Saúde

O invasor
Como o novo coronavírus penetra, explora e mata células e como um exército de cientistas pretende destruí-lo
Por Bruce Goldman - 11/09/2020

“Conheça o seu inimigo”, escreveu Sun Tzu, o grande sábio da guerra, há cerca de 2.500 anos. Hoje, conforme o COVID-19 se espalha pelo mundo, o maior exército de cientistas médicos já reunido está empenhado em aprender tudo o que puder, o mais rápido possível, sobre o SARS-CoV-2, o vírus por trás da pandemia.

Aqui está uma cartilha sobre vírus em geral e SARS-CoV-2 em particular. À medida que os pesquisadores aprendem mais e mais sobre o novo coronavírus que causa o COVID-19, esse conhecimento - obtido por meio de níveis incomparáveis ​​de cooperação científica - está se voltando contra o vírus em tempo real.

Não que seja uma busca simples. Comparado com um prato de laboratório, as pessoas vivas são complicadas. As células dessa placa não são iguais às células dos tecidos vivos afetados pelo SARS-CoV-2. Além disso, o ambiente ao redor, digamos, de uma célula pulmonar no corpo de uma pessoa é diferente daquele em um prato de cultura. E há essa coisa chamada “efeitos colaterais”. Você não os vê em um prato. Mas você pode em um paciente COVID-19.

Ilustração gráfica de um vírus por Jeffrey Decoster
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O que, exatamente, é um vírus, afinal?

Os vírus são facilmente a forma de vida mais abundante na Terra, se você aceitar a proposição de que eles estão vivos. Experimente multiplicar um bilhão por um bilhão e depois multiplicar por 10 trilhões. Isso - 10 elevado à 31ª potência - é a estimativa entorpecente de quantas partículas virais individuais povoam o planeta.

Um vírus é uma coisa viva? Talvez. As vezes. Depende da localização. “Fora de uma célula, uma partícula viral é inerte” , disse-me o virologista Jan Carette , PhD, professor associado de microbiologia e imunologia. Por si só, ele não pode se reproduzir ou, por falar nisso, produzir nada. É o parasita final.

Ou, você poderia dizer com mais caridade, é muito eficiente. Os vírus viajam com pouca bagagem, embalando apenas a bagagem de que absolutamente precisam para invadir uma célula, comandar sua maquinaria molecular, multiplicar-se e escapar.

Existem exceções para quase todas as regras, mas os vírus têm coisas em comum, disse Carette.

O kit de viagem de um vírus sempre inclui seu genoma - isto é, sua coleção de genes - e uma casca protéica circundante, ou capsídeo, que mantém o genoma viral seguro, ajuda o vírus a se prender nas células e subir dentro dele e, ocasionalmente, estimula um fuga por sua prole. O capsídeo consiste em subunidades de proteínas idênticas cujas formas e propriedades determinam a estrutura e a função do capsídeo.

Alguns vírus também usam sobretudos oleosos, chamados de envelopes, feitos de fragmentos roubados das membranas da última célula que infectaram. Os coronavírus têm envelopes, assim como os vírus da gripe e da hepatite C, herpesvírus e HIV. Os rinovírus, responsáveis ​​pela maioria dos resfriados comuns, e os poliovírus não. Os vírus envelopados desprezam particularmente o sabão porque rompe as membranas gordurosas. Água e sabão são para esses vírus o que exalar alho é para um vampiro, e é por isso que lavar as mãos faz maravilhas.

Como os vírus entram nas células, se replicam e se dirigem para as saídas?

Para que um vírus se espalhe, ele deve primeiro encontrar uma maneira de entrar na célula. Mas, disse Carette, “penetrar no perímetro de uma célula não é fácil”. As membranas externas das células são normalmente difíceis de entrar sem algum tipo de passagem especial. No entanto, os vírus têm maneiras de enganar as células para que as deixem entrar. Normalmente, uma parte da capa do vírus terá uma forte afinidade para se ligar a uma ou outra proteína que pontilha as superfícies de um ou outro tipo de célula. A ligação do vírus com aquela proteína da superfície celular serve como um bilhete de admissão, facilitando a invasão do vírus na célula.

O genoma viral, como o nosso, é um kit de instruções para a produção das proteínas de que o organismo necessita. Esse genoma pode ser feito de DNA, como é o caso de todas as criaturas, exceto por certos vírus, ou do RNA relativo químico próximo, que é muito mais flexível e um pouco menos estável. O genoma do SARS-CoV-2 é feito de RNA, assim como os genomas da maioria dos vírus que infectam mamíferos.

Além do gene que codifica sua proteína do capsídeo, todo vírus precisa de outro gene para sua própria versão de uma enzima conhecida como polimerase. Dentro da célula, as polimerases virais geram numerosas cópias dos genes do invasor, a partir de cujas instruções a linha de montagem molecular obediente da célula produz subunidades do capsídeo e outras proteínas virais. Entre elas, podem estar proteínas capazes de cooptar a maquinaria celular para ajudar os vírus a se replicar e escapar, ou de ajustar o próprio genoma do vírus - ou o nosso. Dependendo do tipo de vírus, o genoma pode conter apenas dois genes - um para a proteína a partir da qual o capsídeo é construído, o outro para a polimerase - ou até centenas.

As cápsides se auto-organizam a partir de suas subunidades, geralmente com a ajuda de proteínas originalmente feitas pela célula para outros fins, mas cooptadas pelo vírus. Cópias frescas do genoma viral são embaladas em capsídeos recém-fabricados para exportação.

Frequentemente, a abundante progênie do vírus pune as boas ações da célula que os produziu ao lisá-la - fazendo buracos em sua membrana externa, explodindo e destruindo a célula no processo. Mas os vírus envelopados podem escapar por um processo alternativo chamado brotamento, pelo qual eles se envolvem em um pedaço de membrana da célula infectada e se difundem através da membrana externa da célula sem danificá-la estruturalmente. Mesmo assim, a célula, tendo gerado uma miríade de vírus infantis, costuma ficar fatalmente enfraquecida.

Ilustração de vírus de Jeffrey Decoster
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Apresentando o coronavírus e como ele se liga

Agora sabemos como o seu vírus comum - uma partícula essencialmente inerte por conta própria - consegue entrar nas células, sequestrar sua maquinaria molecular, fazer cópias de si mesmo e partir para infectar novamente.

Isso apenas arranha a superfície. Dos milhões de diferentes espécies virais identificadas até agora, apenas cerca de 5.000 foram caracterizadas em detalhes. Os vírus vêm em muitas formas e tamanhos - embora sejam todos pequenos - e infectam tudo, incluindo plantas e bactérias. Nenhum deles funciona exatamente da mesma maneira.

E quanto aos coronavírus?

Os vírus envelopados tendem a ser menos resistentes quando estão fora das células porque seus envelopes são vulneráveis ​​à degradação pelo calor, umidade e o componente ultravioleta da luz solar.

Isso deve ser uma boa notícia para nós quando se trata de coronavírus. No entanto, a má notícia é que o coronavírus pode ser bastante estável fora das células porque suas pontas, projetando-se como agulhas de uma almofada de alfinetes, o protegem do contato direto, permitindo que sobreviva em superfícies por períodos relativamente longos. (Ainda assim, desinfetantes para as mãos à base de sabão ou álcool fazem um bom trabalho para desativá-los.)

Como mencionado anteriormente, os vírus usam proteínas que ficam nas superfícies das células como estações de acoplamento. As proteínas contrapartes que permitem a ligação dos coronavírus são os mesmos picos. Mas nem todos os picos de coronavírus são iguais. Variantes do coronavírus relativamente benignas, que, na pior das hipóteses, podem causar coceira na garganta e resfriados, se fixam nas células do trato respiratório superior - as cavidades nasais e a garganta. A variante viral que está causando a pandemia de hoje é perigosa porque suas proteínas de pico podem se prender às células do trato respiratório inferior - o pulmão e as células brônquicas - bem como as células dos pulmões, coração, rim, fígado, cérebro, revestimento do intestino, estômago ou veias de sangue.

Os tratamentos com anticorpos podem bloquear a ligação

Em uma resposta bem-sucedida à infecção por SARS-CoV-2, o sistema imunológico fabrica um potpourri de proteínas especializadas chamadas anticorpos que se agregam ao vírus em vários lugares, às vezes bloqueando sua ligação à proteína da superfície celular que está tentando se prender. Stanford está participando de um ensaio clínico, patrocinado pelo National Institutes of Health , para ver se o plasma rico em anticorpos (a parte livre de células do sangue) de pacientes COVID-19 recuperados (que não precisam mais desses anticorpos) pode atenuar os sintomas em pacientes com doença leve e prevenir sua progressão de leve a grave.   

Os chamados anticorpos monoclonais estão para os anticorpos no plasma convalescente o que o laser está para uma lâmpada incandescente. Os biotecnologistas aprenderam como identificar variantes de anticorpos que se destacam por se agarrarem a pontos específicos na proteína spike do SARS-CoV-2, impedindo assim a ligação do vírus às nossas células - e eles podem produzir apenas essas variantes em massa. Stanford está lançando um ensaio clínico de Fase 2 de um anticorpo monoclonal para o tratamento de pacientes com COVID-19.

Uma preocupação: as taxas de mutação viral são muito mais altas do que as taxas bacterianas, que superam as de nossos espermatozoides e óvulos. Os vírus de RNA, incluindo o coronavírus, sofrem mutações ainda mais facilmente do que os vírus de DNA: suas polimerases (aquelas enzimas que copiam o genoma mencionadas anteriormente) são tipicamente menos precisas do que as dos vírus de DNA, e o próprio RNA é inerentemente menos estável que o DNA. Assim, os vírus, e particularmente os vírus de RNA, facilmente desenvolvem resistência às tentativas do nosso sistema imunológico de encontrá-los e eliminá-los.

Os estudos de Stanford podem ajudar a revelar se a abordagem de "laser" com alvo preciso ou "lâmpada" de pia de cozinha funciona melhor.

O vírus invade uma célula

O professor assistente de engenharia química e espeleólogo de compartimento subcelular Monther Abu-Remaileh , PhD, descreveu duas maneiras principais de o coronavírus invadir uma célula e buscar conforto ali, e como pode ser possível barrar uma dessas rotas de entrada com o tipo certo de medicamento.

Esta é uma maneira: quando o coronavírus se fixa em uma célula, seu envelope gorduroso entra em contato com a membrana externa igualmente gordurosa da célula. Graxa adora graxa. O envelope viral e a membrana celular se fundem e o conteúdo viral é despejado na célula.

A outra maneira é mais complicada. A ligação viral pode desencadear um processo no qual a área da membrana externa da célula mais próxima do local onde o contato foi feito cede - com o vírus (felizmente) preso dentro - até que seja completamente eliminado, formando uma membrana interna cápsula revestida com líquido centrado, chamada endossomo dentro da célula. (Para visualizar isso, imagine-se com um chiclete na boca, soprando uma bolha interna ao inalar e, em seguida, engoli-lo. Nesta analogia, você é a célula e toda a sua pele, começando pelos lábios, constitui o membrana externa da célula.)

Envolvido neste endossomo está a partícula viral que colocou o processo em movimento. O diabinho acaba de enganchar uma carona no santuário interno da cela. Nesse ponto, a partícula viral consiste em seu envelope, seu capsídeo e seu genoma fechado - um projeto para as mais de duas dúzias de proteínas que o vírus precisa e a célula invadida não fornece.

Mas o endossomo não permanece um endossomo indefinidamente, disse-me Abu-Remaileh. Sua missão é se tornar outra entidade, chamada de lisossoma, ou se fundir com um lisossoma existente.

Os lisossomos servem como fábricas de reciclagem de células, quebrando grandes biomoléculas em seus blocos de construção constituintes para reutilização. Para isso, eles precisam de um ambiente ácido, gerado por bombas de proteínas em suas membranas superficiais que forçam os prótons para dentro dessas vesículas.

A acidez interna do edifício ativa enzimas que mastigam as proteínas de pico do coronavírus enclausurado. Isso coloca o envelope do vírus em contato com a membrana da vesícula e permite sua fusão.

O genoma viral é expelido para a grande extensão da célula. Lá, o genoma viral encontrará e se encarregará da matéria-prima e da maquinaria molecular necessária para executar suas instruções genéticas. Essa maquinaria irá produzir proteínas virais furiosamente - incluindo a polimerase customizada que SARS-CoV-2 precisa para replicar seu próprio genoma. Cópias do genoma e das proteínas do capsídeo do vírus serão reunidas e reembaladas na progênie viral.

Um par de drogas intimamente relacionadas, cloroquina e hidroxicloroquina, obteve muitos resultados na imprensa, mas, até agora, resultados decepcionantes em ensaios clínicos para o tratamento de COVID-19. Alguns pesquisadores defendem o uso da hidroxicloroquina, com a ressalva de que o uso deve ser feito no início do curso da doença.

Em uma placa de laboratório, essas drogas se difundem nas células, onde diminuem a acidez nos endossomos e evitam que ela se acumule nos lisossomos. Sem a acidez necessária, as proteínas do pico da membrana viral não podem ser mastigadas e o envelope viral não pode entrar em contato com a membrana de um endossomo ou lisossoma. O vírus permanece preso em uma prisão de seu próprio dispositivo.

Isso é o que acontece em um prato, de qualquer maneira. Mas apenas mais ensaios clínicos dirão o quanto isso importa.

Como o coronavírus se reproduz

O SARS-CoV-2 entrou na célula, por fusão ou como um aquanauta liliputiano, furtivamente guardado dentro de um endossomo. Se tudo der certo, o vírus se funde com a membrana do endossomo circundante. O genoma viral se espalha no (relativamente) vasto oceano celular circundante.

Aquela fita única de RNA que é o genoma do vírus tem um grande trabalho a fazer - dois, na verdade, Judith Frydman , PhD, professora de biologia e genética, me disse - a fim de se autoinicializar para gerar um grupo de descendentes. Ele deve se replicar por inteiro e em massa, com cada cópia sendo a semente potencial de uma nova partícula viral. E deve gerar várias cópias parciais de si mesmo - seções serradas que servem como instruções, dizendo às máquinas de produção de proteínas da célula, chamadas ribossomos, como fabricar as mais de duas dúzias de proteínas do vírus.

Para fazer as duas coisas, o vírus precisa de um tipo especial de polimerase, a proteína que funcionará como uma máquina copiadora do genoma viral. Cada célula viva, incluindo cada uma das nossas, usa polimerases para copiar seu genoma baseado em DNA e transcrever seu conteúdo (os genes) em instruções baseadas em RNA que os ribossomos podem ler.

O genoma da SARS-CoV-2, ao contrário do nosso, é feito de RNA, então já é compatível com o ribossomo, mas se replicar significa fazer cópias de RNA de RNA. Nossas células nunca precisam fazer isso e carecem de polimerases que possam.

O genoma do SARS-CoV-2, entretanto, carrega um gene que codifica uma polimerase de RNA a RNA. Se essa fita de RNA solitária puder se encontrar e se inserir em um ribossomo, este pode traduzir o projeto genético da polimerase viral em uma proteína funcional. Felizmente para o vírus, pode haver até 10 milhões de ribossomos em uma única célula.

Uma vez feita, a polimerase viral produz não apenas múltiplas cópias do genoma viral completo - replicação - mas também genes virais individuais ou grupos deles. Esses fragmentos podem subir a bordo dos ribossomos e ordená-los a produzir todo o repertório de todas as proteínas necessárias para formar vários novos descendentes virais.

Essas proteínas recém-criadas incluem, notavelmente, mais moléculas de polimerase. Cada cópia do genoma SARS-CoV-2 pode ser alimentada repetidamente por moléculas prolíficas de polimerase, gerando uma miríade de reproduções fiéis da fita inicial.

Bem, principalmente fiel. Todos nós cometemos erros e a polimerase viral não é exceção; na verdade, é muito desleixado em relação às polimerases - muito mais do que as polimerases de nossas próprias células, Carette e Frydman me disseram. Portanto, as cópias da fita inicial - e suas cópias - correm o risco de serem crivadas de erros de cópia, também conhecidos como mutações.

No entanto, as polimerases do coronavírus, incluindo o SARS-CoV-2, vêm equipadas exclusivamente com uma “proteína revisora ​​de provas” auxiliar que detecta a maioria desses erros. Ele retira o componente químico inserido incorretamente e dá à polimerase outra tentativa, geralmente bem-sucedida, de inserir a unidade química adequada na sequência crescente de RNA.

Controle de natalidade por coronavírus

A droga experimental remdesivir, aprovada para uso de emergência entre pacientes com COVID-19 hospitalizados, tem como alvo direto as polimerases dos vírus de RNA. Stanford participou de testes clínicos que levaram à aprovação desse medicamento injetável. Inicialmente desenvolvido para o tratamento da infecção pelo vírus Ebola, ele pertence a uma classe de medicamentos que atuam como blocos de construção químicos legítimos de uma sequência de DNA ou RNA. Esses poseurs são costurados no fio nascente e engordam tão mal que a polimerase para fora ou produz um produto defeituoso.

“Agora, com a droga, o vírus começa a produzir muitos genomas podres que envenenam o processo de replicação viral”, disse Frydman, o professor Donald Kennedy da Escola de Humanidades e Ciências.

Remdesivir tem a virtude de não bagunçar as próprias polimerases de nossas células, disse Robert Shafer , MD, professor de doenças infecciosas, que mantém um banco de dados continuamente atualizado de resultados de testes de drogas que visam a SARS-CoV-2.

Mas, embora o remdesivir seja muito bom em falsificar a proteína corretora companheira da polimerase viral, está longe de ser perfeito, disse Shafer. Algumas cópias intactas do genoma viral ainda conseguem ser feitas, escapar da célula e infectar outras células - missão cumprida.

Usar remdesivir em combinação com alguma droga ainda procurada, ainda não descoberta, que poderia bloquear o revisor pode ser uma estratégia mais infalível do que usar remdesivir sozinho, disse Shafer.

A rodada final no ringue de boxe celular

Além de replicar seu genoma completo, o vírus precisa produzir muitas proteínas. E sabe exatamente como. Esses fragmentos de RNA gerados pela polimerase viral são adaptados para cumprir as regras de produção de proteínas da célula - bem, até certo ponto. Eles se encaixam nos ribossomos exatamente como as próprias fitas celulares de “RNA mensageiro” copiadas dos genes da célula por suas próprias polimerases de leitura de DNA. Os chamados mRNAs são instruções para a produção de proteínas.

Mas há um obstáculo: entre as proteínas que o vírus força os ribossomos a fabricar, estão algumas que, uma vez produzidas, mordem a mão que os alimentou. Certas proteínas virais recém-fabricadas abrigam os ribossomos no ato de ler uma ou outra fita de mRNA da célula, prendem-se à fita e se fixam teimosamente, paralisando o ribossomo até que a fita de mRNA da célula se desfaça.

Os filamentos de RNA genômico que o vírus gera, entretanto, todos têm pequenos bloqueios em suas extremidades frontais que os protegem de serem presos nos ribossomos da célula pela equipe de destruição viral. Resultado: a linha de montagem de produção de proteínas da célula é desviada de forma esmagadora para a produção de proteínas virais. Isso é uma diferença: aumenta a produção do componente viral e sufoca a primeira linha de defesa natural da célula infectada.

Interferons como um tratamento potencial

Entre as proteínas natimortas da célula estão moléculas chamadas interferons, que a célula normalmente produz quando sente que foi infectada por um vírus. Os interferons têm maneiras de se misturar às operações da polimerase viral e silenciar a replicação viral. Além disso, quando secretados por células infectadas, os interferons agem como sinais de socorro de “chamada das tropas” que alertam o sistema imunológico do corpo sobre a presença e localização da célula infectada.

Em vez disso, silêncio. Vantagem: vírus.

Existem vários tipos diferentes de interferões. Um ensaio clínico está em andamento em Stanford para determinar se uma única injeção de um deles, chamada de interferon-lambda, pode manter pacientes com COVID-19 levemente sintomáticos recém-diagnosticados fora do hospital, acelerar a recuperação e reduzir a transmissão para familiares e os comunidade.

Mais uma coisa sobre vírus

Se você ainda não odeia e respeita os vírus, talvez não tenha prestado atenção. Mas tem mais.

Os vírus nem sempre matam as células que tomam como reféns. Alguns costuram seus genes no genoma das células que invadiram e essas inserções se somam. As sequências de DNA viral constituem 8% do nosso genoma - em contraste com o mero 1% que codifica as proteínas das quais somos amplamente feitos e que fazem a maior parte da produção.

“Nosso genoma foi 'invadido' por encontros anteriores com retrovírus após a infecção de espermatozoides ou óvulos”, Carette me disse. “Através da evolução, os genes desses retrovírus se tornaram inativos.”

Mas, como sempre, há uma exceção. Como Carette me disse: “Um antigo gene viral foi reaproveitado para desempenhar um papel essencial na embriogênese”, o processo pelo qual um embrião se forma e se desenvolve. A proteína que esse gene codifica permite a fusão de dois tipos de células na placenta do feto em desenvolvimento, permitindo a troca de nutrientes e resíduos entre o embrião em desenvolvimento e o suprimento de sangue materno.

Sem eles, isto é, não haveria nós.