Новости

Дениз Киршнер думала, что ей нужно стать врачом, чтобы помогать больным людям. Но когда она обнаружила в себе способности к математике в средней школе и колледже, она задумалась о том, может ли математика предложить малоизученный путь к лечению заболеваний.     Ответ она нашла во время летней исследовательской программы в Лос-Аламосской национальной лаборатории, где она использовала математическое моделирование для изучения динамических взаимодействий вируса ВИЧ в организме. "Я была захвачена", - вспоминает Киршнер. "Я подумала, что это то, чем я должна заниматься, потому что я действительно хороша в математике, но я люблю биологию. Так что для меня это идеальный брак".    Сейчас Киршнер является директором лаборатории вычислительной иммунобиологии туберкулеза в Мичиганском университете и продолжает идти по малоизученной местности, уделяя особое внимание туберкулезу. Создав математические уравнения, отображающие биологические процессы, происходящие во время заражения туберкулезом легких, она разработала новую компьютерную модель легких для ускорения поиска новых методов лечения. Киршнер может использовать свое виртуальное легкое для скрининга антибиотиков и вакцин и прогнозирования наиболее перспективных схем лечения, что является ценным дополнением к стандартным моделям туберкулеза на крупных животных. Более того, ее смоделированное легкое является частью большого количества компьютерных моделей органов, которые в совокупности могут произвести революцию в разработке лекарств на ранних стадиях.    Издание Drug Discovery News задало Киршнер несколько вопросов:    Как вычислительные модели могут помочь в разработке лучших лекарств от туберкулеза?    Отличительной чертой туберкулеза являются гранулемы легких, которые представляют собой плотные структуры, похожие на опухоли. Они состоят из бактерий и различных иммунных клеток. Препараты должны достичь гранулемы, проникнуть в нее и найти бактерии, многие из которых находятся в некротических участках глубоко в ядре гранулемы. Для этой системы нет хорошей модели на мелких животных; у мышей гранулемы в легких не образуются. У кроликов - да, но иммунореагенты для изучения гранулемы кроликов не разработаны. Исследователи используют приматов в качестве модели туберкулеза, но их приобретение и содержание очень дорого. Практически невозможно получить 50 обезьян для исследования.    Что дает вычислительное моделирование, так это возможность сузить пространство дизайна. Всего 10 препаратов-кандидатов в различных комбинациях, дозах и временных курсах могут дать 1017 возможных схем, что слишком много даже для компьютера, поэтому нам все равно необходимо оптимизировать параметры схемы. Но, по сути, мы можем сказать, что это наиболее перспективные лекарственные схемы в этом гигантском пространстве, поэтому именно здесь экспериментаторам следует сосредоточиться.   Как вы разработали свою компьютерную модель туберкулеза легких?   Мы хотели смоделировать иммунный ответ, чтобы понять, как лекарственный препарат влияет на динамику между всеми значимыми клетками, а не только бактериями. Мы изучали литературу и работали с коллегами, чтобы собрать все, что известно об иммунном ответе на туберкулез. Мы записали все это в виде уравнений, которые отслеживают физические и химические взаимодействия между различными компонентами во времени и пространстве. Этот метод изучает усредненное поведение всей популяции Т-клеток, макрофагов, бактерий и так далее. Затем мы перешли от моделирования на основе уравнений к моделированию на основе компьютерных алгоритмов, при котором мы переводим эти уравнения в компьютерный код, такой как утверждения "если - то", для каждого отдельного вида. Например, если Т-клетка встречает макрофаг, то она может выделить цитокин, который активирует макрофаг для уничтожения бактерий.    Чтобы разработать модель всего легкого для легочного туберкулеза, мы расширили этот подход, включив в него легкие, которые служат местом развития заболевания, лимфатические узлы, которые производят иммунные клетки, и кровь, которая переносит иммунные клетки туда и обратно от лимфатических узлов к легким. Мы разработали систему уравнений, представляющих процессы, происходящие в гранулемах легких, лимфатических узлах и крови, а также динамику перемещения иммунных клеток между ними.   Как можно использовать эту модель для скрининга лекарственных схем для лечения туберкулеза?   Наши коллеги оценивают противотуберкулезные препараты на моделях приматов и кроликов и предоставляют данные о фармакокинетических и фармакодинамических свойствах препарата, а для приматов - о его воздействии на гранулемы. Мы используем некоторые из этих массивов данных для калибровки модели, а затем тестируем ее на разных массивах данных, чтобы подтвердить, что когда мы вводим информацию о механизме действия препарата, модель дает правильный результат с точки зрения реакции хозяина.    После того, как мы проверили модель таким образом, мы можем использовать ее для изучения многих вопросов, касающихся схем приема лекарств. Например, недавно мы использовали модель для проверки различных схем применения стандартных и новых антибиотиков против туберкулеза и выявили те, которые быстрее всего уничтожают бактерии, что по нашим прогнозам будет наиболее эффективным. Затем наш сотрудник тестировал эти препараты на приматах и убедился, что мы успешно предсказали схемы, которые оказались наиболее эффективными in vivo.   Насколько ваша модель адаптируема к другим органам?   Она специфична для легких, но мы могли бы адаптировать ее для изучения других респираторных заболеваний, таких как рак легких, хроническая обструктивная болезнь легких и COVID-19. Я стремлюсь быть специалистом по легким и работать с другими исследователями, которые занимаются почками, сердцем или мозгом. В мире вычислительной техники нас около 20 человек, которые создали подобные модели различных органов, и наша цель - объединить их вместе, чтобы создать цифрового двойника человека. Когда Форд построил первый автомобиль, он был неказистым, но ездил, а теперь у нас есть Mercedes-Benz. Точно так же мы начнем с модели Т и будем продвигаться вверх. Мы можем соединить различные компоненты вместе с помощью гаек и болтов и со временем превратить нашего цифрового двойника в Mercedes.

Вооружив пробиотик крошечными антителами, полученными от альпаки, ученые создали потенциально новый пероральный препарат для лечения смертельно опасных диарейных инфекций.    Шел 1917 год, разгар Первой мировой войны, и немецкие солдаты, расквартированные на Балканах, сильно болели. В то время как остальные его товарищи страдали от продолжительных приступов диареи, один солдат оставался совершенно здоровым. В то время Альфред Ниссль, работавший ассистентом врача во Фрайбургском университете, изучал, как одни штаммы бактерий убивают другие. Он задался вопросом, могут ли у этого здорового солдата в кишечнике быть полезные микробы, защищающие его от инфекции, поразившей его сослуживцев. Ниссль взял образец кала у здорового солдата и выделил из него штамм Escherichia coli. Этот новый штамм, который ученые позже назвали E. coli Nissle 1917 (EcN) в честь Ниссля, подавлял множество бактериальных патогенов и стал одним из наиболее изученных бактериальных пробиотиков.    Хотя EcN защитили этого солдата от того, что, как позже выяснил Ниссль, скорее всего, было шигеллезной инфекцией, они не могут защитить от всех видов патогенов, вызывающих диарею. Однако Нил Джоши, микробиолог из Северо-Восточного университета США, рассудил, что он и его команда могут использовать EcN в качестве отправной точки и создать их с еще лучшими терапевтическими способностями. "Это кишечная палочка, поэтому генетические инструменты, которые у нас есть, подходят для ее инженерии", - говорит Джоши. "Она также способна выживать в кишечнике и имеет большой опыт безопасного применения у людей".    Объединив усилия со своими коллегами Чарльзом Шумейкером и Джоном Леонгом из Университета Тафтса, которые являются экспертами в области инфекционных заболеваний, Джоши и его исследовательская группа разработали EcN, который нацелен на различные патогены, вызывающие диарею, и блокирует их. Пациенты могут принимать EcN перорально и EcN просты в производстве. Поскольку разработанные EcN специфичны для возбудителей диареи, эти разработанные EcN могут стать недорогим и масштабируемым решением для лечения диарейных заболеваний во всем мире.    Диарейные заболевания могут поражать людей любого возраста, когда в организм попадают вызывающие их бактерии, вирусы или паразиты, но наихудшие последствия наблюдаются у детей. По оценкам ВОЗ, каждый год регистрируется почти 1,7 миллиарда случаев детских диарейных заболеваний и примерно 525 000 детей в возрасте до пяти лет умирают от этих инфекций. Частые приступы диареи также лишают детей питательных веществ, необходимых им для роста и развития, что делает ее одной из основных причин детского недоедания.    Чтобы наделить EcN способностью бороться с диареей, Джоши и его коллегам сначала нужно было найти способ распознавания и связывания бактерий с возбудителями заболеваний. Антитела отлично подходят для связывания и нейтрализации нежелательных патогенов, но они слишком велики для бактерий, подобных EcN. Исследователи нашли решение в виде пушистого южноамериканского млекопитающего - альпаки.    "По какой-то причуде эволюции у верблюдов, альпак, лам есть домены антител, которые являются урезанными, упрощенными версиями антител, существующих в нашем организме", - объясняет Джоши. "Это удобно для производства в случае бактерий, которые иногда не могут производить те типы антител, которые есть в нашем организме". Шумейкер, который является экспертом в разработке этих крошечных нанотел, называемых одиночными вариабельными доменами на тяжелой цепи (VHH), иммунизировал альпак факторами вирулентности из нескольких штаммов E. coli, вызывающих диарею. Он и его коллеги отобрали полученные VHH для выявления тех, которые лучше всего связывают патогены. Затем Джоши и его команда отобрали некоторые из наиболее эффективных VHH, связывающих кишечную палочку, наряду с ранее проверенными VHH, которые связываются с бактерией Shigella flexneri и паразитом Cryptosporidium parvum, вызывающими диарейные заболевания.    Затем исследователи экспрессировали эти VHH на волокнах EcN, которые представляют собой белковые волокна, используемые EcN для формирования биопленки. Они предположили, что когда эти модифицированные EcN попадут в кишечник, они создадут биопленку, содержащую антитела к VHH, которые обеспечат адгезивную поверхность для захвата патогенов до того, как у них появится шанс вызвать заболевание. Затем, в ходе нормального пассивного процесса пищеварения, патогены, захваченные инженерными EcN, будут перемещаться по пищеварительному тракту и выводиться из организма.    "Эта идея - иметь пробиотик, имеющий такую сеть с экспрессией наноносителей в слизи, мне кажется замечательной", - говорит Вивиана Парреньо, биохимик из Национального совета по научно-техническим исследованиям США, которая разрабатывает VHH для лечения вирусных желудочно-кишечных заболеваний и которая не участвовала в этом исследовании. Я посылаю эту статью всем своим студентам, чтобы те сказали: "О, давайте сделаем что-то подобное!"".    Джоши и его группа обнаружили, что экспрессирующие VHH волокна EcN связывают и нейтрализуют растворимые токсины как S. flexneri, так и многочисленных штаммов E. coli, вызывающих диарею, in vitro. Но самым интересным было то, насколько хорошо разработанный EcN связывался с паразитом C. parvum. "В первую очередь, именно эта цель была более масштабной, чем другие", - рассказал Илья Гельфат, ведущий автор исследования, который сейчас работает молекулярным биологом в GreenLight Biosciences. "Это более крупный, более сложный эукариотический паразит... Я помню, что был очень взволнован, когда впервые увидел данные о том, что он действительно связывается с ним".    Парреньо тоже считает этот результат очень интересным. "Для паразитов у нас пока нет вакцин, и это действительно большая проблема. Так что это очень перспективно в отношении паразитов, не только для человека, но и для здоровья животных", - говорит она. "Телята в первые дни жизни очень легко умирают от диареи. Наиболее важным из них является Cryptosporidum, поэтому эта работа очень полезна".    В дальнейшем Парреньо хотела бы проверить, насколько хорошо сконструированные пробиотики работают на животных. Мехди Арбаби-Гахруди, молекулярный иммунолог из Национального исследовательского совета Канады с опытом разработки VHH, который также не участвовал в исследовании, добавил, что он хотел бы увидеть, как авторы определяют правильную дозу VHH-экспрессирующего EcN для введения животным. "Сколько VHH будет экспрессировано в этой системе?" - задается он вопросом. "Насколько стабильна [эта] система сетей или биопленок?".    Джоши и его сотрудники уже работают над этими экспериментами in vivo, и им не терпится изучить и развить эту технологию дальше. Джоши надеется, что поскольку этот разработанный пробиотик действует и как фабрика лекарств, и как сосуд для их доставки, это позволит сделать лечение хорошо подходящим для районов с ограниченными ресурсами. "Бактерии легко и дешево производят самих себя, и, возможно, их можно будет использовать без какого-либо охлаждения или с минимальным охлаждением. Это уникальная платформа для развертывания, что делает ее привлекательной", - считает он. Гельфат добавляет: "Это новый взгляд на лекарственные препараты, производство лекарств и их доставку, и у этого метода есть все эти преимущества. В конце концов, это относительно просто".