Oamenii de ştiinţă de la Harvard au descoperit un nou tip de ARN, cu moleculă dublă catenară, care poate inhiba capacitatea unei game mari de virusuri cu potenţial pandemic, inclusiv SARS-CoV, SARS-CoV-2, MERS-CoV şi tulpini multiple de gripă A.
ARN-ul este adesea descris ca fiind vărul monocatenar al ADN-ului, molecula dublu catenară care alcătuieşte genomul tuturor organismelor vii. Însă, multe tipuri de virusuri (alcătuiţi din materie anorganică/nevie) îşi poartă informaţiile genetice într-o formă de ARN dublu catenară (ARNds).
Atunci când sistemul imunitar uman detectează prezenţa acestui ARN străin, trage un semnal de alarmă prin creşterea producţiei de citokine protectoare numite interferoni (IFN), care activează răspunsul imun înnăscut împotriva invadatorilor virali.
Oamenii de ştiinţă au încercat să exploateze acest răspuns antiviral natural prin crearea de ARN dublu catenar terapeutic, care imită caracteristicile genomului viral. Dar amestecul cu sistemul imunitar înnăscut poate fi o sabie cu două tăişuri.
Analogii virali de ARN pot activa, de asemenea, căi moleculare care duc la inflamaţie excesivă în organism, putând provoca mai mult rău decât beneficiile antivirale pe care le pot oferi.
Un grup de cercetători de la Institutul Wyss pentru Inginerie Biologică de la Universitatea Harvard, Statele Unite, a descoperit o nouă clasă de ARN imunostimulatoare care induce puternic producerea a două forme de interferoni (IFN-I şi IFN-III), limitând în acelaşi timp inflamaţia observată în mod obişnuit la alte tipuri de imunostimulatori pe bază de ARN.
Noile molecule de ARN dublu catenar au inhibat în mod spectaculos capacitatea multor virusuri cu potenţial pandemic - inclusiv SARS-CoV, SARS-CoV-2, MERS-CoV şi tulpini multiple de gripă A - de a infecta celulele umane, atât în culturile celulare, cât şi în modele complexe de organe umane ale plămânilor.
Într-un model de şoarece de Covid-19, ARNds a redus cantitatea de virus din corpurile animalelor de peste 1.000 de ori. Rezultatele au fost publicate miercuri, în Molecular Therapy—Nucleic Acids.
„Acest nou ARNds este o opţiune de tratament atractivă pentru Covid-19, deoarece infecţia cu SARS-CoV-2 produce un răspuns imunitar dezechilibrat în care reacţia de protecţie IFN este suprimată în timp ce reacţia de inflamaţie este crescută. Prin creşterea preferenţială a IFN-I, ARNds-ul are potenţialul de a corecta acest dezechilibru şi ar putea fi folosit şi pentru a trata multe alte boli virale”, a declarat unul dintre autorii principali, Haiqing Bai, director de dezvoltare preclinică la Xellar Biosystems.
Descoperire întâmplătoare
De ani de zile, echipa de cercetare a dezvoltat noi tratamente pentru boli virale folosind platforma umană Organ Chip. Înainte de 2020, echipa lucra la identificarea genelor în celulele pulmonare umane care reglează răspunsurile la infecţia cu gripă A, care la acea vreme era virusul cu cea mai mare îngrijorare pandemică.
Cercetătorii au folosit screeningul CRISPR-Cas9 pentru a identifica genele gazdă care ar putea inhiba proliferarea virusului gripal. Unul dintre candidaţii de top identificaţi a fost o genă numită DGCR5, care produce o secvenţă de ARN lungă, necodificatoare, în loc det o proteină. Pentru a vedea modul în care DGCR5 a afectat rata de infecţie, oamenii de ştiinţă au oprit gena prin proiectarea a trei ARN-uri mici de interferenţă, dublu catenare, (ARNsi) pentru a interfera cu expresia genei, apoi au livrat acest ARNsi celulelor pulmonare cultivate.
Cercetătorii au descoperit că acest amestec a redus nivelul DGCR5 cu mai mult de 80% şi a inhibat infecţia cu gripă A cu mai mult de 90%.
Încântaţi de aceste rezultate, echipa a început să testeze ARNsi individual, precum şi unele secvenţe suplimentare de ARNsi specifice DGCR5.
Spre surprinderea lor, în timp ce nouă din cele zece ARNsi pe care le-au creat au redus semnificativ expresia genei DGCR5, doar unul a inhibat infecţia virală, ceea ce i-a făcut să creadă că activitatea DGCR5 ar putea să nu fie motorul infecţiei virale.
Când au investigat în continuare, au confirmat că acest ARNsi a cauzat suprareglarea mai multor gene care sunt implicate în calea de semnalizare a IFN. Studii suplimentare au arătat că ARNsi a activat exclusiv una dintre cele trei căi de semnalizare care pot declanşa producţia de IFN, cunoscută sub numele de calea RIG-I, care este o componentă esenţială a răspunsului imun înnăscut.
Cercetătorii au început să suspecteze că au descoperit o nouă clasă de ARNds care a stimulat sistemul imunitar printr-un mecanism de acţiune necunoscut până acum.
Oamenii de ştiinţă au început să testeze peste 200 de variaţii ale secvenţei originale ARNds pentru a descoperi acest mecanism.
Ei au identificat un anumit şir de nucleotide, numit „motiv” (un model/tipar de secvenţă de acid nucleic care are o anumită semnificaţie biologică), care a fost prezent în mod constant la un capăt al ARNds cu activitate ridicată de stimulare a IFN-ului: o citozină (C) pe o catenă şi trei guanine (GGG) pe cealaltă catenă. Întrucât C se leagă la un G din secvenţa GGG din motif, există o „proporţie” de două G la sfârşitul fiecărui ARNds.
Atunci când sunt prezente multe copii de ARNds, G-urile de suprafaţă ale unei molecule se pot lega de cele ale altei molecule printr-un fenomen neobişnuit numit împerecheri de baze G-G Hoogsteen. Dimerii ARNds rezultaţi se leagă apoi, foarte eficient, direct de RIG-I, provocând activarea acestuia şi, ulterior, un răspuns IFN.
„Acest lucru a fost foarte interesant pentru noi, deoarece studiile anterioare au arătat că RIG-I poate fi activat de ARNds-uri duplex, care nu au proeminenţe la extremităţi, şi că aproape orice tip de extremitate poate preveni legarea RIG-I. Unicul comportament G-G de legare pe care l-am observat creează în mod eficient ARNds fără proeminenţe la capete, care pot activa puternic RIG-I, ceea ce este crucial pentru activitatea noului nostru ARNds”, a explicat Longlong Si, profesor la Institutul de Tehnologie Avansată Shenzhen din China, unul dintre autorii cercetării.
De la gripă la Covid şi alte infecţii virale
Pentru a vedea cât de eficiente au fost aceste molecule de ARNds recent descoperite în celulele vii, cercetătorii le-au testat unul împotriva unui imunostimulant sintetic care imită infecţiile virale numite poli(I:C).
Când au aplicat cele două tratamente celulelor epiteliale umane, au descoperit că ARNds a produs un răspuns antiviral mai puţin inflamator, în timp ce poli(I:C), care este mai inflamator, a provocat modificări mult mai ample în expresia genelor şi a afectat alte procese biologice care sunt esenţiale pentru functionarea normală a celulelor.
Echipa a testat apoi ARNds în „microcipuri” (Lung Airway and Alveolus Chips) umane ale căilor respiratorii şi alveolelor pulmonare, dezvoltate la Institutul Wyss, pentru a reproduce ţesutul şi funcţiile complexe ale organelor umane in vitro.
Cercetătorii au introdus ARNds în aceste culturi celulare sănătoase şi au văzut că expresia IFN-I a crescut între 12 şi 40 de ori. Când au adăugat apoi virusul de gripă A, au descoperit că ARNds a suprimat infecţia într-un procent de 80-90%.
Când a apărut pandemia de Covid-19, echipa şi-a orientat studiile de la gripă la SARS-CoV-2 şi coronavirusurile aferente SARS-CoV, MERS-CoV şi virusul răcelii HCoV-NL63.
Ei au descoperit că ARNds-ul a inhibat infecţia cu MERS-CoV şi HCoV-NL63 în linii celulare de mamifere, derivate de la maimuţe, cu mai mult de 90% şi SARS-CoV de peste 1.000 de ori.
De asemenea, a inhibat infecţia cu SARS-CoV-2 a unei linii de celule epiteliale umane cu 99,99%.
Oamenii de ştiinţă au testat apoi ARNds într-un model de şoarece de Covid-19. Când au infectat şoarecii trataţi cu SARS-CoV-2, ARNds a redus încărcătura virală în plămânii animalelor cu mai mult de 1.000 de ori în comparaţie cu animalele tratate cu o secvenţă ARNds codificată.
„Sperăm că această tehnologie terapeutică cu ARN (dublu catenar), ce are proprietăţi chimice şi fizice care îl fac uşor de fabricat, va deveni o abordare utilizată pe scară largă pentru combaterea viitoarelor pandemii”, a declarat dr. Don Ingber, profesor de biologie vasculară la facultatea de medicină Harvard, şi medic la Spitalul de Copii din Boston.
Pe lângă tratarea viruşilor, acest nou ARNds ar putea trata infecţiile bacteriene, fungice şi parazitare, şi afecţiuni precum cancerul şi bolile autoimune care ar putea beneficia de producţia crescută de IFN.
De asemenea, uar putea fi tilizat ca adjuvant pentru a spori activitatea altor vaccinuri, spun autorii, care subliniază că este important ca studiile viitoare să stabilească momentul optim al aplicării tratamentului, deoarece activarea IFN prea târziu într-o infecţie poate exacerba inflamaţia.
În studiile viitoare, oamenii de ştiinţă îşi propun să investigheze dacă administrarea acestui ARN dublu catenar direct în căile aeriene superioare, printr-un inhalator, poate minimiza activarea imună sistemică.
