O Prêmio Nobel de Química de 2022 ficou com Carolyn R. Bertozzi, Morten Meldal e K. Barry Sharpless pelo desenvolvimento da química de cliques e da química bio-ortogonal. O trabalho descreve reações que podem ser usadas para conectar rapidamente moléculas em condições ambientais ou biológicas. Essa pesquisa tem ampla aplicação, sendo utilizada desde polímeros e produtos farmacêuticos até o estudo de mecanismos biológicos e o desenvolvimento de novos bioterapêuticos.

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Recursos do CAS sobre química bio-ortogonal:  relatório de insights, publicação de revistas sobre química bioconjugada, artigo sobre o papel dos açúcares na química bio-ortogonal
 

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O que é a química de cliques?

A química de cliques é um conjunto de reações rápidas e específicas para o arranjo de fragmentos em estruturas mais complexas. O termo "química de cliques" foi criado pelo professor K. Barry Sharpless, que imaginou a formação de inibidores enzimáticos acoplando moléculas menores no sítio ativo de uma enzima. O laboratório dele e de Morten Meldal desenvolveu versões regiosseletivas catalisadas por cobre da cicloadição Huisgen de azidas e alcinos terminais para formar 1,2,3-triazóis. Devido à sua facilidade e confiabilidade, este método tem sido usado para a preparação de polímeros, anticorpos e produtos farmacêuticos. Outras reações de clique, como tiol-eno e SuFEx, também foram desenvolvidas, principalmente para uso com polímeros.

Aproximadamente 30 mil documentos nos bancos de dados do CAS usaram o conceito de “química de cliques”. A referência mais antiga à “química do clique” nos bancos de dados do CAS foi em 1999 (“Click chemistry: a concept for merging process and discovery chemistry” (com H. C. Kolb), Book of Abstracts, 217º ACS National Meeting, Anaheim, Califórnia, 21-25 de março (1999), ORGN-105 Editora: American Chemical Society, Washington, D.C.), enquanto a referência mais antiga do grupo sobre a reação de cicloadição de azida-alcino data de 2002. O documento mais citado pelo grupo Sharpless sobre a química de cliques, “Click chemistry: diverse chemical function from a few good reactions” foi citado mais de 11.000 vezes. 

O que é a química bio-ortogonal?

A química bio-ortogonal (um termo usado pela primeira vez por Carolyn Bertozzi no final da década de 1990) descreve reações que ocorrem rapidamente sob condições biológicas (à temperatura ambiente ou próximo à temperatura ambiente, em soluções aquosas, na presença de moléculas biológicas e em baixas concentrações). Muitas moléculas com diferentes grupos funcionais estão presentes nas células, e reações que reagem seletivamente com um único grupo funcional seriam úteis para entender o comportamento de sistemas biológicos.

Carolyn Bertozzi e seu grupo de pesquisa primeiro desenvolveram as reações de Staudinger de azidas com triarilfosfinas substituídas por éster para uso no estudo de carboidratos em sistemas biológicos. Os catalisadores de cobre necessários para acelerar as cicloadições de azida-alcino sob condições biológicas à temperatura ambiente são tóxicos para as células. O laboratório Bertozzi desenvolveu alcinos cíclicos tensos com base no trabalho realizado por Wittig e Krebs no início dos anos 1960. Os alcinos cíclicos sofrem cicloadições de azida-alcino promovidas por tensão (SPAAC) sem um catalisador e à temperatura ambiente e, portanto, podem ser usados em células vivas. O SPAAC tem sido importante para visualizar e compreender os processos biológicos nas células vivas. Uma variedade de outras reações bio-ortogonais foram desenvolvidas.  

Aproximadamente 3 mil documentos nos bancos de dados do CAS usaram o termo “química bio-ortogonal”, dos quais a referência mais antiga foi à tese de doutorado de G. A. Lemieux, um estudante de doutorado no laboratório do professor Bertozzi. O desenvolvimento de reações bio-ortogonais pelo laboratório do professor Bertozzi é discutido em “From Mechanism to Mouse: A Tale of Two Bioorthogonal Reactions”. Uma visão geral das reações bio-ortogonais é fornecida em uma revisão separada, que também é o artigo mais citado pelo grupo Bertozzi discutindo a química bio-ortogonal, com mais de 2.400 citações. 

Como é a jornada para o Prêmio Nobel?

A química bio-ortogonal cresceu notavelmente nas últimas duas décadas, encontrando um uso mais difundido nos últimos anos. Desenvolvimentos e aplicações notáveis no campo são resumidos nesta linha do tempo.  

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Além disso, o CAS Content Collection foi analisado para comparar o aumento nas publicações de termos bio-ortogonais e o aumento nas aplicações da química bio-ortogonal.

Isso demonstra que a imagiologia correspondeu ao uso mais frequente da química bio-ortogonal de 2010 a 2020, seguida por aplicações farmacêuticas. O uso da química bio-ortogonal para rotulagem foi relatado em quase tantos documentos quanto seu uso em produtos farmacêuticos, embora a rotulagem provavelmente represente uma variedade de usos não caracterizados de outra forma. Números semelhantes de documentos usaram a química bio-ortogonal em hidrogeis ou agentes de diagnóstico para estudos mecanísticos ou de espectrometria de massa. 

Que oportunidades futuras aguardam a química bio-ortogonal? 

Os campos de imagem, diagnóstico e administração de medicamentos foram transformados por essas abordagens, mas ainda mais oportunidades surgiram nestas áreas:

• Exploração do desenvolvimento de parceiros reativos com estabilidades biológicas aprimoradas ou simplificação de métodos para eliminar a necessidade de catalisadores (reduzindo toxicidades);
• A rotulagem múltipla levaria a uma exploração simplificada de mecanismos biológicos e agentes de diagnóstico mais confiáveis;
• Químicas melhoradas ativadas por luz poderiam minimizar os danos aos organismos e permitir imagens ainda mais profundas dentro de organismos vivos 
   

Esses métodos permitiram uma síntese mais fácil e confiável, a melhor compreensão dos mecanismos biológicos e o desenvolvimento de tratamentos mais eficazes e seletivos. O trabalho levou a avanços em química, biologia e medicina, abrindo portas para trabalhos que, de outra forma, não seriam possíveis. Para ter uma visão panorâmica única deste campo, baixe nosso Relatório de insights que se baseia em tendências históricas para destacar as oportunidades futuras para a química bio-ortogonal ou confira as publicações revisadas por pares.

Recentemente, a Organização Mundial de Saúde (OMS) classificou uma nova variante do SARS-CoV-2 como preocupante. A nova variante, denominada ômicron (B.11.539), foi identificada pela primeira vez por uma sólida rede de sequenciamento genético na África do Sul e relatada à OMS. Esta variante única é a mais fortemente mutante até o momento, incluindo mais de 50 mutações identificadas, mais de 30 das quais estão na proteína spike.

Por que a variante ômicron é tão preocupante?

Um estudo preliminar da variante ômicron indica que ela evoluiu significativamente em relação à versão original do vírus, que foi identificada pela primeira vez na China em 2019. Isso significa que existe uma maior probabilidade de que a nova variante possa reinfectar aqueles que já tiveram covid-19 ou escapar à imunidade gerada pela atual primeira geração de vacinas. Essa variante poderia retardar drasticamente a recuperação da pandemia mundial, resultando em impactos sociais e econômicos alarmantes.

Sua estrutura é o principal motivo pelo qual a variante ômicron suscita maior preocupação com a evasão e a transmissibilidade imunológica, mesmo entre indivíduos vacinados. Suas mutações de domínio de ligação a múltiplos receptores (RBD) e domínio N-terminal (NTD) estão associadas à resistência aos anticorpos neutralizantes, e espera-se que as mutações de clivagem da protease permitam uma entrada celular mais fácil ou um aumento da transmissão. De fato, vários estudos mostraram que essas mutações afetam a capacidade do sistema imunológico de neutralizar o vírus SARS-Cov-2 mutado e podem até mesmo reduzir em dez vezes a neutralização imunológica.  

A nova variante foi descoberta originalmente na África do Sul com casos identificados na Austrália, na Europa, no Canadá, na Ásia e recentemente nos Estados Unidos. No entanto, vários especialistas acreditam, com base na experiência anterior com a propagação da variante delta, que a ômicron já percorreu grande parte do globo. Embora existam fármacos com pequenas moléculas, por exemplo, nafamostato, mesilato de camostato, que visam proteínas não spike do SARS-CoV-2 e provavelmente permanecerão eficazes para a ômicron, o desenvolvimento de uma vacina sustentável para as variantes atuais e futuras é crucial para acabar com esta pandemia.

O papel da proteína spike

Em resumo, a proteína spike (S) do vírus SARS-CoV-2, conforme mostrado na figura abaixo, é o antígeno principal visado pela primeira geração de vacinas para covid-19, porque ela permite que o vírus SARS-CoV-2 entre nas células humanas. As vacinas atuais de RNA mensageiro neutralizam a proteína S, codificando-a como o antígeno.

A rápida evolução do vírus SARS-CoV-2 está forçando os pesquisadores a avaliar se a proteína S sozinha é um antígeno adequado para a concepção das vacinas. Com um portfólio inicial de vacinas e terapias sendo implantadas para conter a pandemia, os cientistas devem agora considerar tudo o que foi aprendido nos últimos dois anos sobre nossa resposta imunológica ao vírus SARS-CoV-2, quais respostas se correlacionam com a imunidade protetora, e que relevância esses estudos têm para o desenvolvimento de vacinas de segunda geração que potencialmente precisarão se expandir ou se afastar do alvo da proteína S em constante mutação.

O caminho para alcançar a imunidade sustentada

Vários fatores determinam como os humanos desenvolvem a “imunidade protetora”, especialmente contra um vírus em evolução e mutação, como o SARS-CoV-2. Idealmente, gostaríamos de alcançar uma resposta imunológica que pudesse reconhecer e desativar coisas como a invasão de vírus e bactérias. A imunidade protetora inclui imunidade humoral e celular. As respostas imunológicas ao SARS-CoV-2 relatadas em alguns estudos recentemente publicados são mostradas na tabela abaixo. As respostas de anticorpos e células T às proteínas covid-19 em pessoas que sobreviveram à infecção parecem amplas, mas não completas. Essas respostas visam principalmente as proteínas estruturais do vírus (S, nucleoproteína, proteína de membrana). Um subconjunto dessas respostas é provavelmente responsável pela imunidade protetora.

 

	Imunidade humoral		Imunidade celular
Antígeno proteico	IgG*	IgA*	Célula T CD4	Célula T CD8	Célula T de memória
Protease tipo 3C	+		+
Proteína S	+	+	+	+	+
Nucleoproteína	+	+	+	+	+
Proteína de membrana pequena do envelope				+
Proteína de membrana	+	+	+	+
Proteína Orf3	+		+
Proteína Orf6
Proteína Orf7a	+
Proteína acessória 7b	+
Proteína Orf8	+	+		+
Proteína Orf10

*Inclui anticorpos neutralizantes contra a proteína S

O antígeno da proteína S cobre a superfície do vírus, facilitando a detecção do sistema imunológico e constitui um alvo ideal para a imunidade protetora. No entanto, algumas respostas imunológicas humorais e celulares mostradas na tabela acima têm como alvo os antígenos SARS-Cov-2 diferentes da proteína spike. Essas observações, juntamente com o surgimento de variantes virais e novas infecções, sugerem que uma vacina focada em respostas imunológicas contra um único antígeno (ou seja, a proteína S) pode não proporcionar a ampla imunidade necessária para uma vacina eficaz. Esses tipos de anticorpos neutralizantes costumam ser uma parte necessária das respostas imunológicas protetoras, mas não são suficientes para estabelecer uma imunidade durável. É necessário estudar mais profundamente se as respostas humorais e celulares contra outros antígenos do SARS-CoV-2 fornecem imunidade protetora ampla.

Quais lições podemos aprender sobre como obter a imunidade sustentada das vacinas contra a influenza?

Embora não entendamos completamente a imunidade protetora na infecção por SARS-CoV-2, estudos recentes sobre a vacina contra o vírus influenza A (IAV) fornecem algumas informações úteis. A imunização com a proteína da matriz do IAV (M2e) ou nucleoproteína (NP) produz imunidade protetora. Os pesquisadores da vacina para covid-19 podem tentar direcionar tanto a proteína S do SARS-CoV-2 altamente variável quanto uma proteína do SARS-CoV-2 única e conservada, como a ORF8. Embora a proteína ORF8 esteja atualmente descaracterizada, ela pode ser um novo alvo antigênico conservado para vacinas de segunda geração contra o SARS-CoV-2.

Um pequeno número de vacinas clínicas e pré-clínicas atuais utilizam vírus inativados (IV) inteiros ou vírus vivos atenuados (LAV), que devem apresentar uma ampla variedade de antígenos ao sistema imunológico. Um número ainda menor de vacinas multiepítopos/multiantígenos está em desenvolvimento e precisam de dados clínicos. Embora dados preliminares sugiram que é possível alcançar níveis aceitáveis de proteção, as causas da redução de anticorpos neutralizantes não estão claras e mais pesquisas são necessárias para entender melhor a imunidade protetora.

Um vírus em evolução requer novos tratamentos

As vacinas atuais contra o SARS-CoV-2 que visam exclusivamente a proteína S representam uma etapa inicial importante para o desenvolvimento de terapias antivirais e vacinas de próxima geração. A rapidez e eficácia com que elas foram criadas não têm precedentes. Mesmo com as novas variantes como Delta, os dados mostram que as vacinas reduziram drasticamente as hospitalizações e mortes. No entanto, como o vírus continua sofrendo mutações e evoluindo, visar apenas a proteína S pode não ser suficiente para a imunidade protetora. Esperamos uma abordagem mais abrangente que possa incluir vários tipos de vacinas combinadas com terapias antivirais visando uma variedade mais ampla de antígenos que realmente detenham a propagação viral.

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A questão das máscaras e de equipamentos de proteção pessoal (EPIs) tem causado polêmica, mas está comprovado que eles reduzem, com eficácia, a velocidade de disseminação. Agora, com o aumento exponencial do número de casos de infecções pelas variantes Ômicron BA.5 e BA.2.75, o aprimoramento da tecnologia das máscaras será crucial. A pandemia de covid revelou deficiências no processo de desenvolvimento e produção de máscaras. Entretanto, a inovação das máscaras será fundamental para reduzir a velocidade de disseminação de novas variantes do vírus. 

As máscaras podem ser aprimoradas em vários aspectos, mas este artigo trata da ciência emergente da melhoria da filtração e remoção de micro-organismos. 

Crescimento rápido em PI e pesquisa 

O CAS Content Collection™ mostra que pesquisadores do mundo todo estão se empenhando em aumentar a eficácia das coberturas faciais. Foram publicados mais de 17.000 documentos sobre máscaras, e mais da metade deles foi publicado nos últimos dois anos (Figura 1). Deve-se ressaltar o nítido aumento na quantidade de pedidos de patente, com a China, os EUA e o Japão na liderança (Tabela 1). 

Tabela 1. Distribuição de patentes relacionadas ao desenvolvimento de máscaras entre os principais países solicitantes

 

O que as máscaras impedem?

As gotículas respiratórias são os principais veículos de transmissão para a disseminação da SARS-CoV-2, e as gotículas com menos de 5 μm geralmente são classificadas como aerossóis. A expiração direta de partículas de aerossol e gotículas de pacientes contaminados é o modo de transmissão predominante da SARS-CoV-2. Os aerossóis ficam suspensos no ar e desempenham um papel importante na disseminação de infecções. Esse fato ressalta a importância de limitar a disseminação de aerossóis. Assim, as máscaras foram consideradas uma ferramenta importante para o controle da pandemia.

Como as máscaras funcionam hoje

É mais eficaz usar a máscara mais simples, que pode incluir apenas duas camadas de tecidos comuns, do que não usar máscara. Pode-se melhorar a eficiência da filtração referente a partículas 300 nm por meio do uso de outros tipos de tecido. Isso decorre do efeito sinérgico da filtração mecânica proporcionada pelo algodão e da filtração eletrostática realizada pela outra camada, constituída por materiais como a seda (Figura 2A).  

A máscara cirúrgica de três camadas mais usada na pandemia de covid-19 é constituída por três camadas de TNT (Figura 2B). As três camadas da máscara atuam em conjunto para proteger o usuário contra partículas nocivas transmitidas pelo ar. A camada externa é à prova d'água, a intermediária filtra os patógenos e a interna captura as gotículas respiratórias. Já que o TNT é de baixo custo e fácil de produzir, a população tem fácil acesso a esse tipo de tecido.

Novos avanços para aprimorar as máscaras

Novos materiais poliméricos, certos poliestirenos e policarbonatos possibilitaram melhorias em duas áreas relacionadas às máscaras: 

1.    Melhores filtros: desenvolvimento de materiais para reduzir o tamanho dos poros e filtrar patógenos e pequenas partículas
2.    Melhor remoção de micro-organismos: propriedades antimicrobianas aprimoradas pela aplicação de revestimentos e propriedades de autolimpeza

Melhoria da filtração 

A eficácia das máscaras com filtro de ar é aprimorada pelo diâmetro das fibras, espessura da membrana e permeabilidade ao ar. Os filtros de materiais particulados atuais são feitos de fibras poliméricas ou fibra de vidro, que capturam partículas de vários tamanhos. Recentemente, foram desenvolvidos novos tipos de membranas de filtro menores que têm uma área de superfície maior. Esses filtros são mais eficientes na captura de partículas e redução da resistência do ar.

Membranas nanofibrosas poliméricas

A diminuição do tamanho das fibras a uma escala nanométrica melhora a área de superfície e a remoção de partículas.  A eletrofiação é usada para produzir membranas nanofibrosas com boa transparência, alta eficiência e baixo peso. Foram criados vários tipos de membranas de nanofibras eletrofiadas a partir de diversos materiais. Essas membranas têm propriedades de superfície diferentes e podem ser usadas em máscaras de filtração de ar.

Membranas de eletretos

Devido às maiores distâncias de atração, os filtros de ar eletrostáticos são mais eficazes que as membranas passivas na captura de partículas. Três técnicas de carregamento — carregamento in situ, carregamento por corona e tribocarregamento — podem ser usadas para fabricar membranas de eletretos. Em geral, nanopartículas (como politetrafluoretileno, nitreto de silício, estearato de magnésio etc.) são utilizadas para aprimorar a carga. Vários filtros de eletretos híbridos foram desenvolvidos por meio da tecnologia de eletrofiação com carregamento in situ. Por exemplo, uma membrana eletrofiada de polietileno/polipropileno contendo estearato de magnésio apresentou um potencial superficial de 4,78 kV e uma alta eficiência de filtração de 98,94%.  

Foi inventado um nanogerador triboelétrico para a remoção eficaz de particulados por meio de filtros de ar nanofibrosos. O nanogerador triboelétrico produz energia a partir de movimentos mecânicos, como o movimento humano, e é adequado para o uso em dispositivos vestíveis autoalimentados.  

Uma máscara de adsorção eletrostática autoalimentada e equipada com um nanogerador triboelétrico apresentou eficiência altamente aprimorada na remoção de partículas. Este é outro filtro de ar feito de várias camadas de tecidos de nylon e politetrafluoretileno. Também é eficaz na remoção de partículas da máscara.

Melhoria na remoção de micro-organismos

Enquanto os filtros capturam partículas, os micro-organismos, como bactérias, vírus e fungos, aderem à superfície do filtro. Portanto, há necessidade de filtros de ar com propriedades antimicrobianas. Até o momento, diversos agentes antimicrobianos foram analisados para criar propriedades biocidas. Esses agentes englobam produtos naturais, nanopartículas metálicas, estruturas metalorgânicas (MOFs), grafeno e vários outros. 

Certos extratos naturais apresentam alta atividade antimicrobiana devido aos flavonoides que eles contêm. Produtos naturais, como óleos de melaleuca, extratos de azeitona, semente de toranja e Sophora flavescens, foram borrifados nas superfícies de filtros poliméricos fibrosos e proporcionaram boa atividade antimicrobiana.

Novas aplicações metálicas

As nanopartículas metálicas apresentam um amplo espectro de atividades antimicrobianas. Seu mecanismo de ação bactericida inclui: 

1.    Atração eletrostática das nanopartículas de carga positiva pelas paredes celulares bacterianas de carga negativa, que leva à ruptura da parede celular e aumenta a permeabilidade.
2.    Íons metálicos podem danificar as células ao causar a produção de espécies reativas de oxigênio (EROs), que levam ao estresse oxidativo. Esse estresse prejudica as funções celulares e acaba matando a célula.

Já que as nanopartículas de prata têm propriedades antimicrobianas, elas são usadas com frequência para dar mais eficácia às máscaras no combate à disseminação de doenças. 

O cobre e o óxido de cobre têm propriedades biocidas eficazes e foram integrados a têxteis e a outros produtos com propriedades antimicrobianas e antivirais. O principal mecanismo de ação das nanopartículas de cobre é a produção de EROs durante a oxidação.

O grafeno e seus derivados têm sido amplamente explorados, pois aproveitam a sua ampla área de superfície para melhorar a atividade antimicrobiana. Um estudo recente apresentou que o revestimento com grafeno pode ser usado para aumentar a temperatura das superfícies e desativar micro-organismos. A irradiação solar gera um rápido aquecimento local, e mais de 90% das bactérias transportadas pelo ar são mortas rapidamente. Dessa forma, é possível oferecer máscaras de grafeno reutilizáveis autoesterilizantes.

Novos métodos de purificação

A purificação do ar por oxidação fotocatalítica é um processo que envolve a reação de um catalisador ativado pela luz com os poluentes orgânicos, com o objetivo de oxidá-los. Esse processo degrada os poluentes atmosféricos, transformando-os em formas atóxicas por meio da luz solar ou artificial.

Máscaras com nanopartículas de óxido de titânio (TiO₂) ou óxido de zinco (ZnO) apresentaram uma filtração eficaz. Foi constatado que a máscara feita de tecido de poliéster revestido com nanopartículas de ZnO reduziu em 98% a quantidade de bactérias na superfície.

Filtros de ar multifuncionais, que removem simultaneamente partículas e micro-organismos, mostraram-se eficazes. Recentemente, foi criada uma membrana nanofibrosa de PTFE envolta em nanobarras de Ag/ZnO, que apresenta uma atividade antimicrobiana excelente contra a Escherichia coli (E. coli).  

Outro filtro de ar foi feito de nanotubos de carbono e nanopartículas de prata, em que os nanotubos preenchem os poros do filtro. O carregamento com nanopartículas de prata na alta área de superfície dos nanotubos de carbono aumenta a eficiência antimicrobiana.

Filtros de estruturas metalorgânicas

Estruturas metalorgânicas (MOFs) são materiais cristalinos porosos coordenados para formar ligantes orgânicos multidentados. São filtros excelentes por causa da alta porosidade e do tamanho ajustável dos poros.

Por exemplo, a incorporação de nanocristais de estruturas de imidazolato zeolítico 8 (ZIF-8) em membranas de poliamida eletrofiada aumentou significativamente a eficiência de filtração dos filtros. Os filtros baseados em MOF podem ter vários substratos, como malhas plásticas ou TNT. Esses filtros têm um bom desempenho na remoção de partículas.

De olho no futuro

As máscaras são um meio eficaz de reduzir a velocidade de disseminação de vírus respiratórios, como as variantes Ômicron BA.5 e BA.2.75. As novas tecnologias e avanços na filtração e remoção de micro-organismos por meio de máscaras serão fundamentais para reduzir a velocidade de futuras disseminações e variantes.  

Saiba mais sobre variantes da covid-19, como a BA.5, e veja como uma abordagem mais abrangente, com vacinas, terapias e máscaras, pode nos ajudar a obter uma imunidade sustentada.

À medida que os casos de COVID-19 amentam no mundo todo, a subvariante BA.5 da Ômicron agora é a cepa dominante que está varrendo os EUA. A variante COVID BA.5 continua a sofrer mutações, aumentando sua disseminação e evitando a imunidade.Um recente estudo em pré-impressão mostra que existem riscos significativos para a saúde com reinfecções e novas variantes podem ser menos afetadas terapias por anticorpos monoclonais (mAbs). Este blog explora as principais mutações que aumentam a transmissão, evitam anticorpos protetores e permitem mais reinfecções.

As mutações aumentam a taxa de infecção

A proteína spike é a chave para a entrada no corpo humano e foi alvo e neutralizada por muitas vacinas contra a COVID.No entanto, mutações recentes da proteína spike das variantes da Ômicron (BA2.12.1, BA.4 e BA.5) sugerem alterações críticas que aumentam a transmissão.   
 

Como se pode ver na Figura 1, essas três novas cepas compartilham mutações importantes que alteram parte do domínio de ligação ao receptor (RBD). Esta é a parte da proteína spike que se liga às células, permitindo a infecção, e também é um alvo principal para anticorpos protetores.  

A mutação F486V encontrada na BA.4 e BA.5 compromete a capacidade da spike se ligar ao receptor viral. A mutação de reversão R493Q, no entanto, restaura a ligação ao receptor e, portanto, a aptidão.

As mutações aumentam a resistência ao tratamento

Enquanto algumas mutações permitem uma disseminação mais rápida do vírus, outras permitem que o vírus seja menos afetado pelas terapias atuais.Mutações no L452 podem ajudar o vírus a se ligar mais intimamente às células, escondendo-se dos anticorpos que combatem doenças que tentam bloquear o vírus. Os pesquisadores acreditam que essa mutação L452 é a resposta do vírus COVID-19 aos enormes surtos de infecção da Ômicron no início deste ano.BA.4 e BA.5 também contêm uma mutação do domínio N-terminal (NTD) (Del69-70), que historicamente também alterou a afinidade de ligação, eliminando um sítio de ligação do anticorpo. As mutações F486V e R493Q também podem contribuir para a evasão imunológica da ligação do anticorpo, diminuindo a eficácia dos mAbs e, por fim, aumentar a resistência ao tratamento.  

Bebtelovimab (CAS Registry Number: 2578319-11-4) é o único mAb clinicamente autorizado para tratar infecções da BA.2.12.1, BA.4 ou BA.5 porque manteve sua potência contra essas subvariantes mais recentes.O bebtelovimab é um anticorpo monoclonal de imunoglobulina humana G-1 (variante).

Uma busca por substâncias no CAS SciFinderⁿ revela que esta terapia contém quatro sequências de proteínas, dois polipeptídeos de cadeia pesada idênticos compostos por 449 aminoácidos e dois polipeptídeos de cadeia leve idênticos compostos por 215 aminoácidos. As sequências e as modificações podem ser vistas no CAS SciFinderⁿ como mostrado na Figura 2 e Figura 3.

 

Um artigo recente no New England Journal of Medicine mostra como as subvariantes BA.2.12.1, BA.4 e BA.5 escapam dos anticorpos neutralizantes induzidos pela vacinação e pela infecção. Os autores mostraram que os títulos de anticorpos neutralizantes contra a subvariante BA.4 ou BA.5 e contra a subvariante BA.2.12.1 (em menor extensão) foram menores que os títulos contra as subvariantes BA.1 e BA.2 anteriores. Esses achados fornecem contexto para os surtos atuais causados ​​pelas subvariantes BA.2.12.1, BA.4 e BA.5 em populações com altas frequências de vacinação e infecção prévia.

Além das mutações da proteína spike

Embora BA.4 e BA.5 sejam idênticas entre si em termos de mutações da spike, elas compartilham e diferem em mutações que estão fora da proteína spike. Essas mutações afetam a replicação viral, a taxa de infecção e a resistência ao tratamento. Tanto BA.4 quanto BA.5 revertem duas mutações de volta ao vírus original, Orf6 D61 e NSP4 L438. Os pesquisadores acreditam que essas mutações afetam a replicação. A proteína residente na Orf6, a Orf6 D61, aumenta a replicação viral pela regulação negativa de proteínas, enzimas e vários sinais. A proteína residente na NSP4, a L438 NSP4, está envolvida na formação de uma vesícula de membrana dupla, que também potencializa a replicação viral.  

BA.4 tem duas mutações, L11F na Orf7B e P151S na proteína do nucleocapsídeo (N), cujo impacto nos testes de antígenos que detectam a proteína N ainda não foi estabelecido. Ambas as mutações de proteína Orf7B e N podem contribuir para a evasão imunológica. A mutação da proteína N também pode afetar a estabilidade do vírus, aumentando sua aptidão. BA.5 contém uma mutação D3N na proteína de membrana (M) – uma mutação relativamente incomum. A proteína M desempenha um papel na supressão da imunidade e também envolve o vírus, aumentando a possível invasão das células e transmissibilidade.  

As vacinas se mostraram eficazes contra hospitalização

As vacinas atuais contra a covid-19 têm proteção mínima contra infecções sintomáticas, conforme visto nos dados do Departamento de Saúde de Minnesota, onde indivíduos totalmente vacinados têm quase a mesma probabilidade de serem infectados do que indivíduos não vacinados (figura 4) em junho e julho, quando a variante BA.5 estava se alastrando rapidamente. No entanto, quando examinamos as taxas de hospitalização, as diferenças são imensas, pois os números de hospitalização são substancialmente maiores na população não vacinada (figura 5).   

As vacinas atuais oferecem uma boa proteção contra sintomas graves, hospitalização e morte. A imunidade produzida por essas vacinas ajuda o sistema imunológico dos pacientes a combater o vírus e, portanto, é menos provável que desenvolvam sintomas graves e sejam hospitalizados.

Um artigo publicado no New England Journal of Medicine mostra como as vacinas atuais contra a covid-19 também são eficazes contra as variantes BA.1 e BA.2. Essa imunidade cruzada é reconhecida desde o início da pandemia. As evidências sugerem que as vacinas contra influenza, sarampo, pneumonia e poliomielite podem oferecer algum nível de proteção contra a infecção por SARS-CoV-2. Segundo a Clínica Mayo, as pessoas que receberam a vacina contra pneumonia no ano passado tiveram uma redução de 28% no risco de pegarem covid-19, ao mesmo tempo foi observada uma redução de 43% no risco de infecção por covid-19 em pessoas que receberam a vacina contra a poliomielite.

Próximos passos: aonde vamos a partir daqui?

A pandemia da COVID-19 não está diminuindo, pois o vírus continua a sofrer mutações e evoluir em todo o mundo. Conforme mostrado acima, as vacinas atuais ainda são altamente eficazes contra doenças graves, hospitalização e morte. No entanto, a fadiga do COVID impediu que muitos recebessem os reforços da vacina recomendados. Se um indivíduo é elegível, mas ainda não tomou uma vacina de reforço, deve tomar uma o mais rápido possível. Esforços renovados para usar uma máscara de alta qualidade em ambientes confinados e lotados também ajudarão a conter infecções sintomáticas.    

Tanto a Pfizer quanto a Moderna desenvolveram vacinas baseadas na nova variante BA.1 que deve estar disponível nos EUA durante o outono de 2022. A proteção limitada que a infecção prévia pela BA.1 oferece contra as variantes mais recentes levanta questões sobre a utilidade desse tipo de vacina de segunda geração. No futuro, serão necessárias novas tecnologias de vacina combinadas com terapias antivirais que visam uma gama mais abrangente de antígenos para impedir a propagação do vírus.   

A covid-19, a doença causada pelo novo coronavírus SARS-CoV-2, infectou vários milhões de pessoas e resultou em centenas de milhares de mortes em todo o mundo.Embora o remdesivir e o favipiravir tenham sido aprovados condicionalmente para tratar a covid-19, à medida que a contagem de casos continua aumentando diariamente, ainda são desesperadamente necessárias terapias adicionais para covid-19 para mitigar os inúmeros sintomas e os danos de longo prazo que a covid-19 está causando aos pacientes. 

Dados de bioensaio apontam o caminho para candidatos a medicamentos promissores 

Em apoio aos esforços de pesquisa em andamento para identificar medicamentos adicionais para covid-19, uma equipe de cientistas do CAS analisou as informações científicas publicadas e criou um relatório abrangente com foco nas proteínas envolvidas na covid-19 e possíveis candidatos a medicamentos correspondentes. Este relatório foi publicado recentemente na ACS Pharmacology & Translational Science.

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Leia o artigo completo de acesso aberto para obter uma lista abrangente de alvos de proteína para a covid-19 e candidatos a medicamentos associados, bem como dados de bioensaios relacionados.

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Foi identificado um grande número de substâncias alvos de proteínas críticas para a infecção por SARS-CoV-2 e foram analisados dados relevantes de bioensaios publicados. A Figura 1 mostra o número de substâncias para cada proteína específica envolvida no SARS-CoV-2 e infecções virais relacionadas. Dadas as atividades demonstradas e as semelhanças dessas proteínas entre o SARS-CoV-2 e vírus relacionados, essas substâncias justificam uma investigação mais aprofundada para o desenvolvimento de medicamentos contra a covid-19.

 

Conexões cruciais entre proteínas e medicamentos

O desenvolvimento de medicamentos eficazes para qualquer doença geralmente requer o desenvolvimento de uma compreensão detalhada das interações proteína-fármaco.De um lado dessa equação estão os alvos proteicos, também chamados alvos de medicamentos, que são proteínas que desempenham papéis importantes na progressão de uma doença. A identificação e validação de alvos proteicos é o primeiro passo do processo na descoberta de medicamentos, e esse trabalho geralmente vem de pesquisas básicas sobre os mecanismos de desenvolvimento de doenças. Do outro lado estão os candidatos a medicamentos. As propriedades farmacológicas de um candidato a medicamento em relação ao seu alvo proteico específico podem ser medidas por bioensaios que avaliam os efeitos biológicos do candidato a medicamento em várias concentrações. Normalmente, os bioensaios incluem medições da ligação de um candidato a medicamento à proteína alvo, o nível de inibição da atividade da proteína e o nível da resposta fisiológica devido a tal inibição. 

Principais proteínas envolvidas na covid-19 e potenciais candidatos a medicamentos

Desde o surgimento da covid-19, os pesquisadores já identificaram muitas das proteínas virais e humanas envolvidas no processo de infecção por SARS-CoV-2. Todos esses são alvos potenciais de medicamentos, mas aqui vamos destacar oito que são de grande interesse. Estes incluem cinco proteínas virais (proteína spike [S], 3CLpro, PLpro, helicase e RNA polimerase [RdRp]) e três proteínas humanas (ACE2, TMPRSS2 e furina), que desempenham papéis na mediação da entrada viral nas células hospedeiras ou no ciclo de replicação viral dentro das células hospedeiras. A Figura 2 ilustra essas proteínas e a tabela abaixo discute suas funções no processo de infecção. Também são mostrados na tabela alguns exemplos de compostos que inibem essas proteínas e, portanto, estão sendo considerados como possíveis terapias para a covid-19.  

 

Proteínas-chave	Papel das proteínas na infecção viral	Candidatos a medicamentos
Proteína S	Proteína de superfície viral que se liga ao receptor ACE2 humano nas células hospedeiras para permitir a fusão viral com a membrana da célula hospedeira	EK1C4
Receptor  ACE2	Receptor de superfície celular humana para proteína S
TMPRSS2	Enzima humana que cliva a proteína S para facilitar a fusão da membrana vírus-plasma	Enzalutamida
3CLpro	Enzima viral que cliva poliproteínas virais para liberar proteínas individuais	GC376
PLpro	Enzima viral que cliva poliproteínas virais para liberar proteínas individuais	Tioguanina
Helicase	Proteína viral que desenrola o RNA viral	SSYA10-001
RdRp	Proteína viral que medeia a replicação do RNA viral	EIDD-1931
Furin	Proteína humana que cliva a proteína S para facilitar a fusão da membrana vírus-plasma	Oroxilina A

Como parte da comunidade científica global, nós do CAS nos comprometemos a alavancar todos os nossos ativos e recursos para apoiar a luta contra a covid-19. Explore os recursos adicionais do CAS covid-19, incluindo insights científicos, compostos de acesso aberto, conjuntos de dados SAR e relatórios especiais. 

Inteligência artificial. Aprendizado de máquina. Big data. Na próxima década, 70% das grandes empresas tentarão realizar a transformação digital corporativa, mas apenas 30% terá sucesso.*

Como superar o entusiasmo da IA e começar a acelerar descobertas em um mundo digitalizado? Abra o caminho para o sucesso da transformação digital e de dados com o conhecimento dos especialistas em digitalização do CAS. Os especialistas em análise de dados do CAS modelam conjuntos de dados personalizados há décadas, usando inteligência humana para navegar no cenário de PI e patentes e fornecer business intelligence. Nossas soluções de tecnologias de P&D química e de análise preditiva já dizem tudo.

O Relatório do CAS Insights fornece vários estudos de caso para demonstrar os desafios e as oportunidades na construção de uma estrutura de transformação digital bem-sucedida com análises de IA utilizáveis.

 

Inteligência artificial: um grande negócio

A indústria de Inteligência artificial (IA) está na vanguarda das tecnologias digitais e segue transformando os negócios na medida em que, até 2023, terá um valor estimado de meio trilhão de dólares. No entanto, esse avanço muitas vezes levanta um debate polarizador sobre a infame relação homem versus máquina. Os robôs poderiam substituir as pessoas no trabalho e dominar nosso mundo?

De acordo com um relatório da IDC, os gastos mundiais no mercado de IA devem crescer 19,6% ano a ano, chegando a US$ 432,8 bilhões em 2022 e abrindo o caminho para ultrapassar a marca de US$ 500 bilhões até o final de 2023. A IDC espera que os serviços de IA aproveitem um aumento de investimentos impossivelmente rápido, a uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) de 22% – com as plataformas de IA mostrando o maior crescimento (34,6% CAGR) dentre todos os softwares de IA pesquisados.

O processo de desenvolvimento de medicamentos com IA

Como padrão, é necessário um prazo de 10 a 15 anos, em média, para que um medicamento seja identificado, validado, desenvolvido e aprovado para uso clínico. Vários desafios que acompanham a introdução de um novo medicamento no mercado. O mais notável deles é o custo, estimado em US$ 2,6 bilhões, com uma taxa de aprovação de apenas 12%.

A reinvenção da descoberta de medicamentos com a ajuda da IA

Quando se trata de digitalização, a indústria farmacêutica está na vanguarda da pesquisa de ponta, capitalizando os avanços que acompanham o design de medicamentos com IA. A IA pode reconhecer oportunidades e compostos inovadores, validando rapidamente os alvos, além de otimizar o design da estrutura do medicamento.

Alguns algoritmos de IA (por exemplo, classificadores de concorrente mais próximo, radiofrequência (RF), máquinas de aprendizado extremo, máquinas de vetor de suporte (SVMs) e redes neurais profundas) são usados para a triagem virtual de fármacos com base na viabilidade de síntese e podem prever as propriedades físico-químicas, bioatividade e toxicidade de moléculas-alvo, sem viés.

O design de medicamentos com IA pode ajudar na descoberta baseada em estrutura, prevendo a estrutura da proteína 3D e fornecendo informações vitais sobre o efeito e a segurança de um composto antes da síntese. Os métodos de IA também têm sido usados para prever com precisão as interações ligante-proteína – garantindo, em última análise, uma melhor eficácia terapêutica. A previsão de interações droga-alvo com IA também tem sido empregada no reaproveitamento de fármacos e para evitar a polifarmacologia, podendo resultar em economias substanciais de custos.

O envolvimento da IA no design de novas moléculas pode ser benéfico devido à sua capacidade de fornecer aprendizado on-line e otimização simultânea dos dados já aprendidos, além de sugerir possíveis rotas de síntese para compostos que levam ao design e desenvolvimento mais rápidos.

Finalmente, as soluções de pesquisa habilitadas para IA podem desempenhar um papel importante em todo o ecossistema de patentes, melhorando a eficiência e a qualidade das patentes. Elas podem realizar e revisar buscas complexas do estado da técnica, economizando tempo para os examinadores de patentes realizarem outras tarefas e reduzirem os atrasos na aplicação.

Homem versus máquina: é possível viver em harmonia?

Apesar da miríade de aplicações no processo de desenvolvimento de medicamentos com IA, existem desvantagens no uso da IA na descoberta de medicamentos, e a intervenção humana continuará sendo essencial nesse processo. A qualidade das previsões geradas depende, em grande parte, do design do algoritmo. A IA também está sujeita ao viés do algoritmo, e os algoritmos ainda devem ser validados pelos cientistas. Embora os custos de supercomputação e triagem de alto rendimento tenham diminuído ao longo do tempo, eles permanecem substanciais.

Uma solução potencial para esses desafios é a IA human-in-the-loop (HITL), que combina a eficiência da IA e da robótica com informações, ideias e julgamento abrangente dos pesquisadores, economizando tempo e recursos para minimizar falhas. Essa abordagem foi empregada pela Astellas, onde um método HITL provou reduzir o tempo desde o composto potencial até a aquisição de um composto candidato a medicamento em aproximadamente 70%. O CAS avaliou a originalidade estrutural dos três primeiros candidatos a medicamentos projetados por IA a entrar em ensaios clínicos em humanos. O primeiro deles foi o DSP-1181, relatado pela Exscientia no início de 2020. Desde então, dois candidatos a medicamentos — EXS21546 e DSP-0038 —seguiram o exemplo, o pipeline de outros tem progredido rapidamente em direção a esse marco, já que várias empresas, incluindo Exscientia, Insilico Medicine e Schrodinger, estão realizando estudos pré-clínicos que habilitam os possíveis candidatos ao status de Investigational New Drug (novo medicamento em análise).

Não se pode negar os benefícios que o desenvolvimento de medicamentos com IA pode trazer para a otimização da descoberta terapêutica: quando combinada com pensamento científico inovador, a IA pode ser aproveitada para superar os limites da tecnologia. Leia mais sobre este tópico no Relatório do CAS Insights sobre o cenário da IA e da química.

Criada por meio da Lei de Segurança e Inovação de 2012 pela FDA dos EUA, a Designação de terapia inovadora (sigla BTD do inglês Breakthrough Therapy Designation) foi introduzida para reduzir o tempo de desenvolvimento e a análise de novos medicamentos promissores destinados a tratar doenças graves ou com risco de vida para as quais existe uma necessidade médica ainda não atendida. O caminho de aprovação para a Designação de terapias inovadoras é diferente de outros programas de desenvolvimento acelerado, pois é necessária maior evidência de eficácia. Em troca, os patrocinadores recebem um envolvimento e apoio muito mais significativos da FDA durante o desenvolvimento clínico. Um requisito fundamental para receber a Designação de terapia inovadora é a evidência clínica preliminar que demonstre uma melhora substancial em um desfecho clinicamente significativo em comparação com outras terapias disponíveis. Tão logo sejam designados como terapias inovadoras, os medicamentos experimentais recebem orientação intensiva da FDA sobre um programa eficiente de desenvolvimento de medicamentos, um compromisso organizacional para acelerar o desenvolvimento e a revisão da FDA e a possível qualificação, com base em dados clínicos de suporte, para avanço e análise prioritários do pedido de comercialização.    

Receber a Designação de terapia inovadora é considerado uma conquista importante para qualquer organização de P&D farmacêutica, trazendo benefícios tanto para a saúde pública quanto para a comercialização. Os dados mostram que, além de encurtar os períodos de revisão, os medicamentos com Designação de terapias inovadoras também terão uma redução de dois a três anos no desenvolvimento pré-comercialização, em comparação com os medicamentos sem a designação. Além disso, essa designação confere certa credibilidade à promessa clínica de um determinado produto e, como resultado, agrega valor significativo à empresa que a recebe. De fato, nossa análise das concessões de Designações de terapias inovadoras anunciadas publicamente chegou à conclusão que as ações de empresas de capital aberto sem nenhum produto comercializado aumentaram em média 6% (acima dos retornos de mercado) no dia seguinte ao anúncio da Designação de terapia inovadora. 

A relação entre a originalidade química e a Designação de terapia inovadora

Com benefícios tão significativos, o status da terapia inovadora continua sendo um prêmio cobiçado, mas incerto. Até 30 de junho de 2022, a FDAhavia recebido 1.265 solicitações para Designações de terapias inovadoras. No entanto, apenas cerca de 40% destes pedidos foram concedidos.

A FDA somente divulga o status de inovação após a aprovação final do medicamento. Entre 2013 e 2019, somente 73 (26%) dos 276 novos medicamentos (sigla NTDs do inglês New Treatment Drugs) aprovados pelo Centro de Avaliação e Pesquisa de Medicamentos (CDER) da FDA receberam o status de BTD. As moléculas pequenas foram a modalidade de medicamento dominante, representando 56% dos NTDs inovadores. A maioria dos medicamentos inovadores de moléculas pequenas designados pela FDA continha pelo menos uma entidade molecular nova (sigla NME do inglês Novel New Molecule) estruturalmente original, cuja forma e estrutura não tinham sido usadas em nenhum medicamento aprovado anteriormente pela FDA. No entanto, um olhar mais atento às taxas de sucesso para diferentes tipos de medicamentos de moléculas pequenas revela algumas descobertas interessantes.

Com base em nossa análise recente, aproximadamente 3 em cada 10 NTDs de moléculas pequenas estruturalmente originais alcançaram o status de descoberta em comparação com apenas 1 em 10 NTDs de moléculas pequenas não estruturalmente originais. Isso significa que, medicamentos estruturalmente originais têm duas vezes mais chances de ter a Designação de terapia inovadora concedida pela FDA. Essa lacuna destaca o impacto diferencial da originalidade estrutural e a importância de ampliar ainda mais os limites do espaço químico na busca por novos medicamentos.

Métodos in silico que aceleram a inovação de medicamentos de pequenas moléculas 

Equilibrar inovação com eficiência é um desafio de longa data na descoberta de medicamentos, pois a indústria farmacêutica vive sob constante pressão para desenvolver terapias originais que apresentem vantagens clínicas significativas em relação aos tratamentos existentes. Moléculas estruturalmente originais têm se mostrado significativamente mais prováveis de ser a fonte de novas terapias promissoras. No entanto, com o número de moléculas orgânicas potencialmente sintetizáveis estimado em 10180 para as que estão abaixo de 1.000 Da, a exploração da vasta quantidade de espaço químico na busca por drogas estruturalmente originais vai além do alcance das abordagens experimentais tradicionais.  

O avanço dos métodos in silico começa a impulsionar a exploração mais eficiente de novas regiões biologicamente relevantes do espaço químico que contêm moléculas estruturalmente originais. Um dos principais métodos in silico que muitas organizações biofarmacêuticas tentam implantar nos últimos anos é o aprendizado de máquina (ou machine learning). O aprendizado de máquina pode ser usado para predizer as propriedades da molécula de um medicamento com um grau crescente de precisão. Essa informação ajuda os pesquisadores a priorizar a síntese de moléculas semelhantes a medicamentos com perfis de propriedades mais otimizados e permite a criação de pools de moléculas candidatas estruturalmente mais diversas que representam porções maiores do espaço químico. Esses pools estruturalmente diversos aumentam as chances de encontrar moléculas estruturalmente novas semelhantes a medicamentos, fornecendo uma melhor seleção de moléculas que podem ser sintetizadas e testadas.

O avanço da eficácia do aprendizado de máquina na descoberta de medicamentos

Quando se trata de criar algoritmos preditivos poderosos para explorar amplamente o espaço químico para descobrir medicamentos, é fundamental usar dados de treinamento de alta qualidade. Os métodos de aprendizado de máquina podem utilizar uma variedade de diferentes fontes de dados proprietários, públicos e internos.  No entanto, dados díspares devem ser refinados, traduzidos, estruturados e indexados para aproveitar seu verdadeiro valor. Na verdade, os cientistas de dados ainda consomem 38% do tempo procurando e limpando os dados usados para alimentar seus algoritmos – tempo que poderia ser gasto de forma mais produtiva, no desenvolvimento de modelos e na otimização dos resultados. Assim, a disponibilidade de conjuntos de dados com curadoria de especialistas humanos, com experiência em taxonomias, vinculação semântica e categorização de dados pode gerar um impacto significativo no sucesso dos esforços de aprendizado de máquina na descoberta de medicamentos.

Igualmente importantes são as representações moleculares ou "impressões digitais moleculares" que são usadas para codificar a estrutura das moléculas de medicamentos de forma que sejam aproveitadas pelo aprendizado de máquina. Pesquisas recentes mostraram que impressões digitais otimizadas podem fazer uma diferença significativa na precisão dos modelos preditivos. De fato, uma nova impressão digital molecular desenvolvida por cientistas de dados do CAS melhorou a precisão das previsões em até 45% em comparação com os mesmos algoritmos que executam os métodos tradicionais de impressão digital Morgan. As impressões digitais moleculares aprimoradas já se mostram muito promissoras em nossos projetos de consultoria de descoberta de medicamentos para prever a atividade biológica de moléculas semelhantes a medicamentos, o que ajuda a reduzir o número de moléculas que devem ser sintetizadas para triagem e aumenta a eficiência da pesquisa na busca pela próxima geração de terapias inovadoras.

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Quer avaliar a originalidade estrutural da sua própria propriedade intelectual ou otimizar suas iniciativas digitais de P&D? O CAS Custom Services adapta nossas tecnologias especializadas, conhecimento científico e conteúdo inigualável para atender às suas necessidades exclusivas.

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Como o CAS pode preencher lacunas de conhecimento sobre tendências emergentes?

Fique por dentro das abordagens emergentes na descoberta de medicamentos com o CAS. Além da originalidade estrutural, pequenas moléculas estão sendo usadas para encontrar novos modos de proteínas ​​direcionadas não passíveis de tratamento. Isso criou novas classes de agentes terapêuticos com atividade potencial empolgante para muitas áreas terapêuticas. Saiba mais sobre o panorama de descobertas de medicamentos de colas moleculares, degradação de proteínas direcionadas e proximidade induzida no nosso relatório técnico mais recente. 

A história de sucesso das vacinas de mRNA

As vacinas de RNA mensageiro (mRNA) são um conceito familiar para muitos devido à sua colaboração, que alterou substancialmente o curso da pandemia de Covid-19 e preveniu milhões de mortes. No entanto, elas não são uma descoberta recente. Na verdade, o potencial terapêutico do mRNA remonta à década de 1980, quando surgiu a hipótese de que o mRNA poderia ser usado como uma droga quando administrado a um alvo por meio de gotículas lipídicas. Desde então, as vacinas de mRNA têm sido projetadas para atingir uma variedade de patógenos, incluindo zika, raiva, influenza e citomegalovírus.A Figura 1 abaixo descreve o mecanismo de ação das vacinas de mRNA para induzir imunidade mediada por células e anticorpos.

Diferentemente da abordagem de vacinas convencionais, que introduzem diretamente proteínas antigênicas que estimulam uma resposta imune no hospedeiro, as vacinas de mRNA introduzem mRNA que codifica um antígeno específico da doença e aproveitam a maquinaria de síntese proteica das células hospedeiras para produzir antígenos que provocam a resposta imune. A produção desses antígenos estranhos no corpo prepara o sistema imunológico para reconhecer e memorizar esse antígeno viral, de modo que esteja pronto para combater futuras infecções causadas por um vírus com o mesmo antígeno.

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Assista a esse vídeo para ver como uma vacina de mRNA usa as células do nosso corpo para gerar imunidade contra a Covid-19.

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Vacinas de mRNA: uma jornada longa e sinuosa

A aplicação bem-sucedida da tecnologia de vacinas de mRNA para combater a Covid-19 não teria sido possível sem o trabalho pioneiro de bioquímicos, imunologistas e biólogos do desenvolvimento. Mas a jornada para o sucesso tem sido longa e sinuosa, com décadas de becos sem saída e disputas por tecnologia. Os pesquisadores inicialmente acharam difícil trabalhar com a tecnologia mRNA devido à sua instabilidade: um desafio que foi amplamente superado com o desenvolvimento das nanopartículas lipídicas (LNPs). O encapsulamento de mRNAs dentro dessas pequenas bolhas protetoras de gordura permite que eles sejam transportados para o lugar certo nas células sem se degradar.

Embora os estudos iniciais sobre vacinas de mRNA parecessem promissores, o custo da otimização e aumento das plataformas de vacinas foi um fator limitante importante para o lançamento em larga escala. As primeiras tentativas de desenvolvimento e comercialização de vacinas mRNA foram abandonadas devido a desafios de fabricação, incluindo uma vacina para a gripe aviária. Muitas das vacinas candidatas nunca progrediram para estudos em humanos, e empresas como Shire e Novartis venderam seus portfólios de vacinas mRNA. Muitas não conseguiam ver o potencial econômico da tecnologia.

A ascensão da vacina de mRNA no combate à Covid-19

A pandemia de Covid-19 teve um grande impacto sobre o desenvolvimento de vacinas. De repente, o mRNA foi implantado com rapidez e sucesso como uma alternativa de vacina para tratar o novo coronavírus, ou SARS-CoV-2. Por meio de um esforço de pesquisa coordenado, duas candidatas a vacina de mRNA receberam rapidamente aprovação de emergência para combater a Covid-19. Essas vacinas ofereciam diversas vantagens sobre as vacinas convencionais, incluindo:

• Especificidade e eficácia aumentadas, resultantes da indução de respostas imunes de células B e T.
• A facilidade de produção em grandes quantidades em um ambiente livre de células por transcrição in vitro (IVT), que permite um desenvolvimento mais rápido, um processo de produção simplificado e uma fabricação mais econômica

• Vantagens de segurança, como a ausência de integração no genoma da célula hospedeira e a não interação com o DNA (portanto, a eliminação do risco mutacional para o hospedeiro), a não formação de partículas virais e expressão transitória do antígeno (limitando a sua persistência no corpo).

Os esforços conjuntos de cientistas de todo o mundo durante a pandemia de Covid-19 aceleraram o desenvolvimento da vacina de mRNA e nos ajudaram a superar os desafios que atrapalhavam as pesquisas iniciais. O conhecimento adquirido com a pandemia será valioso para o campo da tecnologia de vacinas e a busca na produção de projetos de vacinas futuras usando abordagens de RNA.

O pipeline das vacinas de mRNA

Impulsionados pelo sucesso das vacinas de mRNA contra a Covid-19, cerca de 90 desenvolvedores líderes estão desenvolvendo vacinas de mRNA candidatas para uma ampla gama de patógenos. Somente a Moderna está desenvolvendo vacinas de mRNA para combater o vírus epstein-barr, citomegalovírus, a gripe sazonal e o vírus sincicial respiratório. Planos para o desenvolvimento de vacinas de mRNA contra o vírus Herpes simplex, esclerose múltipla, câncer e vírus da imunodeficiência humana também estão em andamento. Os ensaios clínicos da primeira vacina contra a malária baseada em mRNA devem começar este ano, com a esperança de enfrentamento a essa doença há muito negligenciada. As aplicações desta tecnologia são aparentemente ilimitadas.

Um vislumbre do pipeline mostra que os pesquisadores estão explorando uma variedade de formatos de tecnologia de mRNA, incluindo mRNAs modificados, não modificados e autoamplificadores. Embora a formulação de LNP continue sendo a abordagem mais popular para a administração do mRNA ao alvo, veículos de administração alternativos, como nanoemulsões catiônicas e polímeros, também estão sendo explorados. Os desenvolvedores acreditam que essas novas formulações podem trazer vantagens em estabilidade, potência, imunogenicidade e valência. No entanto, com aproximadamente três quartos das vacinas de mRNA candidatas na fase pré-clínica/exploratória de desenvolvimento, levará vários anos até vermos como essas novas tecnologias se saem nos ensaios clínicos. 

Otimizando vacinas de mRNA para uso futuro

Embora o campo das vacinas de mRNA tenha avançado nos últimos anos, vários desafios de desenvolvimento de processos permanecem, como o fornecimento de DNA plasmidial, a complexidade dos processos de transcrição e encapsulamento in vitro, perfis variados de impurezas de mRNA e a necessidade de armazenamento em temperaturas extremamente baixas.

Existem outros fatores que reforçam a necessidade de inovação contínua, como o risco de possível surgimento de variantes virais (como visto no caso da Covid-19) e a necessidade de administração de altas doses e subsequentes reações no local da injeção em indivíduos vacinados contra SARS-CoV -2. 

Estabilidade

Embora este seja um atributo importante, poucas pesquisas foram realizadas para a investigação do perfil de estabilidade de medicamentos de mRNA, por exemplo, LNP-mRNA e complexos de mRNA de proteínas, incluindo vários que investigam os efeitos da liofilização sobre a integridade do mRNA. Outras abordagens incluem a secagem do mRNA por pulverização e geração de LyoSpheres (gotículas liofilizadas com mRNA). Esta área de pesquisa será crucial para a implantação de vacinas de mRNA em larga escala no futuro.

Custo

Como dito, os custos foram uma limitação importante para o avanço das vacinas de mRNA nos primeiros dias, e isso deve permanecer como uma consideração importante. Atualmente, quantidades relativamente altas de RNA são necessárias para produzir uma vacina, o que não apenas custa tempo e dinheiro, mas também aumenta a probabilidade de possíveis efeitos colaterais (falaremos mais sobre isso). Além disso, o armazenamento em temperaturas extremamente baixas de -70 °C é caro, exigindo freezers especiais, raramente presentes em centros de distribuição ou vacinação. Os pesquisadores preveem que os investimentos na infraestrutura de fabricação e nas matérias-primas necessárias para as vacinas de mRNA também reduzirão o custo dessas vacinas no devido tempo.

Redução da dose

Uma maneira de enfrentar os desafios da redução da dose de RNA é usar o RNA autoamplificador. 
Ele é similar ao RNA em termos de estrutura, mas muito maior, codificando uma replicase que permite a amplificação da posição original do RNA após a entrega na célula. O resultado é um rendimento muito maior de proteína que requer uma dose mínima de RNA, levando a custos adicionais e benefícios de eficiência. No entanto, um problema potencial é o tamanho das moléculas e o impacto disso na entrega.

As vacinas de mRNA estão em uso há anos, mas seu potencial clínico permaneceu inexplorado até o surgimento de uma pandemia global. Um progresso substancial foi feito no espaço de alguns anos. As prioridades são claras em termos do que é necessário para a produção de uma nova geração de vacinas de mRNA. Fique atento a este espaço para novos desenvolvimentos. 

Um mundo terapêutico além das vacinas de mRNA

Para descobrir o mundo da terapêutica derivada de RNA além das vacinas de mRNA, consulte nosso relatório de insights “RNA-Derived Medicines: A review of the research trends and developments”, sobre a aplicação do RNA na medicina e como as modificações químicas e a nanotecnologia podem melhorar a administração e eficácia de produtos farmacêuticos de RNA.