ARN mensajero modificado con nucleósidos

Un ARN mensajero modificado con nucleósidos ( modRNA ) es un ARN mensajero (ARNm) sintético en el que algunos nucleósidos se reemplazan por otros nucleósidos modificados naturalmente o por análogos de nucleósidos sintéticos . ^{[ 1 ]} El modRNA se utiliza para inducir la producción de una proteína deseada en ciertas células. Una aplicación importante es el desarrollo de vacunas de ARNm , de las cuales las primeras autorizadas fueron las vacunas contra la COVID-19 (como Comirnaty y Spikevax ).

El ARNm se produce mediante la síntesis de una cadena de ácido ribonucleico (ARN) a partir de nucleótidos , siguiendo una plantilla de ácido desoxirribonucleico (ADN), un proceso denominado transcripción . ^{[ 2 ]} Cuando los nucleótidos que recibe la ARN polimerasa incluyen nucleósidos no estándar, como la pseudouridina —en lugar de los nucleósidos estándar de adenosina , citidina , guanosina y uridina— , el ARNm resultante se denomina ARNm modificado con nucleósidos. ^{[ 3 ]}

La producción de proteínas comienza con el ensamblaje de ribosomas en el ARNm, que luego sirve como plano para la síntesis de proteínas al especificar su secuencia de aminoácidos basándose en el código genético en el proceso de biosíntesis de proteínas llamado traducción . ^{[ 4 ]}

Para inducir a las células a producir proteínas que normalmente no generan, es posible introducir ARNm heterólogo en el citoplasma celular, evitando así la transcripción. En otras palabras, se introduce de contrabando en las células un plano para la síntesis de proteínas extrañas. Sin embargo, para lograr este objetivo, es necesario sortear los sistemas celulares que impiden la entrada y la traducción del ARNm extraño. Existen enzimas casi omnipresentes llamadas ribonucleasas (también llamadas ARNasas) que degradan el ARNm no protegido. ^{[ 5 ]} También existen barreras intracelulares contra el ARNm extraño, como los receptores del sistema inmunitario innato , los receptores tipo Toll (TLR) 7 y TLR8 , ubicados en las membranas endosomales . Los sensores de ARN como TLR7 y TLR8 pueden reducir drásticamente la síntesis de proteínas en la célula, desencadenar la liberación de citocinas como el interferón y el TNF-alfa , y, cuando su actividad es suficientemente intensa, provocar la muerte celular programada . ^{[ 6 ]}

La naturaleza inflamatoria del ARN exógeno puede enmascararse modificando los nucleósidos en el ARNm. ^{[ 7 ]} Por ejemplo, la uridina puede reemplazarse por un nucleósido similar como la pseudouridina (Ψ) o la N1-metil-pseudouridina (m1Ψ), ^{[ 8 ]} y la citosina puede reemplazarse por la 5-metilcitosina . ^{[ 9 ]} Algunos de estos, como la pseudouridina y la 5-metilcitosina, se encuentran de forma natural en eucariotas , ^{[ 10 ]} mientras que la m1Ψ se encuentra de forma natural en arqueas . ^{[ 11 ]} La inclusión de estos nucleósidos modificados altera la estructura secundaria del ARNm, lo que puede reducir el reconocimiento por el sistema inmunitario innato sin dejar de permitir una traducción eficaz. ^{[ 9 ]}

Un ARNm normal comienza y termina con secciones que no codifican aminoácidos de la proteína propiamente dicha. Estas secuencias en los extremos 5′ y 3′ de una cadena de ARNm se denominan regiones no traducidas (UTR). Las dos UTR en los extremos de sus cadenas son esenciales para la estabilidad de un ARNm y también de un ARNm modificado, así como para la eficiencia de la traducción, es decir, para la cantidad de proteína producida. Al seleccionar las UTR adecuadas durante la síntesis de un ARNm modificado, se puede optimizar la producción de la proteína diana en las células diana. ^{[ 5 ] [ 12 ]}

La introducción de ARNm modificado en ciertas células diana implica diversas dificultades. En primer lugar, el ARNm modificado debe protegerse de las ribonucleasas . ^{[ 5 ]} Esto puede lograrse, por ejemplo, encapsulándolo en liposomas . Este tipo de encapsulación también puede contribuir a que el ARNm modificado sea absorbido por las células diana. Esto resulta útil, por ejemplo, en vacunas , ya que las nanopartículas son captadas por las células dendríticas y los macrófagos , ambos con un papel importante en la activación del sistema inmunitario. ^{[ 13 ]}

Además, puede ser conveniente que el ARNm modificado aplicado se introduzca en células corporales específicas. Este es el caso, por ejemplo, si se desea estimular la multiplicación de las células del músculo cardíaco . En este caso, el ARNm modificado empaquetado puede inyectarse directamente en una arteria, como una arteria coronaria . ^{[ 14 ]}

Un campo de aplicación importante son las vacunas de ARNm .

La sustitución de uridina por pseudouridina para evadir el sistema inmunitario innato fue un método pionero de Karikó y Weissman en 2005. ^{[ 15 ] [ 16 ]} Como resultado de su trabajo, recibieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2023. ^{[ 17 ]}

Otro hito se logró al demostrar la eficacia para salvar vidas del ARNm modificado con nucleósidos en un modelo de ratón de una enfermedad pulmonar letal por el equipo de Kormann y otros en 2011. ^{[ 18 ]}

La N1-metil-pseudouridina se utilizó en ensayos de vacunas contra el Zika , ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]} el VIH-1 , ^{[ 21 ]} la influenza , ^{[ 21 ]} y el Ébola ^{[ 22 ]} en 2017–2018. ^{[ 23 ] : 5}

Las primeras autorizadas para su uso en humanos fueron las vacunas contra la COVID-19 para combatir el SARS-CoV-2 . ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]} Ejemplos de vacunas contra la COVID-19 que utilizan ARNm modificado incluyen las desarrolladas por la cooperación de BioNTech / Pfizer ( BNT162b2 ) y por Moderna ( ARNm-1273 ). ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]} Sin embargo, la vacuna contra el zorecimerán desarrollada por Curevac utiliza ARNm no modificado, ^{[ 34 ]} en lugar de basarse en la optimización de codones para minimizar la presencia de uridina. Sin embargo, esta vacuna es menos eficaz. ^{[ 35 ] [ 16 ]}

Otros posibles usos del ARNm modificado incluyen la regeneración del tejido muscular cardíaco dañado, ^{[ 36 ] [ 37 ]} una herramienta de reemplazo de enzimas ^{[ 38 ]} y la terapia contra el cáncer. ^{[ 39 ] [ 40 ]}

• Badieyan ZS, Evans T (agosto de 2019). "Revisión concisa: Aplicación de ARNm modificado químicamente en la conversión del destino celular y la ingeniería de tejidos" . Stem Cells Translational Medicine . 8 (8): 833– 843. doi : 10.1002/sctm.18-0259 . PMC 6646692. PMID 30891922 .  
• Espeseth AS, Cejas PJ, Citron MP, Wang D, DiStefano DJ, Callahan C, et  al. (2020). "Las vacunas basadas en nanopartículas lipídicas/ARNm modificado que expresan variantes de la proteína F del virus sincitial respiratorio son inmunogénicas y protectoras en modelos de roedores con infección por VSR" . npj Vaccines . 5 (1) 16. doi : 10.1038/s41541-020-0163-z . PMC 7021756. PMID 32128257 .