Hackerare l'HIV

In un pomeriggio di maggio del 2008, Bruce Walker e Terry Ragon '71 hanno fatto una visita di reclutamento al MIT. Walker è un medico della Harvard Medical School che ha studiato l'HIV per tre decenni; Ragon, fondatore e CEO di una società di software chiamata InterSystems, stava per finanziare un nuovo istituto di ricerca da 100 milioni di dollari per sviluppare vaccini contro l'HIV, con Walker a capo.

Bruce Walker (a sinistra) e Terry Ragon '71 stanno guidando il Ragon Institute in una ricerca per sviluppare un vaccino per prevenire l'HIV.

Circa 20 membri della facoltà del MIT sono venuti per ascoltare la proposta di Walker e Ragon per chiedere aiuto con il loro progetto. Uno di questi era Arup Chakraborty, un professore di ingegneria chimica che era incuriosito dalla missione di quello che sarebbe stato conosciuto come l'Istituto Ragon. Aveva lavorato nell'immunologia per quasi un decennio, ma non aveva mai approfondito la ricerca sull'HIV, che era stata un campo insulare. Inoltre, non sapevo cosa avrei potuto contribuire, ricorda Chakraborty.

Dopo diverse sessioni di brainstorming, Walker ha pensato che Chakraborty potesse essere in grado di andare a fondo di qualcosa che aveva irritato i ricercatori sull'HIV: le persone il cui sistema immunitario è naturalmente in grado di combattere l'infezione da HIV sono anche soggette a malattie autoimmuni. Il fenomeno sembrava improbabile che fosse una semplice coincidenza. Forse Chakraborty, che usa modelli computazionali per studiare come le cellule del sistema immunitario distinguono tra invasori estranei e cellule del corpo stesso, potrebbe capire la connessione.

Circa un anno dopo, Chakraborty pubblicò il suo primo articolo sull'HIV, incentrato sugli agenti immunitari noti come cellule T. In alcune persone, ha scoperto, il processo del corpo per eliminare le cellule T che potrebbero attaccare le cellule sane non è completamente efficace. Ma le cellule T che sfuggono a questo processo sono particolarmente efficaci nel combattere l'HIV.

Per me, questo è un ottimo esempio di qualcosa che non sarebbe mai successo senza la comunità che è stata sviluppata con il Ragon Institute, afferma Walker.

Dare a scienziati, ingegneri e medici carta bianca per affrontare l'HIV è la missione del Phillip T. e Susan M. Ragon Institute del Massachusetts General Hospital, del MIT e di Harvard. Dalla sua apertura, nel 2009, i ricercatori delle tre istituzioni hanno lavorato insieme, e con altri ricercatori in tutto il mondo, per affrontare il problema da ogni angolazione.

Fin dall'inizio, Walker ha voluto collaborare con ricercatori al di fuori del solito regno della virologia e dell'immunologia perché non pensava che i tradizionali canali di finanziamento supportassero abbastanza nuove ricerche. Mi incontravo spesso con le persone e parlavo di una potenziale collaborazione con qualcuno al di fuori del campo dell'HIV, e sembrerebbe una grande idea, ma non è mai andata da nessuna parte perché non siamo mai stati in grado di finanziarla, dice. Volevamo riunire un gruppo di persone e autorizzarle davvero a lavorare su questo problema e misurare il successo non in termini di articoli pubblicati, ma in termini di attacco all'obiettivo.

Questo approccio avrà implicazioni ben oltre la ricerca sull'HIV, afferma Chakraborty, ora direttore dell'Istituto per l'ingegneria e le scienze mediche (IMES) del MIT, un centro interdisciplinare lanciato la scorsa estate (vedi barra laterale, sotto). Si parla molto in tutto il mondo, specialmente in questo paese, di come supportare questo tipo di lavoro all'interfaccia delle discipline, dice. Ma personalmente non conosco un altro esempio in cui scienziati di base e clinici abbiano lavorato in tale sinergia come il Ragon Institute.

Identificare i punti deboli del virus
I farmaci antiretrovirali sono stati così efficaci nel trattamento dell'AIDS che negli Stati Uniti c'è un po' di autocompiacimento, dice Walker. Il problema è che i farmaci devono essere assunti in modo molto affidabile affinché la resistenza non si sviluppi. Un altro problema più grande è che nel resto del mondo ci sono risorse limitate e farmaci disponibili. Secondo il Programma congiunto delle Nazioni Unite sull'HIV/AIDS, nel 2011 meno del 25% delle persone con infezione da HIV in tutto il mondo ha avuto accesso ai farmaci.

Alla luce di questi fatti, Walker crede, l'unico modo per sradicare l'HIV è sviluppare un vaccino efficace. Ma l'HIV è un bersaglio sfuggente: muta molto più rapidamente della maggior parte dei virus, persino dell'influenza, per i quali i vaccini devono essere ridisegnati ogni anno.

I vaccini che provocano una risposta immunitaria contro una qualsiasi delle proteine ​​dell'HIV diventano rapidamente inutili man mano che le proteine ​​si evolvono. Tuttavia, alcuni degli amminoacidi che compongono le proteine ​​dell'HIV rimangono invariati in quasi tutti i ceppi, suggerendo che sono essenziali per la sopravvivenza del virus. Negli ultimi anni, i progettisti di vaccini hanno cercato di prendere di mira questi amminoacidi. Ma hanno avuto un successo limitato, perché le sostituzioni di aminoacidi in altre parti della proteina possono aiutare a superare gli effetti del vaccino.

Quindi Chakraborty ha cercato gruppi di amminoacidi nelle proteine ​​dell'HIV che evolvono insieme, indipendentemente da quelli di altri gruppi. I vaccini che prendono di mira questi amminoacidi potrebbero, in teoria, tagliare la via di fuga evolutiva del virus. Nel 2011, lavorando con i dati della sequenza del DNA di molti ceppi del virus, Chakraborty e Walker hanno usato la teoria della matrice casuale (sviluppata negli anni '50 per studiare la fisica delle alte energie) per identificare molti di questi gruppi, incluso un gruppo particolarmente vulnerabile nell'involucro che circonda il materiale genetico del virus. Hanno anche scoperto che le cellule T nei pazienti che combattono l'HIV da sole prendono di mira in modo sproporzionato gli amminoacidi identificati nello studio. I ceppi di HIV con mutazioni multiple in questi amminoacidi sono rari, il che suggerisce che quei ceppi lottano per sopravvivere.

Il direttore di IMES Arup Chakraborty crea paesaggi di fitness identificando sequenze proteiche che indeboliscono l'HIV.

Basandosi su quello studio, il team di Chakraborty sta utilizzando un modello computazionale che prevede quanto bene i virus contenenti diverse variazioni proteiche possono sopravvivere e riprodursi. Nella sequenza di amminoacidi che compongono una proteina, ci sono 20 modi per riempire ogni fessura. Hanno analizzato migliaia di ceppi di HIV per calcolare quanta variazione di amminoacidi si verifica in ciascuno dei circa 500 slot nelle proteine ​​che hanno studiato e con quale frequenza viene vista una determinata sequenza. Più una sequenza è prevalente, hanno dimostrato, più deve contribuire all'idoneità del virus. Con quei dati, hanno generato paesaggi di fitness in cui le sequenze proteiche che rafforzano il virus appaiono come colline e quelle che lo indeboliscono sono valli. Questa conoscenza può aiutare a guidare lo sviluppo di brevi sequenze proteiche che, se somministrate come vaccini, potrebbero rendere il virus meno idoneo.

Ciò può aiutare gli scienziati a progettare vaccini non solo per l'HIV ma anche per altri virus che mutano frequentemente. Se questo regge, allora è eccitante, perché le due tecnologie necessarie per ottenere paesaggi di fitness dei virus sono il sequenziamento e il calcolo, dice Chakraborty. Entrambe queste tecnologie stanno scendendo di prezzo molto rapidamente.

Monitoraggio di singole celle
La capacità di combattere l'HIV senza farmaci è rara, comparendo in circa una persona su 300 infetta. Imparando di più su questi controllori d'élite, i ricercatori del Ragon Institute sperano di produrre vaccini che imitino il loro successo. Per fare ciò, gli scienziati hanno bisogno di un modo per misurare il modo in cui le singole cellule immunitarie rispondono alle cellule infette dall'HIV, cosa impossibile fino a pochi anni fa.

Un altro ingegnere chimico del MIT che ha partecipato all'incontro iniziale con Walker e Ragon, Christopher Love, aveva recentemente sviluppato un modo per studiare come le cellule immunitarie reagiscono ai vaccini, agli allergeni alimentari o agli agenti infettivi. Lui e Walker si resero conto che questa tecnologia poteva essere proprio ciò che serviva per confrontare le risposte immunitarie delle persone con infezione da HIV che resistevano all'AIDS e di quelle che si ammalavano.

Con il sistema di Love, le singole cellule immunitarie vengono collocate in migliaia di pozzetti microscopici su una superficie di gomma morbida. Le secrezioni di ciascuna cellula si diffondono su un vetrino posizionato sopra, che viene quindi testato per la presenza di proteine ​​​​specifiche come le citochine che generano l'infiammazione. Qualsiasi proteina rilevata può essere ricondotta alla cellula dal suo indirizzo sul vetrino. Questo processo genera un'enorme quantità di dati. Ora puoi effettuare misurazioni su 10.000 celle e generare da 20 a 30 parametri di dati su ciascuna cella, afferma Love.

In uno studio del 2011, Love e i suoi colleghi hanno analizzato le cellule T di pazienti con infezione da HIV per determinare se, come suggerito da ricerche precedenti, alti livelli di una citochina chiamata interferone gamma potrebbero essere correlati alla capacità di uccidere le cellule infette dall'HIV. Al contrario, hanno scoperto che le cellule T che secernono interferone gamma sembrano uccidere le cellule infette da HIV solo raramente.

L'amore ora spera di trovare biomarcatori che rivelino quali cellule T colpiscono efficacemente l'HIV. Sta anche studiando le risposte anticorpali all'HIV nelle cellule immunitarie dei tessuti della mucosa che rivestono il colon e il tratto riproduttivo. Circa la metà delle cellule immunitarie umane si trova nei tessuti delle mucose, dove si verificano la maggior parte delle infezioni da HIV, ma la maggior parte degli studi immunologici viene eseguita con le cellule del sangue, quindi si sa poco su come funzionano le cellule della mucosa.

Il sistema di analisi cellulare di Love potrebbe consentire ai ricercatori di monitorare i progressi dei pazienti durante gli studi clinici sui vaccini. A tal fine, lui e i suoi colleghi stanno cercando di aumentare la sua capacità da due set di campioni giornalieri (ognuno dei quali contiene da 1.000 a 100.000 cellule) a centinaia o migliaia di set. Stanno anche lavorando su un software per aiutare ad analizzare i gigabyte di dati estratti da ciascun campione.

Walker è felice di avere ingegneri che lavorano su problemi di salute. Ci sono modi in cui noi clinici pensiamo ai problemi scientifici che possono essere limitanti, dice. Pensiamo a quali strumenti abbiamo e a quali domande possiamo porre con quegli strumenti, mentre gli ingegneri dicono: 'Quale domanda vuoi porre? Costruiamo lo strumento.'

Rendere i vaccini più potenti
Negli ultimi 30 anni, i ricercatori hanno sottoposto tre regimi di vaccini contro l'HIV a studi clinici su larga scala. Due si sono rivelati inefficaci, ma uno ha protetto una piccola ma significativa minoranza di soggetti. Fornisce la speranza che un vaccino sia possibile, afferma Darrell Irvine, membro del Ragon Institute, professore di ingegneria biologica e scienza e ingegneria dei materiali.

La maggior parte dei vaccini contro malattie come la varicella e l'influenza utilizzano forme indebolite del virus come antigeni o sostanze che provocano una risposta immunitaria. Poiché è considerato troppo pericoloso per l'HIV, alcuni ricercatori stanno realizzando vaccini da una delle sue proteine. Altri stanno iniettando DNA geneticamente modificato nelle cellule, dove può dirigere la produzione di proteine ​​virali. I vaccini a DNA sono stati testati per la prima volta circa 20 anni fa e si è scoperto che suscitano forti risposte immunitarie nei roditori. Se avranno successo negli esseri umani, potrebbero essere più sicuri dei vaccini convenzionali e potrebbero essere conservati più a lungo. Questi vaccini sarebbero anche più facili da sviluppare per nuove malattie e da produrre su larga scala, perché i ricercatori programmino semplicemente il DNA per produrre la proteina desiderata.

L'iniezione di DNA o proteine ​​da soli non sempre produce una risposta immunitaria abbastanza forte, quindi Irvine sta studiando altre due strategie: aggiungere un adiuvante, una molecola che aiuta a stimolare il sistema immunitario, e consegnare l'antigene direttamente alle cellule immunitarie bersaglio.

All'inizio di quest'anno, Irvine e colleghi hanno sviluppato un modo per incorporare il DNA in un film polimerico. I microaghi rilasciano il film a circa mezzo millimetro sotto la pelle, abbastanza profondo da raggiungere le cellule immunitarie che processano gli invasori infettivi nell'epidermide, ma non abbastanza profondo da colpire le terminazioni nervose. Gli strati del film si degradano gradualmente, rilasciando il vaccino per giorni o settimane. Il film contiene anche un adiuvante che provoca infiammazione nel tessuto bersaglio, attirando le cellule immunitarie in modo che possano incontrare la proteina virale codificata dal DNA.

Negli studi sui topi, la tecnica ha mostrato una promettente capacità di suscitare una risposta immunitaria. E nei test su campioni di pelle di scimmie, i ricercatori hanno scoperto che il DNA trasportato dai film entrava nelle cellule della pelle molto più facilmente e sembrava persistere più a lungo rispetto al DNA iniettato da solo. Ora sperano di condurre prove su primati non umani.

[L'HIV è] un problema difficile, ma penso che sia un problema risolvibile, e penso che siamo obbligati a portare [ad esso] ogni strumento a nostra disposizione, dice Walker. I problemi sono quante risorse dobbiamo mettere in questo e quanto velocemente possiamo arrivare al traguardo come comunità scientifica?

Un hub intellettuale per l'ingegneria medica
Il nuovo istituto del MIT unisce scienziati, ingegneri, medici

Nel 1970, il MIT e Harvard lanciarono la Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology (HST), riunendo medici, scienziati e ingegneri per trasformare il modo in cui la medicina viene insegnata e praticata. Ora il MIT ha ampliato questa missione trasformando l'HST in un nuovo Institute for Medical Engineering and Science (IMES).

Arup Chakraborty, il professore di ingegneria chimica che dirige IMES, afferma che è destinato a fungere da hub intellettuale che integrerà meglio l'HST con il resto del MIT e unirà sforzi disparati in aree che contribuiscono alla medicina. Sarà pioniere di nuovi curricula di livello universitario, offrendo certificati e possibilmente corsi di laurea.

IMES ora ha 13 membri di facoltà principali: 12 di HST più Chakraborty. Ne assumerà altri otto e tutti divideranno equamente il loro tempo tra l'IMES e un altro dipartimento del MIT per creare connessioni tra il campus. IMES è anche la sede del Medical Electronic Device Realization Center del MIT, lanciato di recente per riunire docenti, medici e rappresentanti del settore del MIT per sviluppare dispositivi medici migliori e meno costosi.

Inoltre, IMES prevede di lavorare con gli ospedali della zona di Boston in partnership strategiche che potrebbero essere modellate sul Ragon Institute e sul Bridge Program, che collega i ricercatori del MIT del Koch Institute con i medici del Dana-Farber Cancer Institute.

Se le partnership strategiche evolvono con gli ospedali della zona, allora si baserà su questa prova di concetto fornita dal Ragon Institute, afferma Chakraborty. -IN

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