Como o SARS-CoV2 entra nas células e como funcionam as vacinas?
A pandemia do novo Corona vírus vitimou muitas pessoas ao redor do mundo, em especial no Brasil. onde o governo tem executado uma estratégia institucional de propagação da doença (1). Diante de toda tragédia epidemiológica, muitas pessoas acreditam que esses momentos de emergência de saúde globais impulsionam o desenvolvimento de novas pesquisas, drogas (medicações e vacinas) e terapias. Nesse contexto, acabamos percebendo que, na verdade, muito do conhecimento que acumulamos desde que a pandemia começou, foi a partir de técnicas que já eram conhecidas, e a nossa compreensão foi construída a partir de conhecimentos já anteriores sobre vírus e sua epidemiologia. Isso reforça a importância da ciência como uma política de estado, não como um extintor que fica parado esperando o incêndio para começar agir. O tempo recorde da produção desse conhecimento e dessas vacinas que vamos falar aqui se deve à isso e os países que estão na liderança dessa produção são aqueles que mais investiram em ciência nas últimas décadas, não somente a partir de 2020. Para chegarmos a tecnologia de mRNA utilizada na vacina da Moderna/Pfizer, a mais inovadora, tivemos que passar por dois momentos, antes. Primeiro, conhecer detalhes químicos sobre o corona vírus e sua forma de entrada nas células humanas. Depois, conhecer as tecnologias de algumas outras vacinas que estão sendo aplicadas ou na fila para aprovação no Brasil. Por último, vamos ver em detalhes a tecnologia da vacina da Pfizer, a mais inovadora disponível.
UM RAIO-X DO SARS-CoV2 E DA FORMA DE ENTRADA EM CÉLULAS HUMANAS
Os vírus são basicamente constituídos por alguma fita de ácido nucleico (ou seja, o material genético, que pode ser DNA ou RNA) e um envoltório protetor, conhecido como capsídeo. Ainda é possível que sejam envoltos por mais uma camada denominada envelope. Nesse caso, chamamo-nos de vírus envelopados. O agente responsável pela CoViD-19 é um vírus envelopado que pertence à família Coronaviridae, denominado SARS-CoV2 e é bem parecido com o vírus causador do surto de SARS em 2003, o SARS-CoV.
O SARS-CoV-2 é um vírus de ácido ribonucleico (RNA), cujo material genético é representado por uma única molécula de RNA positivo (RNA+, vamos entender isso em breve, na seção de microbiologia do site)(2). Todo o seu genoma contém menos de 30.000 nucleotídeos, dentre os quais conseguimos identificar cerca de 29 genes. Os mais importantes para o estudo da epidemiologia de CoViD-19 são os genes S e N. O Gene S instrui a produção da proteína S, conhecida como spike; o gene N instrui a produção da Proteína N, o nucleocapsídeo viral, que regula o processo de replicação viral (ou seja, multiplicação do material genético para formar mais vírus). A proteína S (de spike) é aquela que dá ao vírus sua aparência característica de uma coroa, que justifica até seu nome 'corona'. O spike é uma glicoproteína de 1273 aminoácidos localizada no envelope externo do vírus, que é feito de lipídios (aliás, o motivo da lavagem de mãos ser tão eficiente contra esse vírus é justamente a ação surfactante dos detergentes e sabãos destruírem esse envelope lipídico, isto é, gorduroso). Uma sequência de 200 aminoácidos de comprimento da proteína spike está principalmente envolvida em sua interação com o receptor ACE2, conforme você pode ver abaixo.
Modelo da estrutura do domínio receptor-obrigatório do novo coronavirus (rosa) com seu receptor ACE2 nas células humanas (azul).
O SARS-CoV2 entra nas células humanas de uma forma parecida com outros vírus, como o Coronavírus humano NL63 (HCoV-NL63) e o SARS-CoV. Ocorre um reconhecimento entre a proteína humana ACE2, expressa nas células epiteliais respiratórias e de outros órgãos, e o spike desses vírus. Mas, para isso, ele depende de uma protease (enzima que 'corta' proteínas) chamada TMPRSS2, que possui a capacidade de clivar e ativar a proteína S, permitindo que o vírus se ligue ao receptor da ACE2. Não é atoa que na busca sobre potenciais remédios para tratar a COVID-19, tem sido aventado o mesilato de nafamostato, uma substância geralmente utilizada no tratamento de pancreatite aguda e outras doenças que levam à formação de coágulos sanguíneos. Essa droga atua sobre a enzima TMPRSS2, bloqueando sua ação. Ou seja, pense: se você bloqueia a ação de uma enzima que, no final das contas, auxilia o vírus a se ligar ao receptor ACE2 e entrar na sua célula, você acaba dificultando a entrada do vírus e a evolução da doença (7). Como você pode ver, conhecer as moléculas envolvidas na ação do vírus é uma das chaves para uma busca bem orientada por drogas eficientes no tratamento.
A ACE2 está relacionada com o controle da pressão arterial humana através do sistema renina-angiotensina (aliás, o nome da proteína significa angiotensin-convertin enzyme 2). A ACE2 é homóloga e age de forma antagônica à ACE. Enquanto esta desencadeia uma vasoconstrição, aquela desencadeia uma vasodilatação, fazendo, assim, um controle da pressão nos nossos vasos sanguíneos. Isso, inclusive, ajuda a entender o motivo pelo qual pessoas com doenças cardiovasculares têm mais chances de se infectarem e desenvolverem formas graves da doença. Normalmente, nesses pacientes a expressão do gene ACE2 é maior e, por consequência, eles acabam possuindo mais dessa proteína na membrana de algumas células. Além disso, os próprios medicamentos para tratar diabetes e hipertensão, por exemplo, podem resultar num aumento da expressão do gene ACE2, gerando o mesmo resultado: mais receptores ACE2 disponíveis. Por isso, sabe-se que, nesses pacientes, esse aumento pode gerar uma maior chance de infecção e até mesmo agravar da doença.
E veja que interessante: um estudo recente, inclusive, relacionou mutações no gene ACE2 e a afinidade com o spike do SARS-CoV2 (3). Os ensaios in vitro permitiram identificar que, dentre as 17 variações desse gene na população humana, pelo menos duas apresentam uma baixíssima afinidade para a formação do complexo com a proteína spike do SARS-CoV2, ou seja, são pouco propícias para entrada do vírus nas células humanas. Esse, embora seja um estudo teórico, pode indicar um caminho interessante para compreendermos o motivo pelo qual as pessoas possuem reações tão diferentes à doença e ainda, indicar que (pelo menos teoricamente) a evolução poderia atuar para selecionar positivamente alelos que conferissem resistência à essa infecção.
Essa imagem retrata a proteína ACE2 e as possíveis variações (em azul) na sequência de aminoácidos original. Cada código alfa-numérico corresponde a uma das dezessete mutações estudadas.
Importante saber que em outubro de 2020, foi divulgado um estudo da Universidade de Bristol descrevia que a NRP1 (outra proteína humana) é um receptor secundário também contatado pela proteína S, ou seja, o spike, que auxilia o novo corona vírus a se ligar às células e facilita a sua entrada nas mesmas (4) (5) (6). Se quiser ver mais detalhes acerca disso, em vídeo, clique aqui. Essa descoberta é especialmente interessante pois as células que têm ambos receptores (ACE2 e NRP1) são mais infectadas do que aquelas que têm apenas um deles. A imagem acima mostra células humanas infectadas com SARS-CoV-2 e expressando proteínas virais (mostradas em verde). A remoção da neuropilin-1 (NRP1) das células ou o tratamento das células com um fármaco ou anticorpo direcionado à neuropilin-1 reduz a infecção por SARS-CoV-2.
Fiocruz registra o exato momento da infecção do novo coronavírus em célula (Foto: Fiocruz)
TECNOLOGIA DAS VACINAS APROVADAS NO BRASIL
Existem três principais tecnologias de vacinas atualmente. As vacinas atenuadas, vacinas de vetores virais não-replicantes e as vacinas inativadas. Somente as duas últimas categorias têm representantes relevantes na busca global pelo mercado vacínico para COVID-19. Isto é: não há vacinas ativadas para COVID-19. As vacinas ativadas são aquelas que contém a partícula viral inteira e viva, embora ela esteja fraca (atenuada) demais para causar a doença. Nós tomamos essas o tempo todo. Por exemplo, você com certeza já tomou as gotinhas contra a poliomielite oral (Sabin), ou ainda as contra o Rotavírus (Rotateq, Rotarix), Febre Amarela (17D). Rubéola, Caxumba e Sarampo (Tríplice Viral), Varicela e Influenza humano. Por conter o agente viral vivo (embora esteja atenuado), ele pode sofrer reversão de patogenicidade (isto é, voltar a ser virulento) e causar a infecção. Por conta disso, embora esse efeito seja raro, esses tipos de vacina são proibidas para grávidas e pessoas imunodeprimidas. Isso é importante de esclarecer para combater a ideia errada que algumas pessoas possam ter de que a vacina contra a COVID-19 é capaz de causar a doença de forma branda ou moderada. Embora possam haver reações, nenhuma delas é capaz de causar a doença, pois nenhuma mimetiza a infecção natural como as vacinas atenuadas fazem. Estou falando de 0% de chance, só para ficar claro. Vamos conhecer, então, as vacinas aplicadas no Brasil e suas tecnologias:
CoronaVac - Produzida pela Sinovac Biotech em parceria com o Instituto Butantan, no Brasil. A tecnologia utilizada é a de vacina inativada, onde são injetados antígenos do vírus SARSCoV-2. Outras vacinas comuns com essa tecnologia são: HPV, Poliomielite (injetável), Hepatite A, Gripe e Raiva. A vacina inativada é produzida a partir da seleção de somente algumas partes da parede proteica do vírus, usadas pelo microrganismo para entrar nas células humanas, mas que também são aquelas reconhecidas pelo hospedeiro para elaborar a resposta imune. Essas partes são conhecidas como antígenos. O antígeno utilizado para sensibilizar nosso sistema imune no caso da CoronaVac é justamente o spike. Pelo fato do vírus estar todo 'picotado' ou até mesmo possuir somente alguns fragmentos do vírus, essa vacina não é capaz de causar a doença, mesmo na forma branda, e ainda dificilmente gera reações.
AZD122 - Produzida pela parceria entre a Universidade de Oxford e a companhia AstraZeneca e distribuída pela Fiocruz, no Brasil. A tecnologia utilizada é baseada em vetores virais não replicantes. Lembra das aulas de ciências, quando conhecemos animais vetores de doenças, ou seja, que carregam certas doenças até um hospedeiro definitivo? A ideia é semelhante. A vacina Oxford-AstraZeneca utiliza a cápsula viral de um resfriado comum de chimpanzé (adenovírus) conhecido como ChAdOx1, que é modificado por engenharia genética para conter, dentro do seu genoma, os genes do SARS-CoV2 que orientam a produção da proteína spike SARS-CoV-2. Ao ser modificado, o adenovírus não consegue causar essa doença em humanos e, por carregar somente alguns genes do SARS-CoV2, não é capaz também de causar o novo corona vírus. Importante ressaltar que a versão do adenovírus utilizada é de tal forma modificada para que seja capaz de adentrar a célula, mas não de se replicar dentro dela. Isso não o impede de ter o seu material genético lido e também não impede que as proteínas virais sejam produzidas. Dentre as proteínas produzidas, aquela que foi artificialmente inserida no genoma do adenovírus, que é a do spike do SARS-CoV2. Produzindo essas proteínas spike, a célula 'infectada' vai expor essa glicoproteína na sua própria membrana e linfócitos T helper desencadearão um sinal de alarme para que oturas células do sistema imune lutem contra o 'invasor'. É aí que os linfócitos B começam se proliferar com o mesmo 'encaixe' do spike, além de produzir anticorpos também capazes de reconhecer as células que possuem aquele spike, afim de combatê-las. Sabemos que uma das chaves para a eficiência dessa vacina é o próprio adenovírus, que serve como 'vetor'. A sua presença provoca um sinal de alarme e ativação do sistema imune, o que resulta em uma reação mais forte das células do sistema imune contra a proteína spike. A vacina da Janssen (Johnson&Johnson) e a Sputinik V, do Instituto Gamaleya (Russia) tem a mesma tecnologia, mas esta última tem enfrentado controvérsias na aprovação pela ANVISA pela suspeita do adenovírus possivelmente conseguir se replicar nas células humanas e poder causar alguma moléstia aos vacinados. A tecnologia de vetor viral também foi usada no desenvolvimento das vacinas experimentais contra o Ebola, que foram implantadas na República Democrática do Congo (RDC) e em Ruanda, e usada para elaborar candidatas a vacina contra o HIV, RSV e Zika. Uma das vantagens dessa tecnologia é que ela torna possível a distribuição para locais onde possa não existir estruturas complexas de saúde, já que diferente da CoronaVac, a AZ122 possui uma capa proteica de adenovírus para proteger o DNA, que ainda é uma molécula mais estável do que o RNA. Tudo isto permite que a vacina não necessite permanecer congelada, podendo ser armazenada em temperaturas entre 2 e 8° C, que é possível de ser atingida com freezers não especializados.
As vacinas que descrevi acima, que usam apenas partes do vírus ou o vírus inativado, costumam ser menos imunogênicas do que as vacinas ativadas. Isto é, tem menos força para estimular o sistema imunológico. Por conta disso, compreendemos o motivo pelo qual elas necessitam de formulações que incluam adjuvantes (componentes para ajudar nessa estimulação do sistema imune) e precisam de esquemas vacinais multidoses. É por isso que todas as vacinas contra a COVID-19 necessitam de mais de uma dose para a cobertura completa do vacinado.
A VACINA 'GENÉTICA', A TECNOLOGIA DE mRNA DA PFIZER/BIONTECH e MODERNA
Primeiramente, é necessário esclarecer que essa não é uma tecnologia nova. Sim, ela é a mais recente tecnologia de vacinas, mas o que quero dizer é que ela não está sendo usada pela primeira vez para o SARS-CoV2. A tecnologia de mRNA já foi utilizada anteriormente para um modelo bem-sucedido de tríplice viral (MMR), mas esse novo modelo traz uma novidade em relação ao envelope, que agora é totalmente sintético. As vacinas da farmacêutica Pfizer em parceria com a BioNTech e também da Moderna usam o RNA mensageiro para mimetizar a proteína spike, específica do vírus SARS-CoV-2. Vamos entender isso devagar. Uma vez que o SARS-CoV2 entra numa célula humana, ele usa enzimas da célula infetada para ler o seu material genético e a partir dele, produzir RNA mensageiros (mRNA) para cada um dos seus 29 genes. Esse processo é o que chamamos de transcrição. Estes mRNA serão lidos pelos ribossomos da célula infectada para produzir proteínas virais, as quais inclui o spike. Esse processo é o que chamamos de tradução. Quando você conhece todo o código genético do vírus, você consegue localizar exatamente qual é essa sequência genética que serve para produzir o spike, ou seja, qual é o gene do spike. Assim, você consegue gerar, em laboratório, ainda, a sequência de RNA mensageiro que será lida para produzir essa proteína. O que a vacina de mRNA faz é exatamente isso. Não tem vírus atenuado, não tem 'pedacinho de vírus', não tem nem material genético do próprio vírus. O que existe é um RNA mensageiro fabricado em laboratório a partir do gene do spike no vírus original, ou seja, você já entrega o transcrito pronto e, por isso, não há necessidade do vírus original ou qualquer resquício dele.
O problema é que o RNA é frágil e é facilmente degradável se você simplesmente injeta RNA em uma pessoa. Mas você não achou que essa molécula ia livre-leve-solta circular na sua corrente sanguínea, né? Na vacina, esses mRNA são levados ao interior das nossas células dentro de um envoltório feito de moléculas de gordura (lipídeos). Depois de serem traduzidas dentro das células e produzirem-se proteínas spike, esse mRNA é degradado. O melhor de tudo é que como ela é totalmente sintética, os componentes da vacina são purificados, o que diminui muito a chance de alergias. além disso, como seu processo é a nível molecular, não usa componentes de origem animal, nem ovos para desenvolvimento, o que a torna vegana (ética sob o ponto de vista da exploração animal).
E não, não é possível que esse mRNA seja incorporado pelo nosso material genético ou afete a nossa saúde, uma vez que todo esse processo que eu descrevi acontece no citoplasma das células e o nosso DNA está no núcleo. Outro motivo que garante isso é que o citoplasma é repleto de nucleases, isto é, enzimas capazes de degradar ácidos nucleicos como o DNA e o mRNA, por conta disso, depois de ser traduzido algumas vezes, esse mRNA é rapidamente degradado e em alguns instantes, não existe nenhum resquício do que foi originalmente introduzido pela vacina, Segundo o site da fabricante, existem outras vantagens que são de interesse geral, em relação à essa tecnologia. Abre aspas:
Agilidade. Diferentemente das vacinas convencionais que levam meses para se desenvolver e são produzidas por meio do crescimento de formas inativadas ou atenuadas do vírus - as vacinas de mRNA (RNA mensageiro) são fabricadas de forma sintética rapidamente, usando apenas o código genético do patógeno.
Flexibilidade. São fabricadas de forma sintética usando a informação do código genético do vírus, isso permite que a sequência de RNA da vacina possa ser editada rapidamente para poder agir contra variantes que eventualmente não fossem atingidas pela vacina em uso.
Produção. O RNA mensageiro pode ser produzido em laboratório, utilizando materiais mais acessíveis. Por isso, o processo pode ser padronizado e a produção pode ser feita em grande escala, o que permite respostas rápidas a grandes surtos e epidemias.
Eficácia e segurança. Algumas vacinas de RNAm já estão sendo testadas em estudos clínicos e têm demonstrado uma resposta imunológica confiável. Os dados demonstraram também que a vacina é bem tolerada nas diferentes populações estudadas, sem nenhuma preocupação séria de segurança observada. (9)
Para resumir, elaborei um infográfico que diferencia as tecnologias de vetor viral e de mRNA para facilitar a compreensão:
REFERÊNCIAS: (1) Boletim 'Direitos na Pandemia – Mapeamento e Análise das Normas Jurídicas de Resposta à Covid-19 no Brasil' - EL PAÍS Brasil (elpais.com)
(2) Uzunian, A. Coronavírus SARS-CoV-2 e Covid-19. J. Bras. Patol. Med. Lab. 56 • 2020 - SciELO - Brasil - Coronavirus SARS-CoV-2 and Covid-19 Coronavirus SARS-CoV-2 and Covid-19
(3) Hussain M, Jabeen N, Raza F, et al. Structural variations in human ACE2 may influence its binding with SARSCoV2 spike protein. J Med Virol. 2020;92: 1580–1586. https://doi.org/10.1002/jmv.258321586 - Structural variations in human ACE2 may influence its binding with SARS‐CoV‐2 spike protein (wiley.com)
(4) Cantuti-Castelvetri L, Ojha R, Pedro LD, et al. Neuropilin-1 facilitates SARS-CoV-2 cell entry and infectivity. Science 2020. doi: 10.1126/science.abd2985 (Publicado em 20 de outubro de 2020).
(5) Khanna R, Moutal A. A second pathway into cells for SARS-CoV-2: new understanding of the neuropilin-1 protein could speed vaccine research.The Conversation, 23 de outubro de 2020 (Disponível em: https://theconversation.com/a-second-pathway-into-cells-for-sars-cov-2-new-understanding-of-the-neuropilin-1-protein-could-speed-vaccine-research-148497).
(6) McRae M. Researchers discover a second 'key' that makes the new coronavirus so infectious. Science Alert, 23 de outubro de 2020 (Disponível em: https://www.sciencealert.com/a-second-key-used-by-sars-cov-2-to-enter-cells-could-explain-why-it-s-so-infectious).
(7) Hoffmann M, Schroeder S, Kleine-Weber H, Müller MA, Drosten C, Pöhlmann S. Nafamostat mesylate blocks activation of SARS-CoV-2: New treatment option for COVID-19 [published online ahead of print, 2020 Apr 20]. Antimicrob Agents Chemother. 2020; doi:10.1128/AAC.00754-20 https://www.einstein.br/Documentos Compartilhados/Mesilato-de-Nafamostato-inibe-a-ativacao-do-SARS-COV-2.pdf
(8) https://science.sciencemag.org/content/sci/early/2020/02/19/science.abb2507.full.pdf