Hackear el VIH

Una tarde de mayo de 2008, Bruce Walker y Terry Ragon '71 realizaron una visita de reclutamiento al MIT. Walker es un médico de la Escuela de Medicina de Harvard que ha estudiado el VIH durante tres décadas; Ragon, fundador y director ejecutivo de una empresa de software llamada InterSystems, estaba a punto de financiar un nuevo instituto de investigación de 100 millones de dólares para desarrollar vacunas contra el VIH, con Walker a la cabeza.

Bruce Walker (izquierda) y Terry Ragon ’71 están dirigiendo al Instituto Ragon en una búsqueda para desarrollar una vacuna para prevenir el VIH.

Aproximadamente 20 miembros de la facultad del MIT vinieron a escuchar el discurso de Walker y Ragon en busca de ayuda con su proyecto. Uno de ellos fue Arup Chakraborty, un profesor de ingeniería química que estaba intrigado por la misión de lo que se conocería como el Instituto Ragon. Había trabajado en inmunología durante casi una década, pero nunca había profundizado en la investigación del VIH, que había sido un campo insular. Además, no sabía qué podía aportar, recuerda Chakraborty.

Después de varias sesiones de lluvia de ideas, Walker pensó que Chakraborty podría llegar al fondo de algo que había estado molestando a los investigadores del VIH: las personas cuyo sistema inmunológico es naturalmente capaz de combatir la infección por el VIH también son propensas a los trastornos autoinmunes. No parecía probable que el fenómeno fuera una mera coincidencia. Quizás Chakraborty, que usa modelos computacionales para estudiar cómo las células del sistema inmunológico distinguen entre invasores extraños y las propias células del cuerpo, podría descubrir la conexión.

Aproximadamente un año después, Chakraborty publicó su primer artículo sobre el VIH, que se centró en los agentes inmunes conocidos como células T. En ciertas personas, descubrió, el proceso del cuerpo para eliminar las células T que podrían atacar a las células sanas no es completamente efectivo. Pero las células T que evaden este proceso son especialmente efectivas para combatir el VIH.

Para mí, ese es un gran ejemplo de algo que nunca hubiera sucedido sin la comunidad que se desarrolló con el Instituto Ragon, dice Walker.

Dar rienda suelta a científicos, ingenieros y médicos para abordar el VIH es la misión del Instituto Phillip T. y Susan M. Ragon del Hospital General de Massachusetts, MIT y Harvard. Desde su inauguración, en 2009, los investigadores de las tres instituciones han trabajado juntos, y con otros investigadores de todo el mundo, para abordar el problema desde todos los ángulos.

Desde el principio, Walker quiso asociarse con investigadores fuera del ámbito habitual de la virología y la inmunología porque no creía que los canales de financiación tradicionales apoyaran suficientes investigaciones novedosas. Con frecuencia me juntaba con gente y hablaba sobre una posible colaboración con alguien fuera del campo del VIH, y parecería una gran idea, pero nunca llegó a ninguna parte porque nunca pudimos financiarla, dice. Queríamos reunir a un grupo de personas y realmente otorgarles licencias para trabajar en este problema y medir el éxito no en términos de artículos publicados, sino en términos de asalto a la meta.

Este enfoque tendrá implicaciones mucho más allá de la investigación del VIH, dice Chakraborty, ahora director del Instituto de Ingeniería y Ciencias Médicas (IMES) del MIT, un centro interdisciplinario inaugurado el verano pasado (ver recuadro a continuación). Se habla mucho en todo el mundo, especialmente en este país, sobre cómo conseguir que se apoye este tipo de trabajo en la interfaz de disciplinas, dice. Pero personalmente no conozco otro ejemplo en el que los científicos y médicos básicos hayan trabajado en sinergia como el Instituto Ragon.

Identificar las debilidades del virus
Los medicamentos antirretrovirales han sido tan efectivos en el tratamiento del SIDA que hay un poco de complacencia al respecto en los Estados Unidos, dice Walker. El problema es que los medicamentos deben tomarse de manera muy confiable para que no se desarrolle resistencia. Otro problema mayor es que en el resto del mundo hay recursos limitados y medicamentos disponibles. Menos del 25 por ciento de las personas infectadas por el VIH en todo el mundo tuvieron acceso a los medicamentos en 2011, según el Programa Conjunto de las Naciones Unidas sobre el VIH / SIDA.

Dados esos hechos, cree Walker, la única forma de erradicar el VIH es desarrollar una vacuna eficaz. Pero el VIH es un objetivo difícil de alcanzar: muta mucho más rápidamente que la mayoría de los virus, incluso la gripe, para la cual las vacunas deben rediseñarse todos los años.

Las vacunas que provocan una respuesta inmunitaria contra cualquiera de las proteínas del VIH se vuelven rápidamente inútiles a medida que evolucionan las proteínas. Sin embargo, algunos de los aminoácidos que componen las proteínas del VIH permanecen sin cambios en casi todas las cepas, lo que sugiere que son esenciales para la supervivencia del virus. En los últimos años, los diseñadores de vacunas han intentado apuntar a estos aminoácidos. Pero han tenido un éxito limitado, porque las sustituciones de aminoácidos en otras partes de la proteína pueden ayudar a superar los efectos de la vacuna.

Entonces, Chakraborty buscó grupos de aminoácidos en las proteínas del VIH que evolucionan juntos, independientemente de los de otros grupos. Las vacunas que se dirigen a estos aminoácidos podrían, en teoría, cortar la ruta de escape evolutiva del virus. En 2011, trabajando con datos de secuencias de ADN de muchas cepas del virus, Chakraborty y Walker utilizaron la teoría de matrices aleatorias (desarrollada en la década de 1950 para estudiar la física de altas energías) para identificar varios de esos grupos, incluido un grupo particularmente vulnerable en la envoltura que rodea al material genético del virus. También encontraron que las células T en pacientes que luchan contra el VIH por sí mismas se dirigen de manera desproporcionada a los aminoácidos identificados en el estudio. Las cepas de VIH con múltiples mutaciones en estos aminoácidos son raras, lo que sugiere que esas cepas luchan por sobrevivir.

El director de IMES, Arup Chakraborty, crea paisajes de fitness identificando secuencias de proteínas que debilitan el VIH.

Sobre la base de ese estudio, el equipo de Chakraborty está utilizando un modelo computacional que predice qué tan bien los virus que contienen diferentes variaciones de proteínas pueden sobrevivir y reproducirse. En la secuencia de aminoácidos que forma una proteína, hay 20 formas de llenar cada espacio. Analizaron miles de cepas de VIH para calcular cuánta variación de aminoácidos se produce en cada una de las aproximadamente 500 ranuras de las proteínas que estudiaron y con qué frecuencia se ve una secuencia determinada. Según demostraron, cuanto más prevalente sea una secuencia, más debe contribuir a la aptitud del virus. Con esos datos generaron paisajes de fitness en los que las secuencias de proteínas que fortalecen al virus aparecen como colinas y las que lo debilitan son valles. Este conocimiento puede ayudar a guiar el desarrollo de secuencias de proteínas cortas que, si se administran como vacunas, podrían hacer que el virus sea menos apto.

Esto puede ayudar a los científicos a diseñar vacunas no solo para el VIH sino también para otros virus que mutan con frecuencia. Si esto se mantiene, entonces es emocionante, porque las dos tecnologías que necesita para obtener paisajes de aptitud de los virus son la secuenciación y la computación, dice Chakraborty. Ambas tecnologías están bajando de precio muy rápidamente.

Monitoreo de celdas individuales
La capacidad de combatir el VIH sin medicamentos es poco común y aparece en aproximadamente una de cada 300 personas infectadas. Al aprender más sobre estos controladores de élite, los investigadores del Instituto Ragon esperan producir vacunas que imiten su éxito. Para ello, los científicos necesitan una forma de medir cómo responden las células inmunitarias individuales a las células infectadas por el VIH, algo que era imposible hasta hace unos años.

Otro ingeniero químico del MIT que asistió a la reunión inicial con Walker y Ragon, Christopher Love, había desarrollado recientemente una forma de estudiar cómo reaccionan las células inmunes a las vacunas, los alérgenos alimentarios o los agentes infecciosos. Él y Walker se dieron cuenta de que esta tecnología podía ser justo lo que se necesitaba para comparar las respuestas inmunitarias de las personas infectadas por el VIH que resistían al SIDA y las que se enfermaban.

Con el sistema de Love, las células inmunes individuales se colocan en miles de pozos microscópicos sobre una superficie de goma blanda. Las secreciones de cada célula se difunden en un portaobjetos colocado en la parte superior, que luego se analiza para detectar la presencia de proteínas específicas, como las citocinas generadoras de inflamación. Cualquier proteína detectada puede rastrearse hasta la célula por su dirección en la diapositiva. Este proceso genera una gran cantidad de datos. Ahora puede realizar mediciones en 10,000 celdas y generar de 20 a 30 parámetros de datos en cada celda, dice Love.

En un estudio de 2011, Love y sus colegas analizaron las células T de pacientes infectados por el VIH para determinar si, como había sugerido una investigación anterior, los niveles altos de una citocina llamada interferón gamma podrían correlacionarse con la capacidad de matar las células infectadas por el VIH. Por el contrario, encontraron que las células T que secretan interferón gamma parecen matar a las células infectadas por el VIH solo en raras ocasiones.

Love ahora espera encontrar biomarcadores que revelen qué células T atacan al VIH de manera efectiva. También está estudiando las respuestas de anticuerpos al VIH en las células inmunitarias de los tejidos de la mucosa que recubren el colon y el tracto reproductivo. Aproximadamente la mitad de las células inmunitarias humanas se encuentran en los tejidos de las mucosas, donde ocurren la mayoría de las infecciones por VIH, pero la mayoría de los estudios de inmunología se realizan con células sanguíneas, por lo que se sabe poco sobre cómo funcionan las células de las mucosas.

El sistema de análisis de células de Love podría permitir a los investigadores rastrear el progreso de los pacientes durante los ensayos clínicos de vacunas. Con ese fin, él y sus colegas están tratando de aumentar su capacidad de dos conjuntos de muestras diarios (cada uno de los cuales contiene entre 1.000 y 100.000 células) a cientos o miles de conjuntos. También están trabajando en software para ayudar a analizar los gigabytes de datos extraídos de cada muestra.

Walker se complace en tener ingenieros trabajando en problemas de salud. Hay formas en que nosotros, como médicos, pensamos sobre los problemas científicos que pueden ser limitantes, dice. Pensamos en las herramientas que tenemos y las preguntas que podemos hacer con esas herramientas, mientras que los ingenieros dicen: '¿Qué pregunta quieres hacer? Construyamos la herramienta '.

Haciendo que las vacunas sean más poderosas
En los últimos 30 años, los investigadores han sometido tres regímenes de vacunas contra el VIH a través de ensayos clínicos a gran escala. Dos resultaron ineficaces, pero uno protegió a una pequeña pero significativa minoría de sujetos. Proporciona esperanza de que una vacuna sea posible, dice Darrell Irvine, miembro del Instituto Ragon y profesor de ingeniería biológica y ciencia e ingeniería de materiales.

La mayoría de las vacunas contra enfermedades como la varicela y la influenza utilizan formas debilitadas del virus como antígenos o sustancias que provocan una respuesta inmunitaria. Debido a que se considera demasiado peligroso para el VIH, algunos investigadores están fabricando vacunas a partir de una de sus proteínas. Otros están inyectando ADN modificado genéticamente en las células, donde puede dirigir la producción de proteínas virales. Las vacunas de ADN se probaron por primera vez hace unos 20 años y se descubrió que provocan fuertes respuestas inmunitarias en roedores. Si tienen éxito en humanos, podrían ser más seguras que las vacunas convencionales y podrían almacenarse por más tiempo. Estas vacunas también serían más fáciles de desarrollar para nuevas enfermedades y de fabricar a gran escala, porque los investigadores simplemente programarían el ADN para producir la proteína deseada.

Inyectarse ADN o proteínas por sí solos no siempre produce una respuesta inmune lo suficientemente fuerte, por lo que Irvine está estudiando otras dos estrategias: agregar un adyuvante, una molécula que ayuda a estimular el sistema inmunológico, y entregar el antígeno directamente a las células inmunitarias objetivo.

A principios de este año, Irvine y sus colegas desarrollaron una forma de incrustar ADN en una película de polímero. Las microagujas colocan la película alrededor de medio milímetro debajo de la piel, lo suficientemente profundo para llegar a las células inmunes que procesan los invasores infecciosos en la epidermis, pero no lo suficientemente profundo como para afectar las terminaciones nerviosas. Las capas de la película se degradan gradualmente, liberando la vacuna durante días o semanas. La película también lleva un adyuvante que provoca inflamación en el tejido diana, atrayendo a las células inmunes para que puedan encontrar la proteína viral codificada por el ADN.

En estudios con ratones, la técnica mostró una capacidad prometedora para provocar una respuesta inmunitaria. Y en pruebas con muestras de piel de monos, los investigadores encontraron que el ADN transportado por las películas entraba en las células de la piel con mucha más facilidad, y parecía persistir más tiempo, que el ADN inyectado por sí solo. Ahora esperan realizar ensayos en primates no humanos.

[El VIH es] un problema difícil, pero creo que es un problema que se puede resolver, y creo que estamos obligados a llevar [a él] todas las herramientas a nuestra disposición, dice Walker. La cuestión es cuántos recursos tenemos para invertir en esto y qué tan rápido podemos llegar a la meta como comunidad científica.

Un centro intelectual para la ingeniería médica
El nuevo instituto del MIT une a científicos, ingenieros y clínicos

En 1970, el MIT y Harvard lanzaron la División de Ciencias y Tecnología de la Salud (HST) de Harvard-MIT, que reúne a médicos, científicos e ingenieros para transformar la forma en que se enseña y se practica la medicina. Ahora, el MIT ha ampliado esa misión al incorporar a HST en un nuevo Instituto de Ingeniería y Ciencia Médicas (IMES).

Arup Chakraborty, el profesor de ingeniería química que dirige IMES, dice que está destinado a servir como un centro intelectual que integrará mejor HST con el resto del MIT y unirá esfuerzos dispares en áreas que contribuyen a la medicina. Será pionero en nuevos planes de estudio de nivel de posgrado, ofreciendo certificados y posiblemente programas de grado.

IMES ahora tiene 13 miembros principales de la facultad: 12 de HST más Chakraborty. Contratará a ocho más, y todos dividirán su tiempo en partes iguales entre IMES y otro departamento del MIT para establecer conexiones en todo el campus. IMES es también el hogar del Centro de Realización de Dispositivos Electrónicos Médicos del MIT, lanzado recientemente para reunir a los profesores, médicos y representantes de la industria del MIT para desarrollar dispositivos médicos mejores y menos costosos.

Además, IMES planea trabajar con hospitales del área de Boston en asociaciones estratégicas que pueden tomar como modelo el Instituto Ragon y el Programa Bridge, que vincula a los investigadores del MIT en el Instituto Koch con los médicos del Instituto del Cáncer Dana-Farber.

Si las asociaciones estratégicas evolucionan con los hospitales del área, entonces se basará en esta prueba de concepto que ha proporcionado el Instituto Ragon, dice Chakraborty. -EN

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