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O bem que os vírus fazem As contribuições surpreendentes e benéficas que os vírus trazem à vida

O bem que os vírus fazem As contribuições surpreendentes e benéficas que os vírus trazem à vida

Paris, 1917. Soldados hospitalizados estavam morrendo de disenteria enquanto as bactérias Shigella sobrecarregavam seus intestinos. Nada poderia ser feito por eles. Os antibióticos não seriam descobertos por mais uma década.

Experimentando com Shigella cultivada a partir de doentes, o microbiologista Félix d'Hérelle descobriu uma diferença entre amostras de pacientes que sobreviveram e daqueles que sucumbiram. Nos sobreviventes, uma entidade pequena demais para ser vista pelo microscópio estava matando as bactérias. Ele chamou os invasores de bacteriófagos, ou comedores de bactérias.

D'Hérelle reconheceu que os fagos misteriosos ofereciam uma maneira de combater infecções bacterianas. Em 1919, ele isolou fagos de bactérias Salmonella que estavam causando um surto de febre tifóide em galinhas e os usou para curar as aves. Alguns meses depois, ele pensou que correria o risco de tratar um menino com um terrível caso de disenteria. Primeiro, porém, d'Hérelle e sua equipe beberam uma mistura de fagos que isolaram de outro paciente com disenteria. Quando ninguém se sentiu mal pelo desgaste, eles deram ao menino.

Ele se recuperou.

Os avanços na microscopia revelaram mais tarde o que os fagos realmente são: vírus que infectam bactérias e micróbios unicelulares conhecidos como archaea enquanto ignoram plantas e animais.

Esforços como o de d'Hérelle ajudaram a mostrar à humanidade que os vírus podem fornecer benefícios médicos e de pesquisa.

Embora se saiba que cerca de duzentos tipos de vírus nos infectam, adoecem ou nos matam, como o surgimento do SARS-CoV-2 mais recentemente atingiu a casa, isso é apenas uma parte do quadro. Os vírus também nos mantêm vivos. Eles fazem parte do microbioma do corpo e protegem nossa saúde. Eles podem ser aproveitados para tratar doenças, administrar vacinas e diagnosticar infecções. Eles são usados ​​como ferramentas de pesquisa para iluminar a biologia e as doenças e desenvolver novos medicamentos. Podemos agradecer a fragmentos de genomas virais, incorporados ao nosso DNA há dezenas de milhões de anos, pela forma como nossos sistemas reprodutivo e nervoso funcionam.

“Temos essas incríveis terapias aprovadas, mas estamos apenas arranhando a superfície do que os vírus podem fazer para modificar e tratar doenças”.

Os componentes do protovírus provavelmente contribuíram para o surgimento da vida na Terra, e os vírus continuam a impulsionar a evolução hoje. Eles formam uma parte crucial do ecossistema global que nos permite sobreviver.

“Não podemos generalizar os vírus como prejudiciais”, diz Mohammadsharif (Sharif) Tabebordbar, PhD '16, que liderou o desenvolvimento de uma terapia genética experimental que usa componentes de vírus modificados.

“Apesar dos efeitos devastadores das doenças virais, os vírus que mais contam em nossas vidas são cruciais não na doença, mas na saúde e em todos os aspectos da vida”, diz Eugene Koonin, especialista em genética da evolução e vírus do National Institutes. do Centro Nacional de Saúde para Informações sobre Biotecnologia.

Enquanto cientistas e médicos da comunidade HMS estudam maneiras de combater os vírus que nos atormentam, outros colegas estão descobrindo e explorando o potencial dos vírus para sempre. Alguns, como Connie Cepko, professora de genética e neurociência da Bullard no Instituto Blavatnik do HMS, fazem as duas coisas.

“Adoramos vírus em todo o nosso trabalho”, diz Cepko. Os membros de seu laboratório criaram ferramentas baseadas em vírus para mapear circuitos no cérebro, prolongar a visão em modelos de camundongos de cegueira herdada e testar o SARS-CoV-2.

“Os vírus são úteis de várias maneiras na pesquisa e na clínica”, concorda Timothy Lu, MD '10, professor associado de engenharia biológica e engenharia elétrica e ciência da computação no MIT e CEO da Senti Biosciences. “Temos essas terapias incríveis e aprovadas, mas estamos apenas arranhando a superfície do que os vírus podem fazer para modificar e tratar doenças”.

O velho é novo novamente

Estranhamente, a ideia de fagos como tratamentos nunca superou o ceticismo inicial. Fora de áreas como a Europa Oriental, a comunidade médica os descartou quando os antibióticos surgiram em meados do século. Hoje, no entanto, as terapias baseadas em fagos estão ganhando força.

Isso ocorre em parte porque os fagos matam as bactérias de uma maneira diferente dos antibióticos, oferecendo uma possível linha de vida, pois a resistência aos antibióticos desempenha um papel na morte de 5 milhões de pessoas a cada ano em todo o mundo. Os fagos também oferecem direcionamento preciso, uma vez que a maioria dos fagos evoluiu para infectar uma ou algumas cepas de bactérias ou archaea. Identificar a bactéria que causa a doença de um paciente e encontrar um fago que a mate pode acabar com o causador de problemas e deixar as bactérias benéficas ilesas.

Nos últimos anos, os médicos que operam sob subsídios de uso compassivo salvaram um pequeno número de pessoas de infecções bacterianas com risco de vida que desafiavam todos os outros tratamentos. O número de ensaios clínicos de terapia fágica está aumentando. Em 2021, o FDA dos EUA e o Instituto Nacional de Alergia e Doenças Infecciosas concederam US$ 2,5 milhões em doações a grupos que desenvolvem terapias baseadas em fagos.

Como estudante de MD-PhD, Lu gravitou em direção à engenharia de fagos depois de aprender sobre o problema da resistência a antibióticos. “Achei uma loucura não termos uma solução”, lembra ele. No laboratório do conselheiro James Collins na Universidade de Boston, Lu “ficou realmente intrigado com os fagos. Eles tinham essa vibração estranha de ser uma tecnologia antiga, mas com todo esse novo conjunto de ferramentas.”

Timothy Lu

Collins e Lu mostraram que os fagos podem quebrar biofilmes, teias teimosas de bactérias e matriz extracelular que células imunes e antibióticos têm dificuldade em penetrar. Modificar os fagos para entregar genes em bactérias para aumentar a atividade de antibióticos e adicionar enzimas de outros fagos que “mastigam” matrizes de biofilme produziu resultados ainda melhores. Voltando a d'Hérelle, em 2019, Lu e colegas do Hospital Geral de Massachusetts construíram um organoide intestinal e mostraram como um fago que eles isolaram de Shigella venceu a infecção.

O potencial dos fagos é vasto, mas encontrar os corretos não é fácil. Cada caso requer vasculhar as escassas bibliotecas de fagos ou locais de amostragem onde a bactéria vive, como no esgoto. Muitas vezes, a caça falha ou produz fagos difíceis de trabalhar. Biólogos sintéticos como Lu adorariam fazer com que um tipo de fago abrisse múltiplas portas bacterianas, mas há espaço limitado dentro dos “corpos” dos fagos para enfiar as chaves genéticas. Embora esses obstáculos e outros ainda estejam pela frente, Lu e outros no campo estão otimistas de que são superáveis.

Não no meu humano

Outro grupo de pesquisadores está interessado em vírus que infectam humanos sem causar doenças e depois afastam vírus e bactérias mais perigosos. O vírus GB C, um vírus assintomático transmitido pelo sangue, retarda a progressão para AIDS em pessoas com HIV e reduz o risco de que a infecção pelo vírus Ebola seja mortal. Estudos com ratos sugerem que certos herpesvírus e citomegalovírus inócuos previnem a infecção por Listeria e Yersinia pestis , que causa a peste bubônica. Mesmo vírus nocivos podem abrigar estratégias de combate a doenças para os cientistas se adaptarem. O vírus da hepatite A pode proteger contra a hepatite C, e os pesquisadores usaram vírus associados ao linfoma para curar o diabetes tipo 1 em camundongos.

Os proponentes lamentam que os vírus humanos permaneçam inexplorados como combatentes de infecções. “A medicina pode se beneficiar de levar os vírus mutualistas mais a sério”, diz um artigo de 2011 na Nature Reviews Microbiology intitulado “Os bons vírus”.

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A oncologia teve mais sorte. Registros que abrangem milênios falam de casos incomuns em que a infecção com o que agora sabemos ser vírus que causam doenças como gripe, catapora e sarampo repeliu temporariamente o câncer das pessoas. Após um século de tentativas com resultados às vezes desastrosos, pesquisadores na última década conseguiram manejar vírus com segurança para curar ou conter cânceres ou sensibilizar tumores a outras terapias.

Os vírus oncolíticos – de onco, que significa massa ou tumor, e lise, para se separar – funcionam matando células cancerígenas e ajudando o sistema imunológico a fazê-lo. Ao contrário da quimioterapia, radiação e cirurgia, os vírus oncolíticos perseguem as células cancerígenas, poupando em grande parte as células saudáveis. Pesquisadores desarmam os vírus para que eles não causem doenças e possam manipulá-los para entregar moléculas que atraem células imunes para os tumores.

O único vírus oncolítico aprovado nos Estados Unidos, chamado T-VEC, obteve aprovação da FDA em 2015. É um herpesvírus modificado injetado em melanomas em estágio avançado na pele e nos linfonodos. Dezenas de outros candidatos estão sendo testados para o tratamento de vários tipos de câncer. Eles podem funcionar sozinhos, em conjunto com tratamentos convencionais ou quando combinados com imunoterapias avançadas, como inibidores de checkpoint. O principal desafio, dizem os pesquisadores, é impedir que o sistema imunológico destrua os vírus antes que eles façam seu trabalho.

“Quando comecei meu doutorado, os médicos achavam que éramos loucos por querer colocar vírus nas pessoas”, diz Lu. “Agora é um mundo totalmente diferente. As pessoas viram que esse tipo de engenharia pode transformar a vida dos pacientes.”

Seu pacote foi entregue

Cepko foi para a faculdade nos anos 70 e se apaixonou por vírus.

“Apreciei sua astúcia, seus diferentes ciclos de vida, suas maneiras de escapar da vigilância do hospedeiro”, diz ela. “Achei super interessantes e valiosos para estudar.”

Toda essa variedade viral serve a um objetivo: prender as células, injetá-las com DNA ou RNA e transformar essas células em máquinas copiadoras de vírus. À medida que médicos e cientistas buscavam novas e melhores maneiras de obter tratamentos nas células dos pacientes, particularmente terapias genéticas de última geração, Cepko se juntou a eles perguntando por que não aproveitar as habilidades inatas dos vírus.

Agora, após décadas de tentativa e erro, os vírus se tornaram veículos de entrega médica indispensáveis.

“Apreciei sua astúcia, seus diferentes ciclos de vida, suas maneiras de escapar da vigilância do hospedeiro. Achei super interessantes.”

“A terapia genética estaria muito, muito atrasada se não usássemos vírus e vetores virais”, diz Cepko.

Os pesquisadores primeiro desarmam o vírus removendo parte ou todo o seu genoma de dentro do invólucro de proteína do vírus, ou capsídeo. Eles podem ajustar as proteínas do capsídeo para gerar menos ataques imunológicos indesejados ou para se concentrar em certos tipos de células. Em seguida, eles preenchem o capsídeo oco com o que quiserem inserir nas células, seja uma cópia saudável de um gene defeituoso, maquinário de edição de genoma, uma droga ou uma vacina.

A FDA emitiu sua primeira aprovação de terapia genética em 2017. Aprovações adicionais se seguiram e os ensaios clínicos aumentaram para milhares. Até agora, todas as terapias genéticas licenciadas em todo o mundo, que salvaram a vida de dezenas de milhares de adultos e crianças com doenças incuráveis ​​e muitas vezes terminais, usam vetores virais de alguma forma.

Adenovírus escavados e vírus adeno-associados, ou AAVs, são as escolhas mais populares para injetar genes saudáveis ​​no corpo. É assim que funcionam as terapias genéticas aprovadas para a atrofia muscular espinhal e uma forma de perda de visão hereditária conhecida como distrofia retiniana. O laboratório de Cepko projetou AAVs para fornecer coquetéis de genes no olho para eliminar danos inflamatórios, oxidativos e metabólicos causados ​​​​pela degeneração hereditária da retina. A terapia prolongou com sucesso a visão em modelos de camundongos. Nesta primavera, o laboratório fez parceria com uma empresa de biotecnologia que garantiu a aprovação da distrofia retiniana para levar adiante a terapia de Cepko.

Connie Cepko

“Ainda não tratamos as pessoas, então não posso dizer, mas ficaria muito orgulhosa se pudéssemos ajudar alguém a manter sua visão por algum tempo”, diz ela.

Quando os pesquisadores querem mudar os genomas das células permanentemente, como ensinar as células-tronco da medula óssea a produzir hemoglobina não falciforme, eles se voltam para lentivírus e retrovírus modificados: vírus que não apenas injetam material genético flutuante nos núcleos das células que infectam mas na verdade integram seus genes no DNA de uma célula hospedeira. Esses tratamentos ocorrem fora do corpo. Nas terapias de células CAR-T aprovadas pela FDA que revolucionaram o tratamento do câncer nos últimos anos, os médicos recuperam as células T do sangue de pacientes com tipos específicos de câncer e enviam as células para um laboratório, onde os técnicos usam vetores virais para fornecer um gene que ajuda as células a atacar esse câncer. As células T aumentadas são então multiplicadas e reinfundidas no paciente. Estratégias semelhantes estão sendo exploradas para doenças do sangue, HIV/AIDS,

Embora promissoras, as terapias gênicas baseadas em vetores virais ainda apresentam desafios. As proteínas do capsídeo às vezes instigam a resposta imune. Tal como acontece com os capsídeos de fagos, os capsídeos AAV têm espaço de carga limitado. Os vetores virais introduzidos sistemicamente se acumulam no fígado, com apenas uma pequena porcentagem atingindo os tecidos que precisam de tratamento. A baixa absorção significa que os pacientes devem receber doses maciças para obter vetores suficientes para onde devem ir, o que pode causar toxicidade hepática fatal. Finalmente, os custos são astronômicos – até US$ 2 milhões por tratamento – levantando preocupações sobre o acesso equitativo.

Tabebordbar e colaboradores podem pelo menos ter resolvido a questão do fígado para o tratamento de doenças musculares genéticas.

Inspiração pessoal

Tabebordbar cresceu vendo seu pai perder lentamente força muscular e coordenação de uma doença genética rara. O declínio motivou Tabebordbar a se tornar um cientista e buscar tratamentos para condições de perda de massa muscular. Sua orientadora de doutorado, Amy Wagers, professora de Células-Tronco e Biologia Regenerativa da Forst Family em Harvard e HMS, o inspirou a buscar soluções em terapia genética.

O avanço veio quando Taebordbar era um bolsista de pós-doutorado no laboratório de Pardis Sabeti, MD '06, professor de biologia orgânica e evolutiva e de imunologia e doenças infecciosas em Harvard e membro do Broad Institute of MIT e Harvard. Tabebordbar e uma equipe pan-Harvard, incluindo Sabeti e Wagers, geraram mais de 5 milhões de variantes de capsídeo de AAV ligeiramente diferentes e as introduziram em modelos animais. Eles identificaram os 30.000 tipos de capsídeos que atingiram o tecido muscular, evoluíram para novas variações e identificaram uma família de capsídeos que se concentrava no músculo e contornava principalmente o fígado. Os vetores, apelidados de MyoAAV, funcionaram com um centésimo das doses atualmente administradas às pessoas. A equipe publicou os resultados em setembro de 2021 na Cell .

O trabalho fornece aos pesquisadores um protocolo para o desenvolvimento de capsídeos de AAV poupadores de fígado que atingem outros tecidos além do músculo. O grupo de Sabeti já tentou um para o sistema nervoso central, que Cepko está testando na retina. Enquanto isso, Tabebordbar desmembrou uma empresa para levar o MyoAAV a testes em humanos e agora atua como seu diretor científico. Embora a doença de seu pai tenha progredido muito para que ele se beneficie, Tabebordbar espera que a terapia seja segura e eficaz para milhares de outras pessoas com distúrbios musculares genéticos.

“É emocionante projetar esses vírus para desenvolver tecnologias que possam ajudar a humanidade”, diz ele.

Os vetores virais também se tornaram um tema quente para pesquisadores que desenvolvem vacinas. Meia dúzia foi aprovada em todo o mundo, todas visando o vírus SARS-CoV-2 ou Ebola. Entre eles está a vacina COVID-19 da Janssen Pharmaceuticals, cujo desenvolvimento se baseou em anos de trabalho de Dan Barouch, MD '99, professor de medicina William Bosworth Castle no HMS e Beth Israel Deaconess Medical Center. Barouch estava trabalhando em uma vacina baseada em AAV para o HIV, então redirecionou o projeto quando a nova pandemia ocorreu.

“É emocionante projetar esses vírus para desenvolver tecnologias que possam ajudar a humanidade.”

Os pesquisadores estão testando outras vacinas baseadas em vetores virais para patógenos intratáveis, incluindo vírus Zika e parasitas da malária. Os bacteriófagos também podem ajudar nessa área. Uma equipe que inclui Richard Sidman, MD '53, professor emérito de neuropatologia do HMS Bullard, publicou um estudo de prova de conceito no PNAS em 2021, mostrando a promessa de usar fagos para fornecer vacinas COVID-19.

Inquilinos de longo prazo

O astrônomo Carl Sagan costumava dizer: “Somos feitos de matéria estelar”. Os últimos anos mostraram que também somos feitos de micróbios. Algumas estimativas afirmam que as bactérias dentro e fora de nossos corpos superam nossas próprias células em 10 para 1. Agora, os cientistas dizem que podemos abrigar um número dez vezes maior de vírus.

O aumento do sequenciamento metagenômico nos últimos quinze anos permitiu aos cientistas identificar uma boa parte dos vírus que compõem nosso viroma, diz Koonin do NIH. A compreensão do que esses vírus estão fazendo deve seguir. Os primeiros estudos sugerem que, enquanto alguns causam danos ou aguardam oportunidades para fazê-lo, outros nos fazem favores, incluindo a modulação de nossos microbiomas e o combate a invasores. Tais descobertas levaram à especulação de que a manipulação do viroma poderia ajudar a tratar distúrbios gastrointestinais e de humor.

Outros vírus vão mais fundo, até o nosso DNA. De vez em quando, nos mais remotos recessos da história, à medida que os humanos e nossos antepassados ​​evolutivos evoluíram, um retrovírus infectou um óvulo ou espermatozóide; essa célula tornou-se um embrião fertilizado que se desenvolveu a termo com DNA viral incorporado em todos os lugares; e a prole resultante passou a ter seus próprios descendentes, passando o DNA pelas gerações subsequentes. De acordo com Koonin, cerca de 50% do nosso genoma já pertenceu a vírus e elementos genéticos móveis relacionados.

A maioria dos remanescentes de genes virais, ou retrovírus endógenos, estudados até agora se mostraram inertes ou latentes, à espreita até que despertam e contribuem para a doença. Um número desconhecido, no entanto, foi reaproveitado evolutivamente para nosso benefício. Evidências crescentes sugerem que os retrovírus endógenos estimularam o surgimento de mamíferos placentários. Os genes derivados de vírus produzem proteínas que formam uma camada fundamental na placenta e regulam um hormônio que controla o tempo de nascimento em primatas. No sistema nervoso, os retrovírus endógenos parecem contribuir para o desenvolvimento do cérebro, formação da memória de longo prazo e comunicação neuronal. Nossos genes outrora virais também podem influenciar a função imunológica, o desenvolvimento embrionário e “provavelmente uma série de coisas das quais ainda não estamos totalmente cientes”, diz Koonin. Mais certamente resolverá à medida que os pesquisadores se aproximarem.

Motores de evolução

Os vírus que ameaçam os humanos e os animais e plantas com os quais estamos familiarizados mal se registram entre as estimadas 10 23 -10 31 partículas de vírus que dominam nosso planeta, a maioria das quais permanece ocupada infectando outros micróbios. Seus efeitos na vida celular são profundos.

Os vírus abatem micróbios em todo o mundo em números incríveis todos os dias, criando sedimentos que sustentam as cadeias alimentares, fornecendo nutrientes para organismos marinhos fotossintéticos que produzem metade do oxigênio do mundo e ajudando a alimentar os ciclos de carbono, nitrogênio e fósforo.

“Os vírus basicamente regulam a ecologia e a biogeoquímica em nível global”, diz Koonin.

A chamada corrida armamentista, na qual os vírus estimulam os hospedeiros a desenvolver defesas antivirais que então incitam os vírus a superar essas defesas e assim por diante, representa um dos mais poderosos impulsionadores da evolução na Terra, diz Koonin, assim como a capacidade dos vírus de transferir genes entre si e de hospedeiro para hospedeiro.

Embora pareça intuitivo que, se os vírus precisam de células para se replicar, eles devem ter evoluído depois que as células, observações e análises computacionais levaram um grupo de pesquisadores, incluindo Koonin, à conclusão de que certos blocos de construção dos vírus antecederam o desenvolvimento da vida celular. Elementos protovirais na sopa primordial formaram RNA e DNA e, finalmente, estabeleceram o caminho para a evolução das células, explica Koonin. Mais tarde, as células forneceram proteínas para estruturas como capsídeos; elementos virais começaram a cooptar células para replicação; e os vírus modernos chegaram.

“O surgimento de vida complexa não teria sido possível sem contribuições de parasitas genéticos em geral e vírus em particular”, diz Koonin.

“Os vírus basicamente regulam a ecologia e a biogeoquímica em nível global.”

Das origens da vida às tecnologias que a preservam, aprender sobre vírus pode transformar a opinião das pessoas sobre o que antes parecia ser um agente simples de doença e morte.

“Quando ouço a palavra vírus, não fico mais com medo”, diz Taebordbar. “Eu pergunto: 'Ok, que tipo de vírus? O que isso faz? Quais são as implicações? ”

Mesmo enquanto suas vidas e carreiras giram em torno de um vírus pandêmico, ele e seus colegas em todo o mundo continuam a revelar o bem que os vírus podem fazer.

Stephanie Dutchen é gerente de conteúdo e multimídia do HMS Office of Communications and External Relations.

Imagens: Koto_Feja/iStock/Getty Images; Jay Watson (Lu); John Soares (Cepko)

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POR STEPHANIE DUTCHEN

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