A pandemia da COVID-19 colocou as vacinas de RNA mensageiro (mRNA) no centro das atenções globais. Após a conclusão dos ensaios clínicos, a primeira vacina de mRNA contra a COVID-19 foi lançada em 8 de dezembro de 2020. Os investigadores estimaram posteriormente, através de modelos, que as vacinas evitaram pelo menos 14,4 milhões de mortes em todo o mundo durante o primeiro ano.
Devido à sua poderosa influência, os cientistas começaram a desenvolver vacinas de mRNA contra outras doenças infecciosas. Estão em andamento ensaios clínicos para vírus influenza, vírus sincicial respiratório (VSR), HIV, vírus Zika, vírus Epstein-Barr e tuberculose. Ao mesmo tempo, a investigação sobre as vacinas contra a COVID-19 revelou limitações importantes, sugerindo a necessidade de novas estratégias vacinais.
Desafios para o desempenho e produção de vacinas de mRNA
A proteção imunológica produzida pelas vacinas de mRNA contra a COVID-19 varia de pessoa para pessoa e não dura indefinidamente. Este problema é dificultado pela evolução contínua do SARS-CoV-2, que produziu novas variantes que podem escapar parcialmente às defesas imunitárias. Portanto, muitas vezes as vacinas precisam ser atualizadas.
Existem também desafios práticos. Fazer vacinas de mRNA é complexo e caro, e controlar quantas moléculas de mRNA são embaladas em nanopartículas lipídicas continua difícil. Estas vacinas também requerem refrigeração, o que pode levar a efeitos indesejados fora do alvo. A superação destas limitações poderia melhorar a forma como o mundo se prepara e responde a futuras ameaças de doenças infecciosas.
Plataforma de vacina DNA Origami oferece alternativa
Para responder a estas questões, uma equipa multidisciplinar do Wyss Institute da Universidade de Harvard, do Dana-Farber Cancer Institute (DFCI) e de instituições parceiras exploraram diferentes abordagens. Eles usaram uma plataforma de nanotecnologia de origami de DNA chamada DoriVac, que pode ser usada tanto como vacina quanto como adjuvante.
Os pesquisadores projetaram a vacina DoriVac para atingir uma região peptídica (HR2) encontrada na proteína spike de vários vírus, incluindo SARS-CoV-2, HIV e Ebola. Em camundongos, a vacina SARS-CoV-2 HR2 provocou uma forte resposta imunológica, incluindo atividade dirigida por anticorpos (humoral) e por células T (celular).
A equipe também testou a vacina em um modelo humano pré-clínico usando a tecnologia microfluídica humana de órgão em um chip do Wyss Institute, que imita os gânglios linfáticos humanos in vitro. Neste sistema, a vacina SARS-CoV-2 HR2 também produziu fortes respostas imunitárias específicas para o antigénio em células humanas.
Quando comparada diretamente com uma vacina de mRNA SARS-CoV-2 administrada através de nanopartículas lipídicas, a vacina DoriVac contendo a mesma variante da proteína spike produziu uma ativação imunológica igualmente forte em modelos humanos. No entanto, as vacinas de origami de DNA apresentam vantagens em termos de estabilidade e são mais fáceis de armazenar e fabricar. Essas descobertas foram relatadas em Engenharia Biomédica da Natureza.
“Com a plataforma DoriVac, desenvolvemos um chassi extremamente flexível com muitas vantagens importantes, incluindo controle sem precedentes sobre os componentes da vacina e a capacidade de programar o reconhecimento imunológico de células imunológicas alvo em nível molecular para obter melhores respostas”, disse o co-autor correspondente William Shih, Ph.D., principal membro do corpo docente do Wyss Institute, cuja equipe foi pioneira no novo conceito de vacina. “Nosso estudo demonstra a versatilidade e o potencial do DoriVac ao observar cuidadosamente as alterações imunológicas necessárias para combater vírus infecciosos”. Shi, que também é professor da Harvard Medical School e da DFCI.
Como uma vacina de origami de DNA é construída
Em 2024, a equipe de Shih no Wyss Institute e Dana-Farber lançaram o DoriVac como uma plataforma de vacina baseada em nanotecnologia de DNA com uma ampla gama de aplicações potenciais. Yang (Claire) Zeng, MD, PhD, e coautores lideraram o trabalho, mostrando que DoriVac pode apresentar com precisão moléculas adjuvantes imunoestimulantes às células em escala nanométrica.
Os primeiros estudos em ratos portadores de tumores mostraram que estas vacinas produziram respostas imunitárias mais fortes do que as vacinas sem a estrutura de origami de ADN. A vacina DoriVac é feita a partir de minúsculas nanoestruturas quadradas de DNA que se automontam. Um lado exibe moléculas adjuvantes dispostas em distâncias nanométricas cuidadosamente controladas, enquanto o outro lado exibe um antígeno selecionado, como um peptídeo ou proteína de um tumor ou patógeno.
“Enquanto desenvolvíamos a plataforma para aplicações contra o câncer, a pandemia de COVID-19 ainda estava em pleno andamento”, disse Zeng, primeiro autor e coautor correspondente do novo estudo e atualmente cofundador e CEO/CTO da DoriNano, responsável por traduzir a tecnologia em aplicações clínicas. “Portanto, surgiu rapidamente a questão: se a atividade superior do agente DoriVac também poderia ser usada em ambientes de doenças infecciosas”.
Para explorar essa ideia, Zeng e a co-autora Olivia Young, Ph.D., uma ex-aluna de pós-graduação da equipe de Shih, se uniram à equipe de Donald Ingber no Wyss Institute. A equipe de Ingber se concentra na inovação antiviral usando abordagens baseadas em inteligência artificial e multiômicas e sistemas microfluídicos de órgãos humanos em um chip. Os pesquisadores desenvolveram vacinas DoriVac contra os vírus SARS-CoV-2, HIV e Ebola com o coautor Longlong Si, Ph.D., ex-pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Ingber. Essas vacinas apresentam o peptídeo HR2, que atua como antígeno conservado na proteína spike viral.
“Analisamos as respostas imunológicas provocadas pela primeira vacina DoriVac em camundongos e fizemos algumas observações encorajadoras, incluindo uma ativação significativamente maior e mais difundida da imunidade humoral e celular em uma série de tipos de células imunológicas relevantes do que poderia ser produzida sem o antígeno Origami e adjuvante”, disse Zeng. “Encontramos um aumento no número de tipos de células protetoras de longo prazo, particularmente no caso do SARS-CoV-2 HR2”, explicou Zeng.
De estudos com ratos a modelos humanos
Um desafio no desenvolvimento de vacinas é que as respostas imunitárias em ratos muitas vezes não refletem totalmente as dos seres humanos. Esta lacuna fez com que muitos tratamentos promissores falhassem em ensaios clínicos. Para prever melhor os resultados em humanos, a equipe testou a vacina DoriVac usando chips de linfonodos humanos (chips de LN humanos), que imitam aspectos do sistema imunológico humano.
O sistema, apresentado pelo coautor Min Wen Ku e pelo coautor correspondente Girija Goyal, Ph.D., diretor de terapêutica biomimética do Wyss Institute, mostra que a vacina SARS-CoV-2-HR2 DoriVac ativa DCs humanas e aumenta significativamente sua produção de citocinas inflamatórias em comparação com seu componente livre de origami. Também aumentou o número de células T CD4+ e CD8+ com múltiplas funções protetoras, apoiando ainda mais o potencial da plataforma para uso humano.
“As capacidades preditivas do chip LN humano nos fornecem um campo de testes ideal para a vacina DoriVac, onde os perfis de células imunológicas específicas do antígeno e as atividades induzidas provavelmente refletirão o que está acontecendo nos receptores da vacina. Essa convergência de tecnologias nos permite melhorar significativamente as chances de sucesso de novas vacinas e criar um novo banco de testes para o desenvolvimento futuro de vacinas”, disse o coautor correspondente Ingber, M.D., Ph.D. Ele também é Professor Judah Folkman de Biologia Vascular na Harvard Medical School e no Boston Children’s Hospital, e Professor Hansjörg Wyss de Engenharia Biomimética na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson da Universidade de Harvard.
Comparação direta com vacinas de mRNA
Os pesquisadores também avaliaram uma vacina DoriVac com a proteína spike SARS-CoV-2 intacta. A equipe de pesquisa, liderada por Zeng e o coautor Xiong Cheng, comparou-a diretamente com as vacinas de nanopartículas lipídicas (LNP) de mRNA Moderna e Pfizer/BioNTech que codificam a mesma proteína spike.
Usando uma abordagem de reforço padrão em camundongos, ambos os tipos de vacina produziram respostas semelhantes de células T antivirais e células B produtoras de anticorpos.
“Isso destaca o potencial da DoriVac como uma plataforma de vacina autoadjuvante alimentada pela nanotecnologia de DNA. Mas as vacinas DoriVac têm muitas outras vantagens: elas não têm os mesmos requisitos de cadeia de frio que as vacinas mRNA-LNP e, portanto, podem ser distribuídas de forma mais eficiente, especialmente em ambientes com poucos recursos; e podem superar algumas das principais complexidades de fabricação das vacinas formuladas com LNP, para citar apenas dois problemas”, disse Shih. Estudos recentes da DoriNano também mostram que a DoriVac tem um bom perfil de segurança.
Outros autores do estudo incluem Sylvie Bernier, Hawa Dembele, Giorgia Isinelli, Tal Gilboa, Zoe Swank, Su Hyun Seok, Anjali Rajwar, Amanda Jiang, Yunhao Zhai, LaTonya Williams, Caleb Hellman, Chris Wintersinger, Amanda Graveline, Andya Zhai, Mircoa Williams, Caleb Hellman, Chris Wintersinger, Amanda Graveline, Andya, Morg, Meldony, Sarai, Mee, Sarak, Doutor, iorg Chanquan. Esta pesquisa foi financiada pelo Fundo do Diretor e Programa de Projetos de Verificação do Wyss Institute; Programa Claudia Adams Barr da DFCI; os Institutos Nacionais de Saúde (concessão U54 CA244726-01); o Fundo Global CRDF EUA-Japão (concessão R-202105-67765); o Fundo Global CRDF EUA-Japão (concessão R-202105-67765); MSIT, RS-2024-00463774, RS-2023-00275456); Programa de Pesquisa Intramural do Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia (KIST); e a Fundação Bill e Melinda Gates (INV-002274).
