мертвый вирус что это
Мёртвый вирус против живого: в центре Чумакова назвали преимущества вакцины «Ковивак»
По словам учёных, главное, что она учит организм противостоять не какому-то отдельному патогенному белку, а всему вирусу целиком.
Фото © ТАСС / Eraldo Peres
Вакцина от коронавируса «Ковивак» может оказаться неэффективной только в случае грубой ошибки при её производстве, заявил заместитель генерального директора Федерального научного центра исследований и разработки иммунобиологических препаратов имени М.П. Чумакова РАН Константин Чернов. Он выступил на заседании круглого стола «Российская наука и медицина vs CoViD-19. Вызовы и достижения».
Фото © ТАСС / SERGEI ILNITSKY
— Если мы говорим о цельновирионной вакцине, то нет никаких предпосылок для того, чтобы эта вакцина не работала, за исключением, может быть, одного случая: если она, скажем так, сделана неправильно и вирус инактивирован таким образом, что он потерял свою форму, и антитела, которые будут вырабатываться, они не будут нейтрализующими. Но это уже вопрос искусства разработчика и дисциплины производителя. Я думаю, и то и другое у нас в достатке, — заверил он.
Препарат создан на основе целых, но инактивированных, то есть «убитых» вирусных частиц, рассказал учёный. Для создания вакцины специалисты центра взяли более 600 образцов живого вируса SARS-Cov-2 у больных в красных зонах, рассказал учёный. Ранее сообщалось, что эти образцы извлекали в «Коммунарке».
— Мы берём вакцинный штамм, нарабатываем его в достаточных промышленных количествах на нашей линии, после чего инактивируем его химически, то есть мёртвые вирусные частицы, которые содержатся в вакцине, они уже не в состоянии нанести организму человека никакого вреда, но в состоянии вызвать у него развитие иммунитета, — объяснил исследователь.
Фото © ТАСС / Пименов Роман
— Нашу вакцину действительно можно назвать классической, потому что на подобной технологии вакцины создаются уже более 70 лет. Одной из первых была создана вакцина от полиомиелита в США в начале 50-х годов, — отметил учёный.
«Хорошая вакцина? Прививайте!» Как в СССР победили полиомиелит
По его словам, главное отличие «Ковивака» от других антикоронавирусных вакцин в том, что этот препарат не «настраивает» иммунитет против какой-то определённой «части тела» вируса, а работает против всей вирусной частицы целиком.
— Если и синтетические, и векторные, и РНК-вакцины — такие как Pfizer, Moderna — пытаются и достаточно успешно, как мы видим, защищают только входные ворота, блокируют только S-белок, после чего начинается естественный процесс уничтожения заблокированных вирусных частиц, то мы думаем, что вполне возможны некие механизмы действия вируса, которые пока нам ещё могут быть не известны, — подчеркнул замдиректора центра.
Напомним, S-белок, или Spike («шип»), известен как главный инструмент коронавирусной частицы, с помощью которого она прикрепляется к рецептору клетки-жертвы и добивается того, чтобы её «проглотили» и таким образом впустили внутрь. Но на самом деле последние данные микробиологии говорят о том, что этим способности SARS-Cov-2 не ограничиваются.
— Выясняется, что пресловутый S-белок, который должен взаимодействовать с нашими рецепторами уже известными — ангиотензинпревращающего фермента, — взаимодействует ещё как минимум с тремя рецепторами в нашем организме, — говорит учёный.
Он также назвал ещё одну причину не концентрировать внимание исключительно на Spyke, а нарабатывать антитела ко всем вирусным белкам. Дело в том, что не все тесты на сегодняшний день могут выявить антитела к S-белку, а значит, не могут определить эффективность созданной на его основе вакцины. Он привёл в пример популярный тест на N-белок.
— Как ни странно, реакция на N-белок у заболевшего проявляется раньше, чем на S, хотя S вроде бы находится на поверхности. И в то же время, если мы начнём с помощью этого теста измерять результаты прививки теми вакцинами, которые опираются на S-белок, к ним относится и «Спутник», и «Эпивак», и Pfizer, и Moderna, и Astrazeneca, этот тест покажет ноль. Потому что он просто не настроен на механизм действия этих вакцин, — сказал Чернов.
Недавно по тому же принципу, что и «Ковивак», создали вакцину Coronavac от китайской фармацевтической компании. 3 февраля 2021 года в медицинском издании Lancet вышел отчёт об испытаниях препарата на пожилых людях. По опубликованным данным, у пациентов в возрасте от 60 лет и старше отмечена высокая интенсивность сероконверсии, то есть выработки антител, она составила около 95%. При этом о побочных эффектах сообщила лишь пятая часть испытуемых. Все симптомы были лёгкими и умеренными, самые частые — боль в месте укола и повышенная температура. В большинстве случаев эти явления начинались в первые несколько дней после вакцинации и проходили в течение двух суток, пишет журнал.
Ранее стало известно об исследованиях этого препарата в Бразилии. Специалисты Института Бутантан в Сан-Паулу заявили в январе, что в ходе их испытаний эффективность препарата против тяжёлого и умеренно тяжёлого ковида составила 100%, а против лёгкого или требующего амбулаторного лечения — 78%. Однако позже руководитель клинических исследований института Рикардо Паласиос упомянул на пресс-конференции, что в случае «очень лёгкого» CoViD-19 эффективность Coronavac составляет лишь 50,38%. Это вызвало вопросы по всему миру. В центре Чумакова тоже, в свою очередь, высказались по поводу этих цифр.
Фото © ТАСС / АР / Juan Karita
— У меня сразу встречные вопросы: кто это измерял и как это измеряли. Я сомневаюсь, что в Бразилии за это время они сумели посмотреть эпидемическую эффективность вакцины, это надо было провакцинировать достаточно большое количество людей с группой плацебо, обеспечить ещё ослепление в этом эксперименте, то есть сделать так, чтобы те, кто получил плацебо или настоящую вакцину, не знали об этом. Как это сделать без госпитализации в условиях доступности тест-систем просто на рынке, мне, например, не очень ясно. Скорее всего, они опираются на какие-то клинические методы, — полагает Константин Чернов.
Что касается «Ковивака», то сейчас завершается вторая фаза клинических испытаний вакцины. В январе в центре Чумакова сообщали, что предварительные результаты показывали эффективность на уровне 90%. На апрель назначено начало третьего этапа, это исследование охватит три тысячи добровольцев. Как заявил в конце января премьер-министр Михаил Мишустин, препарат поступит в гражданский оборот в ближайшие месяцы.
Догнать и предупредить
Как создают вакцину от коронавируса и может ли она остановить пандемию
Десятки биотехнологических компаний и научных институтов наперегонки с пандемией создают разные варианты вакцин от нового коронавируса SARS-CoV-2. Разбираемся, какие технологии используют для их разработки, сколько времени пройдет до момента, когда от COVID-19 можно будет делать прививки, и сможет ли будущая вакцина остановить пандемию.
Каждый раз, когда человечество сталкивается с новой инфекцией, одновременно стартуют три гонки: за лекарством, тест-системой и вакциной. Мы уже писали о том, как врачи ищут эффективное лекарство, перебирая все известные противовирусные препараты. И рассказывали, как работают тест-системы и что мешает проверить с их помощью все население планеты. Теперь время поговорить о вакцинах. На предыдущей неделе в России начались испытания антикоронавирусной вакцины на животных, а в США — уже на людях. Значит ли это, что победа над эпидемией близка?
Мертвый вирус — плохой вирус
В школьных учебниках обычно пишут, что для прививок используют убитый или ослабленный возбудитель инфекции. Но эта информация несколько устарела. «Инактивированные („убитые“ — N+1) и аттенюированные (ослабленные — N+1) вакцины были придуманы и введены в середине прошлого века, и их трудно считать современными, — объясняет в разговоре с N+1 Ольга Карпова, заведующий кафедрой вирусологии биологического факультета МГУ имени Ломоносова. — Это дорого. Это сложно в транспортировке и хранении, многие вакцины доезжают до мест, где они нужны (если мы говорим, например, об Африке) в таком состоянии, когда они никого уже не защищают».
Кроме того, это небезопасно. Для того, чтобы получить высокую дозу «убитого» вируса, необходимо сначала обзавестись большими количествами живого, а это повышает требования к оснащению лаборатории. Потом его нужно обезвредить — для этого используют, например, ультрафиолет или формалин. Но где гарантия, что среди множества «мертвых» вирусных частиц не останется сколько-то способных вызвать болезнь?
С ослабленным возбудителем все еще сложнее. Сейчас для того, чтобы ослабить, вирус заставляют мутировать, а потом отбирают наименее агрессивные штаммы. Но при этом получается вирус с новыми свойствами, и не все их можно предсказать заранее. Опять же, где гарантия, что, оказавшись внутри организма, вирус не продолжит мутировать и не произведет «потомство», еще более «злое», чем оригинал?
Разделяй и вакцинируй
Гораздо безопаснее познакомить иммунную систему не с целым вирусом, а с отдельной его частью. Для этого нужно подобрать белок, по которому «внутренняя полиция» человека сможет безошибочно распознать вирус. Как правило, это поверхностный белок, с помощью которого патоген проникает внутрь клеток. Затем нужно заставить какую-нибудь культуру клеток произвести этот белок в промышленных масштабах. Это делают с помощью генной инженерии, поэтому такие белки называют генноинженерными, или рекомбинантными.
«Я считаю, что вакцины должны быть обязательно рекомбинантными, и никак иначе, — говорит Карпова. — Притом это должны быть вакцины на носителях, то есть белки вируса должны находиться на каком-то носителе. Дело в том, что сами по себе они (белки) не иммуногенные. Если в качестве вакцины использовать низкомолекулярные белки, на них не будет вырабатываться иммунитет, организм не будет на них реагировать, поэтому частицы-носители абсолютно необходимы».
В качестве такого носителя исследователи из МГУ предлагают использовать вирус табачной мозаики (это, кстати, самый первый открытый людьми вирус). Обычно он похож на тонкую палочку, но при нагревании принимает форму шарика. «Он стабилен, у него уникальные адсорбционные свойства, он притягивает к себе белки, — рассказывает Карпова. — На его поверхности можно разместить небольшие белки, те самые антигены». Если покрыть вирус табачной мозаики белками коронавируса, то для организма он превращается в имитацию вирусной частицы SARS-CoV-2. «Вирус табачной мозаики, — отмечает Карпова, — является для организма эффективным иммуностимулятором. В то же время, поскольку вирусы растений не могут заражать животных, в том числе человека, мы делаем абсолютно безопасный продукт».
Вирус табачной мозаики
Голые гены
Этап производства белка в культуре клеток можно сократить и ускорить процесс, если заставить клетки организма производить вирусные белки самостоятельно. По такому принципу работают генотерапевтические вакцины — в клетки человека можно встроить «голый» генетический материал — вирусную ДНК или РНК. ДНК обычно вводят в клетки с помощью электропорации, то есть вместе с уколом человек получает легкий разряд, в результате проницаемость клеточных мембран увеличивается, и нити ДНК попадают внутрь. РНК доставляют с помощью липидных пузырьков. Так или иначе, клетки начинают производить вирусный белок и демонстрировать его иммунной системе, а она разворачивает иммунный ответ даже в отсутствие вируса.
Этот метод довольно новый, в мире еще нет вакцин, которые работали бы по такому принципу. Тем не менее, сразу семь компаний, по данным ВОЗ, пробуют сделать вакцину от коронавируса на его основе. По этому пути идет Moderna Therapeutics — американский лидер гонки за вакциной. Его же выбрали для себя еще три участника гонки из России: научный центр «Вектор» в Новосибирске (по данным Роспотребнадзора, он проверяет целых шесть дизайнов вакцин одновременно, и один из них — на основе РНК), компания Biocad и Научно-клинический центр прецизионной и регенеративной медицины в Казани.
«Создать вакцину в принципе не так сложно, — считает директор Центра, профессор кафедры генетики Института фундаментальной медицины и биологии КФУ Альберт Ризванов. — Генно-терапевтические вакцины по скорости разработки самые быстрые, потому что достаточно создать генетическую конструкцию». Вакцина, над которой работают в Центре, должна выстрелить по нескольким мишеням разом: в клетки вводят нить ДНК с несколькими вирусными генами одновременно. В результате клетки будут производить не один вирусный белок, а сразу несколько.
Кроме того, по словам Ризванова, ДНК-вакцины могут оказаться дешевле прочих в производстве. «Мы, по сути своей, как Space X, — шутит ученый. — У нас разработка прототипа стоит всего несколько миллионов рублей. Правда, создание прототипа — это только верхушка айсберга, а тестирование с живым вирусом — это совсем другой порядок».
Превратности и хитрости
Кроме того, потребуются специальные животные. Дело в том, что обычные лабораторные мыши болеют далеко не всеми человеческими вирусами, и картина болезни тоже может сильно отличаться. Поэтому вакцины часто тестируют на хорьках. Если же ставить целью работу именно с мышами, то необходимы генетически модифицированные мыши, которые несут на своих клетках точь-в-точь те рецепторы, за которые «цепляется» коронавирус в организме пациента. Эти мыши стоят недешево (десяток или два тысяч долларов за линию). Правда, иногда можно сэкономить — закупить всего несколько особей и размножить их в лаборатории — но это удлиняет этап доклинических испытаний.
Существование вируса гриппа было доказано именно в экспериментах на хорьках, они же до сих пор служат моделью для многих вирусных болезней
NIMR London / flickr.com
Есть несколько этапов, на которых процесс можно ускорить. Самый очевидный — разработка. Американская компания Moderna вырвалась вперед, потому что давно занимается созданием мРНК-вакцин. И чтобы сделать еще одну, им оказалось достаточно расшифрованного генома нового вируса. Российские коллективы из Москвы и Казани тоже не первый год работают над своей технологией и опираются на результаты испытаний своих предыдущих вакцин от других болезней.
Идеальным вариантом была бы платформа, которая позволяет быстро создавать новую вакцину по шаблону. Подобные планы вынашивают, в том числе, исследователи из МГУ. «На поверхности своей частицы, — рассказывает Карпова, — мы можем разместить белки нескольких вирусов и защищать одновременно от Covid-19, SARS и MERS. Мы даже думаем о том, что можно предотвратить такие вспышки в дальнейшем. Существует 39 коронавирусов, часть из них близка к коронавирусам человека, и совершенно понятно, что такое преодоление видового барьера („перепрыгивание“ вируса от летучих мышей к человеку — N+1). Но если будет такая вакцина, как конструктор лего, мы можем поместить на нее белок какого-то вируса, который где-то возник. Мы это сделаем в течение двух месяцев — заменим или добавим эти белки. Если бы такая вакцина была в декабре 2019 года, и прошли бы вакцинации людей хотя бы в Китае, дальше это бы не распространилось».
Следующий этап — доклинические испытания, то есть работа с лабораторными животными. Это не самый долгий процесс, но за его счет можно выиграть, если совместить их с клиническими испытаниями на людях. Именно это сделала Moderna — они ограничились быстрой проверкой на безопасность и сразу перешли к исследованиям на людях. Однако стоит помнить, что препарат, который они пробуют, относится к самым безопасным. Поскольку они не используют ни вирусы, ни рекомбинантные белки, то очень невелик шанс, что у добровольцев возникнут побочные эффекты — иммунной системе просто не на что агрессивно реагировать. Худшее, что может произойти, — вакцина окажется неэффективной. Но это еще предстоит проверить.
А вот производство вакцин, судя по всему, ограничивающим этапом не является. «Это не сложнее, чем обычное биотехнологическое производство рекомбинантных белков», — объясняет Ризванов. Произвести миллион доз такой вакцины, по его словам, завод может за единицы месяцев. Ольга Карпова дает похожую оценку: три месяца для миллиона доз.
А нужна ли вакцина?
Стоит ли сокращать клинические испытания — вопрос спорный. Во-первых, это сам по себе процесс небыстрый. Во многих случаях вакцину нужно вводить в несколько этапов: если вирус не размножается сам по себе внутри организма, то он быстро выводится, и его концентрация оказывается недостаточной, чтобы вызвать серьезный иммунный ответ. Поэтому даже простая проверка эффективности займет не меньше нескольких месяцев, а за безопасностью вакцины для здоровья добровольцев врачи собираются следить целый год.
Во-вторых, COVID-19 — тот самый случай, когда ускорять испытания на людях многим кажется нецелесообразным. Смертность от болезни сегодня оценивают в единицы процентов, и это значение, вероятно, еще будет снижено, как только станет ясно, какое количество людей перенесло болезнь бессимптомно. Но вакцину, если она будет изобретена сейчас, придется ввести миллионам людей, и даже небольшие побочные эффекты могут вылиться в количество болезней и смертей, сопоставимое с самой инфекцией. А новый коронавирус далеко не настолько «зол», чтобы, по выражению Ризванова, «совсем уж откидывать в сторону все соображения безопасности». Ученый полагает, что в сложившейся сегодня ситуации наиболее эффективен карантин.
Впрочем, по словам Карповой, в ближайшее время в вакцине нет острой необходимости. «Вакцинировать людей во время пандемии не нужно, это не соответствует эпидемическим правилам», — объясняет она.
С ней согласна Галина Кожевникова, заведующая кафедрой инфекционных болезней РУДН. «В период эпидемии не рекомендуется вообще никакая вакцинация, даже плановая, которая входит в календарь прививок. Потому что нет никакой гарантии, что человек не находится в инкубационном периоде, а если в этот момент применить вакцину, возможны нежелательные явления и сниженная эффективность прививки», — сказала Кожевникова, отвечая на вопрос N+1.
Бывают случаи, добавила она, когда необходима экстренная вакцинация по жизненным показаниям, в ситуации, когда речь идет о жизни и смерти. Например, во время вспышки сибирской язвы в Свердловске в 1979 году вакцинировали всех подряд, тысячи людей экстренно прививали и в 1959 году в Москве во время вспышки натуральной оспы, привезенной из Индии художником Алексеем Кокорекиным.
«Но коронавирус — это абсолютно не такая история. По тому, что происходит, мы видим, что эта эпидемия развивается по классическим законам острого респираторного заболевания», — говорит Кожевникова.
Таким образом, разработчики вакцин всегда находятся в неудобной ситуации. Пока вируса нет, вакцину создать практически невозможно. Как только вирус появился, оказывается, что это необходимо было сделать позавчера. А когда он отступает, то производители теряют своих клиентов.
Тем не менее, вакцину необходимо сделать. Этого не произошло во время предыдущих вспышек коронавирусных инфекций — и MERS, и SARS слишком быстро закончились, и исследования лишились финансирования. Но если случаев SARS в мире не наблюдалось с 2004 года, то последний случай MERS датируют 2019 годом, и никто не может гарантировать, что вспышка не повторится. Кроме того, вакцина от предыдущих инфекций может стать стратегической платформой для разработки будущих вакцин.
Карпова отмечает, что даже после затухания этой вспышки COVID-19 возможна еще одна. И вот в таком случае государство должно иметь наготове вакцину. «Это не та вакцина, которой все люди будут прививаться, как от гриппа, — уточняет она. — Но в экстренной ситуации при новой вспышке такая вакцина у государства должна быть, так же как и тест-система».
Вирусы и человек. Противостояние длиной в тысячелетия
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Каждый год, с завидной регулярностью, человечество сталкивается с большой и малоизученной опасностью. Непонятно откуда и по каким причинам вдруг появляются новые, неизвестные ранее виды вирусов, которые угрожают всем нам эпидемиями и гибелью большого количества людей. Так, появившийся весной 2015 года в Южной Корее ближневосточный респираторный коронавирусный синдром (коронавирус MERS) застал врасплох южнокорейские власти и заставил их принимать срочные эпидемиологические меры. Смертность от MERS составила более 35%, и, как сказано в бюллетене ВОЗ, «в настоящее время не существует ни конкретного лечения, ни вакцины от этой болезни». Поэтому интерес исследователей к вирусам вполне объясним и имеет жизненно важное значение.
Обратите внимание!
Эта работа опубликована в номинации «Лучшая статья по иммунологии» конкурса «био/мол/текст»-2015.
Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.
Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.
Эволюция и происхождение вирусов
Как теперь известно ученым, вирусы окружают нас повсюду в живой природе. И каждая клетка каждого живого организма несет в себе следы прошлых встреч с ними. Генетическое разнообразие вирусов, их умение меняться и приспосабливаться, а также их огромное количество в природе — поражают. Предполагается, что общее число вирусных частиц на порядок выше количества всех клеток всех организмов на Земле [1]. Миллионы лет назад ретроэлементы и ретровирусы участвовали в эволюции, выступая в качестве генетического резервуара для создания новых генов и усложнения видов. Этот вопрос подробно исследовали и нашли массу подтверждающих фактов российские генетики из Института биоорганической химии РАН (академик Е.Д. Свердлов, А.А. Буздин и их коллеги) [2, 3]. И сейчас вирусы могут выступать одним из «орудий» эволюции, регулируя численность и жизнеспособность популяций*.
* — О том, как вирусы могли участвовать в эволюции живых организмов, рассказывают статьи «Вирусные геномы в системе эволюции» и «Гигантские вирусы: 4-й домен жизни?» [4, 5].
Когда именно на Земле появились первые вирусы, наука точно сказать не может. Сегодня существует несколько гипотез происхождения вирусов. Один из самых авторитетных ученых-вирусологов, академик РАМН В.М. Жданов, особо выделяет три из них. Согласно первой, вирусы могут быть потомками бактерий или других одноклеточных организмов, претерпевших дегенеративную эволюцию. То есть бактерии или одноклеточные по каким-то причинам вместо обычного развития в сторону усложнения, потеряли часть структур и «упростились» до вирусов. Согласно второй гипотезе, вирусы появились еще до образования первых живых клеток и являются потомками древних доклеточных форм жизни. Возможно, поначалу они обладали автономностью, но затем перешли к паразитическому способу жизни, используя для своего размножения другие формы. Согласно третьей гипотезе, вирусы произошли от клеточных генетических структур — ретротранспозонов, — способных передвигаться в геномах [6].
В 2007 году сотрудники биологического факультета МГУ Л. Нефедова и А. Ким описали, как мог появиться один из видов вирусов — ретровирусы. Они провели сравнительный анализ геномов дрозофилы D. melanogaster и ее эндосимбионта (микроорганизма, живущего внутри дрозофилы) — бактерии Wolbachia pipientis. Полученные данные показали, что эндогенные ретровирусы группы gypsy могли произойти от мобильных элементов генома — ретротранспозонов. Причиной этому стало появление у ретротранспозонов одного нового гена — env, — который и превратил их в вирусы. Этот ген позволяет вирусам передаваться горизонтально, от клетки к клетке и от носителя к носителю, чего ретротранспозоны делать не могли. Именно так, как показал анализ, ретровирус gypsy передался из генома дрозофилы ее симбионту — вольбахии [7]. Это открытие упомянуто здесь не случайно. Оно нам понадобится для того, чтобы понять, чем вызваны трудности борьбы с вирусами.
Из давних письменных источников, оставленных историком Фукидидом и знахарем Галеном, нам известно о первых вирусных эпидемиях, возникших в Древней Греции в 430 году до н.э. и в Риме в 166 году. Часть вирусологов предполагает, что в Риме могла произойти первая зафиксированная в источниках эпидемия оспы. Тогда от неизвестного смертоносного вируса по всей Римской империи погибло несколько миллионов человек [8]. И с того времени европейский континент уже регулярно подвергался опустошающим нашествиям всевозможных эпидемий — в первую очередь, чумы, холеры и натуральной оспы. Эпидемии внезапно приходили одна за другой вместе с перемещавшимися на дальние расстояния людьми и опустошали целые города. И так же внезапно прекращались, ничем не проявляя себя сотни лет.
Вирус натуральной оспы стал первым инфекционным носителем, который представлял действительную угрозу для человечества и от которого погибало большое количество людей. Свирепствовавшая в средние века оспа буквально выкашивала целые города, оставляя после себя огромные кладбища погибших. В 2007 году в журнале Национальной академии наук США (PNAS) вышла работа группы американских ученых — И. Дэймона и его коллег, — которым на основе геномного анализа удалось установить предположительное время возникновения вируса натуральной оспы: более 16 тысяч лет назад. Интересно, что в этой же статье ученые недоумевают по поводу своего открытия: как так случилось, что, несмотря на древний возраст вируса, эпидемии оспы не упоминаются в Библии, а также в книгах древних римлян и греков [9]?
Новосибирские микробиологи Игорь Бабкин и Ирина Бабкина из Института химической биологии и фундаментальной медицины РАН (ИХБФМ СО РАН), исходя из результатов геномного анализа называют более близкую к нам дату возникновения вируса натуральной оспы — 3000–4000 лет назад [8]. Место возникновения — восточная Африка. Но, так или иначе, вырвавшись с африканского континента около двух тысяч лет назад, вирус оспы начал свое «черное» шествие по миру, уложив в могилу огромное количество людей на всех континентах, и просуществовал до 1980 года, когда человечество объединенными усилиями его победило. Сегодня вирус натуральной оспы под строгим контролем сохраняется в двух лабораториях: в Центре по контролю заболеваний (CDC, Атланта, США) и в Научном центре вирусологии и биотехнологии «Вектор» (Кольцово, Россия) *.
* — Это официальные хранилища, а по поводу неофициальных спекулируют и обыватели, и авторитетные вирусологи, работающие под шефством ФБР. Так нужно ли уничтожать «легальные» образцы вирусов оспы? Почему ответ на этот вопрос неоднозначен, пытается разобраться американский журналист Ричард Престон в своей документальной книге «Демон в морозильной камере» [10]. Делает он это частично через призму событий, сопутствующих знаменитой рассылке писем со спорами сибиреязвенных бактерий в 2001 году («биомолекула» в одной из врезок затрагивала эту тему). Как реагировали всевозможные государственные структуры, как шаг за шагом продвигалось расследование ФБР, что творилось в недрах главного защитника населения США от биотеррористов — USAMRIID (Форт Детрик). Автор описывает вирусы оспы и случаи, связанные с их «оживлением» и экспериментальным заражением животных, шпионские скандалы, последние вспышки натуральной оспы и историю глобальной победы над ней в конце 70-х. Однако Престон (как и некоторые компетентные герои его расследования) не страдает избытком оптимизма, небезосновательно считая, что мечта о тотальном избавлении от оспы не сбылась: хотя нам удалось истребить инфекцию в природе, «мы не смогли вырвать вирус из человеческого сердца». Основанием для этой мысли, помимо прочего, послужили сведения, подкрепляющие потенциальную возможность искусственного создания супервирусов оспы, а также. детская рука с типичными оспенными поражениями, найденная в 1999 году.
Страхи-страхами, а престонские демоны волей-неволей и на благо науки работают — по крайней мере, у нас. В конце 90-х в микробиологических кулуарах ходила байка о том, что кое-какие — не известные широкой общественности — биологические институты выжили благодаря содержимому своих холодильников: чиновников удалось «разжалобить» только страшилкой об апокалиптических последствиях отключения электроэнергии в институте. Ведь из размороженных холодильников всенепременно выскочат бациллы сибирской язвы! — Ред.
Строение вирусов и иммунный ответ организма
В поле зрения ученых вирусы попали в начале XVIII века. Тогда европейские врачи заинтересовались феноменом непроизвольной вакцинации: люди, зараженные легкой формой оспы — коровьей, — были не подвержены оспе натуральной, то есть человеческой. Прорыв в этом вопросе произошел в 1796 году, когда английский врач и ученый Эдвард Дженнер (рис. 1, справа) публично произвел первое «цивилизованное» и безопасное оспопрививание [11]. После этого прошло без малого двести лет, когда в 1892 году впервые был описан вирус. Звание первооткрывателя вирусов по праву принадлежит российскому микробиологу Дмитрию Иосифовичу Ивановскому (рис. 1, слева), который в конце XIX века сумел описать вирус, вызывающий мозаичную болезнь растения табака. И вслед за этим открытием началось лавинообразное изучение вирусов, которые не перестают нас удивлять и преподносить неожиданные сюрпризы.
Рисунок 1. Первооткрыватель вирусов Д.И. Ивановский (1864–1920) (слева) и английский врач Эдвард Дженнер (справа).
После детального изучения вирусов, которые получили свое название от латинского слова virus (яд), стало известно, как именно они устроены. Полноценная вирусная частица — вирион — состоит из белковой оболочки (капсида) и внутреннего содержимого: нуклеиновой кислоты, «хранящей» вирусные гены (рис. 2, 3). У некоторых вирусов капсид покрыт дополнительными слоями из белков и липидов. По тому, какая именно нуклеиновая кислота содержится в вирусе, их делят на два больших вида: ДНК- и РНК-вирусы*.
Рисунок 2. Строение вируса иммунодефицита человека (ВИЧ). Диаметр частицы ВИЧ составляет примерно 100–120 нм. gp120 — поверхностный белок, молекулы которого формируют «шляпку гриба». Именно этот белок взаимодействует с антителами и рецептором клетки-мишени (gp — гликопротеин, 120 — масса белка в дальтонах). gp41 — белок, формирующий «ножку гриба», встроенную в липидную мембрану вируса. р24 — внутренний белок, две тысячи молекул которого составляют капсид вируса (кор), имеющий форму усеченного конуса. р17 — матриксный белок, образующий слой толщиной 5–7 нм между внешней оболочкой и капсидом. Интеграза, ревертаза и протеаза — ферменты, необходимые для жизненного цикла вируса. РНК (2 копии) — хранилище генетической информации (ВИЧ — ретровирус). Генетический аппарат ВИЧ-1, связанный с нуклеокапсидным белком p7, имеет длину около 10 тыс. нуклеотидов и содержит девять генов. Рисунок с сайтов visual-science.com и «Википедии».
Почти все известные науке вирусы имеют свою специфическую мишень в живом организме — определенный рецептор на поверхности клетки, к которому и прикрепляется вирус. Этот вирусный механизм и предопределяет, какие именно клетки пострадают от инфекции. К примеру, вирус полиомиелита может прикрепляться лишь к нейронам и потому поражает именно их, в то время как вирусы гепатита поражают только клетки печени. Некоторые вирусы — например, вирус гриппа А-типа и риновирус — прикрепляются к рецепторам гликофорин А и ICAM-1, которые характерны для нескольких видов клеток. Вирус иммунодефицита избирает в качестве мишеней целый ряд клеток: в первую очередь, клетки иммунной системы (Т-хелперы, макрофаги), а также эозинофилы, тимоциты, дендритные клетки, астроциты и другие, несущие на своей мембране специфический рецептор СD-4 и CXCR4-корецептор [13–15].
Рисунок 3. Генетическая организация вируса ВИЧ-1. (+)РНК-геном вируса содержит гены, ответственные за синтез белков, выполняющих структурные, ферментативные и регуляторные функции. Это гены gag, env и pol, имеющиеся у всех известных ретровирусов и кодирующие структурные белки оболочки вируса (gag, env), а также ферменты: ревертазу, интегразу и протеазу (ген pol). Оставшиеся шесть генов — vpr, vpu, vif, tat, rev, nef — так или иначе участвуют в жизненном цикле ВИЧ-1, кодируя регуляторные белки и подавляя активность иммунных клеток. Два вида вируса иммунодефицита человека (ВИЧ-1 и ВИЧ-2) различны по составу генов: у ВИЧ-2 нет гена vpu, зато есть ген vpx. Рисунок с сайта www.zdrav.kz.
Что происходит после того, как вирус попадает внутрь организма? Уже в слизистой оболочке иммунные клетки (макрофаги) поглощают часть вирионов. Вслед за этим, когда вирус проникает в кровь, другие иммунные клетки — Т-хелперы — дают стимулирующий сигнал «убийцам» вирусов: B-лимфоцитам и Т-киллерам. Операция по уничтожению вируса переходит в следующую фазу. Активированные B-лимфоциты образуют антитела, которые находят свободные антигены вирусов и связываются с ними. Такой тандем (вирусный антиген — антитело) захватывается и уничтожается макрофагами. Те вирусы, которые сумели ускользнуть от антител и макрофагов и внедриться в клетки, уничтожаются вместе с пораженными клетками Т-киллерами. И завершающий этап иммунной реакции: клетки Т-супрессоры гасят активность иммунного ответа, прекращая агрессивные действия Т-киллеров и B-лимфоцитов, чтобы те, разбушевавшись, не уничтожили и здоровые клетки.
Одновременно с этим в организме реализуется еще один, молекулярный, защитный механизм: пораженные вирусом клетки начинают производить специальные белки — интерфероны, — о которых многие слышали в связи с гриппозной инфекцией. Существует три основных вида интерферонов. Синтез интерферона-альфа (ИФ-α) стимулируют лейкоциты. Он участвует в борьбе с вирусами и обладает противоопухолевым действием. Интерферон-бета (ИФ-β) производят клетки соединительной ткани, фибробласты. Он обладает таким же действием, как и ИФ-α, только с уклоном в противоопухолевый эффект. Интерферон-гамма (ИФ-γ) синтезируют Т-клетки (Т-хелперы и (СD8+) Т-лимфоциты), что придает ему свойства иммуномодулятора, усиливающего или ослабляющего иммунитет. Как именно интерфероны борются с вирусами? Они могут, в частности, блокировать работу чужеродных нуклеиновых кислот, не давая вирусу возможности реплицироваться (размножаться).
В 2008 году американские исследователи из Университета Рокфеллера открыли еще один интерферон-зависимый антивирусный механизм. Выяснилось, что интерферон стимулирует синтез белка BST-2 (тетерина), блокирующего выход вирионов из клетки [16]. Но некоторые вирусы научились обходить действие интерферона. Так, вирус Эбола (рис. 4) с помощью своего белка eVP24 не дает ядерному фактору PY-STAT1 проникнуть в ядро и запустить действие интерферона [17]. У этого вируса есть еще несколько механизмов, делающих его неуязвимым для иммунитета. Так, внутреннее содержимое вируса окружено «чехлом» из полисахаридов, благодаря чему вирус плохо распознается иммунной системой*.
* — О борьбе с вирусом Эбола с помощью моноклональных антител рассказывает статья «Вирус Эбола и макак-резус: получено новое эффективное лекарство» [18].
Рисунок 4. Схема строения, 3D-модель и фото вируса Эбола. Рисунки с сайтов www.visual-science.com и ebolaviruspictures.blogspot.com.
Как мы видим, в идеале у здорового организма существует довольно надежная многоуровневая система защиты от проникновения всевозможных «чужаков». И действительно, все мы знаем, что встречаются люди, в силу своего крепкого здоровья устойчивые ко всяким сезонным инфекциям вроде ОРВИ или гриппа. Такой опасный агент, как вирус натуральной оспы, не убивал всех без исключения заразившихся, и большая часть заболевших выздоравливала своими силами. Среди них был и будущий глава СССР, И. Сталин, переболевший в детстве оспой. Даже лихорадка Эбола, наводящая сегодня ужас в Африке, оставляет в живых десятую часть заразившихся. И лишь по отношению к одной единственной инфекции эта система защиты оказывается бессильной в 100% случаев заражения. Ни один человек из 36,9 миллионов, инфицированных ВИЧ (данные ВОЗ на начало 2015 г.), не сможет избавиться от вируса, а заболевший СПИДом — полностью выздороветь [19].
Причины поражений в борьбе с ВИЧ
Тем не менее нельзя сказать, что ничего не делается в борьбе с ВИЧ и нет никаких подвижек в этом вопросе. Сегодня уже определены перспективные направления в исследованиях, главные из которых: использование антисмысловых молекул (антисмысловых РНК), РНК-интерференция, аптамерная и химерная технологии [12]. Но пока эти антивирусные методы — дело научных институтов, а не широкой клинической практики*. И потому более миллиона человек, по официальным данным ВОЗ, погибают ежегодно от причин, связанных с ВИЧ и СПИДом.
Почему же человечество со всем своим огромным научным и техническим потенциалом ничего не может противопоставить этой смертоносной инфекции? Проблема борьбы с ВИЧ многоуровневая и включает в себя несколько факторов. Так, неизвестно почему, но иммунная система человека вместо того, чтобы бороться с вирусом, иногда помогает ему. Этот феномен, получивший название антителозависимое усиление инфекции (ADE), был описан применительно к ВИЧ в конце 80-х годов американскими биологами из университетов Калифорнии и Вандербильта — В. Робинсоном и его коллегами [22]. Было обнаружено, что антитела, которые вырабатываются в организме в ответ на вирусную атаку, облегчают проникновение вируса в клетку (рис. 5, 6). Посредством специфического участка — Fc-области — они присоединяются к клеткам-фагоцитам и «проводят» вирус в них. Это похоже на то, как поводырь проводит плохо видящего человека в нужное место: антитело «берет за руку» вирус и заводит его в макрофаг.
Рисунок 5. Схема развития феномена ADE при вирусных инфекциях. а — Взаимодействие между антителом и рецептором FcR на поверхности макрофага. б — Фрагмент С3 комплемента (компонент комплемента, после присоединения которого весь этот комплекс приобретает способность прилипать к различным частицам и клеткам) и рецептор комплемента (complement receptor, CR) способствуют присоединению вируса к клетке. в — Белки комплемента С1q и С1qR способствуют присоединению вируса к клетке (в составе молекулы C1q имеется рецептор для связывания с Fc-фрагментом молекулы антитела). г — Антитела взаимодействуют с рецептор-связывающим сайтом вирусного белка и индуцируют его конформационные изменения, облегчающие слияние вируса с мембраной. д — Вирусы, получившие возможность реплицироваться в данной клетке посредством ADE, супрессируют противовирусные ответы со стороны антивирусных генов клетки. Рисунок с сайта supotnitskiy.ru.
Подобный вирусный механизм характерен не только для ВИЧ. Он описан и при инфицировании некоторыми другими опасными вирусами: такими, как вирусы Денге и Эбола. Но при ВИЧ антителозависимое усиление инфекции сопровождается еще несколькими факторами, делая его опасным и почти неуязвимым. Так, в 1991 году американские клеточные биологи из Мэриленда (Дж. Гудсмит с коллегами), изучая иммунный ответ на ВИЧ-вакцину, обнаружили так называемый феномен антигенного импринтинга [23]. Он был описан еще в далеком 1953 году при изучении вируса гриппа. Оказалось, что иммунная система запоминает самый первый вариант вируса ВИЧ и вырабатывает к нему специфические антитела. Когда вирус видоизменяется в результате точечных мутаций, а это происходит часто и быстро, иммунная система почему-то не реагирует на эти изменения, продолжая производить антитела к самому первому варианту вируса. Именно этот феномен, как считает ряд ученых, стоит препятствием перед созданием эффективной вакцины против ВИЧ.
Рисунок 6. Электронно-микроскопическая фотография макрофага, инфицированного ВИЧ-1. Две темные области — многочисленные вирусные частицы, которыми «нашпигована» клетка. Рисунок из [13].
Но и это еще не все уловки в арсенале смертоносной инфекции. В нашем организме существуют специальные антиретровирусные системы, которые должны противостоять ВИЧ. Сегодня известны три таких системы: упоминавшийся выше (в связи с интерфероном) BST-2/ тетерин, а также AID/APOBEC и TRIM5-α [24]. Но, как выяснилось, все они оказываются бессильны в борьбе против ВИЧ. Вот как об этом говорит М.Р. Бобкова из Института вирусологии им. Д.И. Ивановского: «Антивирусные системы клетки, получившие название „внутреннего иммунитета“ (intrinsic immunity), пытаются бороться с вирусом, но у них это плохо получается. APOBEC модифицирует вирусную ДНК таким образом, что это приводит к ее разрушению либо неполноценности. В ответ на это вирус ВИЧ приобрел белок Vif, блокирующий функцию APOBEC. TRIM5-α у обезьян хорошо справляется с функцией преждевременного „раздевания“ РНК вируса, но только не „своего“ вида, а всех других. У человека этот белок есть, но функция его снижена, и ее недостаточно для ограничения репликации (копирования) ВИЧ. Тетерин связывает отпочковывающиеся вирусные частицы и не дает им покинуть поверхность клетки. В противодействие этому у ВИЧ есть белок Vpu, который путем связывания тетерина „освобождает“ новые частицы. Представить себе, что эти механизмы защиты от внутреннего иммунитета вирус выработал за те несколько десятилетий, что он общается с человеком, невозможно, поэтому должно быть какое-то другое объяснение».
«Другое» объяснение приводит в своей работе известный специалист по ВИЧ, микробиолог Михаил Супотницкий. По его мнению, причина того, что антивирусные системы человека бессильны против ВИЧ, носит эволюционный характер: «Почему так работают антиретровирусные системы человека? Причина, скорее всего та же, что заставляет иммунную систему человека участвовать в размножении и распространении ВИЧ — эти системы созданы самими ретровирусами» [25]. Когда-то, несколько сотен миллионов лет назад, древние ретроэлементы, от которых произошли все ретровирусы, участвовали в процессе эволюции в формировании иммунной системы позвоночных, передав для ее генов некоторые свои элементы. И потому наша иммунная система, созданная ретроэлементами, иногда может по старой памяти воспринимать вирусы как «своих».
Открытие биологов из МГУ — Нефёдовой и Кима, — о котором упоминалось в самом начале, также говорит в пользу этой, эволюционной, версии.
Также известно, что ВИЧ в своем жизненном цикле задействует множество белков организма хозяина (рис. 7). В 2008 году ученые из Гарвардской медицинской школы и Института Говарда Хьюза посредством механизма РНК-интерференции провели исследование генома человека на предмет обнаружения белков-«коллаборационистов», сотрудничающих с ВИЧ [20]. В ходе работы ими были обнаружены 273 белка, так или иначе связанных с циклом ВИЧ [26]. Но и это еще не всё. Оказалось, что наши внутренние, эндогенные ретровирусы, тихо сидящие в нашей ДНК, могут в случае надобности предоставлять «чужим» ретровирусам (в том числе и ВИЧ) свои ферменты, необходимые для вирусного жизненного цикла. То есть внутренние и внешние вирусы взаимодействуют между собой: американскими исследователями был зафиксирован феномен, когда в ответ на прием ингибиторов протеаз протеаза эндогенного ретровируса человека HERV-К компенсировала своим действием отсутствие этого фермента у ВИЧ-1 [27]. Получается такая «дружеская взаимопомощь» между вирусами. Hе случайно авторитетный вирусолог, академик РАН Е.Д. Свердлов назвал наши эндогенные ретровирусы «пятой колонной» ВИЧ [2]. В свою очередь, ВИЧ может активизировать «дремавшие» эндогенные ретровирусы: наблюдали усиление экспрессии генов ретровируса HERV-K10 у ВИЧ-инфицированных и появление в сыворотке крови таких людей вирусных частиц HERV-K [28, 29].
Существует одна схожая особенность многих опасных вирусов, затрудняющая вакцинацию и лечение: они чрезвычайно быстро меняются. У ВИЧ это обусловлено тем, что фермент обратная транскриптаза делает массу ошибок при копировании вируса в организме — такая у этого фермента особенность. И потому вирусные копии отличаются одна от другой, и вирус становится неуловимым. Это похоже на то, как если бы полиция искала преступника по фотороботу и отпечаткам, а он каждый день менял свой облик, да еще и делал себе двойников. У других вирусов есть свои механизмы изменчивости. К примеру, два знаменитых филовируса — Эбола и Марбурга — с момента открытия изменились по составу аминокислот в некоторых белках более чем на 20%! Вирус гриппа постоянно меняется благодаря двум своим специфическим особенностям: «антигенному дрейфу» и «антигенному шифту» — мутации антигенов вируса и полной замене одного из генов* [31].
* — Разным аспектам, связанным с вирусом гриппа, биомолекула посвятила целую серию статей, первая из которых — «Гонки с вирусом: эпидемиология и экология вируса гриппа» [32].
Эпидемии «медленных» вирусов и вирусная эволюция
Сегодня не только ВИЧ представляет опасность для человечества, хотя он, конечно, самый главный наш вирусный враг. Так сложилось, что СМИ уделяют внимание, в основном, молниеносным инфекциям, вроде атипичной пневмонии или МЕRS, которыми быстро заражается сравнительно большое количество людей (и немало гибнет). Из-за этого в тени остаются медленно текущие инфекции, которые сегодня гораздо опаснее и коварнее коронавирусов* и даже вируса Эбола. К примеру, мало кто знает о мировой эпидемии гепатита С, вирус которого был открыт в 1989 году**. А ведь по всему миру сейчас насчитывается 150 млн человек — носителей вируса гепатита С! И, по данным ВОЗ, каждый год от этой инфекции умирает 350-500 тысяч человек [33]. Для сравнения — от лихорадки Эбола в 2014-2015 гг. (на состояние по июнь 2015 г.) погибли 11 184 человека [34].
* — Коронавирусы — РНК-содержащие вирусы, поверхность которых покрыта булавовидными отростками, придающими им форму короны. Коронавирусы поражают альвеолярный эпителий (выстилку легочных альвеол), повышая проницаемость клеток, что приводит к нарушению водно-электролитного баланса и развитию пневмонии.
** — О строении и свойствах другого вируса, вируса гепатита А, читайте в статье «Вирус гепатита А: новое — это хорошо забытое старое» [35].
Конечно, атипичная пневмония, «птичий» грипп, коронавирус MERS и другие, неизвестные пока инфекции при определенных обстоятельствах могут вызвать эпидемии с большими человеческими жертвами. Природный резервуар «запасных» частей для вирусов огромен, и они могут складываться в опасные формы. Этот процесс носит название рекомбинация вирусов — вирусы обмениваются своими «запасными» частями (генами) друг с другом и с носителями, создавая новые виды. И именно после этого появляются новые опасные формы вирусов, о которых мы регулярно узнаем из новостных лент СМИ.
Причем больших изменений для возникновения опасной формы вируса не требуется. Так, «испанский» грипп, от которого в 1918-1920 гг. погибло более 20 млн человек, был вызван вирусом типа H1N1 (рис. 8), доставшимся человеку от птиц. В конце 90-х гг. американские ученые из Armed Forces Institute of Pathology исследовали этот вирус, выделив его из тел, похороненных на Аляске, и нашли всего лишь одно существенное изменение, сделавшее его смертельным: изменение в гене поверхностного белка — нейраминидазы [36]. В 2008 году ученые из Массачусетского технологического института — Т. Тампи и его коллеги — дополнили эти исследования, обнаружив еще две возможные мутации, которые могли сделать этот вирус «массовым убийцей»: мутации в структуре второго поверхностного белка вируса гриппа — гемагглютинина, — которые позволили ему связываться со специфическими гликанами человеческих эпителиальных клеток (рецепторами α2—6)* [37].
Рисунок 8. Электронная микрофотография воссозданного вируса H1N1, вызвавшего эпидемию в 1918 г. Рисунок с сайта phil.cdc.gov.
Почему же вдруг сложилась такая ситуация, что буквально каждый год появляются новые, всё более опасные формы вирусов? По мнению ученых, главные причины — это сомкнутость популяции, когда происходит тесный контакт людей при их большом количестве, и снижение иммунитета вследствие загрязнения среды обитания и стрессов. Научный и технический прогресс создал такие возможности и средства передвижения, что носитель опасной инфекции уже через несколько суток может добраться с одного континента на другой, преодолев тысячи километров.
Всё тот же научный прогресс стал причиной односторонней миграции населения из сёл и малых городов в крупные города, что привело к возникновению компактных многомиллионных поселений. Чего не было за всю длинную эволюцию человека. И такая скученность населения в крупных городах создает все условия для возникновения и распространения новых форм вирусов: ослабление иммунитета как следствие загрязненной среды обитания и стрессов и возможность скорейшего инфицирования всё новых и новых хозяев. Академик В.А. Кордюм (Институт молекулярной биологии и генетики, Киев) приводит пример с вирусом герпеса человека 7-го типа (ВГЧ-7) и цитомегаловирусом. Эти два инфекционных агента распространены повсеместно: ими инфицировано большинство населения Земли. И пока человек живет в нормальных условиях, они никак себя не проявляют. Но стоит лишь иммунитету ослабеть — вследствие стресса или других факторов — ВГЧ-7 и цитомегаловирус активизируются, еще более угнетая иммунную систему и «открывая ворота» для других, более опасных вирусов [39].
Ясно, что мы пока не до конца понимаем причины стремительной эволюции вирусов и те природные механизмы, которые способствуют этому. Очевидно, что наш современный «урбанистический» образ жизни играет в этих процессах не последнюю роль. Человек, устраивая свою жизнь с комфортом и переделывая всё вокруг на свой вкус и под свои нужды, вдруг забыл, что он обычный биологический вид и перестал жить по законам природы. А вирусы напоминают нам об этом.
Первоначальный вариант статьи был опубликован в журнале «Популярная механика» [40].