Направи дарение на училище!

Вирусите са част от естествения човешки микробиом и нашата еволюция.

Автори:

доц. д-р Георги Добриков (ИОХЦФ-БАН)

доц. д-р Иванка Николова (Институт по микробиология – БАН)

Разбери повече за БГ Наука:

***

Тази статия е от в брой 151 (март 2022 г.) на сп. „Българска Наука“ 

Резюме:

Вирусите са неизменен спътник на човечеството още от зората му. Все още обаче науката не знае почти нищо за ролята на вирусите в човешкия микробиом. Това може би дава основание в масовото съзнание на човечеството вирусите да се възприемат крайно еднозначно – като върховно абсолютно зло, носещо единствено болести и смърт. Всички знаем, че от десетки години съществува голямо разнообразие от антибиотици, които са ефективни срещу бактериалните инфекции, но почти липсват ефективни и безопасни антивирусни химиотерапевтици. Основните причини за това са няколко, като основната сред тях е липсата на самостоятелен метаболизъм у вирусите.

В рамките на 2 проекта с ФНИ – един успешно приключил и един текущ, бяха получени няколко нови диарилетери, показали отлична ин витро ефективност срещу редица вируси. Съединенията са перспективни за по-нататъшна разработка. Постижението е осъществено чрез сътрудничество между лаборатория „Органичен синтез и стереохимия“ към Институт по Органична Химия с Център по Фитохимия – БАН и Департамента по вирусология към Института по микробиология „Стефан Ангелов” – БАН.

Ключови думи: ентеровируси, диарилетери, ФНИ, антивирусни химиотерапевтици

Вирусите са неизменен спътник на човечеството още от зората му. Те са част от естествения човешки микробиом, точно както и бактериите. Всички сме чували за полезните бактерии в човешкото тяло (съставляващи около 1.8 кг от теглото му!), без чието съществуване не може да живеем. Науката отдавна е изследвала и доказала симбиотичната връзка между тях и човешкото тяло. Особено много са те в храносмилателната система, където неслучайно е концентрирана и 70% от човешката имунна система. Все още обаче науката не знае почти нищо за ролята на вирусите в човешкия микробиом. Това може би дава основание в масовото съзнание на човечеството вирусите да се възприемат крайно еднозначно – като върховно абсолютно зло, носещо единствено болести и смърт.

За разлика от бактериите, вирусите са далеч по-загадъчни творения, намиращи се на границата между живото и неживото. Все още има учени, които смятат че вирусите нямат нищо общо с живото, а са самоорганизиращи се комплекси от сложни молекули, реагиращи на контакт с живата материя при определени условия в околната среда. С други думи, макар и опростено казано, те ги възприемат като естествени самоорганизиращи се наночастици. Други учени са склонни да ги смятат за пълноценни живи същества, неспособни да живеят извън клетките на гостоприемника (т.е. класически паразити). Основание за това тяхно твърдение е, че все пак вирусите са носители на генетична информация, точно както и всички останали живи същества.

Доказано е, че много отрязъци от вирусен генетичен материал са неделима част от човешката ДНК при всички хора, но така и не е ясна конкретната роля на вирусите в конкретни жизненоважни процеси на човешкото тяло. Една основна причина, която неимоверно затруднява изследването на вирусите, е именно споменатата неспособност да се развиват самостоятелно. Единствения начин те да се размножават и изследват в лабораторни условия, е да бъдат култивирани в съответните растителни, бактериални, човешки или животински клетки-гостоприемници. Това често е много трудно, понеже не винаги може да се намерят точните условия за отглеждане в такива клетъчни култури. От друга страна вирусите се размножават най-бързо в сравнение с бактериите и останалите живи същества. Така при тях генетичният контрол е слаб (особено при РНК-вирусите), водейки до натрупването на множество мутации по време на репликативния цикъл. Допълнително затруднение създава изолирането и пречистването на вирусите от останалия биологичен и генетичен материал, принадлежащ на хранителните среди и клетките-гостоприемници. За много от познатите вируси има отдавна стандартизирани лабораторни условия за ин витро отглеждане (вид клетки, температура, хранителни среди, пречистване и т.н.). За някои нови вируси, какъвто е коронавирусът SARS-CoV-2, такива условия още се търсят и не са възприети като стандарт от научната общност. Наличието на стандарт е ключово за точното определяне на вирусния титър (броя вирусни частици в единица обем, най често мм3 или мл). Точното определяне на титъра от своя страна е абсолютно необходимо за всякакви по-нататъшни изследвания на даден вирус, включително и за намирането на нови антивирусни средства.

Инвертните микроскопи (горе) могат да дадат ясно изображение на клетки, заразени с вирус (долу). Това, което може да се наблюдава и измерва с такова оборудване, са измененията вследствие на размножаването на вирусите в заразените клетки (т. нар. цитопатичен ефект). Самите вируси не могат да се наблюдават директно с оптични микроскопи, а само с електронни (и то при определени условия).

Тези встъпителни щрихи от „кухнята“ на вирусологията са само малка част от всички необходими действия и срещани трудности при намирането на антивирусни средства. Тук няма да засягаме една друга огромна и сложна научна област, свързана с намирането на антивирусни ваксини. Ще говорим само за антивирусните средства на химична основа. На пръсти се броят клинично приложимите антивирусни химиотерапевтици, при това те не са особено ефективни и със сериозни странични действия. Усилено се работи в посока търсене на по-ефективни антивирусни химиотерапевтици.

Всички знаем, че от десетки години съществува голямо разнообразие от антибиотици (които обаче не действат срещу вирусите!), все още успешно борещи се срещу бактериалните инфекции. Къде са разликите? Защо съвременната наука, въпреки големите си постижения, продължава да не се справя с вирусите?

Основните причини за това са няколко, и те се дължат на някои уникални особености на вирусите, които не могат да се избегнат:

• Химическите вещества не могат да действат пряко на вируса, понеже той няма самостоятелен метаболизъм като бактериите. Следователно всички антивирусни химиотерапевтици са насочени към селективно модифициране на естествените биохимични процеси в клетките на гостоприемника, по такъв начин, че те да попречат на един или повече етапи от вирусния размножителен цикъл. Тук думата „селективно“ е ключова – от селективността зависи доколко нетоксичен за клетките и едновременно с това активен ще бъде даден химиотерапевтик. При ин витро изследванията; съотношението между антивирусната активност и цитотоксичността за дадено вещество е безразмерна величина наречена “selectivity index” (SI), чиято минимална стойност може да е 1, но няма горна граница. Тук действа принципа на Мечо Пух „колкото повече, толкова повече“. Приема се, че стойности на SI под 20 показват неактивност и/или прекалена токсичност; стойности между 20 и 50 говорят за умерена ефективност, а над 100 – за много висока антивирусна ефективност на даденото съединение към даден вирус.
• Много от вирусите (вкл. SARS-CoV-2), предизвикващи болестни състояния при човека, се размножават толкова бързо, че обикновено за максимум 4-5 дни след началото на заразата, те се репликират с огромна скорост, след което жизнения им цикъл бързо спира и те на практика изчезват от тялото (предимно благодарение на имунната система на заразения). Човешкия организъм от своя страна реагира с известно закъснение на инвазията и много от тежките поражения и симптоми на вирусната инфекция се проявяват след този период, когато всъщност в тялото вече няма вирус, срещу който да се борим. Следователно в повечето случаи антивирусните химиотерапевтици имат смисъл само ако се прилагат в първите няколко дни на вирусна инфекция.
• Склонността към чести мутации при вирусите, в съчетание с бързия им размножителен цикъл, води до бързо развитие на резистентност към химиотерапевтиците, дори и те в началото да са били особено ефективни. Затова при разработване на трайни и ефективни химиотерапевтици, е особено важно да се знае конкретния им механизъм на действие, както и кои сегменти от генома на вируса са повече или по-малко склонни към мутации. Разбираемо е, че при новооткритите вируси тази информация е крайно оскъдна и изисква време, средства и най-съвременни научни методи за събирането и интерпретирането ѝ.
  

Схема на изследванията ни до момента.

Сред гореспоменатите проблеми, развитието на резистентност се счита за основната причина за неуспеха на антивирусната химиотерапия. Обобщено казано, вероятността да се появят резистентните мутанти след третиране с антивирусни средства се дължи основно на:

• Високата честота на мутации, които се появяват в хода на намножаването на вирусния геном.
• Закодираната способност за изменение на мястото-мишена за съответния модификатор на даден ензим.
• Бързо протичащия естественият отбор при използването на антивирусни лекарства.
• Краткото време, което отнема на вируса да се намножи.

В рамките на сътрудничество между лаборатория „Органичен синтез и стереохимия“ към Институт по Органична Химия с Център по Фитохимия – БАН и Департамента по вирусология към Института по микробиология „Стефан Ангелов” – БАН, през периода 2014-2018 г. бе осъществен успешно съвместен проект, финансиран от Фонд „Научни изследвания“. Проектът бе посветен на синтеза и ин витро скрининга на нови съединения за антивирусна активност – аналози на отдавна познатият антивирусен агент MDL-860. В хода на проекта беше доказано, че това съединение влияе върху клетъчен ензим, който взима активно участие в репликацията на РНК-вируси, които имат едноверижен +РНК геном. MDL-860 послужи именно като изходна отправна точка в изследванията ни. В началото проектът бе до известна степен предизвикателство за нас, тъй като в България досега такъв тип некомерсиална научна дейност (и то с такъв обем) доколкото ни е известно не е извършвана. Над 70 новополучени съединения бяха тествани ин витро срещу 3 вида вируси (Коксаки В1, Коксаки В3 и Полиовирус 1). Около 10 съединения от класа на диарилетерите достигнаха (а някои и надминаха) ефективността на MDL-860, като демонстрираха нищожна цитотоксичност и SI>100 срещу поне един от посочените вируси, което позволи да се изследват и техните ин виво ефекти върху мишки. Там показателите също бяха много добри – достигнат бе до 50% протективен ефект при заразените с вируси животни и удължаване на средното време на преживяемост с около 5 дни в сравнение с плацебо групата. Резултатите бяха представени в 3 публикации в реномирани международни научни списания с Q1/Q2 ранг. Въпреки по-слабото финансиране и малкото човешки ресурси (особено ако сравним с финансите и персонала, които фармацевтичните фирми си позволяват), над 10% от тестваните съединения бяха определени като високо ефективни ин витро (т. нар. „hit compounds“). Това далеч надминава обичайните постижения на фарма фирмите (обикновено под 5% „hit compounds“).

Отличните резултати от предходния ни проект ни дадоха основание да разработим и спечелим през 2019 г. следващ тригодишен проект, финансиран от ФНИ, озаглавен „Нови производни на 2-циано-4-нитробензена и негови аналози с обещаваща антивирусна активност“. Той се явява продължение на предишния, тъй като диарилетерите се очертават като клас съединения, проявяващи отчетлива и разнообразна антивирусна активност. Затова и в рамките на този проект кръгът на новите съединения е разширен допълнително, като синтезираните до момента нови вещества са 40. Разширен е и кръгът вируси, върху които тези съединения са тествани допълнително ин витро – човешки аденовирус 5 (HAdv5), Herpes Simplex Virus 1 (HSV-1) и човешки коронавирус OC43 (HCoV OC43). Последният е особено ценен, поради факта, че генетически е много близък до SARS-CoV-2. Дотолкова близък, че HCoV OC43 може да служи като модел за изпитание на анти-ковид химиотерапевтици (всички коронавируси имат сходен репликативен цикъл). Допълнителен плюс е лесното и стандартизирано лабораторно отглеждане на HCoV OC43. Беше подходящо да включим HCoV OC43 в изследванията ни, тъй като и коронавирусите (както ентеровирусите) имат едноверижен +РНК геном. По тази причина предположихме, че е много вероятно същия клас съединения (диарилетерите) да имат инхибиращо действие и спрямо корона вируси. Предложението ни се оказа вярно. Постигнатите на този етап от проекта резултати също са забележителни – едно от съединенията е ефективно срещу HAdv5 (SI=100), а друго – срещу HCoV OC43 (SI=97).

Не бива да забравяме, че извършената от нас работа е само малка част от предклиничния етап на изследванията на лекарствените кандидати. Дори избраните „hit compounds“ да продължат нататък (в случай че фармацевтичната индустрия ги забележи и финансира), следват още 4 клинични фази на тестване, през които няма гаранции че те ще преминат успешно заради строгите изисквания за ефективност и безопасност. Чак на края на този сложен, скъп и бавен път (до 10 години понякога), може да се стигне евентуално до официалното одобряването на дадено активно вещество за лекарствено средство. От гореизложеното следва да сме оптимисти, че намирането на нови ефективни антивирусни средства не е непостижима цел. Но както вероятно забелязвате, освен съответните научни и финансови усилия, изисква се и много време. Време, което епидемиите не ни дават, когато ни връхлетят.

Литература:

• Dobrikov, G.M, Slavchev, I., Nikolova, I., Stoyanova, A., Nikolova, N., Mukova, L., Nikolova, R., Shivachev, B., Galabov, A.S. Synthesis and anti-enterovirus activity of new analogues of MDL-860. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, 2017, 27, pp. 4540-4543. DOI: 10.1016/j.bmcl.2017.08.056
• Arita, M., Dobrikov, G., Pürstinger, G., Galabov, A.S. Allosteric Regulation of Phosphatidylinositol 4-Kinase III Beta by an Antipicornavirus Compound MDL-860. ACS Infectious Diseases, 2017, 3, pp. 585-594. DOI: 10.1021/acsinfecdis.7b00053
• Nikolova, I., Slavchev, I., Ravutsov, M., Dangalov, M., Nikolova, Y., Zagranyarska, I., Stoyanova, A., Nikolova, N., Mukova, L., Grozdanov, P., Nikolova, R., Shivachev, B., Kuz’min, V.E., Ognichenko, L.N., Galabov, A.S., Dobrikov, G.M. Anti-enteroviral activity of new MDL-860 analogues: Synthesis, in vitro/in vivo studies and QSAR analysis. Bioorganic Chemistry, 2019, 85, pp. 487-497. DOI: 10.1016/j.bioorg.2019.02.020

Тази статия е от брой 151 (март 2022 г.) на сп. „Българска Наука“ – вижте повече за съдържанието и как да изтеглите броя от тук: https://nauka.bg/bgnauka151/

Вземете (Доживотен) абонамент и Подарете един на училище по избор!