Vectores virales

AUTOR: Rosalía Alfaro Sifuentes

Laboratorio de Biología Molecular, Departamento de Ciencias Agronómicas y Veterinarias, Instituto Tecnológico de Sonora. Ciudad Obregón, Sonora, México

Centro de Investigación de Ciencias de la Salud Anáhuac, Facultad de Ciencias de la Salud, Universidad Anáhuac México Campus Norte, Estado de México, México

Resumen

El surgimiento de nuevas enfermedades, así como los cambios en la distribución, frecuencia de ocurrencia y magnitud de las patologías actuales están determinados por una serie de factores que, principalmente, se asignan al cambio climático y al estilo de vida de los individuos. Esto debido a que se perturban los ecosistemas, lo cual afecta la naturaleza de los vectores o intermediarios, ocasionando la propagación o introducción de nuevos patógenos. Además, la crisis económica mundial está causando un aumento en la carga laboral de las personas, lo que resulta en condiciones como falta de descanso y estrés, que debilitan el sistema inmunológico y favorecen el desarrollo de enfermedades. Por tal motivo, el uso de fármacos para controlar o mitigar las enfermedades está siendo insuficiente, promoviendo a las vacunas como una herramienta prometedora. De esta manera, el nuevo enfoque sobre las vacunas de vectores virales está convirtiéndose en una tecnología competente para la disminución, control e incluso erradicación de las enfermedades.

Palabras clave: vectores virales, vacunas, genes, respuesta inmunológica

Abstract

The emergence of new diseases, as well as changes in the distribution, frequency of occurrence, and magnitude of current pathologies, are determined by a series of factors primarily attributed to climate change and individual’s lifestyle. This is due to the disruption of ecosystems, which affects the nature of vectors or intermediaries, resulting in the spread or introduction of new pathogens. Additionally, the global economic crisis is causing an increase in individuals’ workloads, leading to conditions such as lack of rest and stress, which weaken the immune system and favor the development of diseases. As a result, the use of pharmaceuticals to control or mitigate diseases is proving insufficient, promoting vaccines as a promising tool. In this way, the new approach to viral vector vaccines is becoming a competent technology for the reduction, control, and even eradication of diseases.

Introducción

La invención de las vacunas ha sido uno de los mayores logros presenciados por la humanidad, debido a que ha reducido en gran medida el riesgo de sufrir enfermedades infecciosas que ponen en peligro la vida de los individuos. Incluso, se han logrado erradicar patologías como la viruela.¹ Sin embargo, el desarrollo de las vacunas se ha visto ralentizado por el surgimiento de nuevos patógenos que están siendo difíciles de tratar, por ejemplo, el virus de la inmunodeficiencia adquirida (VIH). Además, el continuo cambio climático está ocasionado constantes mutaciones en los microorganismos a un ritmo acelerado.²

Por estas razones, nuevas perspectivas para el desarrollo de las vacunas están siendo desarrolladas, con el objetivo de mejorar la respuesta inmunológica por parte del individuo inmunizado y, de esta manera, tener un efecto eficiente sobre el control de la infección, tomando en consideración el antígeno o el microorganismo per se causante de dicha patología. En este sentido, uno de los enfoques que se encuentra en auge hoy en día es el desarrollo de vacunas genéticas, las cuales inducen y potencian la respuesta inmunitaria mediante la liberación del gen o genes codificantes a antígenos de interés dentro de las células del huésped.^1,3

Vacunas genéticas

Este tipo de vacunas se clasifican en vacunas de ADN, de ARN y de vectores bacterianos o virales.¹ Estas últimas han demostrado tener ventajas frente a las vacunas convencionales (vacunas atenuadas o inactivadas) por dos principales razones. La primera razón se debe a que tienen la capacidad de producir respuestas celulares potentes, especialmente de células T citotóxicas (CD8⁺), así como una eficiente respuesta humoral.^3,4 La segunda razón se debe a que la elaboración de estas vacunas es siempre la misma: manufacturar un vehículo, es decir, el vector, el cual contendrá el gen codificante para el antígeno de interés. Mientras no se realicen modificaciones para mejorar las características del vector, el proceso de manufacturación no cambia y consiste simplemente en eliminar todos los genes virales del vector para no alterar negativamente la respuesta inmunológica del huésped.¹ De esta manera, todos los vectores que están siendo utilizados a la fecha se sometieron a una serie de estudios exhaustivos para determinar su eficacia y seguridad en humanos, así como la especificidad que tienen hacia las células de interés.

Por consiguiente, las vacunas de vectores virales consisten en modificaciones genéticas que se realizan a partículas virales de ADN o ARN para contener uno o más genes codificantes de antígenos de interés de un microorganismo en específico. Estos genes se liberarán dentro de las células del hospedero, estimulando una respuesta inmunitaria contra la enfermedad o infección específica sin la necesidad de utilizar adyuvantes.¹

La idea de utilizar a los virus como herramienta para la elaboración de vacunas se basa en el hecho de que estos han evolucionado a lo largo del tiempo para expresar eficientemente sus genes a las células del hospedero. En el caso de los vectores virales, esto aumenta la transducción de la información de interés, además de permitir una producción a gran escala por su crecimiento exponencial en cultivos celulares, generando altos niveles de antígenos.⁴

No obstante, también presentan desventajas. La principal es que el huésped puede presentar inmunidad contra el mismo vector debido a la exposición previa al antígeno o a antígenos similares, lo que reduce la transducción de información debido a que los vectores son neutralizados rápidamente por la respuesta celular y humoral.³ Aunado a que, para mantener la estabilidad de los vectores virales, es de suma importancia seguir una cadena de frío para evitar la pérdida de su capacidad para producir una respuesta inmunológica en el huésped, debido a que son altamente sensibles a la temperatura, principalmente el ARN.⁵ Un ejemplo de esto es la vacuna Pfizer para SARS-CoV-2, que utiliza ARN mensajero y su manejo es sumamente estricto debido a que debe mantenerse a temperaturas bajas (-70°C) para evitar su degradación.⁶

Otra desventaja es que, cuando se utilizan como terapia génica, los vectores pueden ocasionar daño a las propias proteínas del individuo, desarrollando enfermedades autoinmunes.² Esto resulta paradójico, debido a que el principal uso que se les ha otorgado a las vacunas por vectores virales es para terapias génicas, las cuales buscan corregir o reemplazar genes defectuosos o faltantes en el ADN de una persona para tratar enfermedades hereditarias y cáncer, entre otros padecimientos.

Tipos de vectores virales

Al hacer un análisis retrospectivo, el descubrimiento de los vectores virales no se puede atribuir a un investigador o médico en específico debido a que su desarrollo se ha llevado por décadas en el área de la investigación. Sin embargo, empezó su auge en la década de 1980, cuando se desarrolló la primera vacuna recombinante basada en Vaccinia virus para la erradicación de la viruela.⁷ Desde entonces, se ha puesto gran interés en su utilización y desarrollo para una gran variedad de vectores virales en la producción de vacunas y terapias, incluyendo adenovirus, citomegalovirus y virus del sarampión, entre otros.

Dentro de los determinantes para la utilización de los diferentes tipos de vectores virales se encuentran principalmente las células o tejidos de interés, la capacidad de empaquetamiento e integración al genoma de la célula diana, su tropismo y la toxicidad que pueda generar en el cuerpo del huésped.⁴

En la tabla 1 se pueden observar ciertas características de los principales vectores virales. Por ejemplo, los adenovirus, que son los más utilizados en la actualidad, se caracterizan por ser virus sin envoltura que poseen una cápside icosaédrica que contiene ADN de doble cadena y puede alcanzar una capacidad de carga de hasta 45 kb.⁷ A pesar de que existen más de 50 serotipos de adenovirus, el más utilizado es el serotipo Ad5, que emplea una proteína de superficie integrina αVβ5, la cual le permite adherirse a las células diana. Una vez dentro de la célula, el adenovirus puede mantenerse como episoma en el núcleo por un largo periodo, pero sin presentar el riesgo de mutagénesis.⁸

Sin embargo, la desventaja de este tipo de virus es que su cápside provoca una alta respuesta inmunológica por parte del huésped, que puede resultar en alta toxicidad y, por ende, en la perdida de células que ya han sido infectadas.⁹ Dentro de su uso más actual se encuentra el adenovirus modificado para entregar el material genético que codifica la proteína de la espiga del virus del SARS-CoV-2 a partir del serotipo Ad5, el Ad26 y ChAdOx1 en las vacunas CanSino, Johnson & Johnson y AstraZeneca, respectivamente.²

Tipo de vector	Capacidad de carga	Respuesta innata	Respuesta adaptativa	Transducción celular	Integración al genoma	Uso terapéutico
Adenovirus	Hasta 45 kb	Potente respuesta, activación de células endoteliales, liberación de citocinas	Células T CD8+	Células en división y no división	No	Enfermedades infecciosas
Cáncer
Adenoasociados	Hasta 5 kb	Respuesta débil, señalización por TLR9 que promueve células T CD8+	Células T CD8+	Células en división y no división	Noa	Desordenes genéticos
Retrovirus	Hasta 9 kb	Fuerte respuesta de IFN-α/β	Eficiente en la respuesta de células T y B	Células en división	Sí	Desordenes genéticos
Cáncer
Lentivirus	Hasta 9 kb	Fuerte respuesta de IFN-α/β	Eficiente en la respuesta de células T y B	Células en división y no división	Sí	Desordenes genéticos
Cáncer

^aSe puede integrar a ADN dañado.

Por otra parte, están los virus adenoasociados, que pertenecen a la familia de los parvovirus. Estos virus están compuestos de ADN de cadena sencilla con una capacidad de empaquetamiento menor a 5 kb. El genoma de estos virus está compuesto por tres genes que se encargan de codificar proteínas necesarias para su replicación, regulación, empaquetamiento, formación y maduración de su cápside.

Los adenovirus inicialmente se adhieren a glicoproteínas como la galactosa o el ácido siálico de las células diana y, posteriormente, se introducen por medio de las uniones de clatrina y viajan al núcleo para liberar la información genética. A diferencia de los adenovirus mencionados anteriormente, estos virus requieren de ayuda para poder replicarse y producir la infección, de lo contrario, se mantiene como episoma e incluso se integra al genoma del huésped en el cromosoma 19.⁸ Por esta misma razón, es utilizado principalmente como reemplazo genético, para evaluar la función de un gen o para silenciar su expresión.

Dentro de los virus adenoasociados existen más de 12 serotipos con más de 100 variantes, que median un amplio rango de tropismo celular o tisular debido a que se han hecho virus adenoasociados recombinantes. Una ventaja de estos virus es que no exhiben citotoxicidad en las dosis requeridas para la transducción, es decir, es menos inmunogénica que los adenovirus. Sin embargo, pueden presentar un bajo grado de mutagénesis, como se mencionó anteriormente.^8,9

Actualmente, los virus adenoasociados se utilizan en tratamientos para la hemofilia y ceguera y su enfoque principal está en su utilización para el estudio de la anatomía y fisiología del sistema nervioso central.¹¹

Asimismo, se encuentran los retrovirus, que, a diferencia de los anteriores, se trata de ARN de cadena sencilla que está envuelto en su cápside y envoltura viral. Su principal uso recae en una subcategoría, denominada lentivirus, que son retrovirus complejos por poseer seis genes más que codifican proteínas importantes para la replicación, adhesión, infección y liberación del material genético en las células blanco.¹²

Los retrovirus se unen a receptores específicos en las células huésped mediante glicoproteínas. Dependiendo del tipo de retrovirus, pueden esperar a la mitosis para entrar en la célula y liberar su información genética en el núcleo (gamma retrovirus) o pueden entrar directamente (lentivirus). Pueden integrarse a la información genética de la célula o permanecer como episoma. La mayoría de los vectores retrovirales proviene del virus de la leucemia murina o el VIH. Su tamaño de empaquetamiento está por 9 kb y la expresión de sus genes puede realizarse a largo tiempo. Sin embargo, al igual que los virus adenoasociados, los retrovirus pueden presentan mutagénesis por la disrupción o la activación inapropiada de un gen huésped cercano.⁸

Por esta misma razón, son los más adecuados para el tratamiento ex vivo en células de división, como células T y células madre. Esto implica la extracción de células del cuerpo, su posterior modificación mediante terapia génica y después su reintroducción para que empiecen a dividirse y generar nuevas células con el material genético idóneo. De esta manera, su principal uso en la actualidad se encuentra como tratamiento para desordenes hematopoyéticos, trastornos cerebrales y enfermedades metabólicas. También se está investigando su uso en el diseño de células T para combatir la leucemia utilizando la tecnología CRISPR-Cas9, que ha demostrado ser muy prometedora.¹⁴

No obstante, a pesar de lo anterior, hoy en día se están desarrollando ensayos clínicos sobre vectores virales para tratar, principalmente, enfermedades infecciosas. Por ejemplo, se están empleando vectores adenovirales en pruebas para el VIH, donde están obteniendo respuestas celulares CD8⁺ y CD4⁺ específicas, aunque con una alta incidencia de infección en comparación con grupos control.¹⁵ También, para el virus del ébola, se están realizando varios estudios que emplean distintos serotipos de adenovirus, como el Ad26, Ad3 y Ad5.¹⁶ Además, se encuentra el desarrollo de vacunas para el virus Zika, en las que se están utilizando genes que codifican a proteínas de membrana y los resultados están siendo favorables.¹⁷ Por otro lado, a pesar de la existencia de vacunas contra la influenza, estas están compuestas de virus atenuados o inactivados que presentan una baja eficacia, por lo que el desarrollo de nuevas vacunas empleando vectores virales también se encuentra en progreso.³ Por último, como se mencionó anteriormente, las vacunas para el SARS-CoV-2 han provocado un avance forzado en la técnica, aunado a la aceptación sobre el uso de los vectores virales, ya que hay distintas vacunas que ya han sido empleadas.³

Respuesta inmunológica

En virtud de lo anterior, un factor determinante utilizado para clasificar la manera en que los vectores actúan es si son replicativos o no dentro de las células. Es decir, existen vectores virales replicantes, los cuales tienden a inducir fuertes respuestas de células T CD8⁺, por lo que son los vectores virales más utilizados como terapia para el cáncer. Dentro de esta categoría se encuentran los retrovirus y lentivirus, como se ha descrito anteriormente. Estos, además, son utilizados como vacunas profilácticas que proporcionan protección contra reinfecciones por virus homólogos.^9,12

Por otro lado, los vectores no replicantes son más inofensivos y son utilizados como terapias de reemplazo génico para enfermedades autoinmunitarias y/o alergias mediante la producción de moléculas efectoras como interferones γ (IFN-γ), factores de necrosis tumoral α (TNF-α) y células T de memoria;^9,18 ejemplos de estos son algunos tipos de adenovirus y virus adenoasociados.

Entonces, dependiendo del tipo de vector, así como del propio gen de interés para tratar la infección o enfermedad, la manera en que el sistema inmunológico del huésped responde es diferente.^1,3,4,7,9 Cuando el antígeno codificado es liberado dentro de las células, los vectores promueven la respuesta inmunológica. Por ejemplo, las proteínas de la cápside del vector son detectadas por el sistema inmunológico innato, desencadenando una respuesta proinflamatoria mediante la liberación de quimiocinas y citocinas. Además, se observa un aumento en la presentación de antígenos por parte de las células dendríticas, las cuales promueven la activación, diferenciación y proliferación de las células T CD4⁺ y CD8⁺ mediante la liberación de interleucina 12.⁴ La principal función de las células T CD8⁺ es destruir a las células infectadas, mientras que las células T CD4⁺ ayudan a la activación de más células T y además a la activación de las células B para la formación de anticuerpos específicos.

Respecto a la vacunación, se ha establecido que la respuesta de las células T es de tipo Th-1, caracterizada por la producción de IFN-γ y TNF-α, lo cual protege y reduce la severidad de la infección. Sin embargo, la producción excesiva de IFN-γ reduce las respuestas celulares y de anticuerpos, por lo que es importante tener un control en las dosis.³ Aunado a lo que se mencionó anteriormente, el hecho de contar con inmunidad preexistente por el contacto previo ante el vector o virus similares a los inoculados ocasiona una la respuesta inmunológica débil e ineficaz por parte del huésped.^7,9 Por ello, en la actualidad se están fabricando diferentes vectores que contengan el material genético para el mismo antígeno, pero que modifican su tropismo, alteran su cápside o las glicoproteínas de la envoltura para que de esta manera no sea reconocido por los anticuerpos de memoria y el sistema de vacunación se vuelva efectivo y viable.^3,8

Conclusión

El deterioro en la calidad de vida de la población por cuestiones ambientales, alimentarias o incluso por el estilo de vida conlleva al aumento de enfermedades autoinmunitarias, hereditarias o incluso cáncer, que, en conjunto con el surgimiento de enfermedades emergentes, genera la necesidad urgente del desarrollo de técnicas que permitan atenuar la evolución exponencial de estos problemas.

En este contexto, los vectores virales han surgido como una tecnología que permite controlar diversas enfermedades. Un ejemplo muy claro fue el rápido desarrollo de vacunas para la pandemia de SARS-CoV-2, que en muy poco tiempo se desarrollaron para defender la salud de la población. Sin embargo, aunque se han tenido grandes avances y descubrimientos en esta área, todavía queda un amplio margen por descubrir y mejorar mediante investigaciones que nos permitan comprender a mayor profundidad cómo es que funcionan y así mejorar la respuesta inmunológica que propician y sobrepasar las limitantes que se tienen en la actualidad, para que, en el futuro, sea una manera rápida y eficaz de tratar y prevenir las enfermedades.

Referencias

1. Sasso E, D’Alise AM, Zambrano N, Scarselli E, Folgori A, Nicosia A. New viral vectors for infectious diseases and cancer. Semin. Immunol. 2020;50:101430.
2. El-Sayed A, Kamel M. Climatic changes and their role in emergence and re-emergence of diseases. Environ Sci Pollut Res Int. 2020;27(18):22336–22352.
3. McCann N, O’Connor D, Lambe T, Pollard AJ. Viral vector vaccines. Curr Opin Immunol. 2022;77:102210.
4. Shirley JL, de Jong YP, Terhorst C, Herzog RW. Immune Responses to Viral Gene Therapy Vectors. Mol Ther. 2020;28(3):709–722.
5. Bisht K, Te Velthuis AJW. Decoding the Role of Temperature in RNA Virus Infections. mBio. 2022;13(5):e0202122.
6. Mascellino MT, Di Timoteo F, De Angelis M, Oliva A. Overview of the Main Anti-SARS-CoV-2 Vaccines: Mechanism of Action, Efficacy and Safety. Infect Drug Resist. 2021;14:3459–3476.
7. Humphreys IR, Sebastian S. Novel viral vectors in infectious diseases, Immunology. 2018;153(1):1–9.
8. Chen, Y. H., Keiser, M. S., Davidson, B. L. Viral Vectors for Gene Transfer. Curr Protoc Mouse Biol. 2018;8(4):e58.
9. Robert-Guroff M. Replicating and non-replicating viral vectors for vaccine development. Curr Opin Biotechnol. 2007;18(6):546–556.
10. De Haan P, Van Diemen FR, Toscano MG. Viral gene delivery vectors: the next generation medicines for immune-related diseases. Hum Vaccin Immunother. 2021;17(1):14–21.
11. Sizemore RJ, Seeger-Armbruster S, Hughes SM, Parr-Brownlie LC. Viral vector-based tools advance knowledge of basal ganglia anatomy and physiology. J Neurophysiol. 2016;115(4):2124–2146.
12. Milone MC, O’Doherty U. Clinical use of lentiviral vectors. Leukemia. 2018;32(7):1529-1541.
13. Ungari S, Montepeloso A, Morena F, Cocchiarella F, Recchia A, Martino S, Gentner B, Naldini L, Biffi A. Design of a regulated lentiviral vector for hematopoietic stem cell gene therapy of globoid cell leukodystrophy. Mol Ther Methods Clin Dev. 2015;2:15038.
14. Kabadi AM, Ousterout DG, Hilton IB, Gersbach CA. Multiplex CRISPR/Cas9-based genome engineering from a single lentiviral vector. Nucleic Acids Res. 2014;42(19).
15. Gray G, Buchbinder S, Duerr A Overview of STEP and Phambili trial results: two phase IIb test-of-concept studies investigating the efficacy of MRK adenovirus type 5 gag/pol/nef subtype B HIV vaccine. Curr Opin HIV AIDS. 2010;5(5):357–361.
16. Zhu FC, Hou LH, Li JX, Wu SP, Liu P, Zhang GR, Hu YM, Meng FY, Xu JJ, Tang R, Zhang JL, Wang WJ, Duan L, Chu K, Liang Q, Hu JL, Luo L, Zhu T, Wang JZ, Chen W. Safety and immunogenicity of a novel recombinant adenovirus type-5 vector-based Ebola vaccine in healthy adults in China: preliminary report of a randomised, double-blind, placebo-controlled, phase 1 trial. Lancet. 2015; 385(9984):2272–2279.
17. Salisch NC, Stephenson KE, Williams K, Cox F, van der Fits L, Heerwegh D, Truyers C, Habets MN, Kanjilal DG, Larocca RA, Abbink P, Liu J, Peter L, Fierro C, De La Barrera RA, Modjarrad K, Zahn RC, Hendriks J, Cahill CP, Leyssen M, Barouch DH. A Double-Blind, Randomized, Placebo-Controlled Phase 1 Study of Ad26.ZIKV.001, an Ad26-Vectored Anti-Zika Virus Vaccine. Ann Inter Med. 2021;174(5):585–594.
18. Sakurai F, Tachibana M, Mizuguchi H. Adenovirus vector-based vaccine for infectious diseases. Drug Metab Pharmacokinet. 2022;42:100432.