Estrategias empleadas en el desarrollo de una vacuna contra el COVID-19
November 23, 2020
Estamos en un momento decisivo de la historia. Con el surgimiento del nuevo coronavirus SARS-CoV-2 y su devastador costo las comunidades científica y médica deben actuar juntas para detener la enfermedad COVID-19. Se necesitará un esfuerzo masivo y coordinado para comprender mejor el virus, cómo se propaga, desarrollar e implementar pruebas cada vez más eficientes para determinar si alguien está o ha sido infectado y crear y distribuir vacunas y tratamientos. Si bien estas son tareas abrumadoras con muchos factores desconocidos y barreras biológicas, socioeconómicas y logísticas, líderes de la industria farmacéutica, la biotecnología y la academia están trabajando en conjunto para superar estos obstáculos, generando rápidamente conocimientos, pruebas, vacunas y tratamientos con el apoyo de gobiernos y las organizaciones financieras para acelerar el proceso.
Fig. 1. Forma y estructura del virión de SARS-CoV-2. Partícula vírica de SARS-CoV-2 que posee una nucleocápside compuesta por ARN genómico asociado a la proteína (N), cubierto por una envoltura externa de proteínas estructurales principales (S), (M) y (E) y proteínas accesorias como (HE). (Adaptado de Jin y col. 2020).
Para detener el avance y daños causados por el SARS-CoV-2 es necesario actuar rápidamente para desarrollar y distribuir ampliamente nuevas vacunas. Debido a la tendencia de los virus a mutar en nuevas cepas, los efectos variables de las vacunas en los individuos, la existencia de varios tipos de vacunas viables, las limitaciones de fabricación y las dificultades para brindar acceso a todos, la creación de una sola vacuna no será suficiente; se deben diseñar, fabricar y distribuir múltiples vacunas a nivel mundial.
El desarrollo de vacunas cubre una variedad de plataformas, incluidas nuevas vacunas basadas en tecnología ya autorizada y enfoques novedosos que pueden ser más rápidos de desarrollar o más flexibles para modificar. Las candidatas a vacunas exitosas deben desarrollarse rápidamente, fabricarse a gran escala, distribuirse y adoptarse fácilmente y ser ampliamente accesibles (Thanh Le y col., 2020). Si bien el proceso convencional de desarrollo de una vacuna puede llevar incluso más de 10 años no disponemos de ese tiempo, es por ello que se están realizando esfuerzos conjuntos empleando técnicas novedosas y muy aceleradas en distintas etapas clave, comenzando con el diseño de la tecnología empleada en el desarrollo de la vacuna, continuando con los estudios preclínicos y clínicos y culminando con la fabricación a gran escala a una velocidad nunca antes vista.
Se está realizando un esfuerzo mundial sin precedentes para desarrollar nuevas armas que ataquen el virus. Al 15 de Noviembre de 2020, 49 vacunas habían avanzado a estudios preclínicos y ensayos clínicos (para información actualizada al respecto consultar RAPS COVID-19 Vaccine Tracker for the most). El número creciente de vacunas distintas etapas de desarrollo (más de 90) pueden clasificarse en al menos cuatro tipos de vacunas: Vacunas de virus, vacunas de vectores virales, vacunas de proteínas y vacunas de ácidos nucleicos (Callaway, 2020a) Todas las vacunas se basan en la capacidad del cuerpo para reconocer un antígeno extraño y desarrollar inmunidad. En el caso de las vacunas contra virus dicho antígeno puede ser el virión completo o una parte del mismo que lo ayuda a ingresar a las células, siendo dicha parte la proteína S o Spike en el caso del SARS-CoV-2. Los tipos de vacunas se diferencian por el material administrado y los medios de administración en el cuerpo, la velocidad de desarrollo, los requisitos de prueba, la capacidad de producción en masa y la eficacia. A continuación comentaremos brevemente cómo se están aplicando estos distintos enfoques y las perspectivas de lograr el objetivo que hay en cada caso.
Fig. 2. Esquema simplificado del desarrollo de inmunidad ante patógenos (Adaptado de Callaway,2020a)
Vacunas de virus
Muchas vacunas existentes, como la vacuna contra la gripe que se aplica cada año, consisten en formas inactivas o vivas pero debilitadas (atenuadas) del virus que aún expresan antígenos que provocan una respuesta inmunitaria. Para producir un virus SARS-CoV-2 atenuado se infectan células humanas o animales con SARS-CoV-2 en su forma nativa y se pasan en serie hasta que el virus muta a una forma menos potente. Alternativamente, se pueden introducir mutaciones de debilitamiento dirigidas usando técnicas de ingeniería genética. También se puede emplear calor o agentes químicos para producir un virus completamente inactivado, pero en este último caso se necesitan grandes cantidades de virus vivo como material de partida. La buena noticia es que estos procesos, relativamente sencillos, ya se han utilizado en la fabricación de muchas vacunas humanas autorizadas y ya existe una sólida infraestructura de producción basada en esta metodología (Amanat y Krammer, 2020). Las principales desventajas de este tipo de vacunas son que requiere un alto grado de manipulación del SARS-CoV-2, que es altamente infeccioso, que se necesita una cantidad considerable de tiempo para generar el virus atenuado y confirmar la integridad del antígeno y que se requieren pruebas de seguridad más exhaustivas que para otros tipos de vacunas.
Fig. 3. Esquema gráfico de las vacunas de virus. (Adaptado de Callaway,2020a)
Vacunas de vectores virales
Una opción potencialmente más segura que las vacunas de virus completos inactivados o atenuados es utilizar un virus diferente modificado genéticamente como recipiente para administrar los genes del SARS-CoV-2, incluida la proteína S. En esta aproximación un vector viral con capacidad de replicarse infecta las células y hace que produzcan más virus modificados sin dañar las células, entregando en última instancia esa proteína S a las células presentadoras de antígenos, lo cual activa la respuesta inmune. Un punto importante a tomar en cuenta en esta estrategia es que, a veces, las personas ya han desarrollado inmunidad al vector viral; por lo cual, dependiendo del vector elegido, la eficacia de la vacuna podría reducirse y podrían ser necesarias dosis de refuerzo para conferir inmunidad a largo plazo. Esto también se aplica a los vectores virales sin capacidad replicativa que viajan directamente a las células presentadoras de antígenos sin ser multiplicados primero por otras células. Un aspecto que es importante destacar de esta metodología es que no se necesita ningún coronavirus infeccioso para crear el vector y existe una gran cantidad de evidencia preclínica y clínica de que este enfoque funciona para otros virus emergentes.
Fig. 4. Esquema gráfico de las vacunas de vectores virales. (Adaptado de Callaway,2020a)
Vacunas de proteínas
En lugar de desarrollar inmunidad utilizando un antígeno como la proteína S de un coronavirus real o una proteína S recién expresada administrada por un vector viral, las vacunas basadas en proteínas exponen directamente fragmentos del dominio de unión al receptor de la proteína S a las células presentadoras de antígenos. Las vacunas de proteínas se basan en la producción de proteínas recombinantes utilizando, por ejemplo, un sistema de expresión basado en cultivos de células de mamíferos. Se puede aprovechar la flexibilidad de esta plataforma para crear proteínas de fusión de subunidades adicionales que activarán una variedad de tipos de células inmunes para una respuesta inmunitaria más fuerte (Liu y col., 2020; Kalita y col., 2020). La primera vacuna basada en péptidos multiepítope comenzó ensayos clínicos en Julio de 2020. El uso de nuevos dispositivos de administración también puede mejorar la inmunogenicidad. Por ejemplo, Kim y col. (2020) reportaron la utilización de un sistema de arreglos de microagujas para administrar por vía intracutánea una vacuna de subunidad recombinante trimérica a ratones, lo que provocó una respuesta humoral más sólida que la misma vacuna administrada mediante una inyección subcutánea tradicional.
Una vez que se demuestre que es segura y eficaz, se necesitaría un alto rendimiento de proteína recombinante para vacunar a una gran población, lo que podría resultar difícil con una capacidad de producción mundial limitada (Amanat y Krammer, 2020). Además, la integridad de las proteínas recombinantes deberá confirmarse antes de su uso, ya que los productos proteicos pueden desnaturalizarse si las condiciones de almacenamiento no son ideales y pueden caducar. Otra forma de vacunas a base de proteínas utiliza solo el armazón o envoltura de los viriones del SARS-CoV-2 (sin el material genético que se necesita para la infectividad) para desencadenar una respuesta inmune más fuerte. Sin embargo, a pesar de todas estas ventajas, estas partículas similares a virus pueden ser difíciles de fabricar (Callaway, 2020a).
Fig. 5. Esquema gráfico de las vacunas de proteínas. (Adaptado de Callaway,2020a)
Vacunas de ácidos nucleicos
La producción de vacunas de ADN y ARN implica sintetizar un plásmido o un fragmento de ARN mensajero que codifique la proteína S. Los métodos de administración del ácido nucleico recombinante diseñado en células musculares o cutáneas incluyen electroporación o inyección a chorro (para ADN) e inyección de ARN encapsulado en lípidos. Las vacunas de ácido nucleico tienen varias ventajas que las hacen apropiadas para responder a una situación como la planteada por el COVID-19 (Smith y col, 2020). Después de secuenciar un genoma viral, la producción de vacunas recombinantes candidatas puede completarse en cuestión de días. La fabricación de vacunas de ADN es significativamente más rápida, menos costosa y más segura que otros tipos de vacunas, y se puede ampliar más fácilmente (Amanat y Krammer, 2020). El ADN es muy estable, lo que lo hace adecuado para su transporte y almacenamiento; sin embargo, ninguna vacuna autorizada hasta ahora utiliza esta tecnología, por lo que los obstáculos normativos y de infraestructura pueden ralentizar el proceso.
Pasando por alto la necesidad de transcripción de ADN a ARN, las vacunas de ARN se traducen directamente en proteínas, sin los riesgos de incorporación al genoma o mutagénesis inducida por inserción ya que el ARN mensajero se degrada naturalmente después de la expresión de las proteínas (Liu y col. 2020). Estas vacunas pueden incluso contener ARN mensajero que codifique múltiples antígenos target de coronavirus para estimular una potente respuesta inmune. Sin embargo, esta respuesta inmune tan potente es un arma de doble filo, ya que la alta inmunorreactividad mata más viriones de coronavirus, pero también daña los tejidos del huésped. A la fecha, se han observado reacciones inmunes moderadas o severas en un ensayo clínico de fase 1 (Wang, Kream, y Stefano, 2020). Al igual que con las vacunas de ADN, la fabricación a gran escala de vacunas de ARN es factible de inmediato y permitiría una producción rápida para la vacunación masiva de poblaciones.
Fig. 6. Esquema gráfico de las vacunas de ácidos nucleicos. (Adaptado de Callaway,2020a)
Aliados en la lucha
Dado que el tiempo es esencial, las colaboraciones en el desarrollo de vacunas son cruciales para detener el coronavirus. Importantes compañías y grupos de investigación se están uniendo para desarrollar nuevas vacunas de ácidos nucleicos. Takara Bio Inc. ha anunciado una asociación con la Universidad de Osaka y AnGes Co., Ltd. para fabricar y probar una plataforma que involucra una vacuna de plásmido de ADN y un dispositivo de administración por inyección que actualmente se está evaluando en estudios preclínicos. La tecnología del plásmido de ADN fue desarrollada por el profesor Ryuichi Morishita (especialista en Terapia Génica Clínica, egresado de la Facultad de Medicina de la Universidad de Osaka) y AnGes. El historial de esta última compañía en la comercialización de productos terapéuticos de factor de crecimiento humano utilizando tecnología de ADN recombinante, incluyendo el lanzamiento de Collategene® en 2019, ha ayudado a esta nueva tecnología a realizar una rápida transición de ensayos preclínicos a ensayos clínicos (Co-development of DNA vaccine for new coronavirus infectious disease (COVID-19) by AnGes and Osaka University: Listed in the list of vaccine development organizations published by WHO (World Health Organization), 2020). De hecho, en Julio de 2020 AnGes y la Universidad de Osaka ya habían completado un ensayo clínico de fase 1/2 de vacunación intramuscular de dosis baja en el Hospital Universitario de la Ciudad de Osaka y se encontraban realizando ensayos con dosis altas de la vacuna (DNA vaccine for new coronavirus infectious disease ( COVID-19 ) : Phase 1/2 clinical trial Low dose vaccination completed, 2020).
En última instancia, la vacuna se administrará utilizando el nuevo dispositivo de administración de Actranza Lab de Daicel, el cual emplea un acelerante para impulsar la vacuna hacia la piel, un órgano que contiene más células inmunocompetentes que músculos. Daicel ha reportado que su dispositivo puede mejorar la eficiencia de expresión génica en comparación con la administración intramuscular convencional con una jeringa y también puede aumentar la producción de anticuerpos (DAICEL Participates in the Joint DNA Vaccine Development Against the New Coronavirus Conducted by Osaka University and AnGes, Inc. with Our Novel Drug Delivery Device, "ActranzaTM lab." Technology, 2020).
El ADN plasmídico se puede fabricar rápidamente en grandes cantidades. En lo que respecta a Takara Bio, las vacunas se producirían en su instalación principal con certificación GMP (Good manufacturing practices) en el oeste de Japón. Esta planta de fabricación integrada alberga tres áreas independientes para el procesamiento de ADN plasmídico (y proteínas recombinantes), virus y células. Cada área tiene una tubería de flujo de aire independiente, flujo de material independiente y sistema de hidrógeno vaporizado para descontaminación, además de tener personal exclusivo para cada una de ellas. Además, esta planta cuenta con laboratorios de control de calidad independientes e instalaciones especializadas para almacenamiento de células. Dado que las áreas de procesamiento independientes están todas bajo un mismo techo, la planta puede operar con alta eficiencia y cero contaminación.
El presidente y director ejecutivo de Takara Bio Inc. Koichi Nakao confía en que pueden producir vacunas para todos los ensayos clínicos y si el Ministerio de Salud de Japón aprueba una licencia de producción y venta, podrían producir 200.000 vacunas más este año para uso clínico a principios de 2021 (Takara Bio drives Japan's quest for a coronavirus vaccine - Nikkei Asian Review, 2020). Takara Bio Inc. espera poder producir en masa la vacuna, lo cual contribuiría a la flexibilización de las restricciones en Japón y en todo el mundo. Poner las piezas en su lugar ahora permitirá responder más rápido a las desviaciones / cambios antigénicos del SARS-CoV-2 y futuros brotes de enfermedades infecciosas.
Fig. 7. Centro GMP de procesamiento de células y genes de Takara Bio Inc., galardonado con el premio Facility of the Year Award (FOYA) 2016. Manufacturing facilities (takarabio.com)
Juntos para derrotar al coronavirus
Muchas tecnologías, incluidas otras vacunas y terapias de anticuerpos únicas no mencionadas en este artículo, están siendo exploradas y probadas para determinar su capacidad para poner de rodillas a nuestro rival común, el SARS-CoV-2. La Organización Mundial de la Salud ha propuesto un Ensayo de Vacunas Solidarias con un diseño adaptativo con la esperanza de acelerar las pruebas y la adopción de más vacunas de las que serían posibles con las técnicas tradicionales. (Callaway, 2020b). El Instituto Nacional de Salud también está pensando en grande con su asociación industrial que tiene como objetivo coordinar el desarrollo de vacunas y medicamentos. La Coalición de Preparación para Epidemias (Coalition of Epidemic Preparedness), una agencia de financiación sin fines de lucro, está apoyando los ensayos de eficacia y los costos de fabricación de nueve vacunas. Los pocos desarrolladores de vacunas que obtengan la aprobación y ampliación a gran escala de sus productos prepararán el escenario para que otros desarrolladores lleven sus productos a través de pruebas de seguridad y eficacia, licencias y producción ante las autoridades reguladoras.
Takara Bio se enorgullece de estar en la primera línea en la lucha para derrotar al coronavirus al permitir el desarrollo de vacunas innovadoras y una mejor detección mediante la aplicación de sus productos y tecnologías. Los importantes aportes de esta compañía al esfuerzo en la lucha contra el SARS-CoV-2 incluyen el apoyo a la investigación, desarrollo y la fabricación de productos de otros grupos, brindando a los investigadores las herramientas que necesitan no solo para el estudio puntual de este virus, sino también para enriquecer el estudio y el desarrollo de tecnologías en otras áreas de la salud humana. Tanto en Takara Bio como AllScience, distribuidor oficial en Latino América y el Caribe, nos sentimos honrados de unirnos a la búsqueda global más amplia para encontrar formas de construir asociaciones y redes que faciliten el control de COVID-19 y nos preparen mejor para esos inevitables desafíos futuros.
Amanat, F., Krammer, F. 2020. Perspective SARS-CoV-2 Vaccines: Status Report. Immunity 52, 583–589.
Callaway, E. 2020a. The race for coronavirus vaccines: a graphical guide. Nature 580, 576–577.
Callaway, E. 2020b. Scores of coronavirus vaccines are in competition - how will scientists choose the best? Nature . doi:10.1038/d41586-020-01247-2.
Co-development of DNA vaccine for new coronavirus infectious disease ( COVID-19 ) by AnGes and Osaka University : Listed in the list of vaccine development organizations published by WHO ( World Health Organization ). at https://www.anges.co.jp/pdf.php?pdf=uXX0t6llGsGmKyCEGVjNaDSwbUdNINeA.pdf
DAICEL Participates in the Joint DNA Vaccine Development Against the New Coronavirus Conducted by Osaka University and AnGes, Inc. with Our Novel Drug Delivery Device, "Actranza™ lab." Technology. at https://www.daicel.com/en/news/assets/pdf/00000815-1.pdf
Jin, Y. y col. 2020. Virology, epidemiology, pathogenesis, and control of COVID-19. Viruses. 12(4): 372.
Kalita, P., Padhi, A. K., Zhang, K. Y. J., Tripathi, T. 2020. Design of a peptide-based subunit vaccine against novel coronavirus SARS-CoV-2. Microb. Pathog. 145, 104236.
Kim, E. y col. 2020. Microneedle array delivered recombinant coronavirus vaccines: Immunogenicity and rapid translational development. EBioMedicine 55, 102743.
Liu, C. y col. 2020.Research and Development on Therapeutic Agents and Vaccines for COVID-19 and Related Human Coronavirus Diseases. ACS Cent. Sci. 6, 315–331.
Smith, T. R. F. y col. 2020. Immunogenicity of a DNA vaccine candidate for COVID-19. Nat. Commun. 11, 2601.
Thanh Le, T. y col. 2020. The COVID-19 vaccine development landscape. Nature 19, 305–306.
Wang, F., Kream, R. M., Stefano, G. B. 2020. An evidence based perspective on mRNA-SARS-CoV-2 vaccine development. Med. Sci. Monit. 26, e924700-1–e924700-8.
