Эти вакцины будут искоренять COVID и всех его SARS-сородичей

Мэгги Чен (Maggie Chen)

В начале пандемии казалось, что с помощью вакцинации и прочих мер борьбы с COVID-19, наконец-таки, удастся полностью предотвратить риск появления еще какой-нибудь новой вирусной инфекции. Однако в настоящее время новым штаммам коронавируса все чаще удается обходить защитный барьер, с таким трудом возведенный. Выискивать новые разновидности штаммов и выявлять механизм, с помощью которого им удается ускользать от иммунной системы, — это сложная задача. И хотелось бы решить ее с помощью нового виды вакцины, которую вирус не смог бы переиграть.

Ученые испробовали несколько способов решения этой задачи. Самое быстрое из них — это нынешние мРНК-вакцины против COVID; их нужно модифицировать с целью ревакцинации, необходимой для борьбы с самыми последними вариантами коронавируса. Именно так поступили фармацевтические кампании Moderna и Pfizer с потомством омикрон-штамма. Однако самый перспективный способ борьбы — создать вакцину, которая была бы нацелена сразу на всё семейство коронавирусов, включая такие его подроды, как мербековирусы (Merbecovirus), ответственные за ближневосточный респираторный синдром (БВРС), эмбековирусы (Embecovirus), являющиеся причиной обычной простуды, и сарбековирусы (Sarbecovirus), которые породили не только COVID, но и исходный вирус SARS, появившийся в 2002 году.

Но есть и средний путь — вакцина, которая будет атаковать только сарбековирус (т.е. коронавирус, являющийся причиной COVID) и всё его потомство, а также любых его новых "братьев" и "сестер" из семейства SARS-CoV, которые могут появиться в будущем. И здесь уже есть несколько вакцин-кандидатов; некоторые из них были протестированы на приматах и мышах, а одна проходит в ограниченных масштабах клиническое испытание на людях. Все они используют свойственные сарбековирусам уязвимости, которыми можно воспользоваться для борьбы со всеми их родственниками.

"Если найдется способ нанести удар по общим для всех них уязвимостям, то тогда можно будет ударить и по всем этим сарбековирусам", — говорит научный сотрудник Алекс Коэн (Alex Cohen) из Калифорнийского технологического института, занимающийся разработкой такой вакцины. В идеале, добавляет Коэн, такая всеобъемлющая защита может быть достигнута с помощью "вакцинации или же иммунизации одного определенного вида".

Давайте рассмотрим некоторые вакцины-кандидаты, которые в настоящее время разрабатываются специалистами.

Алекс Коэн работает в лаборатории под руководством Памелы Бьёркман (Pamela Bjorkman) на кафедре биологии и биоинженерии Калифорнийского технологического института, которая недавно опубликовала в журнале Science статью о вакцине из мозаичных наночастиц. В статье утверждается, что такая вакцина способна защитить обезьян и мышей от нескольких штаммов сарбековируса. Данная вакцина основана на использовании мозаичных наночастиц, т.е. в ней используется крошечные белковые шарики, похожие на клетку.

Их назначение — обучить иммунную систему, чтобы та могла бить по мишени, общей для многих разновидностей сарбековирусов. Лаборатория Калифорнийского технологического института выбрала ту часть хорошо известного шиповидного (спайкового) белка коронавируса, которая называется "рецептор-связывающий домен" (RBD); RBD помогает вирусу проникать в клетку-хозяина и ее заражать. Зачастую домены RBD в различных сарбековирусах эволюционно консервативны, а это означает следующее: несмотря на тот факт, что некоторые области связывающих участков способны мутировать по мере появления новых вариантов коронавируса, прочие области остаются неизменными. (Возьмем гипотетический пример: у дельта- и омикрон-вариантов коронавируса есть сходные RBD-участки, но у них также имеются и некоторые различия). Наличие сходных областей открывает перед нами хорошие перспективы: если нам удастся заставить организм вырабатывать антитела, нацеленные на эти сходные участки вирусов, то эти антитела смогут защитить организм не от одного, а сразу от многих различных штаммов коронавируса.

Данный подход был разработан коллективом ученых под руководством Памелы Бьёркман после изучения антител пациентов, которые ранее были инфицированы ковидом; специалисты проанализировали области, в которых эти антитела будут связываться с RBD-доменами в спайковом белке. Бьёркман показала мне модель этого белка в очень большом масштабе, размером с голову. "Сначала мы изучали все эти сильнодействующие нейтрализующие антитела, которые удалось выделить из организма инфицированных людей, и они смогли заблокировать связывание с рецептором, — говорит Бьёркман, указывая на область, локализованную на концах RBD. — Но как только появились новые штаммы коронавируса, то они перестали работать".

Команда Бьёркман пришла к выводу, что те прежние антитела, которые когда-то казались очень эффективными, будут связываться с самой внешней частью RBD. Эти области были прекрасной целью для атаки антител — так было у самых ранних штаммов коронавируса. Но со временем эти области мутировали, и в результате антителам стало труднее ухватываться за них, чтобы затем нейтрализовать коронавирус.

Однако существовали и другие, более редкие виды антител, которым удавалось-таки связываться с труднодоступной областью вируса, не столь легко подверженной мутациям, — здесь Памела Бьёркман указала на ту часть RBD, которая находится ближе к середине, чем к концу шиповидного белка: вот здесь и происходит связывание этих особых антител. "Именно такие антитела нам и нужны, поскольку RBD-области у сарбековирусов и любых других штаммов, которые когда-либо могут появиться у SARS-CoV-2, не должны меняться", — поясняет Памела Бьёркман. Вот почему создаваемая учеными вакцина должна помочь иммунной системе вырабатывать такие антитела, которые могли бы закрепиться именно на таких неизменяемых участках.

Во-первых, команде Бьёркман нужно было создать своего рода наночастицу-эталон, в соответствии с которым иммунная система будет обучаться выработке необходимых антител. С этой целью ученые погрузили оболочку белковой наночастицы в смесь восьми различных частичек RBD, которые прилипли к ее поверхности — это как если бы мы ореховой крошкой покрывали яблоко, облитое липкой карамелью. В конечном счете, по словам Бьёркман, получилась наночастица, на поверхности которой случайным образом были расположены различные кусочки RBD. Вот почему такая вакцина из наночастиц названа "мозаичной".

После инъекции животному В-лимфоциты его иммунной системы (как известно, B-лимфоциты отвечают за выработку защитных антител) начинают генерировать специфические антитела, которые должны атаковать эти связывающие участки. Если когда-нибудь впоследствии животное столкнется с настоящим вирусом, то его антитела смогут распознать эти участки и, тем самым, остановить проникновение вируса в клетки.

Можно было бы подумать, что в результате использования вакцины с восемью RBD-участками будут генерироваться антитела, воздействующие только на восемь различных типов связывающих участков. Однако ученые воспользовались своеобразной формой антител — они представляют собой двуплечие образования, напоминающие по форме букву Y. Вместо того, чтобы связываться одним плечом антигена с областью, специфичной для одного типа RBD-участка, их можно модифицировать таким образом, чтобы они связывались обоими плечами с консервативными областями двух прилегающих сайтов. А это означает, что вместо того, чтобы склеивать только восемь специфических RBD-участков, имеющихся у сарбековирусов, они в принципе могут прикрепляться к любому из этих консервативных участков.

Сначала ученые испытали свою вакцину на мышах, которых разделили на несколько групп по шесть особей в каждой. Две из этих групп были иммунизированы мозаичными наночастицами, затем каждая группа подвергалась воздействию либо бета-штамма коронавируса (вызывает COVID), либо вируса SARS-CoV-1 (начиная с 2002 года, он является первым SARS-вирусом). Все 12 вакцинированных мышей выжили. Напротив, для большинства невакцинированных мышей, подвергшихся воздействию любого из этих вирусов, всё закончилось потерей веса и летальным исходом.

Затем команда ученых под руководством Памелы Бьёркман провела аналогичный эксперимент с макаками, разделив их на группы (по четыре особи в каждой). Две группы были иммунизированы путем введения трехкратной инъекции мозаичной наночастицы. Затем, примерно через месяц после третьей дозы, животные подвергались воздействию дельта-штамма коронавируса, либо вируса SARS. Ни одним из видов сарбековируса ни одна из вакцинированных обезьян не заразилась; при этом, инфекция была обнаружена у трех из четырех обезьян контрольной группы, зараженных дельта-штаммом, и у всех обезьян из контрольной группы, зараженных вирусом SARS.

Здесь необходимо подчеркнуть одну важную вещь: в эксперименте с обезьянами RBD-участки вируса SARS и дельта-штамма не были включены в мозаичную наночастицу. Данный факт, по мнению ученых, указывает на то, что антитела, образующиеся после прививки, способны атаковать даже те штаммы вируса, против которых вакцина изначально не была предназначена; в частности, она действовала против разного рода сарбековирусов. "У животных наблюдался довольно устойчивый иммунный ответ, при этом наблюдалась перекрестная реактивность их антител в отношении каждого из тех коронавирусов, против которых мы испытывали вакцину, в том числе и тех, которые отсутствовали на самой наночастице", — говорит Коэн.

Теперь, на основании полученных результатов, можно включить мозаичные наночастицы в список RBD-вакцин (или, в более широком смысле, — вакцин на основе спайковых белков), создававшихся разными научными коллективами по всему миру. Одна из вакцин-кандидатов, разрабатываемых учеными из Вашингтонского университета, была опробована на мышах, а другая в настоящее время проходит первую фазу клинических испытаний в Научно-исследовательском институте министерства обороны США имени Уолтера Рида. Еще одна вакцина, готовая пройти клинические испытания, разрабатывается биологом Кевином Сондерсом (KevinSaunders) и его коллегами из Института человеческих вакцин им. Джеймса Дьюка, которые опубликовали статью с описанием своей работы в июньском номере журнала Nature за 2021 год, а в январе 2022 года обнародовали дополнительный препринт.

Так же как и группа Памелы Бьёркман, коллектив ученых под руководством Сондерса заметил следующее: во-первых, антитела, защищающие от нескольких штаммов сарбековируса, нацелены на самую внутреннюю оконечную область RBD и, во-вторых, эти антитела, среди прочего, могут быть получены путем иммунизации соответствующими наночастицами. Но данная модификация (в отличие от мозаичных наночастиц с восемью RBD, разработанных учеными Калифорнийского технологического института) базируется только на одном типе RBDисходного COVID-вируса. Наночастица тоже имеет свои особенности; в ее основе — оболочка ферритина (белка, в состав которого входит железо), полученного из бактерий Helicobacterpylori. (Сондерс заметил, что наночастицы ферритина уже используются в вакцинах против гриппа, поэтому их можно назвать "наночастицей-платформой, у которой уже есть некоторый опыт клинического использования").

В своей статье, опубликованной в 2021 году, ученые также рассказали об опытах на обезьянах. Было обнаружено, что у макак вакцина вырабатывала антитела, которые могли защитить от вируса COVID. Затем в препринте 2022 года (который, правда, еще не был опубликован или не получил рецензии) ученые решили заразить бета- и дельта-штаммом коронавируса более иммунизированных макак. Они разделили обезьян на несколько групп по пять особей. Одна провакцинированная группа и одна невакцинированная контрольная группа подвергались воздействию бета-штамма, а другая иммунизированная и контрольная группы подвергались воздействию дельта-штамма. У иммунизированных обезьян вирус практически не обнаруживался (данный факт указывал на то, что вакцина все-таки защищала их от инфекции), в то время как у большинства контрольных обезьян все было наоборот.

Несмотря на то, что ученые использовали RBD, взятый только из одного из штаммов COVID, их вакцина вызвала устойчивый поликлональный иммунный ответ, т.е. она создавала не один, а несколько типов антител. И в этом тоже, по словам Сондерса, можно увидеть очарование предложенного научного подхода: по словам ученого, создание многих видов антител — дело крайне выгодное, поскольку если одно антитело чрезвычайно эффективно действует против одного штамма, то это еще не значит, что оно столь же эффективно будет действовать против другого. И наоборот: вроде бы антитело до сих пор считалось малоэффективным, но вдруг выясняется, что оно способно прекрасно обезвреживать какой-нибудь из недавно появившихся штаммов. "Одни антитела будут прекрасно реагировать на омикрон-штамм, другие — на альфа-штамм, третьи — на дельта-штамм", — говорит Кевин Сондерс. А некоторые, в идеале, будут прекрасно реагировать на те штаммы, которых еще пока что не существует.

Научный сотрудник Университета Северной Каролины в г. Чапел-Хилле Дэвид Мартинес (David Martinez), который был соавтором нескольких статей о RBD-наночастицах, изучал следующий вопрос: можно ли усилить эти вакцины с помощью адъюванта, т.е. вещества, которое "запускает" иммунную систему и транспортируется вместе с вакциной. "Представьте, что вы лежите в постели, спите. Будильник сломался, и вы продолжаете спать. И вдруг кто-то вылил на вас ведро ледяной воды — вот именно так адъювант и поступает с иммунной системой", — говорит Мартинес.

Адъюванты могут быть получены из липидов, солей или других видов жиров. Один из видов жиров даже получен из акулы. В вакцинах они используются довольно часто; например, в первых мРНК-вакцинах против COVID в качестве адъюванта использовались липидные наночастицы.

В январском препринте лаборатории Сондерса ученые писали о том, что им удалось провести испытания своей вакцины, сконструированной на основе RBD-наночастиц, в которой использовались три различных типа адъювантов. Специалисты обнаружили, что вакцина с любым из трех адъювантов, по сравнению с обычной вакциной, продуцировала более высокую концентрацию антител.

Один из адъювантов под названием 3M-052-AF смог выработать максимальное количество антител, после чего эти антитела смогли прекрасно нейтрализовать различные штаммы сарбековируса. Точный рецепт упомянутого адъюванта запатентован, тем не менее известно, что в нем содержится так называемый агонист TLR7/8, т.е. небольшие молекулы, назначение которых — стимулировать иммунные клетки для активации иммунного ответа. По словам Мартинеса, эти молекулы способны, "по сути, общаться с иммунной системой и стимулировать ее гиперактивацию, чтобы противодействовать любому внешнему повреждению, которое она вдруг сможет обнаружить".

Ученые изучают также и другие нано-методы вакцинации против различных штаммов. Один из них, названный "наноловушкой", был первоначально описан в июньском номере журнала Matter за 2021 год; он считается не вакциной, а средством терапии уже инфицированных пациентов. Наноловушка — это механизм избавления от вирусов COVID посредством фагоцитоза, т.е. когда они поедаются макрофагами или другими клетками иммунной системы. Наноловушки работают как приманка: они, по сути, обманом заставляют организм поедать вторгшийся вирус.

В этой методике можно задействовать различные вирусы, но биоинженеру Цзюнь Хуану (Jun Huang) из Чикагского университета и его команде удалось создать вирус, специфичный для сарбековирусов, поскольку он имеет полимерную оболочку, усыпанную рецепторами ACE2 (они представляют собой рецепторы на человеческих клетках, которые соединяются с вирусом COVID). Из-за высокой плотности рецепторов ACE2, расположенных на поверхности наноловушки, к ней притягиваются и застревают вирусы COVID. А затем начинает работу механизм ловушки, вот как он работает: среди рецепторов ACE2 разбросаны лиганды, т.е. маленькие молекулы, которые умеют связываться с клеточным рецептором и вызывать фагоцитоз; далее, макрофаги распознают лиганд и съедают остатки наноловушки, покрытой вирусами, тем самым избавляясь от этого самого вируса. "Сначала мы ловим вирус, а затем освобождаемся от него", — говорит Цзюнь Хуан.

Теперь Цзюнь Хуан хочет разобраться, каким же образом эти наноловушки можно использовать в качестве вакцинных препаратов. Когда налетают макрофаги, то они не только поедают вирусы, но и стимулируют остальную часть иммунной системы, побуждая ее вырабатывать антитела. Создание наноловушки с рецепторами ACE2 заставит иммунную систему вырабатывать антитела, которые борются с вирусами, подобными тем, которые вызывают COVID. "Таким образом, мы можем бороться практически со всеми штаммами, — говорит Цзюнь Хуан. — Как только вирус теряет способность связываться с рецепторами ACE2, он перестает заражать клетки".

Из всех предложенных методик наноловушка Цзюнь Хуана меньше всего подвергалась проверке. Ученый уже подал заявку на патент и продемонстрировал, что его методика успешно устраняет инфекцию в ткани человеческих легких, взятой из донорских органов (правда, не у животных, инфицированных вирусом, вызывающим COVID). Другие методики продемонстрировали эффективность на модельных животных, зараженных COVID, однако на проведение клинических испытаний на людях могут уйти еще год или два. Ожидается, что вакцина, разработанная Кевином Сондерсом и его коллегами, будет проходить клинические испытания на людях в 2023 году; то же самое касается и вакцины, разрабатываемой учеными из Вашингтонского университета. По оценкам группы Памелы Бьёркман, клинические испытания начнутся в 2024 году ("Хотелось бы пораньше, но нам необходимо соблюсти разные нормативно-правовые требования", — говорит Бьёркман).

Представитель Научно-исследовательского института министерства обороны США имени Уолтера Рида заявил, что институт не станет предоставлять какую-либо информацию о первой фазе клинических испытаний до появления публикации, в котором будут отражены результаты исследования.

А тем временем ученые уже решили подстраховаться на случай новой пандемии и взяться за расширение арсенала вакцин-кандидатов, способных справиться с еще большим количеством видов коронавируса. "Мы работаем над тем, чтобы расширить сферу применения нашей вакцины. Нам бы хотелось, чтобы она была эффективна также и против коронавируса, вызывающего БВРС, — говорит Кевин Сондерс, отмечая при этом, что уровень смертности от БВРС составляет около 30 процентов — "для респираторного вируса это достаточно высокий уровень смертности".

В будущем вакцина сможет даже, наверное, бороться с сарбековирусами — потрясающая способность, о которой мы даже не догадывались. Алекс Коэн надеется, что уроки, извлеченные из вышеописанных экспериментов, будут учтены в борьбе с зоонозными инфекциями, то есть с такими инфекциями, которые передаются человеку от животных, — вспомним, что вирусом COVID человек заразился от летучих мышей. "На самом деле сейчас нельзя сбрасывать со счетов вероятность того, что мы опять чего-нибудь от животных не подцепим, — полагает Коэн. — Вот почему, дабы предотвратить или же, по крайней мере, смягчить в будущем вспышки эпидемий, полезно иметь в нашем арсенале некоторые средства, которые способны бороться со всей этой группой вирусов".