Для борьбы с высоким уровнем мутации ВИЧ Гайха и Элизабет Россин, доктор медицины, доктор философии, научный сотрудник Массачусетского агентства Eye and Ear, сотрудник Massachusetts Eye and Ear, разработали подход, известный как структурный сетевой анализ. С его помощью они могут идентифицировать вирусные части, которые ограничены или ограничены мутацией. Изменения в мутационно ограниченных эпитопах редки, так как они могут привести к тому, что вирус потеряет способность инфицировать и реплицироваться, что по существу делает его неспособным к размножению.
Когда началась пандемия, Гайха сразу же осознал возможность применить принципы сетевого анализа на основе структуры ВИЧ к SARS-CoV-2, вирусу, вызывающему COVID-19. Он и его команда предположили, что вирус, вероятно, будет мутировать, потенциально таким образом, чтобы он смог избежать как естественного, так и индуцированного вакцинами иммунитета. Используя этот подход, команда определила мутационно ограниченные эпитопы SARS-CoV-2, которые могут распознаваться иммунными клетками, известными как Т-клетки. Эти эпитопы затем могут быть использованы в вакцине для тренировки Т-клеток, обеспечивая защитный иммунитет.
Эта работа, недавно опубликованная в Cell, подчеркивает возможность создания Т-клеточной вакцины, которая может обеспечить широкую защиту от новых и появляющихся вариантов SARS-CoV-2 и других коронавирусов, подобных SARS.
С самых ранних стадий пандемии COVID-19 команда знала, что необходимо подготовиться к возможным будущим мутациям. Другие лаборатории уже опубликовали белковые структуры (схемы) примерно 40% вируса SARS-CoV-2, и исследования показали, что пациенты с устойчивым Т-клеточным ответом, в частности с CD8 + Т-клеточным ответом, с большей вероятностью выживут после COVID- 19 инфекция.
Команда Гайхи знала, что эти идеи могут быть объединены с их уникальным подходом: платформа сетевого анализа для выявления мутационно ограниченных эпитопов и только что разработанный ими анализ, отчет о котором в настоящее время находится в печати в Cell Reports, для определения эпитопов, которые были успешно нацелены на CD8 + Т-клетки у ВИЧ-инфицированных.
Применяя эти достижения к вирусу SARS-CoV-2, они идентифицировали 311 высокосетевых эпитопов в SARS-CoV-2, которые, вероятно, как мутационно ограничены, так и распознаются CD8 + Т-клетками.
«Эти сетевые вирусные эпитопы связаны со многими другими вирусными частями, что, вероятно, обеспечивает некоторую стабильность вируса», – говорит Ануша Натан, студентка медицинского факультета Гарвардской программы медицинских наук и технологий и соавтор книги. учиться. "Следовательно, вирус вряд ли выдержит какие-либо структурные изменения в этих сильно связанных между собой областях, что сделает их устойчивыми к мутациям."
«Вы можете представить структуру вируса как дизайн дома», – объясняет Натан.
Устойчивость дома зависит от нескольких жизненно важных элементов, таких как опорные балки и фундамент, которые соединяются с остальной конструкцией дома и поддерживают ее. Таким образом, можно изменить форму или размер таких элементов, как двери и окна, не подвергая опасности сам дом. Однако изменения в конструктивных элементах, таких как опорные балки, намного более опасны. С биологической точки зрения, эти опорные балки будут мутационно ограничены – любые значительные изменения размера или формы могут поставить под угрозу структурную целостность дома и легко могут привести к его разрушению.
Сетевые эпитопы вируса функционируют как опорные лучи, соединяясь со многими другими частями вируса. Мутации в таких эпитопах могут поставить под угрозу способность вируса инфицировать, реплицироваться и, в конечном итоге, выжить.
Следовательно, эти сильно связанные в сеть эпитопы часто идентичны или почти идентичны для разных вирусных вариантов и даже для близкородственных вирусов одного семейства, что делает их идеальной мишенью для вакцины.
Команда изучила идентифицированный 311 эпитопов, чтобы найти, что оба присутствуют в больших количествах и, вероятно, распознаются подавляющим большинством иммунных систем человека. В итоге они получили 53 эпитопа, каждый из которых представляет собой потенциальную мишень для широко защищающей Т-клеточной вакцины.
Поскольку пациенты, выздоровевшие от инфекции COVID-19, имеют Т-клеточный ответ, команда смогла проверить их работу, увидев, были ли их эпитопы такими же, как эпитопы, которые спровоцировали Т-клеточный ответ у пациентов, выздоровевших от COVID-19. У половины выздоровевших пациентов с COVID-19 были выявлены Т-клеточные ответы на сетевые эпитопы, выявленные исследовательской группой.
Это подтвердило, что идентифицированные эпитопы способны вызывать иммунную реакцию, что делает их многообещающими кандидатами для использования в вакцинах.
«Вакцина из AT-клеток, которая эффективно нацелена на эти сетевые эпитопы, – говорит Россин, который также является соавтором исследования, – потенциально сможет обеспечить длительную защиту от нескольких вариантов SARS-CoV-2, включая будущие варианты."
К этому времени был февраль 2021 года, пандемия прошла больше года, и по всему миру появлялись новые варианты, вызывающие озабоченность. Если бы прогнозы команды относительно SARS-CoV-2 были верны, эти варианты проблем не имели практически никаких мутаций в сильно связанных между собой эпитопах, которые они идентифицировали.
Команда получила последовательности из вновь циркулирующих B.1.1.7 Альфа, Б.1.351 Бета, P1 Гамма и B.1.617.2 вызывающих беспокойство варианта Delta SARS-CoV-2.
Они сравнили эти последовательности с исходным геномом SARS-CoV-2, сверяя генетические изменения с их сильно связанными между собой эпитопами. Примечательно, что из всех мутаций, которые они идентифицировали, было обнаружено, что только три мутации влияют на последовательности эпитопов с высокой степенью сетевого взаимодействия, и ни одно из изменений не повлияло на способность этих эпитопов взаимодействовать с иммунной системой.
«Изначально все было предсказанием», – говорит Гайха, исследователь из отделения гастроэнтерологии MGH и старший автор исследования. "Но когда мы сравнили наши сетевые оценки с последовательностями из вызывающих озабоченность вариантов и совокупности циркулирующих вариантов, это было похоже на то, что природа подтвердила наши прогнозы."
В то же время были внедрены мРНК-вакцины и изучалась иммунная реакция на эти вакцины.
В то время как вакцины вызывают сильный и эффективный ответ антител, группа Гайхи определила, что у них был гораздо меньший Т-клеточный ответ против сильно связанных между собой эпитопов по сравнению с пациентами, которые выздоровели от инфекций COVID-19.
Гайха объясняет, что, хотя нынешние вакцины обеспечивают надежную защиту от COVID-19, неясно, будут ли они и дальше обеспечивать столь же надежную защиту, поскольку начинает распространяться все больше и больше вариантов, вызывающих озабоченность. Однако это исследование показывает, что возможно разработать широко защитную Т-клеточную вакцину, которая сможет защитить от вызывающих озабоченность вариантов, таких как вариант Дельта, и потенциально даже расширить защиту на будущие варианты SARS-CoV-2 и аналогичные коронавирусы. что может появиться.
Гайха – доцент медицины Гарвардской медицинской школы.
Среди других авторов – Клэрети Касеке, Райан Дж. Парк, Дилан Кундакджян, Джонатан М. Урбах, доктор философии, Нишант К. Сингх, доктор философии, Рода Тано-Менка, Фернандо Сенджобе, Майкл Т. Варинг, Алисия Пехоцка-Троха, доктор философии, Вильфредо Ф. Гарсия-Бельтран, доктор медицины, и Брюс Д. Уокер, доктор медицины, из Института Рэгона; А. Джон Яфрате, доктор медицины, Вивек Наранбхай и Ашок Хатри из MGH; Мэри Кэррингтон, доктор философии, NIH; и Арман Баширова, НЦИ.
Это исследование было поддержано Национальным институтом здравоохранения и Массачусетским консорциумом готовности к патогенам (MassCPR).
Дополнительную поддержку оказали Медицинский институт Говарда Хьюза, Институт Рагона, Фонд Марка и Лизы Шварц и Энид Шварц (Б.D.W.), а также Сэнди и Пол Эджерли. Roider поддерживается Офтальмологическим фондом Heed.
Гайха поддерживается Фондом Билла и Мелинды Гейтс, премией Burroughs Wellcome Career Award для ученых-медиков и Программой ученых-исследователей в области ВИЧ Gilead. Этот проект полностью или частично финансируется из федеральных средств Национальной лаборатории исследования рака имени Фредерика.
Конфликт интересов: Ройдер и Гайха подали заявку на патент PCT / US2021 / 028245.