A rational design strategy and validation for protease-resistant fusion-inhibitor antiviral peptides

Los virus que se envuelven en una membrana grasa, conocidos como virus envueltos, deben fusionar su capa exterior con una célula humana para causar una infección. Para hacer esto, utilizan una clave molecular llamada proteína de espiga (spike), la cual experimenta un cambio drástico de forma para bloquear el virus y la célula entre sí. Los científicos han sabido durante mucho tiempo que podrían detener este proceso creando un señuelo: una pieza corta de proteína que imita parte de la propia clave del virus. Este señuelo se uniría a la proteína de espiga, trabando el mecanismo y evitando que el virus entre en la célula. Si bien esta estrategia funciona bien en un tubo de ensayo, históricamente ha fallado como medicamento porque el cuerpo humano está lleno de enzimas que actúan como tijeras moleculares, cortando estos señuelos de proteínas antes de que puedan hacer su trabajo.

Un equipo de investigadores ha encontrado ahora una manera de burlar a estas tijeras. Descubrieron que la misma enzima que el virus utiliza para abrir las células es la que destruye las proteínas señuelo. Al estudiar los puntos específicos donde esta enzima corta, rediseñaron los señuelos de proteínas para que fueran invisibles a las tijeras, manteniendo al mismo tiempo su capacidad para trabar la cerradura viral. Al ser probados en células vivas y en ratones, estos nuevos y más resistentes señuelos permanecieron activos durante mucho más tiempo que las versiones originales, ofreciendo un camino prometedor hacia un tratamiento preventivo seguro que podría administrarse antes de que una persona sea expuesta al virus.

La historia comienza con un tipo específico de virus, el SARS-CoV-2, que causa la COVID-19. Como muchos otros virus, depende de una proteína de espiga para traspasar las defensas de las células humanas. Dentro del virus, hay una región llamada repetición heptada 2, o HR2, que es crucial para el proceso de fusión. Los científicos intentaron anteriormente utilizar una pieza corta de esta región HR2 como fármaco. La idea era que esta pieza flotaría por ahí y se uniría a la propia región HR2 del virus, efectivamente atándole las manos para que no pudiera fusionarse con la célula. Sin embargo, en el cuerpo, estas piezas cortas de proteína son frágiles. Los investigadores sospecharon que una enzima específica en las vías respiratorias humanas, llamada TMPRSS2, era la responsable de destruir las proteínas señuelo. Esta enzima es esencial para que el virus entre en las células, ya que corta la proteína de espiga para activarla. El equipo planteó la hipótesis de que esta misma enzima también estaba cortando los señuelos de proteínas terapéuticos, dejándolos inútiles.

Para probar esto, los investigadores tomaron las proteínas señuelo originales y las expusieron a la enzima TMPRSS2 en una placa de laboratorio. En menos de una hora, la enzima había rebanado completamente los señuelos en pedazos. Cuando probaron estos fragmentos cortados en un experimento de fusión celular, descubrieron que los fragmentos habían perdido toda capacidad para detener al virus. Esto confirmó que la enzima era, en efecto, el culpable del fallo de los señuelos. El siguiente paso fue averiguar exactamente dónde cortaba la enzima. Utilizando una técnica que identifica la composición química de las moléculas, localizaron tres puntos específicos en las proteínas señuelo donde la enzima realizaba sus cortes. Estos puntos eran ricos en los componentes básicos de las proteínas que la enzima ataca específicamente.

Armados con este conocimiento, el equipo se propuso rediseñar los señuelos. Necesitaban cambiar los tres puntos de corte para que la enzima ya no los reconociera, pero debían tener cuidado de no cambiar tanto la forma del señuelo como para que ya no pudiera unirse al virus. Para resolver esto, utilizaron dos estrategias diferentes para encontrar los mejores reemplazos. Primero, crearon una biblioteca masiva de millones de versiones ligeramente diferentes de los señuelos y probaron cuáles aún se unían fuertemente al objetivo del virus. Segundo, consultaron los registros genéticos de las variantes de SARS-CoV-2 encontradas en la naturaleza para ver qué cambios ya habían ocurrido sin romper el virus. Al combinar ambos enfoques, identificaron tres nuevas versiones de la proteína señuelo que eran resistentes a la enzima pero seguían siendo efectivas para la unión.

Los investigadores sintetizaron luego estas tres nuevas proteínas y las probaron. Confirmaron que la enzima ya no podía cortarlas. En experimentos celulares, los tres nuevos señuelos lograron detener la fusión del virus con las células, incluso en presencia de la enzima. Una versión, que los investigadores llamaron HR2-NHN, fue la que mejor funcionó. Para entender por qué esta versión específica funcionaba tan bien, el equipo utilizó una poderosa técnica de imagen llamada criomicroscopía electrónica para tomar una imagen detallada en 3D del señuelo unido a su objetivo. Descubrieron que, si bien uno de los cambios realizados eliminó una fuerte atracción eléctrica entre el señuelo y el virus, creó una nueva conexión estable que los mantenía unidos con la misma fuerza. Esta visión estructural explicó por qué el nuevo señuelo era tan potente.

La verdadera prueba llegó cuando los investigadores pasaron de las placas de células a los animales vivos. Utilizaron ratones que eran susceptibles a una variante del SARS-CoV-2. En estos experimentos, administraron el señuelo original y el nuevo y más resistente HR2-NHN en diferentes momentos antes de infectar a los ratones con el virus. Cuando se administró justo antes de la infección, ambas versiones funcionaron bien. Sin embargo, cuando los investigadores esperaron doce horas antes de infectar a los ratones, el señuelo original había perdido la mayor parte de su potencia. El nuevo HR2-NHN, por el contrario, siguió siendo altamente efectivo. Continuó protegiendo a los ratones incluso cuando se administró un día completo antes de la introducción del virus. En un experimento separado, midieron cuánto tiempo permanecían activos los señuelos en los pulmones de los ratones. El efecto protector del señuelo original se desvanecía con una vida media de unas ocho horas, mientras que el nuevo señuelo duró once horas. Esta diferencia significaba que el nuevo señuelo podía prevenir la infección durante un intervalo de tiempo significativamente más largo.

El estudio también analizó cómo se desempeñaban estos señuelos contra diferentes cepas del virus, incluyendo la variante Ómicron. Aunque el nuevo señuelo era ligeramente menos efectivo contra la variante Ómicron que contra la cepa original, superaba al viejo señuelo. Los investigadores señalaron que los cambios realizados al señuelo podrían ayudarlo a entrar en las células de manera más eficiente o a resistir otras enzimas presentes dentro de la célula, lo que podría explicar esta resistencia adicional. El trabajo demuestra que es posible crear un antiviral basado en proteínas que no requiera modificaciones químicas complejas para sobrevivir en el cuerpo. Simplemente cambiando algunas letras en el código de la proteína para evitar las tijeras naturales del cuerpo, los investigadores crearon un candidato a fármaco que es más estable y duradero.

Este enfoque ofrece una nueva forma de pensar en la lucha contra las infecciones virales. En lugar de depender de costosos recubrimientos químicos para proteger un fármaco, los científicos ahora pueden usar las propias debilidades del virus y el entorno natural del cuerpo para diseñar mejores medicinas. El éxito de esta estrategia con el SARS-CoV-2 sugiere que podría aplicarse a otros virus peligrosos que utilizan mecanismos de fusión similares, como el Ébola, el Nipah y el VIH. Los investigadores vislumbran un futuro donde un sencillo spray nasal que contenga estas proteínas rediseñadas podría utilizarse como medida preventiva, protegiendo a las personas antes de que sean expuestas a un virus o ayudando a detener una infección en sus etapas iniciales. Los hallazgos proporcionan un plano claro y práctico para convertir fragmentos de proteínas frágiles en herramientas robustas y capaces de salvar vidas.