Saúde

Imagens de anticorpos à medida que neutralizam o vírus COVID-19
À medida que a pandemia do COVID-19 se espalhava por todo o mundo na primeira metade de 2020, pesquisadores de todo o mundo trabalhavam 24 horas por dia para entendê-la e combatê-la.
Por Lori Dajose - 29/07/2020


Cortesia

O estudioso de pós-doutorado da Caltech, Christopher Barnes, é um desses pesquisadores. No laboratório de Pamela Björkman , a professora de Biologia e Engenharia Biológica de David Baltimore, Barnes geralmente estuda como o corpo humano produz células imunes e proteínas especializadas chamadas anticorpos que podem combater as inúmeras cepas diferentes do HIV. Nos últimos meses, porém, ele liderou a equipe de pesquisa COVID-19 do laboratório e reorientou as técnicas usadas para estudar o HIV no novo coronavírus, coronavírus 2 da síndrome respiratória aguda grave (SARS-CoV-2).

Agora, Barnes e sua equipe capturaram as primeiras imagens de anticorpos purificadas do plasma sanguíneo de pessoas que se recuperaram do COVID-19, agarrando-se a uma proteína essencial do vírus SARS-CoV-2. Além disso, a visualização de um anticorpo exemplar interagindo com essa proteína permitiu à equipe identificar locais na superfície do vírus que são particularmente vulneráveis ​​a ataques do sistema imunológico. Um artigo descrevendo esta pesquisa será publicado na revista Cell e agora está disponível online.

Um retrato detalhado de anticorpos e vírus

O corpo humano pode produzir inúmeros tipos de anticorpos, proteínas especializadas que têm como alvo e neutralizam vírus ou outros patógenos. Da mesma maneira que um jogador de futebol pode usar inúmeras táticas para se defender de um jogador adversário, um anticorpo pode tentar bloquear um vírus de várias maneiras diferentes. Alguns, no entanto, são mais eficazes que outros. Quando um anticorpo efetivamente torna um vírus incapaz de infectar células, ele é chamado de "neutralizante".

Barnes e Björkman buscam variações de anticorpos que podem ser "amplamente neutralizantes". Em outras palavras, eles procuram anticorpos eficazes contra muitas variações de um tipo de vírus - ou no caso do SARS-CoV-2, que não varia tanto quanto o HIV, anticorpos neutralizantes muito potentes.

A equipe trabalhou com colaboradores de longa data da Universidade Rockefeller, em Nova York, que tem sido um dos principais locais do surto de COVID-19 nos Estados Unidos. O laboratório de Michel Nussenzweig, liderado pelo pesquisador Davide Robbiani, coletou amostras de sangue de pessoas que haviam se recuperado do COVID-19. Após o recebimento desses plasmas, Barnes e seus colegas procuraram isolar a mistura única de anticorpos nas amostras de cada pessoa para descobrir quais anticorpos eram melhores na luta contra o SARS-CoV-2.

Para entender onde o coronavírus pode estar vulnerável, é útil entender como é o vírus e como ele inicia infecções. Cada vírus SARS-CoV-2 individual possui grandes estruturas de proteínas pontiagudas em sua superfície que lhe conferem uma aparência de coroa, daí o nome "coronavírus" ("corona" é a palavra latina para coroa). Um vírus usa sua chamada proteína spike (S) como um gancho para agarrar uma célula humana e iniciar sua invasão. Um anticorpo que pode bloquear a proteína S seria, portanto, altamente eficaz na prevenção de infecção do vírus pelas células.

Os anticorpos podem se ligar a muitas regiões diferentes, ou epítopos, da proteína S, levando a maior ou menor neutralização do vírus. Como analogia, se você quiser impedir que uma cobra venenosa morda, você pode segurá-la pela cauda, ​​o que ainda permitirá que a cobra o atinja, ou você pode agarrá-la perto da cabeça, reduzindo sua chance de ser mordida.

Para descobrir quais epítopos eram os alvos predominantes nas reações de anticorpos, Barnes e sua equipe tiraram imagens detalhadas dos anticorpos dos pacientes purificados, enquanto eles interagiam com a proteína SARS-CoV-2 S. Os pesquisadores descobriram que os anticorpos dos pacientes se ligavam a duas regiões distintas da proteína S, incluindo uma região, o chamado domínio de ligação ao receptor (RBD), que é fundamental para a capacidade da proteína de se conectar à célula hospedeira.

"Pelo que sabemos, é a primeira vez que uma equipe cria imagens de uma mistura de anticorpos purificados do sangue humano após uma infecção viral para visualizar os alvos desses anticorpos circulando no indivíduo recuperado", diz Barnes.

Barnes então se concentrou em um tipo específico de anticorpo que mostrava uma forte capacidade de neutralizar o vírus. Primeiro, ele purificou um complexo composto pela proteína S viral e anticorpo unidos e, em seguida, usou uma técnica chamada microscopia crioeletrônica de partícula única para capturar imagens das entidades emaranhadas - um processo semelhante à criação de imagens de uma praia inteira enquanto ainda era capaz para determinar a localização exata de cada grão de areia.

O RBD da proteína S pode adotar duas orientações diferentes, denominadas conformações "para cima" e "para baixo". Barnes e seus colegas obtiveram as primeiras imagens de alta resolução de um anticorpo neutralizador de SARS-CoV-2 ligado ao RBD em sua conformação "up".

Barnes descobriu que o anticorpo neutralizante se agarra ao RBD da proteína S em uma posição que se sobrepõe à parte do RBD que trava em uma célula hospedeira; dessa maneira, o anticorpo efetivamente bloqueia a proteína S de infectar células e neutraliza o vírus.

"As vacinas funcionam dando a uma pessoa um pedaço de um patógeno e, assim, induzindo o corpo a produzir anticorpos para esse patógeno, para que futuras infecções não possam se sustentar. Portanto, uma vacina precisa ser projetada de maneira precisa para induzir o corpo humano a produz os tipos mais eficazes de anticorpos possíveis ", explica Barnes. "Saber quais regiões do vírus SARS-CoV-2 são particularmente vulneráveis ​​a anticorpos é realmente importante para projetar vacinas. E saber quais classes de anticorpos são mais eficazes pode nos ajudar a projetar melhores terapias de anticorpos".

"Uma coisa que é particularmente interessante na estrutura de Christopher é que mostra que o anticorpo, embora fortemente neutralizante, não evoluiu para uma ligação ideal à proteína SARS-CoV-2 S", diz Björkman. "Isso sugere que esses tipos de anticorpos podem não ser difíceis de induzir no corpo de uma pessoa por meio de uma vacina. Além disso, sugere que deve ser possível usar técnicas de engenharia de proteínas para melhorar esses anticorpos e usá-los como terapêuticos".

Um trímero SARS-CoV-2 S ligado por um anticorpo neutralizante. 
Crédito: Laboratório C. Barnes / Björkman

A interseção de ciência e cientistas

A pandemia do COVID-19 deu urgência a esta pesquisa, mas o trabalho, como todos os empreendimentos científicos, não ocorre no vácuo, isolado de outros eventos que ocorrem no mundo; nem os cientistas podem se separar completamente de suas experiências, boas e ruins, dentro e fora do laboratório. De fato, assim como o artigo da equipe foi aceito para publicação, outra questão séria estava na mente de muitos pesquisadores, incluindo Barnes e seus colegas. Em 25 de maio, a morte de George Floyd nas mãos dos policiais de Minneapolis provocou protestos nacionais contra a brutalidade policial e o racismo sistêmico. Para Barnes, foi um lembrete difícil de suas próprias lutas com o racismo que ele enfrentou no mundo e na academia.

"Vou twittar sobre meu trabalho algum dia", escreveu Barnes em sua conta no Twitter, alguns dias após a morte de Floyd. "Mas hoje escolho twittar sobre George Floyd, Ahmaud Arbery [um homem negro morto a tiros em fevereiro] e todos os outros irmãos que perdemos sem nenhuma razão. #BlackLivesMatter".

"Sou cientista. Sou cientista negro. Estou no campus da universidade desde 2004 e, muitas vezes, sou o único cientista afro-americano em todo o meu prédio. Até chegar a Caltech, nunca tive um Mentor negro que eu poderia ir para falar sobre ciência e raça e cultura ", diz Barnes. "É um espaço difícil de navegar quando você precisa compartimentar-se como pessoa, compartimentar suas emoções. Não podemos simplesmente contratar pessoas de cor e dizer-lhes para deixar sua cultura, experiências e humanidade à porta. Esses eventos atuais são uma ilustração perfeita dessa dualidade: ter que mostrar alegria e entusiasmo aos meus colegas pela publicação de nosso artigo,

"A academia, como toda a América, está manchada pela estrutura racista subjacente a tudo em nossa sociedade. Como cientistas negros, todas as nossas experiências são afetadas por isso e carregamos esse fardo junto com as responsabilidades esperadas em nossas posições. esse alto nível como cientista negro exige que você seja excepcional, exemplificado pelo trabalho do Dr. Barnes ", diz Bil Clemons, professor de bioquímica da Caltech e, como Barnes, também biólogo estrutural. Clemons era o mentor de Barnes ao chegar a Caltech. Além de liderar seu próprio grupo, Clemons atua como presidente do Conselho de Diversidade do Presidente da Caltech. "A pesquisa do Dr. Barnes sobre HIV já era suficiente para demonstrar que ele está pronto para uma posição no corpo docente. O rápido progresso que ele fez na pesquisa COVID-19, diante de todos os nossos problemas sociais, prova que ele será um líder. da próxima geração de acadêmicos ".

Poucos dias após a morte de Floyd, o Centro Caltech de Inclusão e Diversidade (CCID) organizou um painel virtual durante o qual membros da comunidade afro-americana e negra da Caltech - estudantes, professores e funcionários - compartilharam algumas de suas várias experiências com uma platéia de quase 1.000 membros da comunidade Caltech mais ampla. Clemons e Barnes participaram. O evento foi o primeiro de uma série de programas e conversas através dos quais a comunidade Caltech discutirá e avaliará o clima de inclusão.

"Compartilhar minha história foi um primeiro passo importante para iniciar conversas com meus colegas, conversas difíceis que espero que continuem ao longo dos anos", diz Barnes.

A diretora de diversidade da Caltech, Cindy Weinstein, afirma : "Pertencer é a base essencial para a felicidade, criatividade e produtividade. Com essa base, indivíduos e comunidades podem atingir todo o seu potencial; sem ela, não podem. Caltech se compromete com a equidade, a inclusão e diversidade e reconhece que esses são os pilares sobre os quais a pertença é vivenciada, construída e sustentada ".

De fato, em um memorando para a comunidade Caltech em 6 de julho, o presidente e a liderança acadêmica da Caltech forneceram uma atualização sobre os novos passos que o Instituto tomará "para garantir que continuemos a criar e reafirmar um campus no qual é evidente, em tudo o que fazemos , que as vidas negras são importantes, que as mentes negras são importantes ", incluindo o aumento de fundos e programas para a construção de um canal de estudantes, pós-docs e professores de cor.

"Nós nos esforçamos para ser um exemplo de como uma comunidade diversificada e inclusiva, comprometida com a equidade, permite que os indivíduos prosperem no cumprimento da missão de pesquisa e educação do Instituto", disse o memorando.

Ilustração de manifestantes cercados por uma ilustração de picos de coronavírus. 
Um manifestante segura uma placa #BLM.
Trabalhos de arte desenvolvidos pelo laboratório Björkman para representar a
pesquisa da COVID juntamente com protestos internacionais contra a brutalidade
policial. Crédito: Laboratório Björkman

Um artigo descrevendo a pesquisa de Barnes intitula-se " Estruturas de anticorpos humanos ligados ao pico de SARS-CoV-2 revelam epítopos comuns e características recorrentes de anticorpos ". Barnes é o primeiro autor do estudo. Björkman e Michel Nussenzweig, da Universidade Rockefeller, são autores co-correspondentes. Os co-autores da Caltech são especialistas em pesquisa sênior Anthony P. West, Jr. (PhD '98); assistente técnica de pesquisa Kathryn Huey-Tubman; graduado estudante Magnus Hoffmann; estudioso de pós-doutorado e associado do Instituto Médico Howard Hughes Naima Sharaf; assistente técnico de pesquisa Pauline Hoffman; assistente técnico de pesquisa Nicholas Koranda; e cientista pesquisador Harry Gristick (PhD '15). Co-autores adicionais são Christian Gaebler, Frauke Muecksch, Julio Cetrulo Lorenzi, Shlomo Finkin, Thomas Hagglof, Arlene Hurley, Katrina Millard, Yiska Weisblum, Fabian Schmidt, Theodora Hatziioannou, Paul Bieniasz, Marina Caskey e Davide Robbiani, do The Rockefeller University. O financiamento foi fornecido pelos Institutos Nacionais de Saúde, Instituto Caltech Merkin de Pesquisa Translacional, Fast Grants da George Mason University, Instituto Médico Howard Hughes, Fundo Burroughs Wellcome, Robert S. Wennett e Fundação Mario Cader-Frech,

 

.
.

Leia mais a seguir