¿Qué son estas vacunas a nivel de las moléculas? ¿Cómo se hacen? Y para responder a la pregunta de mi papá, ¿por qué necesitan enfriarse tanto en comparación con vacunas tradicionales?

Es casi imposible ver las noticias o leer Twitter sin ver cosas sobre las vacunas para SARS-CoV-2, el coronavirus que causa la enfermedad COVID-19. Unas compañías, Moderna y Pfizer, han desarrollado unas vacunas de ARNm y también han recibido la autorización de uso de emergencia en EEUU. ¡Grupos de personas de alta prioridad ya están recibiendo la vacuna ahora mismo! El post del día de hoy no será como las historias típicas en las noticias sobre el número de dosis ni de rankings de priorización. Esos puntos son importantes, pero más fácil de encontrar. Es un poco más difícil encontrar información sobre la bioquímica de las vacunas, entonces pretendo llenar el vacío usando este post.

Versión corta: Durante una infección viral, el sistema inmunológico hace unas proteínas pequeñas llamadas anticuerpos que específicamente atan partes virales y llaman por ayuda en combatir la infección. Después, algunos se quedan en el sistema para guardar en el caso de que el virus intente infeccionar de nuevo. La meta de usar vacunas es preparar el sistema inmunológico (y generar los anticuerpos) sin enfermarse. Las vacunas tradicionales la han logrado usando versiones del virus o inactivadas (matadas) o atenuadas (debilísimas). Con este método, el sistema inmunológico encuentra partes virales “pre-hechas”. Otra estrategia es introducir proteínas virales que sean creadas y purificadas en el laboratorio (se llaman “proteínas recombinantes”). Con vacunas de ARNm, no es necesario introducir partes virales. En su vez, se introduce una receta genética de las proteínas virales (que es inocua por sí misma), y las células de la persona las hacen.

Básicamente, necesitamos ARN mensajero (ARNm), que es una copia de la receta de la proteína (en el caso del coronavirus SARS-CoV-2, la receta codifica la proteína Spike). Colocamos el ARNm en las células (frecuentemente encapsulado en una membrana lipídica). Los ribosomas celulares (máquinas que crean proteínas) usan el ARNm (en un proceso repetitivo) para hacer muchas copias de la proteína correspondiente: Spike. Las células fijan la Spike en la superficie para que el sistema inmunológico la vea, la reconozca como exógena y finalmente que produzca una respuesta inmunológica.

SARS-CoV-2 es un virus monocatenario—tiene toda la información genética, incluyendo las instrucciones para hacer proteínas virales, en una sola cadena de ARN. Cuando mueve en el medio ambiente, el virus cubre el ARN con proteínas y lípidos grasos. En la tapa, se encuentra la proteína Spike (S) que se proyecta de la superficie y ata receptores de ACE2 en la superficie de la célula. Esta conexión permite la unión de las membranas viral y celular y la inyección del ARN viral dentro de la célula. (Más sobre la Spike en inglés aquí: https://bit.ly/coronavirusspike)

El código genético es universal, así que nuestras células pueden leer las instrucciones y hacer proteínas virales. Los virus “saben” este facto, entonces secuestran nuestras células para que obedezcan sus órdenes—incluyendo la orden de hacer proteínas virales. Sabiendo todo esto, ¿es posible ganarlos en su propio terreno? Si introducimos en el cuerpo las recetas (genes) de hacer proteínas virales, nuestras células pueden hacer esas proteínas. Pero si les damos solamente una parte del libro de recetas, no habrá virus activo.

El proceso es básicamente como hacer una sola parte del carro. Es posible reconocerla como parte del carro, pero no es suficiente para conducir. Nuestras células hacen el trabajo duro: la creación del antígeno. A diferencia de las estrategias que requieren la producción recombinante (pre-hecha) de proteínas, las células las hacen “perfectas”. Si hay modificaciones postraduccionales como la glucosilación (adición de un azúcar o glúcido), se las ponen en los lugares adecuados. Puede que este punto sea muy importante porque la proteína S tiene muchos azúcares. (Es glucoproteína.)

Jerga, parte 1: las modificaciones postraduccionales son parafernalias añadidas después de que “se escribe” la proteína. Es como escribir la “i” con un corazón en vez del punto normal. El proceso de “escribir” las proteínas se llama traducción: los ribosomas (máquinas que hacen proteínas) unen aminoácidos (“letras” de proteínas) por leer los codones (“palabras”) compuestos de 3 letras de ARNm. Hay 20 aminoácidos comunes. Todos tienen una cadena principal que permite la conexión uno al otro y una cadena lateral única (también llamada “grupo R”) que adornan como una joya de brazalete. Después de la traducción de una proteína, no es posible cambiar el orden de las “joyas” pero a veces sí es posible añadir extras como azúcares y fosfatos. De esta manera, hay otro nivel de regulación.

Jerga, parte 2: por lo general, “recombinante” quiere decir “hecho en un laboratorio”. Técnicamente, quiere decir que un científico ha insertado las instrucciones genéticas para hacer una proteína en un pedazo de ADN que es fácil de usar llamado un vector. Se les da a unas células que son fáciles de usar (como las de bacterias o insectos) para hacer la proteína. Las células harán copias ARNm del ADN (un proceso llamado transcripción) y después traducir la proteína. El proceso requiere la recombinación de ADN entonces la proteína resultante también es recombinante. (Más en inglés aquí: http://bit.ly/t7rnap)

La expresión recombinante es una estrategia que yo uso frecuentemente para hacer proteínas que quiero purificar y estudiar, pero tal vez las células agreguen modificaciones postraduccionales distintas (porque las modificaciones no se codifican en el ARNm, las incorporaciones dependen del tipo de célula). Por ejemplo, puede ser que las células de insectos no modifiquen una proteína igual como las células humanas, aunque usen el mismo ARNm. Estas diferencias pueden causar que el sistema inmunológico reconozca el blanco equivocado. (Más en inglés aquí: https://bit.ly/sugarssci)

Otra desventaja de usar proteínas recombinantes en las vacunas es que el número de proteínas es limitado al número que se purifican y se inyectan. Por otro lado, si se inyectan las instrucciones genéticas, es posible producir muchas copias de cada molécula de ARNm. También, será necesario purificar solo el ARNm y no la proteína.

El ARNm se hace comercialmente por un proceso llamado transcripción in-vitro. (Más en inglés aquí: http://bit.ly/t7rnap)

La idea básica es usar el ADN recombinante para hacer ARNm (transcripción), pero el proceso no continúa al paso de hacer las proteínas (traducción). “In vitro” quiere decir que los procesos tienen lugar en un tubo de ensayo. Entonces, la “transcripción in-vitro” es una manera de producir mucho ARNm de un patrón de ADN, frecuentemente usando la polimerasa de ARN (que copia el ARN) de un bacteriófago (virus que infecta las bacterias) llamada T7.

Como todas las polimerasas de ARN, T7 “reconoce” (ata específicamente) regiones específicas de ADN que se llaman promotores. Los promotores están situados ante el comienzo del gen. Colocar el promotor T7 delante de el ADN complementario de un ARN de interés, la polimerasa T7 hará muchas copias de ese ARN.

Hay un problema: el ARN es muy inestable. Entregar las instrucciones a las células de manera sana y sin que deterioren es todo un reto.

Esta es una diferencia grande y funcional de las vacunas de ARNm y las tradicionales hechas de virus inactivado o débil. En el caso de vacunas tradicionales, los factores virales son protegidos por la capa lipídica del virus. Cuando un tipo especial de célula inmune que se llama “célula presentadora de antígeno” lo trague, la célula inmune fija las proteínas virales es su propia superficie para servir para antígenos. El resto del sistema inmunológico usa estos antígenos para crear anticuerpos—un proceso de prueba y error hasta que se produzca algo que ate con especificidad y fuerza.

Las vacunas de ARNm no tienen una capa viral. Además, no es posible inyectar ARN desnudo porque proteínas que deterioran el ARN llamadas RNAses lo destruirían rápidamente. Si tú has trabajado en un laboratorio de bioquímica o biología molecular, es posible que ya hayas encontrado los problemas que causan. ¡Están en todas partes y son capaces de arruinar los experimentos! Necesitamos los RNases en el cuerpo porque sirven como defensa general contra los virus. Las células y los organismos pueden protegerse el propio ARN colocándolo en áreas lipídicas, guardándolo con proteínas etc. Los RNases que hacen la célula son secretados para deteriorar el ARN de los invasores virales. (Más en inglés aquí: https://bit.ly/rnaseadepc)

Una defensa que usan los científicos para proteger el ARN desnudo es guardarlo en temperaturas muy bajas. A esas temperaturas, los RNases son desactivados y las moléculas de ARN son menos probable de deteriorar por otras razones (por ejemplo, un ataque de una parte de la molécula hacia otra parte). (Más en inglés aquí: https://bit.ly/rnafragility)

Por ejemplo, guardamos nuestro ARN en el laboratorio a -80°C—la misma temperatura que requiere la vacuna de Pfizer. Este requisito hará muy difícil el trabajo de distribuir la vacuna a lugares rurales que no tienen congeladores largos. Algunos lugares dependerán de hielo seco. Incluso en lugares que sí tienen congeladores -80°C, el hielo seco será crucial en el proceso de transportar la vacuna. (Más sobre el hielo seco en inglés aquí: http://bit.ly/sublimedryicescience)

Entonces, guardarlo frío el ARNm puede protegerlo antes de meterlo en las células. Cuando esté en las células, el ARNm está protegido por las mismas protecciones como los ARNm celulares: la caperuza 5’ a un borde y la cola poli-A 3’ al otro. (Más sobre las modificaciones postranscripcionales en inglés aquí: http://bit.ly/mrnaprocessing)

¿Cómo es posible colocar el ARNm en las células? Las células no permiten que entre todo el mundo, especialmente el ARN arbitrario. Además, gracias a los grupos fosfatos (PO43-) con carga negativa en la cadena principal, la molécula no está compatible con la membrana grasa de la célula…

Los fabricantes de vacunas usan membranas grasas para facilitar la entrada de ARNm. La técnica se llama nanopartículas lipídicas (LNPs, en inglés) que rodean el ARN en una mezcla de lípidos. Ahora necesitamos un poco más de jerga…

A este punto, hemos hablado de lípidos como “cosas grasas” y sí las son…por mayor parte. Cuando dije “graso”, básicamente quería decir “hidrofobicidad” que es la propiedad de una molécula que se excluye del agua. El agua es muy polar así que, aunque es neutra en total, tiene partes positivas (los hidrógenos) y una región negativa (el oxígeno). Las cargas opuestas se atraen, entonces las moléculas de agua pueden formar redes extensivas, y solamente dejarán que las otras cosas polares o cargadas (cosas también hidrofóbicas) asocien con ellas. “Los aceites” se hacen de cadenas largas de hidrocarburos (basadas de hidrógeno y carbón) que son no cargadas y no polares. Estas moléculas hidrofóbicas no le son atractivas al agua. Piensa qué pasaría si metieras el agua con aceite: no mezclarían. (Más sobre esto en inglés: http://bit.ly/hydrophobesarenotafraid)

Los lípidos en las membranas de nuestras células son “fosfolípidos” – tienen grupos de fosfatos encima de sus colas grasas (hidrofóbicas). Y como acabamos de discutir, los grupos fosfatos tienen cargas negativas. Así que los fosfolípidos se forman de parte hidrofílicas (las cabezas) y partes hidrofóbicas (las colas), los llamamos “anfifílicos”.

Resulta que, si se ponen los fosfolípidos en agua, se convertirán en bicapas fosfolipídicas que parecen bocadillos de fosfolípidos en que las colas se meten en el centro como la carne y las cabezas se ponen hacia el agua como el pan del bocadillo. Debido a esta propiedad, es posible formar compartimentos de agua (como las células) dentro de otros compartimentos de agua (como el cuerpo). (Más sobre esto en inglés aquí: https://bit.ly/lipidlove)

ambiente lleno de agua exterior

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ambiente lleno de agua interior

Pueden existir también “sub-compartimentos” dentro de las células que tienen sus propias membranas. La endocitosis es un proceso que los forman. Es como un sumidero bioquímico: básicamente la membrana sepulta una parte de sí (incluyendo cualquier cosa atada) y la pellizca. Al fin del proceso, las cosas atadas están dentro de la célula y rodeadas por una membrana. Se llama endosoma.

Si la LNP ata a la membrana, puede entrar en un endosoma. Los lípidos en la LNP pueden desestabilizar la membrana del endosoma y el ARN entrará la célula.

Antes que nada, la LNP necesita atar a la membrana. Parece que hay unas maneras para lograr esto. Los detalles exactos dependen de las formulaciones y tipos de célula, pero las LNPs son frecuentemente una mezcla de lípidos neutros, catiónicos (que tienen carga positiva) y/o lípidos ionizables. El grupo catiónico puede ayudar con atar a la membrana. Usamos cosas catiónicas como PEI en el laboratorio para transfecciones de ADN. (Una transfección es el proceso de colocar ácidos nucleicos como ADN o ARN en una célula. Más sobre transfección en inglés aquí: http://bit.ly/transfectionmethods)

La razón por la cual usamos elementos catiónicos en la transfección es que el ADN y ARN tienen cadenas principales con cargas negativas (son aniónicas). Las membranas de la célula tienen cabezas aniónicas también – sabemos que las cargas iguales repelen. Una molécula de ARN desnudo no podría acercarse a la superficie de la célula, incluso si escapara los RNases. Las moléculas catiónicas pueden neutralizar la carga negativa para hacerla menos repulsiva – y potencialmente atractiva. En nuestros cuerpos, por ejemplo, el ADN y el ARN pasan tiempo junto a iones positivos de magnesio Mg2+.

Durante transfección, frecuentemente usamos moléculas llamadas lípidos catiónicos para neutralizar las cargas. Son similares a los fosfolípidos, pero al revés – tienen una cola hidrofóbica y una cabeza cargada, pero los lípidos catiónicos tienen una cabeza de carga positiva. Esta propiedad deja que aten el ARN de carga negativa y no deja que repulse de la membrana. También, las cargas ayudan con la cohesión entre los lípidos catiónicos y los lípidos en la membrana de la célula. Esta técnica es muy útil en el laboratorio, pero los lípidos catiónicos pueden causar problemas en el cuerpo – por ejemplo, si atan a proteínas del plasma en la sangre.

Para evitar los problemas de lípidos que tienen una carga positiva constante, las LNPs diseñadas para el uso en el cuerpo tienen lípidos de carga variable llamados lípidos ionizables. El grado de su carga depende del pH. Un pH bajo (más ácido) quiere decir que hay más protones (H+). Los lípidos ionizables tienen grupos que pueden aceptar los protones y luego sostendrán una carga positiva (serán catiónicos). En un ambiente de pH alto, habrá menos protones y esos grupos ya mencionados no llevarán ninguna carga (serán neutros). Es posible formar las LNPs a pH bajo cuando los lípidos tienen carga positiva y luego subir el pH para el producto final. (Más sobre esto en inglés aquí: https://bit.ly/3f0Nwo7)

Las LNPs atan a las células de maneras diferentes. Algunas maneras requieren proteínas que son receptores de lípidos. Una vez dentro de la célula (en un endosoma) los lípidos ionizables se vuelven importantes de nuevo. Parte de la maturación del endosoma, el pH va bajando y los lípidos se vuelven catiónicos. La interacción entre las cargas positivas desestabiliza las membranas del endosoma.

Creo que esto servirá como buen resumen. La verdad es que los detalles cambian depende de la formulación. https://bit.ly/3kyjJE6  DOI:10.1038/mt.2010.85

La vacuna de Pfizer usa una formulación LNP diseñada por la compañía canadiense Acuitas. https://acuitastx.com/technology/ En el papel científico disponible en su sitio web, dicen que “contiene un lípido catiónico ionizable (patentado por Acuitas), fosfatidilcolina, colesterol y lípido-PEG”. DOI:10.1038/nature21428

La fosfatidilcolina y el colesterol son componentes de las membranas de la célula. Sirven para ayudar en la formación de la berrera. Los lípidos-PEG tienen un grupo de polietilenglicol. PEG es un hidrocarburo largo con muchos grupos -OH hidrofílicos. El uso de PEG añade más protección, estabilidad y volumen. También ayude en evadir el sistema inmunológico. (Más sobre esto en inglés aquí: https://bit.ly/3lvx2qg)

Independientemente de la formulación, el resultado es que (con suerte) el ARNm estará en la célula, los ribosomas harán unas proteínas (recuerda que es posible hacer muchas proteínas de una molécula de ARNm) y el sistema inmunológico hará anticuerpos. Este post no pretende hablar de la última parte, pero sí intenté en otro (en inglés): https://bit.ly/coronavirusvaccinetypes

La FDA nunca había aprobado antes una vacuna de ARNm. En su defensa, la tecnología para hacer este tipo de vacuna es bastante nueva. Ahora que es posible, las compañías intentan usar la técnica para enfermedades más allá de la COVID-19. Unas ventajas: el ARNm es mucho más fácil de fabricar que otros tipos de vacuna y es posible empezar los esfuerzos en el minuto en que sepas el código genético. Sin embargo, es necesario escoger la proteína adecuada y tal vez modificarla un poco, pero, aun así, ¡es más fácil que expresar y purificar la proteína! Además, cada copia del ARNm se usa innumerables veces por los ribosomas. Por eso, habrá un buen rendimiento de inversión.

Una desventaja (de las vacunas actuales): es menester guardarlas en congeladores a veces especializados. La de Pfizer necesita una temperatura de -70°C (-94°F) que es mucho más frío que un congelador normal. La de Moderna necesita una temperatura de -20°C (-4°F), igual a tu congelador en casa. (Más sobre esto en inglés aquí: https://bit.ly/2IE9oJw)

Las vacunas de ARNm son solamente un tipo de vacuna en marcha. Otros métodos no tienen los mismos requisitos de temperatura. El desarrollo de vacunas parece un tipo de carrera (especialmente porque la Rusia nombró su vacuna “Sputnik”) pero en la realidad, ¡cuanto más, mejor! Hay muuuuuuuuucha gente que necesita una vacuna – en todo el mundo – en situaciones muy diversas y en lugares que tal vez no haya congeladores especiales. Y con suerte, la tecnología avanzará y las vacunas no requerirá esos congeladores. Con suerte estos cambios harán la asistencia médica más accesible a todos.

Espero que te haya respondido a tu pregunta, Papá (y con suerte, leíste todo el post y que veas esto). Yo diría que siento culpa por dar tanta información que no pediste, ¡pero la verdad es que no siento ninguna culpa!


¡Muchas gracias a Daniel Srole por esta traducción! Danny Srole is a PhD candidate in the UCLA Center for Iron Disorders studying how iron metabolism influences and is influenced by human health and disease. Originally from Los Angeles, Danny earned a BA in biochemistry and molecular biology from UC Berkeley before returning home for his graduate studies.


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