Prof. dr hab. Magdalena Gabig-Cimińska z Katedry Biologii i Genetyki Medycznej Wydziału Biologii UG o poznaniu i wykorzystaniu „słabych stron” koronawirusa SARS-CoV-2 w leczeniu COVID-19.
Prof. dr hab. Magdalena Gabig-Cimińska z Katedry Biologii i Genetyki Medycznej Wydziału Biologii UG oraz Pracowni Biologii Molekularnej IBB PAN zebrała dane i przygotowała tekst dotyczący poznania i wykorzystania „słabych stron” koronawirusa SARS-CoV-2 w leczeniu COVID-19.
– Choć w ostatnich miesiącach dowiedzieliśmy się dużo o diagnostyce i leczeniu COVID-19, to jednak bardzo mało mówi się o badaniach podstawowych, dzięki którym zawdzięczamy przede wszystkim lepsze zrozumienie tego, w jaki dokładnie sposób koronawirus SARS-CoV-2 zakaża człowieka i przeprogramowuje ludzkie komórki, aby chorowały, a niekiedy nawet zabijały. W obliczu powstałego kryzysu zdrowia publicznego na całym świecie tworzą się mniejsze i większe zespoły naukowe dla stawienia czoła wyzwaniu obecnej sytuacji, próbując opracować zarówno szybkie testy diagnostyczne na obecność wirusa (testy przesiewowe), jak i leczenie, nie tylko objawowe, ale również przyczynowe dla COVID-19 – informuje badaczka UG.
Zrozumieć intruza
W marcu br. ukazał się mój artykuł ”Lek coraz bliżej. Setki naukowców próbują zrozumieć koronawirusa”, w którym opisywałam początki walki z SARS-CoV-2. Od tego czasu minęło ponad sześć miesięcy, w ciągu których uczeni na całym świecie „wywrócili swoje laboratoria do góry nogami”, odkrywając tajemnice koronawirusa, poszerzając wszechświat wiedzy o tym patogenie, generując ogromne ilości danych biologicznych i przeglądając te zbiory w poszukiwaniu wskazówek do walki z COVID-19, celem odkrycia leku na tę chorobę. Wiodący udział w tych badaniach ma stale powiększający się zespół współpracowników naukowych z Quantitative Biosciences Institute (QBI) z Uniwersytetu Kalifornijskiego School of Pharmacy w San Francisco w USA (https://qbi.ucsf.edu1), w koalicji z grupami badawczymi: Icahn School of Medicine w Mount Sinai w Nowym Jorku, Institut Pasteur w Paryżu, Uniwersytet we Freiburgu w Niemczech oraz European Molecular Biology Laboratory w Cambridge w Anglii. Uczeni pracując, dosłownie, nieustannie próbują dowiedzieć się, w jaki sposób ten konkretnie wirus atakuje komórki ludzkie, chcąc zastosować podejście blokady „zamków” gospodarza, poprzez zrozumienie jego działania w komórkach płucnych człowieka. W tym celu zbudowali innowacyjny system „połowów molekularnych” szybkiego generowania wskazówek dotyczących „słabych stron” koronawirusa i wykorzystywania ich do przeszukiwania rozległych baz danych leków w poszukiwaniu istniejących już na rynku farmaceutyków, które mogą zatrzymać SARS-CoV-2.
Mapa koronawirusa
Rdzeniem projektu i prac badaczy było stworzenie mapy funkcjonowania wirusa. Najpierw stworzyli wstępną mapę „białko-białko”, czyli kompleksowy obraz tego, jak koronawirus przejmuje kontrolę nad ludzkimi komórkami, łącząc własne białka z ludzkimi białkami. Mapa ta pokazuje wszystkie białka patogenu i wszystkie białka występujące w ludzkim ciele, z którymi te białka wirusowe mogą wchodzić w interakcje. Wirusy nie mogą same przetrwać, do rozmnażania wymagają bowiem ludzkich komórek gospodarza. Mapa ujawniła 332 różne interakcje „białko-białko” – bogactwo informacji na temat zabezpieczeń koronawirusa dla jego efektywnej propagacji w ciele człowieka. Następnie mapę tę wykorzystano do zidentyfikowania już istniejących leków i związków, które to zabijają koronawirusa w testach laboratoryjnych i mogą potencjalnie leczyć COVID-19. Wyniki prac opublikowano w kwietniu br. w czasopiśmie Nature2. Bardzo dobra wiadomość jest taka, że dzięki „połowom molekularnym” zespół QBI znalazł około 50 leków zatwierdzonych przez Amerykańską administrację ds. żywności i leków (FDA), identyfikując mechanizmy wpływu tych leków na zakażenie SARS-CoV-2. Po analizie wyników setek eksperymentów udało się stwierdzić, iż niektóre leki faktycznie zwalczają koronawirusa, podczas gdy inne zwiększają niestety podatność komórek na infekcje. Co ciekawe, wśród tych zwalczających SARS-CoV-2 zidentyfikowano leki przeciwnowotworowe, które działają na zasadzie zatrzymania namnażania się komórek nowotworowych. Zastanawiano się wówczas, co może mieć wspólnego nowotwór z koronawirusem? Cóż, wirusy i rak mają ze sobą więcej wspólnego, niż mogłoby się wydawać. Nowotwór jest zasadniczo nieprawidłowym działaniem maszynerii komórkowej w ciele człowieka, która powoduje niekontrolowany wzrost komórek ludzkich. Wirusy również zmieniają funkcję maszynerii komórkowej gospodarza, ale zamiast wywoływać wzrost komórek u człowieka, maszyneria w tym wypadku jest przystosowana do produkcji większej liczby wirusów. Jak się okazało, koronawirus i nowotwór przejmując te same części ludzkich komórek, aby się rozprzestrzeniać, zmieniają funkcję białek komórkowych o nazwie – kinazy, stanowiących przełączniki komórkowe zaangażowane w większość procesów biologicznych oraz kontrolowanych przez nie białek organizmu ludzkiego. W ten sposób, zidentyfikowanie leków przeciwnowotworowych, które blokują funkcję kinaz przejmowanych przez SARS-CoV-2 okazało się kluczowe.
Koronawirus za sterami
Fakt, że SARS-CoV-2 używa kinaz do przejęcia i kontroli mechanizmów komórkowych u człowieka był powodem, dla którego uczeni stworzyli drugą z kolei, bardziej szczegółową mapę, tym razem mapę interakcji wirusa z poszczególnymi kinazami ludzkimi. Od lat naukowcy podejrzewali bowiem, że kinazy – przełączniki kontroli biologicznej, których wirusy używają do przejmowania komórek organizmu człowieka – mogą być celem dla zwalczania infekcji i stanowić mogą bazę dla opracowania potencjalnych leków na COVID-19. Kinazy to enzymy występujące w każdej komórce naszego ciała, regulując przepływ struktur i informacji. Istnieje 518 ludzkich kinaz, które pełnią rolę głównych ośrodków kontroli praktycznie wszystkich procesów zachodzących w organizmie człowieka. Mają potężny wpływ na wzrost człowieka, odnowę komórek macierzystych, układ odpornościowy oraz pamięć i uczenie się. Są niewiarygodne wydajne w przetwarzaniu sygnałów, to rodzaj systemu sterowania, takiego jak krzemowe bramki na chipie komputerowym lub światła drogowe w mieście. Są w stanie dodać mały znacznik chemiczny do innych białek ludzkich nieznacznie zmieniając ich strukturę w procesie biologicznym zwanym fosforylacją, tym samym wpływają na to, kiedy i w jaki sposób wiele z nich może wykonywać swoją pracę w komórce. Ponieważ białka są mikroskopijnymi końmi roboczymi komórki, budują tkanki i wywołują reakcje chemiczne, które kontrolują wszystkie rodzaje aktywności organizmu, te zwodniczo drobne zmiany mogą mieć duży wpływ na działanie białek, dając im nowe możliwości. Proces fosforylacji jest więc innymi słowy zmianą „okablowania” biologicznego komórek ludzkich. Na przykład, jeśli komórka przygotowuje się do wzrostu – powiedzmy, żeby zregenerować tkanki po skaleczeniu palca – włączą się określone kinazy i zaczną przekazywać instrukcje białkom zaangażowanym we wzrost komórki, co mają robić. Z kolei, wiele nowotworów jest wywoływanych przez nadaktywne kinazy prowadzące do niekontrolowanego wzrostu komórek, a leki spowalniające kinazy są bardzo skuteczne w leczeniu raka. Dlatego tym razem uczeni zbadali zdolność koronawirusa do manipulowania tym potężnym procesem biologicznym jakim jest fosforylacja. Wyniki tych badań opublikowano w sierpniu br. w czasopiśmie Cell3.
Jak już wspomniano, wiele leków przeciwnowotworowych jest ukierunkowanych na kinazy. SARS-CoV-2 również wykorzystuje kinazy do powodowania szkód w ludzkim ciele – do przechwytywania ludzkich białek i ponownego podłączania ich celem działania pod rozkazami wirusa. Naukowcy stwierdzili, że jeśli dowiedzą się więcej o tym, jak wirus „rozmawia” z komórkowymi kinazami, mogliby znaleźć leki, które wyciszą najeźdźcę. W tym celu opracowali listę fosforylowanych białek w zdrowych komórkach i osobną listę fosforylowanych białek w zakażonych komórkach. Następnie porównując te dwie listy i patrząc na różnice między „listami zainfekowanymi i niezainfekowanymi”, określono, które kinazy są zaangażowane przez koronawirusa do namnażania się.
Koktajl w laboratorium i badaniach klinicznych
Gdy stwierdzono już, które kinazy ludzkie wirus SARS-CoV-2 wykorzystuje do namnażania się i jakie białka zmienia, ponownie przeanalizowano bazę danych, ale tym razem pod kątem istniejących leków hamujących wyselekcjonowane kinazy. Leki uderzające w szlaki kinaz od lat są bowiem na radarze naukowców jako potencjalnie istotne środki przeciwwirusowe. I rzeczywiście, znaleziono szereg leków, które zmieniają komórkowe szlaki kontrolowane przez kinazy ludzkie przejęte przez koronawirusa. Z drugiej strony, co najważniejsze, większość z tych leków, niektóre w postaci mieszaniny przeciwciał –syntetycznej wersji jednej z własnych broni naszego systemu odpornościowego, jest już zatwierdzona do stosowania u ludzi lub jest obecnie w trakcie badań klinicznych w leczeniu nowotworów i może zostać szybko wdrożona do leczenia pacjentów z COVID-19. Okazało się bowiem w toku przeprowadzonych badań, że kilka z nich było skutecznych w blokowaniu namnażania koronawirusa w komórkach, znacząco obniżając wiremię, prowadząc do istotnie łagodniejszego przebiegu COVID-19 u pacjentów. Pięć wykazało większą siłę zabijania SARS-CoV-2 w warunkach laboratoryjnych niż remdesivir i deksametazon, jedyne do tej pory leki przeciwwirusowe, które w maju br. został w trybie nadzwyczajnym dopuszczono do stosowania w ciężkich przypadkach COVID-19 w USA, a następnie w Wielkiej Brytanii, Indiach, Japonii, Tajwanie, Unii Europejskiej i Australii.
Co więcej, wykorzystując mikroskopię elektronową naukowcy zrobili zdjęcia wirusa infekującego komórki gospodarza, wizualizując patogen podczas jego pracy i manipulacji komórką ludzką. Kiedy naukowcy spojrzeli na zdjęcia, doznali szoku: powierzchnia zainfekowanej koronawirusem komórki ludzkiej była pokryta cienkimi rurkami, jakby ostrymi słomkami, przypominającymi ludzkie palce, zwane w biologii filopodiami. Wychodziły z wnętrza zainfekowanej komórki ludzkiej, wycinając dziury w jej błonie i tworząc tunel na zewnątrz. Zwykle patogen rozprzestrzenia się przez przekształcenie zainfekowanej komórki gospodarza w fabrykę wirusów. Komórka wypełnia się kopiami wirusa jak balon z wodą, ostatecznie pękając i uwalniając nowe cząsteczki wirusa. Jednak zaobserwowane w przypadku SARS-CoV-2 długie i liczne filopodia wskazywały, że wirus opracował dodatkową metodę infekcji: po namnożeniu się w komórce ludzkiej – ale zanim komórka pęknie – wirus wydostaje się przez filopodia z zainfekowanej komórki gospodarza i przebijając dziurę w pobliskiej niezainfekowanej dotąd komórce, umożliwia wirusowi przepływanie z jednej komórki do drugiej. Podobne filopodia wykryto u innych wirusów, takich jak ospa, nigdy jednak nie widziano ich w takiej ilości i nigdy tak długich. Testy i zdjęcia z mikroskopu elektronowego ujawniły, że te filopodia – niby-ramiona były wypełnione kopiami koronawirusa. To co niewiarygodne, niektóre filopodia mogły nawet rozgałęziać się jak drzewa, pozwalając pojedynczej strukturze przebić dziury w dwóch komórkach ludzkich jednocześnie. Stwierdzono, że SARS-CoV-2 może wykorzystywać filopodia jako drogi wirusowe, aby przenieść nowe wirusy do sąsiednich komórek, ułatwiając w ten sposób infekcję i efektywną wiremię.
Ale to nie jedyna rzecz, którą można się ekscytować. Okazało się bowiem, iż te same białka – kinazy, których SARS-CoV-2 używa do infekowania i replikacji w ludzkich komórkach są również przejmowane przez pokrewne koronawirusy SARS-1 i MERS. Jeśli więc którykolwiek z opracowywanych leków zadziała i zahamuje SARS-CoV-2, najprawdopodobniej będą one również skuteczne przeciwko COVID-22, COVID-24 lub wszelkim przyszłym iteracjom COVID, które mogą się pojawić. Są jednak zagadki, których naukowcy nadal nie potrafią rozwiązać, dlatego kontynuują w zawrotnym tempie prace badawcze, tak by zrozumieć, dlaczego wirus wybiera i wykorzystuje określone sygnalizatory komórek ludzkich – kinazy. Nie są też pewni, czy filopodia przestają się formować, gdy zablokowane są docelowe kinazy, skutkując ograniczeniem wiremii. Uczeni są jednak wielkimi optymistami i twierdzą, że już w najbliższym czasie uda się wskazać spośród wytypowanych dotąd kandydatów te leki, które będą całkowicie skuteczne dla COVID-19. Wysiłki badawczy z QBI zaowocowały bowiem kilkunastoma próbami klinicznymi potencjalnych terapii COVID-19. Dodatkowo, jeśli badania przebiegną pomyślnie, niektóre z tych leków można będzie zintegrować z remdesivirem i deksametazonem, aby stworzyć „koktajlową” terapię na COVID. Naukowcy nie mają bowiem wątpliwości, że istnieje kombinacja leków – niejako „koktajl”, który może wyleczyć COVID, trzeba być jednak wystarczająco sprytnym i szybkim, aby go znaleźć.
Urzeczywistnienie opisanych powyżej osiągnięć uczonych dokonuje się niemal każdego dnia. Równolegle do prowadzonych badań klinicznych, chorzy na COVID-19 mogą ponadto w wyjątkowych wypadkach mieć dostęp do eksperymentalnego leczenia opracowanego w laboratorium, choć za każdym razem jest to rozstrzygane indywidualnie. Tak stało się z jednym z najbardziej rozpoznawalnych na świecie pacjentów leczonych na COVID-19, prezydentem Donaldem Trumpem. Trzeba jednak dodać, iż nie jest on pierwszym pacjentem, któremu udzielono zgody na stosowanie leczenia niezarejestrowanym na tę chwilę specyfikiem (stanowiącym przeciwciała), będącym niczym innym jak syntetyczną bronią naszego systemu odpornościowego, stosowaną przez układ immunologiczny przeciwko wirusom (ale też właśnie przeciwko komórkom raka), wespół z remdesivirem jako „koktajlowej” terapii na COVID-19.
Tekst przygotowany na podstawie: