Иммунное спокойствие
Многие вирусы, попав в организм, ухитряются долгое время оставаться невидимыми: их не чувствует иммунитет, и даже клетки, в которых вирус размножается, не могут включить защитные механизмы. Среди таких вирусов есть и человеческие коронавирусы: SARS-CoV, MERS-CoV и новый SARS-CoV-2, причина нынешней эпидемии. Почувствовав в себе вирус, клетка синтезирует сигнальные белки интерфероны, которые помогают быстро ограничить инфекцию. Но коронавирусы, и SARS-CoV-2 в том числе, подавляют активность интерфероновых генов. Иммунитет в конце концов обнаружит присутствие вируса, но к тому времени вирусных частиц станет уже настолько много, что защитная иммунная реакция окажется слишком сильной и потому небезопасной для здоровых тканей. Если учесть, что некоторые вирусные белки могут особенно раздражать иммунитет, то становится понятно, почему коронавирусная инфекция чревата тяжёлыми осложнениями: сильнейшее воспаление бьёт не только по инфицированным клеткам, но и по здоровым.
Ещё когда нынешняя эпидемия только начиналась, китайские врачи говорили, что многих больных убивал не столько вирус, сколько их собственный иммунитет. Поэтому исследователи активно ищут способ, как ослабить иммунную реакцию при инфекции SARS-CoV-2. Собственно, один из способов давно и хорошо известен — это стероидные препараты, такие как дексаметазон. Стероиды подавляют воспаление и вообще иммунную активность, и в этом как раз есть своя проблема: если стероид подавляет разные иммунные реакции, то как же организм будет бороться с вирусом? А если, кроме вируса, появятся ещё какие-то инфекции, которые воспользуются тем, что иммунитет малоактивен?
Некоторые специалисты предлагают искать оптимальные дозы стероидов, которые не допускали бы воспаление до опасного уровня, но при том оставляли бы иммунной системе возможность бороться с вирусом. Более перспективный, хотя и более сложный и дорогой способ — это избирательно понизить силу лишь тех иммунных процессов, которые становятся опасны для здоровья. Среди иммунных молекулярных сигналов, возникающих при инфекции SARS-CoV-2, есть белок IL-6 (интерлейкин-6) — он служит мощным сигналом тревоги, призывая в лёгкие иммунные клетки, активно стимулирующие воспаление. Если подавить активность IL-6, можно было бы и воспаление снизить. Один из препаратов, блокирующих IL-6, использовали в Китае при лечении больных с COVID-19 (так называется болезнь, которую вызывает SARS-CoV-2), и сейчас по всему миру активно ищут похожие лекарства, которые можно было бы применять в клинике.
Сломанный вирусный «ксерокс»
Однако вирус и сам по себе наносит вред организму: он живёт в клетках, истощает их ресурсы и в конце концов их убивает. И хотя специалисты пока спорят, чем именно SARS-CoV-2 опаснее — собственным вредом или сопутствующим вредом от иммунной системы, никто не сомневается в том, что от вируса надо избавляться. Но как изгнать вирус из организма?
Можно сломать механизм, который копирует вирусный геном. Коронавирусный геном — это одноцепочечная молекула РНК, в которой закодированы вирусные белки, в том числе и фермент, синтезирующий на шаблоне копию вирусной РНК. Когда вирус проникает в клетку, он использует клеточную машину для синтеза белков, так что в результате в клетке появляются молекулы вирусной РНК-зависимой РНК-полимеразы — того самого фермента для копирования РНК. Все белки-полимеразы, которые синтезируют нуклеиновые кислоты, по сути, работают подобно копировальным аппаратам — и, чтобы остановить вирус, можно попытаться остановить вирусный «ксерокс» или сделать так, чтобы он выпускал очень испорченные копии.
Для синтеза ДНК- и РНК-полимеразы используют рибонуклеотиды или дезоксирибонуклеотиды — достаточно сложные молекулы, которые состоят из азотистого основания, остатка сахара рибозы и нескольких остатков фосфорной кислоты. (Азотистые основания бывают нескольких видов — это те самые буквы, из которых состоит генетический код.) Дезоксирибонуклеотиды, соединяясь в цепочку, дают ДНК, рибонуклеотиды — РНК. Если ферменту, синтезирующему РНК, к обычным рибонуклеотидам добавить какую-нибудь молекулу-аналог, похожую на рибонуклеотид, то синтез РНК испортится: фермент остановится, не закончит начатую нить РНК или же продолжит её синтезировать, но теперь в РНК будут часто попадаться неправильные буквы, которые будут вступать в разные химические реакции и тем самым провоцировать многочисленные мутации.
Как было сказано, коронавирусы и другие РНК-вирусы используют для синтеза особый фермент — РНК-зависимую РНК-полимеразу. В самой клетке такого фермента нет, клетка не занимается синтезом молекул РНК на шаблоне РНК, поэтому можно попробовать подействовать на вирусную полимеразу, не мешая клетке. Молекулы-аналоги рибонуклеотидов синтезируют давно, и некоторые из них создавали как раз для борьбы с вирусами. Сейчас пришла пора проверить, не подействуют ли они и на новый коронавирус. Например, лекарство ремдесивир разрабатывали против вирусов Эбола, но впоследствии оказалось, что ремдесивир подавляет размножение MERS-CoV и SARS-CoV. Известно, что ремдесивир блокирует инфекцию SARS-CoV-2 в культуре клеток человека и обезьяны. Клинические испытания с больными людьми проходят в Китае и США, и как минимум один пациент, принимавший ремдесивир, уже выздоровел — правда, пока непонятно, насколько он своим выздоровлением обязан именно этому препарату.
Другой аналог рибонуклеотидов под названием EIDD-2801 разрабатывали против вируса гриппа, — и он, как говорится в недавней статье в «Science Translational Medicine», также подавляет инфекцию SARS-CoV и MERS-CoV у мышей и размножение нового SARS-CoV-2 в клетках лёгких человека. EIDD-2801 провоцирует много мутаций в вирусной РНК, при этом клеточная РНК не повреждается. Осталось дождаться результатов клинических исследований.
Можно попробовать выключить саму вирусную РНК-полимеразу. Так делает молекула под названием «хлорохин», о которой наверняка многие слышали. Хлорохин используют против малярийного паразита, иногда — против патогенных амёб. Как оказалось, он ещё и подавляет активность вирусной полимеразы: хлорохин сильно повышает в клетке уровень ионов цинка, которые как раз мешают работать ферменту — вирусный «ксерокс» останавливается. Кроме того, хлорохин не даёт вторгающемуся в клетку вирусу высвободить свой геном в клеточную цитоплазму. Однако у хлорохина есть серьёзный минус — из-за него возникают аномалии в сердечном ритме, и, чем выше доза лекарства, тем выше риск сердечных аномалий. А пока нельзя сказать, могут ли небольшие дозы хлорохина остановить инфекцию SARS-CoV-2.
Но у вирусов есть и другие белки, которые для них тоже важны. Например, вирусная полимераза не может просто так взять и начать копировать РНК: после того как молекула полимеразы синтезировалась, её нужно особым образом отредактировать. Для этого у SARS-CoV-2 есть фермент Mpro — протеаза, которая отщипывает у полимеразы с одного её конца небольшой кусок, после чего полимераза готова к работе. Если блокировать Mpro, то вирус опять же не сможет размножаться. В начале апреля в журнале «Nature» была опубликована статья, авторы которой подробно описывали структуру Mpro и заодно предлагали готовые вещества, которые могли заблокировать фермент. Среди этих веществ наиболее эффективно действовал экспериментальный препарат эбселен. У него, судя по всему, вообще много возможностей: эбселен до сего дня изучали на предмет использования при инсульте, биполярном расстройстве, при потере слуха, против некоторых бактериальных инфекций; возможно, он пригодится и в борьбе с SARS-CoV-2.
Испорченная отмычка
Наконец, вирусу можно просто не дать проникнуть в клетку. Вне клетки вирус не может размножаться, а те вирусные частицы, что остались болтаться в межклеточном пространстве и в крови, подберут клетки-уборщики, которые уничтожают всякий подозрительный молекулярный мусор. Как все уже, наверное, хорошо знают, у коронавирусов есть липидная оболочка, из которой торчат многочисленные молекулы S-белка; в электронный микроскоп они выглядят как солнечная корона вокруг вирусной частицы. S-белок играет роль отмычки, взламывающей клетку: чтобы вирус вошёл в клетку, его S-белок взаимодействует с белком ACE2, который сидит на поверхности клеточной мембраны. (Белок ACE2 — это ангиотензинпревращающий фермент, который необходим для регуляции кровяного давления, а также участвует ещё в некоторых физиологических процессах.)
Вирусному S-белку можно подсунуть какую-нибудь обманку, похожую на ACE2, чтобы он отвлёкся от клеток. Лучшая обманка — это сам ACE2, только свободно плавающий вокруг вируса, а не сидящий на клетке. Так, в апрельской статье в журнале «Cell» говорится про человеческий модифицированный ACE2, выращенный в бактериальных клетках. Его действие проверяли на органоидах — крохотных моделях почки и кровеносных сосудов, выращенных из стволовых клеток человека, и такой белок действительно не позволял вирусу проникать в человеческие клетки.
Другой вариант — направить на S-белок антитела. Напомним, что антитела, или иммуноглобулины, — иммунные белки, которые специфично связываются с антигенами, то есть с другими белками или сложными полисахаридами. При этом антитело узнаёт только определённый участок (называемый «эпитоп») в той молекуле, которую оно должно схватить. Схватив чужеродный белок, антитело не даёт ему работать, и, например, S-белок уже не сможет связаться с ACE2 и войти в клетку. Кроме того, антитела делают другие молекулы видимыми для иммунных клеток, которые подходят и поглощают их; а если подозрительная молекула сидит на клетке, то иммунные клетки стараются эту клетку убить и тоже съесть, так как она, очевидно, чем-то больна.
Биотехнологические компании могут создавать антитела к каким угодно белкам, однако с S-белком нового коронавируса есть проблема: S-белки покрыты небольшими углеводными молекулами — гликанами. Они прикрывают S-белки, так что антитела не могут с ними связаться (а в углеводах-гликанах слишком мало специфической молекулярной информации, чтобы по ним можно было узнать вирус). Тем не менее в гликановой маскировке есть щели — это показали авторы апрельской статьи, выложенной на сайте bioRxiv. То, что у «коронного» белка SARS-CoV-2 в принципе есть открытые, незащищённые места, позволяет надеяться, что его можно сделать видимым для иммунитета. Не исключено, эти участки S-белка можно использовать для вакцины или же сконструировать лабораторные антитела, которые будут связываться с оголёнными участками белковой молекулы, не давая ей взаимодействовать с клеткой. Кстати, именно такие сконструированные антитела в некоторых экспериментах уже работают: в другой статье на bioRxiv описаны антитела, собранные из кусков иммуноглобулинов человека и ламы. Ламам вводили коронавирусный белок, против которого у них появлялись антитела, их соединяли с фрагментом человеческих антител, и такая гибридная молекула эффективно обезвреживала SARS-CoV-2 в экспериментах на клеточных культурах: антитела не давали вирусу входить в клетки.
Вакцины на будущее
И раз уж мы упомянули вакцины, стоит сказать немного и о них. Как известно, вакцина представляет собой либо полуубитый патоген, либо какую-то его молекулу или кусок молекулы, по которому патоген можно узнать. При вакцинировании мы показываем иммунной системе кусок молекулы патогена, как полицейскому псу дают понюхать вещь с каким-нибудь криминальным запахом, так что иммунитет дальше понимает, что он должен искать. Из того, что известно о предыдущих неприятных коронавирусах SARS-CoV и MERS-CoV, для создания вакцины лучше всего подходит всё тот же «коронный» S-белок. Здесь есть разные подходы, нацеленные на одну и ту же задачу: сделать так, чтобы иммунная система как можно крепче запомнила признак вируса и чтобы при появлении вирусного белка иммунные клетки могли быстро создать много антител к нему. Для этого используют наночастицы, нагруженные вирусным белком: наночастицы помогают усилить иммунный ответ. Или же синтезируют фрагмент белка, который должны распознавать антитела, и соединяют его со специальными пептидами, усиливающими активность иммунных клеток, распознающих чужеродную молекулу (так называемая система Ii-Key). Либо используют что-то вроде пластыря с микроиглами, описанного в апрельской статье в «EBioMedicine»: микроиглы постепенно вводят в кожу вирусный белок, и, поскольку они вводят его долго, можно быть уверенным, что иммунитет на него среагирует.
Есть и другие способы вакцинирования — с помощью ДНК- и РНК-вакцин. ДНК-вакцина — это когда организм получает не сам чужеродный белок, а ДНК, которая кодирует его (или его фрагмент — последовательность аминокислот, которую должен узнавать иммунитет). ДНК-вакцина достаточно долго обеспечивает нужный уровень вакцинного белка — достаточно долго для того, чтобы иммунитет научился его узнавать. Но чтобы получился белок, ДНК сначала должна проникнуть в клетку, потом в клеточное ядро; здесь информация с неё считывается в РНК-копию, которая отправляется обратно в цитоплазму, и в цитоплазме специальные белоксинтезирующие «машины» — рибосомы начинают собирать белок на РНК-матрице. Естественно, исследователям в какой-то момент пришла в голову идея упростить клетке задачу и сделать РНК-вакцину; как можно догадаться, чужеродный вакцинный белок закодирован не в ДНК, а в РНК, и, как только РНК попадает в клетку, белок сразу начинает синтезироваться.
У ДНК- и РНК-вакцин есть свои плюсы и минусы, так же как свои плюсы и минусы есть у разных способов доставки ДНК и РНК в клетки. В одних случаях используют липидные нанопузырьки, заключающие в себе нуклеиновую кислоту, в других — берут специальный вирус-перевозчик, который в своей вирусной частице несёт нуклеиновую кислоту, кодирующую вакцинный белок. Обычно для этого берут модифицированный аденовирус: он не способен размножаться, но он может внедрить в клетку свой груз.
Множество научных центров сейчас активно используют все вышеперечисленные методы — и ещё ряд других, о которых мы не упомянули, — в разработке вакцины против SARS-CoV-2; в некоторых случаях уже приступили к первым этапам клинических испытаний, то есть ставят эксперименты с людьми-добровольцами. Тем не менее, чтобы получить эффективную, безопасную и недорогую вакцину, всё равно потребуется не один месяц, а скорее всего, на это уйдёт год-полтора. В одной из последних статей в журнале «Immunity», посвящённой коронавирусным вакцинам, говорится, что дело с SARS-CoV-2 пошло бы быстрее, если бы у нас были вакцины против других коронавирусов — авторы имеют в виду не экспериментальные препараты, а уже признанные здравоохранительными надзорными органами и разрешённые к использованию в клинике. Нынешний SARS-CoV-2 состоит в близком генетическом родстве с SARS-CoV, который вызывал вспышку атипичной пневмонии в 2002—2003 годах, и, будь у нас вакцина против старого SARS-CoV, на её основе, скорее всего, удалось бы быстро сделать вакцину против нового SARS-CoV-2 — белки-то у них похожи. Но та вспышка атипичной пневмонии утихла быстрее, чем удалось довести до конца хотя бы какую-нибудь вакцину, и финансирование этих работ просто иссякло. Тем не менее наработки по вакцинам против SARS-CoV могут пригодиться: есть данные, что антитела, которые появляются в ответ на экспериментальное вакцинирование SARS-CoV, успешно взаимодействуют с белками SARS-CoV-2. И всё же пока стоит надеяться не на вакцину, создание которой требует времени, а на то, что врачам с помощью старых и новых препаратов удастся создать эффективную схему лечения новой инфекции.
