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Os vetores virais surgiram como ferramentas potentes na terapia genética, viroterapia oncolítica e desenvolvimento de vacinas genéticas devido à sua capacidade natural de fornecer material genético às células hospedeiras. Eles alavancam os mecanismos naturais de tropismo e transdução dos vírus, facilitando a expressão gênica transitória e de longo prazo. Eles são capazes de sobreviver no ambiente extracelular, de se ligar a um receptor celular específico (que define o tropismo viral) e promover sua internalização, de sequestrar a maquinaria de expressão gênica da célula hospedeira e conduzir a expressão de seus próprios genes, e de iludir sensores intracelulares e ligados à membrana do braço imune inato 1,2. Dessa forma, após uma infecção viral produtiva, os vírus transformam as células em fábricas de progênie viral que espalham novos vírus no organismo, eventualmente causando uma doença.
Os vírus do tipo selvagem podem ser transformados em uma ferramenta biotecnológica por engenharia genética: seu genoma pode ser facilmente manipulado para reter a capacidade de transdução e obter um resultado clínico. Com base em sua aplicação clínica, os vetores virais podem ser projetados para reter (pelo menos em parte) ou ser ablacionados em sua competência de replicação para gerar vetores competentes ou incompetentes para replicação 3,4.
Os vírus competentes para replicação destinam-se principalmente a fins de vírus oncolíticos. As células cancerígenas, muitas vezes deficientes em defesas antivirais1, permitem a replicação de vírus recombinantes atenuados projetados por meio da deleção de genes de virulência. Esses vírus se replicam seletivamente em tumores, poupando o tecido normal. À medida que a compreensão da virologia avançou, os vírus atenuados foram substituídos por modificações mais precisas do genoma, projetadas para aumentar a segurança e a eficácia terapêutica.
Entre os campos de interesse que requerem engenharia molecular cirúrgica de genomas virais estão: i) Vírus oncolíticos condicionados à replicação, onde os promotores virais são substituídos por promotores associados a tumores (promotores celulares transcritos em células tumorais), restringindo assim a expressão gênica viral às células doentes5. ii) Vírus com tropismo alterado 6,7, onde as glicoproteínas do envelope que determinam a infecção podem ser modificadas ou substituídas por fragmentos de anticorpos ou ligantes que têm como alvo proteínas superexpressas em células tumorais 8,9. iii) Vírus oncolíticos armados. A morte celular tumoral induzida por vírus oncolíticos desencadeia a morte celular imunogênica (CDI), caracterizada pela liberação de mediadores inflamatórios 1,10 e antígenos tumorais11. Esses sinais promovem o reconhecimento eficiente de antígenos tumorais pelo sistema imunológico, restaurando a vigilância12e permitindo a combinação com inibidores de checkpoint imunológico 13,14,15 e outras terapias imunológicas, como terapias e vacinas baseadas em RNA16.
Em apoio a esse efeito imunoterapêutico, os transgenes de interesse podem ser codificados dentro do genoma viral, explorando assim o vírus não apenas por sua atividade oncolítica, mas também para aumentar seu potencial imunoterapêutico por meio da produção in situ de cargas úteis relevantes 3,7,17,18,19. Essas cargas úteis podem incluir citocinas, quimiocinas, anticorpos, genes suicidas e antígenos 3,20. A inserção requer precisão, com regiões intergênicas do genoma viral preferidas para minimizar a interrupção dos genes virais e preservar a replicação e a potência7. Portanto, técnicas que permitam a triagem de locais de inserção ideais e transgenes de interesse são essenciais.
Por outro lado, no contexto de vírus não replicativos, usados para terapia gênica ou como veículos para vacinas genéticas, é importante que o vetor viral entregue o transgene (transitoriamente ou de longa duração) sem se replicar na célula hospedeira para evitar toxicidade21. Os vetores adenovirais são caracterizados por alta eficiência de transdução, expressão robusta de transgenes e capacidade de infectar células em divisão e não em divisão3. Essas propriedades os tornaram os primeiros da classe para o desenvolvimento de vacinas genéticas, incluindo aquelas para doenças infecciosas emergentes, como COVID-19, bem como terapias de substituição de genes22. O exemplo mais famoso de um vetor adenoviral que chegou ao mercado é a vacina Oxford-AstraZeneca COVID-19, conhecida pelo nome comercial de Covishield ou Vaxzevria, baseada em um adenovírus de chimpanzé modificado, ChAdOx1, que codifica a proteína Spike do SARS-CoV-2. Quando injetado por via intramuscular, o Covishield é capaz de penetrar no interior das células e induzir a expressão da proteína Spike, preparando o sistema imunológico para montar uma resposta imune contra ela3.
Há uma clara necessidade de modificar genomas virais sem ser restringido por locais de reconhecimento de enzimas de restrição. Entre os vírus oncolíticos, os vetores baseados no Herpes Simplex Virus-1 (HSV-1) oferecem vantagens únicas, incluindo capacidade lítica, segurança e grande tamanho do genoma, permitindo a inserção de transgenes consideráveis ou múltiplos elementos genéticos23,24. Além do HSV, muitos outros vírus mostram promessa terapêutica, como recentemente revisado em Sasso et al.3. Em vez de um vetor universal "best-in-class", diferentes plataformas virais são adequadas a necessidades terapêuticas distintas3. Atualmente, os sistemas de recombinação homóloga em bactérias ou clonagem híbrida de levedura-bactéria continuam sendo as alternativas mais comuns às enzimas de restrição, mas são trabalhosas, de várias etapas e ineficientes25.
Uma alternativa emergente é o uso de CRISPR/Cas9, recentemente aplicado para projetar genomas de vírus, incluindo o vírus vaccinia (VV), o vírus herpes simplex e vetores adenovirais. Cas9 é atraente para a inativação de genes por meio de mutações indel, mas se torna menos prático quando vários cortes são necessários para excluir segmentos do genoma ou inserir um transgene via DNA do doador. Além disso, a edição é limitada pelo design do gRNA, efeitos fora do alvo nos genomas viral e do hospedeiro e dependência de sequências PAM em regiões de interesse25.
Com isso em mente, e por meio de dois exemplos baseados em HSV e adenovírus, este artigo ilustra o método de recombinação, que pode ser aplicado amplamente - de vírus a bacteriófagos, plasmídeos complexos e diversos sistemas experimentais. A recombinação é uma técnica de engenharia genética in vivo , usada principalmente em Escherichia coli, que explora proteínas de recombinação de bacteriófagos dependentes da temperatura para catalisar a recombinação homóloga entre elementos de DNA com apenas 30 pb de homologia26. Essa abordagem permite a inserção, exclusão ou modificação precisa de sequências sem dependência de locais de restrição ou tamanho de DNA. Neste manuscrito, descrevemos uma versão baseada na cepa SW102 de E. coli induzível pelo calor, embora cepas alternativas com sistemas induzíveis específicos também estejam disponíveis27.
A recombinação começa com a preparação de células bacterianas eletrocompetentes por meio de um choque de temperatura controlada para ativar o maquinário de recombinação de fagos. As moléculas de DNA que carregam os braços de homologia apropriados são então eletroporadas. Estes podem ser DNAs de fita dupla (dsDNA) gerados por digestão de restrição ou PCR ou DNAs de fita simples (ssDNAs), como oligonucleotídeos. A presença de sequências homólogas juntamente com proteínas de recombinação ativas permite a criação de novas moléculas de DNA com a modificação desejada.
A tecnologia de clonagem molecular recombinante permite engenharia genética precisa e é aplicada em diversos contextos, incluindo a inserção de marcadores selecionáveis ou não selecionáveis em plasmídeos, DNA cromossômico bacteriano e cromossomos artificiais bacterianos (BACs). Os BACs são particularmente valiosos para a clonagem de grandes fragmentos genômicos, incluindo DNA adenoviral e HSV, permitindo a rápida produção de vetores virais. Além das aplicações translacionais, a recombinação também apóia a pesquisa básica, permitindo a exclusão, modificação ou substituição direcionada de genes virais ou domínios de proteínas. A recombinação tem algumas limitações: braços de homologia curtos dificultam a recombinação em regiões repetitivas; Substratos amplificados por PCR podem ocasionalmente introduzir mutações; e a sequência da região alvo deve ser conhecida.