Tratamientos y bioterapias para COVID-19 / Therapeutics and biotherapies for covid-19

INTRODUCCIÓN: Un nuevo brote de coronavirus surgió en 2019 en Wuhan, China, causando conmoción en el sistema sanitario de todo el mundo; el Comité Internacional de Taxonomía de Virus lo denominó SARS-CoV-2, agente causante de la enfermedad COVID-19.El espectro de gravedad de la enfermedad es muy amplio: la mayoría de los pacientes no presentan gravedad, pero otros pueden desarrollar neumonías, y la insuficiencia respiratoria aguda es la causa más frecuente de mortalidad. Objetivo: analizar y desarrollar las distintas alternativas terapéuticas aportadas por la Biotecnología para tratar los síntomas de aquellos pacientes con COVID-19. Metodología: se realizó una revisión de la bibliografía disponible, a partir de enero de 2020 en PubMed, acerca de los tratamientos que se encuentran aún en ensayos clínicos y aquellos que cuentan con aprobación bajo uso de emergencia para la enfermedad COVID-19. También se realizaron búsquedas a través de Google y Google Académico para publicaciones de organismos de Salud en referencia a políticas de salud establecidas para la terapéutica durante dicha pandemia. Resultados: este trabajo aborda las nuevas alternativas terapéuticas para COVID-19 derivadas de la Biotecnología, que se encuentran tanto en uso como en etapas de ensayos clínicos comprendidos dentro del segmento de los biofármacos y las bioterapias. Se incluye un breve resumen del estatus regulatorio de entidades de salud, el mecanismo de acción de dichas terapias y características generales de cada uno. Se incluyen novedosas bioterapias que se empezaron a implementar para afrontar la pandemia. Conclusiones: la pandemia de coronavirus está poniendo a prueba el sistema sanitario internacional, para brindar soluciones tanto desde el diagnóstico y prevención como para el tratamiento de la población a fin de disminuir la mortalidad. Esto incluyó, obviamente también, al área de la Biotecnología aplicada a la salud, que ha aportado en los tres aspectos mencionados; el presente trabajo se centra en las respuestas de tipo terapéutico que ha brindado y que están comercializadas o en fases clínicas. (AU)

INTRODUCTION: A new coronavirus outbreak emerged in 2019 in Wuhan, China, causing a shock to the healthcare system around the world; the International Committee on Taxonomy of Viruses named it SARS-CoV- 2, the infectious agent of the COVID-19 disease. The spectrum of severity of the disease is very wide, most patients are not serious, but others can develop pneumonia, with acute respiratory failure being the most frequent cause of mortality. Objective: to analyze and develop the different therapeutic alternatives provided by Biotechnology dedicated to Health, to treat the symptoms of those COVID-19 patients who require it, and thus reduce mortality.Methodology: a review of the available literature from January 2020 in PubMed of the treatments that are still in clinical trials and those that have been approved under emergency use for the disease COVID-19 was performed. Searches were also carried out through Google and Google Scholar for publications of Health organizations in reference to health policies established for therapeutics during the mentioned pandemic. Results: this work addresses the new therapeutic alternatives derived from Biotechnology, which are both in use and in stages of clinical trials, to treat patients who developed COVID-19 included within the segment of biopharmaceuticals and biotherapies. A brief summary of the regulatory status of health entities, the mechanism of action of said therapies and general characteristics of each one is included. Innovative biotherapies that began to be implemented to face the pandemic are included. Conclusions: The coronavirus pandemic has driven the international health system to the test, to provide solutions both from the diagnosis, prevention and treatment of the population to reduce the mortality of patients. This obviously also included the area of Biotechnology applied to health, which has contributed in the three aspects mentioned. The present work focuses on the therapeutic responses that it has provided and that are commercialized or in clinical phases. (AU)

Aportes de la biotecnología al diagnóstico y tratamiento de la enfermedad renal crónica y comorbilidades frecuentes / Biotechnology contribution to the diagnosis and treatment of chronic kidney disease and frequent comorbidities

Este trabajo tiene como objetivo revisar las contribuciones de la biotecnología, en relación con el tratamiento, diagnóstico y la monitorización de la enfermedad renal crónica (ERC) y sus comorbilidades más frecuentes, especialmente la anemia. En relación con los tratamientos, enfocamos el desarrollo de productos biofarmacéuticos como los agentes estimulantes de la eritropoyesis (ESA), que fueron los primeros biofármacos utilizados para el tratamiento de la anemia asociada a la ERC; analizamos sus características y utilización actual después de varios años de experiencia clínica, así como también otras alternativas en desarrollo. Revisamos distintos tipos de bioterapias, la utilización de las células estromales mesenquimales de médula ósea (MSC) y tratamientos alternativos con modificaciones dietarias, que se basan en la asociación entre la microbiota intestinal de los pacientes renales crónicos y sus condiciones fisiopatológicas. Finalmente, en relación con el diagnóstico y monitorización, nos referimos al estudio y validación de biomarcadores diagnósticos, predictivos y terapéuticos que han permitido optimizar los resultados clínicos en este tipo de pacientes. (AU)

The aim of this work is to review the contributions of biotechnology, in relation to the treatment, diagnosis and monitoring of chronic kidney disease (CKD) and its most frequent comorbidities, especially anemia. Regarding the treatment, we focus on the development of biopharmaceutical products such as erythropoiesis stimulating agents (ESA), which were the first biopharmaceuticals used to treat anemia associated with chronic kidney disease (CKD). We analyzed their characteristics and their current use after several years of clinical experience, as well as other alternatives in development. We also review different types of biotherapies, the use of bone marrow mesenchymal stromal cells (MSC) and alternative treatments with dietary modifications, which are based on the association between the intestinal microbiota of chronic kidney patients and their pathophysiological conditions. Finally, in relation to diagnosis and monitoring, we refer to the study and validation of diagnostic, predictive and therapeutic biomarkers that have made clinical results possible to be optimized in this type of patient. (AU)

L-asparaginase de Erwinia chrysanthemi: expressão proteica livre de células e bioconjugação a bacteriófagos / L-asparaginase from Erwinia chrysanthemi: cell-free protein expression and bioconjugation to bacteriophages

A L-Asparaginase (L-ASNase) de Erwinia chrysathemi (ErA) é uma enzima amplamente utilizada para o tratamento da leucemia linfoblástica aguda (LLA). Embora o seu uso como segunda linha de tratamento para a LLA tenha proporcionado consideráveis benefícios clínicos, reações de hipersensibilidade e rápida depuração plasmática ainda são problemas recorrentes. Ademais, extensivos e custosos processos de produção da ErA são necessários para a obtenção da enzima pura. Com base nesses problemas, o presente trabalho propõe (1) o estudo de viabilidade de expressão da ErA em um sistema de síntese proteica livre de células (SPLC) e (2) a conjugação da proteína em bacteriófagos como ferramenta alternativa para o isolamento e monitoramento da depuração plasmática da ErA. Foram utilizados extratos celulares de Escherichia coli suplementados com solução energética contendo creatina fosfato (CP) como fonte de energia para síntese in vitro de ErA. Para conjugação da ErA a bacteriófagos, o sistema SpyTag/SpyCatcher foi implementado: SpyCatcher foi fusionado à porção N-terminal da ErA e bacteriófagos filamentosos da linhagem M13 e fd foram modificados de modo a expressar SpyTag nas proteínas de capsídeo pIII e pVIII, respectivamente. Em relação ao primeiro objetivo, o sistema de SPLC foi capaz de expressar a ErA com atividade. A proteína foi expressa na fração solúvel e apresentou atividade enzimática significativamente superior em relação à reação controle (7,07 ± 0,68 U/mL vs. 1,83 ± 0,14 U/mL). Tempo necessário para obtenção do extrato celular foi reduzido de 45 para 26 hrs, e sete componentes da solução energética foram removidos da composição original sem implicações negativas na eficiência de expressão da ErA, simplificando desta forma o processo de SPLC. Em relação ao segundo objetivo, ErA fusionada à SpyCatcher (SpyCatcher_ErA) foi conjugada com êxito em bacteriófagos capazes de expressar SpyTag fusionadas na porção N-terminal das proteínas pIII (SpyTag_pIII) e pVIII (SpyTag_pVIII). A porcentagem de formação dos conjugados entre SpyCatcher_ErA e SpyTag_pIII ((ErA)5-pIII) foi de 6% enquanto formação dos conjugados entre SpyCatcher_ErA e SpyTag_pVIII ((ErA)50-pVIII) foi de 46%, valores estes confirmados por atividade enzimática. Solução contendo conjugados foram injetados em camundongos e sequenciados/titulados com êxito. Não houve diferença de depuração plasmática entre (ErA)5-pIII e bacteriófago controle, mas houve maior taxa de eliminação de (ErA)50-pVIII em relação ao mesmo bacteriófago não conjugado à SpyCatcher_ErA. Os resultados aqui apresentados confirmam ser possível expressar ErA com atividade biológica em sistemas de SPLC. Além disso, o sistema de conjugação da ErA a bacteriófagos aqui desenvolvido foi capaz de monitorar a concentração de ErA presente na circulação em função do tempo, tornando-se uma potencial plataforma de desenvolvimento de novas proteoformas da ErA com características clínicas melhoradas

L-Asparaginase (L-ASNase) from Erwinia chrysanthemi (ErA) is a widely used enzyme for treatment of acute lymphoblastic leukemia (ALL). Although its use as a second-line treatment has provided significant clinical benefits, hypersensitivity reactions and a fast clearance rate are recurring L-ASNase-related problems. In addition, extensive and costly production processes are required for the manufacturing of pure ErA. Based on these drawbacks, this current work proposes (1) the study of the use of a cell-free protein synthesis (CFPS) system as a viable platform for the synthesis of ErA and (2) the conjugation of the protein on bacteriophages as an alternative tool for the isolation and monitoring of ErA clearance. Escherichia coli-derived cell extracts supplemented with a creatine phosphate-based energy solution were used to synthesize ErA in vitro. To conjugate ErA on bacteriophages, the SpyTag/SpyCatcher system was implemented: SpyCatcher was fused to the N-terminus of the ErA while filamentous phage strains M13 and fd were engineered in order to display SpyTag on their pIII and pVIII capsid proteins, respectively. Regarding the first goal, the CFPS system was able to express an active ErA. The protein was expressed in the soluble fraction and there presented a significant higher enzymatic activity compared to the control reaction (7.07 ± 0.68 U/mL vs. 1.83 ± 0.14 U/mL). Time required to obtain the cell extract was reduced from 45 to 26 hours, and seven energy solution reagents were removed from the original solution without compromising the efficiency of ErA expression, thus simplifying the CFPS process. With respect to the second goal, ErA fused to SpyCatcher (SpyCatcher_ErA) was sucessfully conjugated on bacteriophages capable of displaying SpyTag fused to the Nterminus of the pIII (SpyTag_pIII) or pVIII (SpyTag_pVIII) proteins. Percentage of conjugate formation between SpyCatcher_ErA and SpyTag_pIII (ErA)5-pIII was 6% whereas conjugate formation between SpyCatcher_ErA and SpyTag_pVIII (ErA)50-pVIII was 46%, values that were confirmed by enzymatic activity. Sample containing conjugates were injected into mice and sucessfully sequenced/titrated. No clearance differences were observed between (ErA)5- pIII and a control bacteriophage, but a higher clearance rate was observed for (ErA)50-pVIII compared to SpyTag_VIII non conjugated to SpyCatcher_ErA. The results here presented confirm the expression of a biologically active ErA from a CFPS system. Besides, the development of a conjugation system capable of linking ErA to bacteriophages could be used as a means to monitor the ErA concentration in the blood as a function of time and also as a potential platform to be used in the development of novel ErA proteoforms with improved clinical properties

PEGylation strategy to the development of analytical and therapeutic proteins / Potencial da PEGuilação para o desenvolvimento de proteínas para fins terapêuticos e analíticos

Protein PEGylation is the covalent bonding of polyethylene glycol (PEG) polymers to amino acid residues of the protein and it is one of the most promising techniques for improving the therapeutic effect of biopharmaceuticals and long-term stability of protein-based biosensors. This chemical modification brings advantages to biopharmaceuticals, such as an increased half-life, enhanced stability, and reduced immunogenicity. Moreover, in the analytical field, PEGylation improves the multiple properties of protein-based biosensors including biocompatibility, thermal and long-term stability, and solubility in organic solvents. However, the use of PEGylated conjugates in the analytical and therapeutic fields has not been widely explored. The limited industrial application of PEGylated bioconjugates can be attributed to the fact that the reaction and separation steps are currently a challenge. The correct selection of the PEGylation reaction design and the purification process are important challenges in the field of bioconjugation. In this sense, the design and optimization of site-specific PEGylation reactions and application of aqueous biphasic systems (ABS) as purification platforms for PEGylated conjugates are the two main objectives of this thesis. Regarding the purification step, the efficient fractionation (i) of the PEGylated conjugates from the native protein and (ii) of the PEGylated conjugates based on their degree of PEGylation was studied. Centrifugal partition chromatography (CPC) was applied as a continuous regime platform based on ABS technology to efficiently purify the PEGylated proteins. The two proteins under study are L-asparaginase, an important biopharmaceutical applied in the treatment of acute lymphoblastic leukemia and cytochrome c, a promising biosensor. The current work developed in this thesis demonstrates the great potential of ABS in the fractionation of PEGylated proteins, under batch and continuous regime. In addition, in situ recovery of the PEGylated products through one-pot bioconjugation and ABS purification was successfully demonstrated for both enzymes studied. Although further research on scale-up is still required, the results presented show the relevance of ABS platforms for the development of separation processes of PEGylated proteins

A PEGuilação de proteínas é a ligação covalente de polímeros de polietilenoglicol (PEG) a resíduos de aminoácidos da proteína e é uma das técnicas mais promissoras para melhorar o efeito terapêutico dos biofármacos e a estabilidade a longo prazo de biossensores proteícos. Esta modificação química traz vantagens aos produtos biofarmacêuticos, como um aumento da meia-vida, maior estabilidade e imunogenicidade reduzida. Além disso, no campo analítico, a PEGuilação melhora as múltiplas propriedades dos biossensores baseados em proteínas, incluindo biocompatibilidade, estabilidade térmica e a longo prazo, e solubilidade em solventes orgânicos. No entanto, o uso de conjugados PEGuilados em campos analíticos e terapêuticos não tem sido amplamente explorado. A aplicação industrial limitada dos bioconjugados PEGuilados pode ser atribuída ao facto de as etapas de reacção e separação serem atualmente um desafio. A seleção correcta do design da reacção de PEGuilação e do processo de purificação são importantes desafios no campo da bioconjugação. Neste sentido, a concepção e otimização de reações de PEGuilação sítio-específicas e aplicação de sistemas aquosos bifásicos (ABS) como plataformas de purificação de conjugados PEGuilados são os dois principais objetivos desta tese. No que concerne à etapa de purificação foi estudado o eficiente fracionamento (i) dos conjugados PEGuilados, da proteína nativa e (ii) dos conjugados PEGuilados baseados no seu grau de PEGuilação. A cromatografia por partição centrífuga (CPC) foi aplicada como uma plataforma de regime contínuo baseada na tecnologia de ABS para purificar eficientemente as proteínas PEGuiladas. As duas proteínas em estudo são a L-asparaginase, importante biofármaco aplicado no tratamento da leucemia linfoblástica aguda e o citocromo c, um potencial biossensor. A partir dos trabalhos desenvolvidos, é possível confirmar o grande potencial dos ABS no fracionamento de proteínas PEGuiladas, em regime contínuo e descontínuo. Além disso, a recuperação in situ dos produtos PEGuilados através da integração em uma única etapa de bioconjugação e purificação por ABS foi comprovada com sucesso para ambas as enzimas estudadas. Embora ainda sejam necessários estudos adicionais sobre a viabilidade destes sistemas em larga escala, os resultados aqui apresentados demonstram a relevância dos ABS para o desenvolvimento de processos de separação de proteínas PEGuiladas

Avaliação da resistência de formas mutantes da enzima L-asparaginase a proteases séricas humanas / Evaluation of L-asparaginase mutant forms resistance to human serum proteases

O tratamento para a Leucemia Linfoblástica Aguda LLA utiliza, entre outros fármacos, a enzima L-asparaginase (ASNase) proveniente da bactéria Escherichia coli. Reações imunológicas estão entre os problemas do tratamento com ASNase, e a formação de anticorpos contra essa proteína pode impedir o sucesso no tratamento. Duas cisteíno proteases lisossomais estão relacionadas com a degradação de ASNase nos seres humanos, a Catepsina B (CTSB) e Asparagina Endopeptidase (AEP). Em estudos prévios do nosso grupo obteve-se mutantes de ASNase resistentes a degradação por CTSB e/ou AEP in vitro. Nesse trabalho avaliamos essas mutantes quanto a sua citotoxicidade em linhagens celulares de leucemia e conduzimos estudos in vivo, aplicando as proteoformas de ASNases em camundongos Balb C para avaliar a atividade asparaginase sérica das enzimas ao longo do tempo, bem como obter informações sobre a formação de anticorpos contra essas proteoformas. Nos ensaios de citotoxicidade, duas das proteoformas testadas tiveram efeito citotóxico semelhante a forma selvagem, enquanto uma outra proteoforma tem a citotoxicidade sensivelmente reduzida. Já nos ensaios in vivo, uma proteoforma demonstrou meia vida sérica maior da atividade asparaginásica, e duas proteoformas causaram reduzida formação de anticorpos. Juntos, esses resultados colaboram para a obtenção de uma nova geração de ASNases com melhor biodisponibilidade, e efeitos adversos reduzidos, gerando a possibilidade de menores doses e frequência de aplicações

The Treatment for Acute Lymphoblastic Leukemia (ALL) includes the biopharmaceutical L-asparaginase (ASNase) from Escherichia coli. Immunological reactions are among the problems of treatment using ASNase, and the antibodies formation protein may prevent success in treatment. Lysosomal cysteine proteases are related to ASNase degradation, Cathepsin B (CTSB) and Asparagine Endopeptidase (AEP). In previous studies, ASNase mutants resistant to CTSB and / or AEP degradation in vitro were obtained. In this work, mutants were evaluated in cytotoxicity in ALL cell lines and, in vivo studies, applying doses of the wild and mutant ASNases in Balb C mice to evaluate serum asparaginase activity of the enzymes over time, as well as to obtain information on the formation of antibodies against these proteoforms. Regarding to the cytotoxicity, two proteoforms among the tested had similar cytotoxicity than the wild-type. While another proteoform had the cytotoxicity severely reduced. One proteoform have demonstrated greater serum half-life of asparaginase activity, while two other mutants caused reduced antibody formation. Together, these results collaborate to obtain a new generation of ASNases with increased bioavailability and reduced side effects, generating the possibility of lower doses and frequency of applications

Desenvolvimento de novos vetores para a produção de bibliotecas de anticorpos pelo sistema do phage display / Development of a antibody display library system targeted against vascular growth factor

Anticorpos são moléculas de grande interesse científico e farmacêutico, principalmente, devido a sua alta especificidade contra antígenos determinados. Atualmente, anticorpos monoclonais estão entre os medicamentos (biofármacos) mais vendidos do mundo. São utilizados para o tratamento das mais diversas doenças, como câncer, retinopatias, doenças inflamatórias e do sistema imune, entre outras. Nos últimos 30 anos, as tecnologias para a obtenção de anticorpos monoclonais evoluíram muito, desde a tecnologia do hibridoma, até os processos de humanização de anticorpos murinos. Entre os métodos mais utilizados para a produção de anticorpos humanos, destaca-se a tecnologia do Phage Display. Nesta técnica, os genes que codificam as regiões variáveis de imunoglobulinas são inseridos no genoma de um bacteriófago, resultando na produção de partículas virais híbridas que contém fragmentos de anticorpos em fusão com uma das proteínas do capsídeo viral. Neste trabalho, desenvolvemos novos vetores para a apresentação de fragmentos ScFv em fusão com duas proteínas das proteínas do capsídeo viral, a pIII e pVIII. Os oligonucleotídeos utilizados para amplificar os genes de imunoglobulinas foram redesenhados e para minimizar a perda do repertório durante a produção da biblioteca, avaliamos em bancos de dados enzimas de restrição que não apresentam sítios de restrição nas sequencias gênicas. Esses sítios de restrição foram utilizados para construir as regiões de clonagem do vetor Phagemid. Outra etapa crítica na produção de bibliotecas de anticorpos é a reação do PCR de overlap, que pode restringir a diversidade de anticorpos e resultar na produção de amplicons codificando anticorpos truncados. Por isso, nossos vetores foram desenhados para permitir a clonagem direta das regiões variáveis das imunoglobulinas humanas ou murinas, sem a necessidade do PCR de overlap. Nossa expectativa, é que estes novos reagentes serão mais efetivos para a produção de novas bibliotecas de anticorpos pelo sistema do Phage Display

Antibodies are molecules of great scientific and pharmaceutical interest, mainly because of their high specificity against certain antigens. Currently, monoclonal antibodies are among the best selling drugs (biopharmaceuticals) in the world. They are used for the treatment of the most diverse disorders, such as cancer, retinopathies, inflammatory and immune system diseases, among others. In the past 30 years, technologies for obtaining monoclonal antibodies has greatly evolved from hybridoma technology to the humanization processes of murine antibodies. Among the methods used for the production of human antibodies, the technology of Phage Display stands out. In this technique, the genes encoding the immunoglobulin variable regions are inserted into the genome of a bacteriophage, resulting in the production of hybrid virus particles which contain fragments of antibodies in fusion with one of the viral capsid proteins. In this work, we developed new vectors for the presentation of ScFv fragments in fusion with two proteins of viral capsid proteins, pIII and pVIII. The oligonucleotides used to amplify the immunoglobulin genes were redesigned and to minimize repertory loss during library production, we evaluated restriction enzymes in databases that lack restriction sites in the gene sequences. These restriction sites were used to construct the cloning regions of the Phagemid vector. Another critical step in the production of antibody libraries is the overlap PCR reaction, which may restrict the diversity of antibodies and result in the production of amplicons encoding truncated antibodies. Therefore, our vectors were designed to allow the direct cloning of human or murine Immunoglobulins variable regions without the need for overlap PCR. Our expectation is that these new reagents will be more effective for the production of new antibody libraries by the Phage Display system

Therapeutic monoclonal antibodies: scFv patents as a marker of a new class of potential biopharmaceuticals / Terapêuticas de anticorpos monoclonais: patentes scFv como um marcador de uma nova classe de produtos biofarmacêuticos potenciais

Monoclonal antibodies represent the fastest growing class of biopharmaceutical products and have a host of applications in medical research, diagnosis, therapy, and basic science. The production of recombinant monoclonal antibodies has revolutionized the generation of immunoglobulins, and their use represents a strategic breakthrough, affecting the global pharmaceutical market for therapeutic proteins. In the present work, a review of scFv, and the number of related patents, has been carried out. The results show that several countries have scFv patents, most notably the United States, China and United Kingdom. The target of these scFv antibodies was also assessed and the results demonstrate that most are directed toward cancer therapy.

Anticorpos monoclonais representam a classe de maior crescimento em produtos de biofármacos e possuem várias aplicações em pesquisa médica, diagnóstico, terapias e ciência básica. A produção de anticorpos monoclonais recombinantes revolucionou a geração de imunoglobulinas e sua utilização implica em avanço estratégico, afetando o mercado farmacêutico global de proteínas terapêuticas. No presente trabalho, uma revisão sobre scFv e a relação do seu número de patentes foi analisada. Os resultados mostram que vários países apresentam patentes de scFv com destaque para os Estados Unidos, China e Reino Unido. Os alvos desses anticorpos também foram avaliados e as análises revelaram que a maioria é destinado a terapias contra o câncer.