Исследователи Гарвардской медицинской школы получили важнейшее представление о том, как работает новый класс противовирусных препаратов.
Это открытие, результаты которого опубликованы в журнале Cell, проливает свет на важный инструмент борьбы с лекарственно-устойчивыми штаммами вируса простого герпеса или ВПГ (HSV-1) и указывает на новые пути лечения герпесвирусов и других видов ДНК-вирусов. Джонатан Абрахам, врач-инфекционист и соавтор исследования, был свидетелем того, как у многих пациентов с ослабленной иммунной системой развивались опасные лекарственно-устойчивые инфекции, связанные с ВПГ. Такая устойчивость может развиться, когда вирус повторно лечат одним и тем же типом противовирусных препаратов.
"Как клинициста, меня удручает, когда медицина может вылечить пациента от рака, но пациенту требуется иммуносупрессия, которая делает его уязвимым к вирусу, который не реагирует на лучшие лекарства, которые у нас есть для его лечения", - сказал Абрахам. "Как исследователя, это вдохновляет меня на то, чтобы узнать как можно больше о том, как действует вирус, чтобы мы могли продолжать находить лучшие варианты терапии для людей, больных резистентными штаммами вирусов".
В настоящее время представители нового класса противовирусных препаратов проходят клинические испытания в США и один из них уже получил одобрение в Японии, но как работают эти новые препараты, в основном неизвестно. Абрахам и его коллеги попытались раскрыть некоторые из этих секретов. Абрахам работал совместно с Джозефом Лопаро, профессором биологической химии и молекулярной фармакологии, чтобы воспользоваться его знаниями в области структурной биологии и методов визуализации для изучения биофизических механизмов, задействованных в том, как новые лекарственные препараты связываются с важнейшим ферментом в жизненном цикле вируса гепатита С и инактивируют его.
Лаборатория Абрахама сосредоточилась на выявлении структурных деталей того, как лекарства связываются с вирусным белком, в то время как лаборатория Лопаро работала над получением подробной информации в режиме реального времени о том, как происходит процесс связывания, блокирующий вирусный белок. "Настоящая сила этого исследования заключается в сочетании изображений на атомарном уровне вирусных белков, связанных ингибиторами, с высоким разрешением и визуализацией вирусных белков в действии в режиме реального времени", - сказал Лопаро.
Вирусы герпеса могут вызывать такие инфекции, как ветряная оспа, опоясывающий лишай и мононуклеоз; они также могут вызывать рак, аутоиммунные и другие заболевания; и, как правило, сохраняются в латентной фазе на протяжении всей жизни. Среди них ВПГ-1, как известно, вызывает герпес, но также может вызывать серьезные инфекции головного мозга у здоровых взрослых и тяжелые заболевания у людей с ослабленным иммунитетом. Противовирусные препараты, которые в настоящее время одобрены FDA США для лечения ВПГ-1, нацелены на ДНК-полимеразу вируса, белок, который создает копии вирусного генома. Однако появились штаммы вируса, устойчивые к этим препаратам.
Уже разработаны альтернативные препараты, в том числе класс препаратов, известных как ингибиторы хеликазы-праймазы, или HPI. Они воздействуют на вирусную хеликазу-праймазу, фермент, который, как и полимераза, имеет решающее значение для создания собственных копий герпесвирусами. Вирусная геликаза разматывает вирусный геном, перемещаясь по переплетенным нитям ДНК и распаковывая их, чтобы преобразовать в одноцепочечную ДНК. Это позволяет полимеразе получить информацию, закодированную в геноме, и воспроизвести ее. Вирусная праймаза, тем временем, запускает создание молекулы РНК, которая служит отправной точкой для прикрепления новой копии генома, подобно детали внизу молнии куртки, которая позволяет ползунку зацепляться за зубцы молнии. HPI вмешиваются в эти операции, останавливая процесс копирования.
До сих пор ни в одном исследовании не удавалось выявить структуру ферментов вируса гепатита С, таких как геликаза-праймаза. Одна из причин заключается в том, что они очень подвижны, постоянно перемещаются и меняют форму. Существование действующего ингибитора — HPI—препаратов - теперь позволяет ученым объединить ферменты в единую статичную форму, которую можно визуализировать. Без этого, по словам Абрахама и его коллег, их открытия были бы невозможны. Исследователи использовали криогенную электронную микроскопию, чтобы визуализировать с почти атомарным разрешением физическую структуру геликазы-праймазы HSV-1, когда она связана несколькими ингибиторами. Авторы также использовали крио-ЭМ для визуализации того, как вирусная геликаза-праймаза взаимодействует с вирусной полимеразой во время репликации ДНК. Структура этого более крупного комплекса может помочь в идентификации новых участков-мишеней для лекарственных средств, выявляя физические и химические свойства мест, где потенциальное лекарственное средство может связываться и препятствовать репликации.
Крио-ЭМ-изображение - это подробный снимок, который точно показывает, где и как лекарства взаимодействуют с ферментом и предотвращают создание новых копий вируса. Но чтобы более детально понять, как функционирует ингибитор, команда хотела увидеть молекулы в действии. Для этого исследователи провели эксперименты с инструментом, известным как оптический пинцет. Оптический пинцет использует импульс фотонов от высокофокусированных лазеров для манипулирования частицами, подобно научно-фантастическому притягивающему лучу, но в гораздо меньших масштабах.
Исследователи использовали пинцет, чтобы поместить фрагмент вирусной ДНК, содержащий хеликазу-праймазу, между двумя шариками. Они наблюдали за работой фермента, а затем изучили, что происходит, когда они вводят крошечные дозы препарата-ингибитора. Ученые смогли наблюдать, как отдельные молекулы геликазы раскручивают двойную спираль ДНК, а также смогла увидеть, когда препарат остановил этот процесс. "Новейшее поколение инструментов визуализации, таких как оптический пинцет, дало нам беспрецедентную возможность увидеть, как протекают процессы на уровне отдельных молекул", - сказал Лопаро. "Мы смогли увидеть в режиме реального времени, как ингибитор блокирует двигатель геликазы и приводит к его остановке".
По словам исследователей, эти новые открытия вселяют надежду на то, что их работа может способствовать дальнейшей разработке противовирусных препаратов и продолжит предоставлять более глубокие знания, которые когда-нибудь позволят врачам использовать их для улучшения здоровья людей во всем мире.
