Атака со всех сторон: в Институте биоорганической химии рассказали об исследованиях, направленных на борьбу с COVID

В Институте биоорганической химии им. М. Шемякина и Ю. Овчинникова Российской академии наук (ИБХ РАН) в течение нескольких лет ведутся разработки, результаты которых оказались актуальными и востребованными в период пандемии SARS-COVID-2019.

Нейтрализовать фермент и остановить вирус

Любой вирус, попадая в наш организм, должен размножиться, чтобы не только нанести максимальный вред, но и передаться окружающим. Делает он это прямо в наших клетках и помогает ему в этом вирусная протеаза — специальный фермент, который как нано-ножницы нарезает структурные элементы вируса. В случае с коронавирусом этот фермент называется Mpro. Для того чтобы остановить размножение вируса, ученые прямо сейчас занимаются поисками лекарства, которое позволит нейтрализовать эту вирусную протеазу. В России этим, в частности, занимаются исследователи ИБХ РАН, работающие в комплексе зданий, который при аэросъемке похож на цепочку ДНК, и в его филиале в Пущино.

По словам заместителя директора по науке ИБХ РАН, заведующего лабораториями белков гормональной регуляции и молекулярной биомедицины, доктора химических наук Алексея Белогурова, сейчас многие лаборатории в мире ищут вещества, которые могли бы ингибировать этот фермент. Главная сложность поиска в том, что химических соединений, которые потенциально могут воздействовать на протеазу, огромное количество. 

«Из пяти-шести миллионов физически доступных химических соединений необходимо взять каждое и проверить, какое ингибирует фермент. Даже с применением робототехники это крайне долго и дорого, — рассказывает ученый. — Есть также предсказательные методы: взять модели протеазы, какие-то вещества и на компьютере попытаться выявить, какое из них будет ингибировать. Мы этим тоже немного занимаемся, но эффективность этого метода не слишком высокая. Что, согласно компьютеру, должно было работать, очень часто в жизни не работает».

Исследователи из ИБХ для поиска этого самого ингибитора прибегли к так называемым ДНК-баркодированным химическим библиотекам класса DECL. Это набор из множества соединений, каждое из которых связано с уникальным фрагментом ДНК, в одной пробирке.

«Процедуру, которая обычно занимает несколько месяцев или даже лет перебора, нам удалось сократить до нескольких дней. Здесь сам фермент, оказываясь в пробирке, выбирает из библиотеки то, что ему нужно и сразу отсекает миллиарды вариантов, которые ему не интересны. В настоящий момент мы на этапе, когда имеется собранная ДНК-баркодированная химическая библиотека, есть мишень и сейчас находимся в процедуре селекции тех веществ, которые могли бы ингибировать Mpro», — объясняет Алексей Белогуров. 

Микропробирка в масле

Для селекции в ИБХ используют и микрофлюидику. Ее суть состоит в том, что в специальный чип с вытравленными в нем микроканалами помещаются масляная и водная основы, а также необходимые для изучения химические соединения. На выходе из микрочипа образуется множество капель одинаковых по размеру — таким образом ученые имеют миллионы изолированных микропробирок, в которых будут проходить реакции. 

«Например, есть объект, который нам интересен по своему антибиотическому свойству. Чтобы проверить, есть оно у него или нет, мы помещаем его в один из каналов микрофлюидного чипа, — рассказывает заместитель директора по науке в ИБХ РАН, заведующий лабораторией химии протеолитических ферментов, доктор химических наук Иван Смирнов. — Это может быть и земля, и слюна разных животных — все, что угодно. Также нам нужен участник, который будет показывать, есть ли необходимое нам свойство у первого участника — в этом случае мы берем, например, бактерии золотистого стафилококка с флуоресцентным белком и помещаем их в другое отверстие чипа. В итоге из микрофлюидного чипа выходит множество водно-масляных капелек, внутри которых находятся потенциальный антибиотик и светящаяся бактерия золотистого стафилококка. Если клетка продуцирует антибиотик, то в чипе она была бесцветной, потому что убивала стафилококк, а если она была флуоресцентной — в ней нет антибиотика». 

По словам Ивана Смирнова, микрофлюидика хороша тем, что дает все капли одного размера, а это значит, что процессы в них протекают в одинаковых условиях. 

Технологию микрофлюидики используют в научном мире уже порядка 30 лет, однако именно в ИБХ РАН догадались собрать чип для поиска одиночных клеток с заданными функциями. В институте есть планы по созданию прибора на основе такого микрофлюидного чипа. 

Усовершенствованная вакцина

Еще одно направление, по которому в Институте биоорганической химии борются с новой коронавирусной инфекцией SARS-CoV-2, — создание вакцины на основе матричной рибонуклеиновой кислоты (мРНК). Как рассказал Иван Смирнов, в России пока возможности производить этот тип вакцин в промышленных масштабах нет, для этого необходимо создание определенной инфраструктуры. Сейчас ведутся обсуждения, направленные на решение этого вопроса. 

«Преимущество мРНК вакцины перед теми, которые уже производят в нашей стране, в том, что она работает чуть быстрее и эффективнее. Например, в случае с аденовирусной вакциной в клетку попадает ДНК вируса, из которой уже получается мРНК, затем белок, который иммунная система должна распознать как опасность. А в случае с вакциной, которую мы разрабатываем, в клетку сразу попадает мРНК вируса и иммунная система реагирует быстрее», — объясняет Иван Смирнов. 

Кроме того, по словам ученого, преимущество мРНК-вакцины перед другими в том, что в клетки организма не попадает ДНК вируса.

«Многие люди опасаются, что вирусная ДНК способна изменить их собственные гены. Конечно, это не так. Чтобы это произошло, нужны специальные аденовирусы, ДНК которых могут внедриться в гены человека. При создании вакцины такие вирусы не используются. Но преимущество мРНК-вакцины в том, что в ней вообще нет ДНК-компоненты», — говорит доктор химических наук.

Исследователи из ИБХ уже подали заявку на конкурс генетических технологий, в рамках которой планируют заняться разработками для создания мРНК-вакцины в России. 

Помимо этого, в Институте биоорганической химии работают над созданием вакцин второго поколения. В частности, в научной организации планируют работать над созданием такой вакцины, благодаря которой будет вырабатываться большое количество нейтрализующих антител — тех, которые не просто способны побороть вирус, но и не позволят ему вообще проникнуть в клетку. 

Параллельно с этим, рассказывает Иван Смирнов, ученые видят важным создать вакцины не только для так называемого уханьского штамма (α) COVID-2019, но и для других — индийского (δ) и бразильского (γ). 

«Постоянно проводится мониторинг того, какие вирусы чаще всего встречаются в том или ином регионе. Например, у людей, которые живут в одном месте, есть риск заразиться α-штаммом, а δ-штамм в их регион по каким-то причинам не дошел. Зачем перегружать организм и тратить его ресурсы на производство тех антител, которые ему, например, не нужны? В перспективе мы планируем заняться созданием именно такой дифференциальной вакцины», — говорит ученый. 

Шторм молекул

Еще одна из многих задач, над которыми работают в ИБХ РАН и его Пущинском филиале, и решение которой может быть особенно актуально в период коронавирусной пандемии — системная блокада цитокинового шторма. 

В институте этот вопрос изучают не первый год, пытаясь помочь людям с травмами спинного мозга и острым респираторным дистресс-синдромом (ОРДС). В обоих случаях у пациентов происходит системный выброс цитокинов — молекул, подающих сигнал иммунной системе, которая должна «прийти» к месту повреждения. При травме спинного мозга и ОРДС цитокины начинают вырабатываться в таком количестве, что это может навредить организму. 

«Без цитокинов, без сигнала, который они подают, ни один человек не выживет, потому что тогда иммунитет не будет знать, куда перемещаться и где осуществлять защитную функцию. Но иногда этот сигнал играет деструктивную роль. Например, в случае с травмами спинного мозга и ОРДС сила цитокинового шторма настолько велика, что спинной мозг и легкие больше страдают от этого воспаления, нежели оно действительно там необходимо. С такой же проблемой сталкиваются врачи и при тяжелых формах ковида. Если бы не было этого цитокинового шторма, то сам вирус нанес бы значительно меньшее повреждение дыхательной системе и организму в целом, по сравнению с тем, что творит там “перевозбужденная” иммунная система. Многие сложности лечения коронавирусной инфекции в сравнении с обычным гриппом связаны именно с этим», — рассказывает Алексей Белогуров.

По его словам, схожий цитокиновый шторм наблюдается даже у тех пациентов, которым проводят плановые операции на спинном мозге. 

«Это операция, контролируемое и высокоточное вмешательство, никак не травма, тем не менее уже через восемь часов после операции в организме пациента происходит увеличение концентрации ряда сигнальных молекул в сто и даже тысячу раз. Поэтому найти препараты, которые будут блокировать такую бесконтрольную реакцию цитокинов, крайне важно далеко не только в терминах лечения коронавируса», — объясняет ученый. 

Неоценимый вклад в это исследование вносит активное и крайне плодотворное сотрудничество ИБХ РАН с Национальным медицинским исследовательским центром нейрохирургии им. академика Н. Н. Бурденко. 

«Для экспериментального лечения травмы спинного мозга мы использовали несколько моноклональных антител против молекул-цитокинов. В ходе экспериментов на модельных животных, проведенных в нашем Пущинском филиале, мы выяснили, что с помощью этих антител можем снизить уровень воспаления по некоторым параметрам в 10 раз. Мы считаем, что такие моноклональные антитела и химические соединения, которые активно блокируют развитие воспаления, могут применяться как при травме спинного мозга, так и при коронавирусной инфекции», — говорит Алексей Белогуров.  

В настоящий момент команда ИБХ РАН готовится к проведению полномасштабных доклинических испытаний, которые дадут ответ, насколько быстро удастся перейти от фундаментальной иммунологии к клинической практике.