rapidă modalitate de a combate această provocare este reconversia medicamentelor existente, care sunt deja aprobate de FDA pentru alte aplicații medicale, ca terapeutice pentru COVID-19. În timp ce clinicienii din întreaga lume încearcă să facă acest lucru, abordările au fost întâmplătoare și există o mare nevoie de a ataca această problemă într-un mod sistematic.

  • Echipa lui Ingber, condusă împreună cu cercetătorul principal Rachelle Prantil-Baun, Ph.D. și cercetătorul principal Girija Goyal, Ph.D., a dezvoltat un model preclinic de infecție cu CoV2 care valorifică tehnologia de emulare umană in vitro a Institutului Wyss Organ-on-a-Chip (Organ Chip). Echipa a conceput un pseudovirus CoV2 care poate fi utilizat în condiții de siguranță în laborator și care exprimă proteina Spike de suprafață cheie, care mediază intrarea sa în celule. De asemenea, au demonstrat că acesta infectează cu succes cipurile pulmonare umane căptușite cu celule epiteliale pulmonare umane foarte diferențiate ale căilor respiratorii, despre care echipa a demonstrat anterior că recapitulează cu mare fidelitate fiziopatologia pulmonară umană, inclusiv răspunsurile la infecția cu virusul gripei. Alți membri ai echipei, inclusiv inginerul principal Richard Novak și cercetătorul principal Charles Reilly, Ph.D., folosesc algoritmi de analiză a rețelelor și, respectiv, abordări de proiectare rațională a medicamentelor bazate pe simularea dinamicii moleculare pentru a identifica medicamentele existente aprobate de FDA și compuși noi care pot fi testați în cadrul proiectului de reconversie terapeutică COVID-19 bazat pe cipuri de organe. Cercetătorul principal Diogo Camacho, Ph.D., care lucrează în cadrul Inițiativei de biodescoperire predictivă a Institutului Wyss, condusă de Jim Collins, aplică, de asemenea, noi instrumente de calcul bazate pe învățare automată pentru a face față acestei provocări de reprofilare. În prezent, echipa colaborează activ cu cercetători care pot studia virusul infecțios nativ CoV2 în laboratoare de biosecuritate BSL3 aprobate și lucrează din greu pentru a identifica rapid medicamentele existente aprobate de FDA și combinațiile de medicamente care pot fi utilizate ca terapii COVID-19 sau ca terapii profilactice pentru lucrătorii din domeniul sănătății sau pentru pacienții care sunt deosebit de vulnerabili la această boală. Reilly, în colaborare cu cercetătorul principal Ken Carlson, Ph.D., folosește, de asemenea, abordarea sa de simulare a dinamicii moleculare pentru a dezvolta noi terapii Coronavirus cu spectru larg, care să vizeze o regiune conservată a proteinei Spike de suprafață, care ar ajuta pacienții infectați să supraviețuiască actualei pandemii COVID-19 și ne-ar permite să fim pregătiți să prevenim infecțiile cu virusuri Corona înrudite care ar putea apărea în viitor.
  • Echipa lui Collins implementează, de asemenea, algoritmi computaționali pentru a prezice structuri chimice care ar putea inhiba diferite aspecte ale biologiei virusului sau ale patologiei bolii și care ar putea fi dezvoltate în produse terapeutice. În cadrul unei colaborări cu Regina Barzilay, Ph.D., profesor la Departamentul de Inginerie Electrică și Știința Calculatoarelor din cadrul MIT, echipa sa utilizează rețele neuronale profunde pentru a dezvolta strategii terapeutice care ar putea ajuta la tratarea pneumoniei bacteriene, care se poate suprapune peste pneumonia cauzată de virusul CoV2 și care poate pune și mai mult în pericol viața pacienților. Într-un studiu recent, motivat de actuala penurie de antibiotice, grupul lui Collins a inițiat cu succes o abordare de învățare profundă a descoperirii de antibiotice care i-a condus pe cercetători să descopere noi molecule cu efecte antibacteriene față de diferite tulpini patogene.
  • Un membru al corpului profesoral de bază al Wyss, George Church, doctor în științe, și studentul său absolvent Kettner Griswold urmează o altă cale. O modalitate prin care ar putea fi combătut virusul CoV2 este de a valorifica puterea sistemului imunitar. Church și Griswold proiectează anticorpi care se leagă în mod specific de virus și care ar putea permite un atac imunitar puternic împotriva acestuia. Pornind de la un „anticorp neutralizant” deja existent, care se leagă de proteina Spike a virusului responsabil de epidemia de SARS din 2003, ei speră să creeze un anticorp care să se potrivească virusului CoV2, strâns înrudit cu acesta. Un astfel de agent neutralizant ar fi asemănător tratamentelor în care pacienții cu boli infecțioase primesc „plasmă sanguină” (partea lichidă a sângelui care conține celulele sanguine) de la persoane care s-au vindecat de infecție, care conține anticorpi neutralizanți împotriva agentului patogen. Cu toate acestea, un anticorp modificat ar putea fi fabricat în cantități mari și furnizat pacienților COVID-19 mult mai rapid și mai ușor decât plasma sanguină. Church este, de asemenea, profesor de genetică la HMS și profesor de științe și tehnologie în domeniul sănătății la Harvard și MIT.

În căutarea unei protecții supreme – un vaccin

În condițiile în care nu există în prezent niciun vaccin disponibil, dar mai multe vaccinuri candidate sunt explorate în întreaga lume, cercetătorii Institutului Wyss, conduși de David Mooney, membru al facultății Wyss Core, Ph.D., dezvoltă un material care ar putea face vaccinurile mai eficiente. Anterior, echipa lui Mooney a dezvoltat vaccinuri implantabile și injectabile împotriva cancerului care pot induce sistemul imunitar să atace și să distrugă celulele canceroase.

  • Un ingredient cheie în vaccinuri este un fragment al agentului infecțios, numit antigen, dar răspunsul imunitar la mulți antigeni este slab. Materialele bioactive ale vaccinului de la Wyss sunt programate cu molecule care orchestrează recrutarea și stimularea celulelor imune cu prezentarea antigenului. Acest lucru duce la răspunsuri robuste care, în ceea ce privește COVID-19, în teorie, ar putea permite sistemului imunitar atât să ucidă imediat virusul la persoanele infectate, cât și să creeze o memorie la persoanele infectate și neinfectate, fără a fi nevoie de stimulente suplimentare. Având în vedere structura extrem de modulară a materialului, se pot conecta și utiliza cu ușurință diferite antigene identificate de cercetătorii din întreaga lume, optimizând răspunsul la fiecare dintre acestea. Această abordare poate produce o platformă extrem de versatilă în lupta împotriva viitoarelor epidemii și a multor boli infecțioase. Mooney conduce Immuno-Materials Focus Area din cadrul Institutului Wyss și, de asemenea, Robert P. Pinkas Family Professor of Bioengineering la SEAS.

Înțelegerea modului în care se dezvoltă COVID-19 și a modului de a-l controla

COVID-19 nu lovește la fel de puternic în fiecare individ pe care îl infectează. Independent de vârstă, unii sunt predispuși să se îmbolnăvească grav, în timp ce alții prezintă un nivel uimitor de rezistență împotriva bolii. Descoperirea bazei biologice a acestor diferențe ar putea duce la noi strategii de protecție.

  • Church și membrul asociat al facultății Wyss, Ting Wu, Ph.D., colaborează cu „The Personal Genome Project” (PGP), o inițiativă internațională care creează date publice privind genomul, sănătatea și trăsăturile genetice pentru a fi exploatate de comunitatea de cercetare biomedicală în vederea impulsionării progresului științific în numeroase domenii. Wu este, de asemenea, profesor de genetică la HMS. Church a avut un rol determinant în fondarea inițiativei în 2005 și a avansat în raza de acțiune a acesteia cu ajutorul unor progrese tehnologice cheie și al conducerii sale emfatice. Cei doi cercetători de la Wyss și echipele lor conduse de Sarah Wait Zaranek, Ph.D., președinte Curie și co-director informatic al PGP, lansează acum un proiect de valorificare a platformei PGP prin compararea genomurilor, microbiomurilor, viromurilor și sistemelor imunitare ale persoanelor consimțite cu sensibilitate extremă la COVID-19 și ale persoanelor care prezintă rezistență. Abordarea lor de biologie a sistemelor de mare anvergură ar putea conduce la informații neașteptate despre boală și ar putea dezvălui pârghii cheie care ar putea fi ajustate cu medicamentele existente pentru a controla infecția, pentru a ajuta la prioritizarea indivizilor pentru îngrijiri urgente, precum și pentru a oferi îndrumări cu privire la ce lucrători din domeniul sănătății s-ar descurca mai bine în prima linie de îngrijire.
  • În afară de urmărirea diferitelor activități axate pe COVID-19 în laboratoarele sale, Institutul Wyss colaborează cu comunitățile mai largi de cercetare, de spitale și de sănătate publică pentru a-și integra eforturile la nivel național. De exemplu, Church strânge legăturile cu fostul său bursier postdoctoral Jay Shendure, Ph.D., profesor de științe ale genomului la Universitatea din Washington, Seattle, care conduce „Studiul gripei din Seattle”, care a pivotat spre COVID-19, precum și cu David Baker, Ph.D., director al Institutului pentru proiectarea proteinelor din Seattle, și cu Jonathan Rothberg, Ph.D., fondator al companiei de științe ale vieții 4Bionics, printre alte companii, pentru a dezvolta un kit de testare la domiciliu simplu, dar diferit.
    La nivel național, Walt este membru al unei discuții COVID-19 demarate în cadrul nou înființatului „Comitet permanent privind bolile infecțioase emergente și amenințările la adresa sănătății în secolul XXI” al Academiilor Naționale. Comitetul se concentrează puternic acum pe actuala pandemie de coronavirus pentru a găsi modalități de a ajuta guvernul federal să consolideze și să eficientizeze eforturile la nivel național, dar va lucra, de asemenea, pe termen lung pentru a dezvolta strategii și a face recomandări pentru viitoarele amenințări la adresa sănătății.

La nivel internațional, Institutul Wyss funcționează ca un centru de excelență al Rețelei Globale de Virusuri (GVN), cu Ingber ca lider și cu ceilalți membri ai facultății Wyss ca membri participanți cheie. GVN este concepută pentru a integra eforturile de supraveghere și de răspuns pentru amenințări biologice, epidemii și pandemii prin integrarea eforturilor instituțiilor de cercetare de top în domeniul virușilor din întreaga lume. De asemenea, Ingber colaborează în prezent îndeaproape cu Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) și cu Fundația Bill & Melinda Gates, precum și în discuții active cu National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) din cadrul NIH, Biomedical Advanced Research and Development Authority (BARDA) și Public Health England, în timp ce toți încearcă să alinieze și să coordoneze eforturile pentru a face față acestei provocări monumentale pentru sănătate.

„Institutul Wyss și colaboratorii săi adoptă exact tipul de abordare cuprinzătoare și integrată pentru a aborda această pandemie care este necesară la nivel local, național și internațional”, a declarat Walt.

CONTACTURI DE PRESĂ

Institutul Wyss pentru inginerie inspirată din punct de vedere biologic de la Universitatea Harvard
Benjamin Boettner, , +1 917-913-8051

Institutul Wyss pentru inginerie inspirată din punct de vedere biologic de la Universitatea Harvard (http://wyss.harvard.edu) utilizează principiile de proiectare ale naturii pentru a dezvolta materiale și dispozitive bioinspirate care vor transforma medicina și vor crea o lume mai durabilă. Cercetătorii de la Wyss dezvoltă noi soluții inginerești inovatoare pentru sănătate, energie, arhitectură, robotică și producție, care sunt transpuse în produse și terapii comerciale prin colaborări cu cercetători clinici, alianțe corporative și formarea de noi startup-uri. Institutul Wyss creează descoperiri tehnologice transformatoare prin implicarea în cercetări cu risc ridicat și depășește barierele disciplinare și instituționale, lucrând ca o alianță care include Școlile de Medicină, Inginerie, Arte & Științe și Design de la Harvard și în parteneriat cu 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 și Massachusetts Institute of Technology.