Обратное мутационное сканирование обеспечивает более быструю реакцию на новые варианты вируса
Вирусы — мастера маскировки. Когда наша иммунная система заходит слишком далеко, они запускают в игру новые варианты вируса, которые больше не распознаются иммунными клетками. Они ускользают от нашей иммунной системы, мутируя структуры вируса, которые распознаются антителами.
Чтобы как можно быстрее адаптировать вакцины к новым циркулирующим вариантам вируса, сначала необходимо выяснить, какие из многочисленных мутаций на самом деле отвечают за иммунный побег нового варианта вируса. Исследователи из Центра исследований инфекций имени Гельмгольца (HZI) в сотрудничестве с Ганноверской медицинской школой (MHH) разработали метод, называемый обратным мутационным сканированием, который можно использовать для быстрого и надежного обнаружения таких мутаций.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications .
Вирусы имеют в рукаве всевозможные трюки. Часто патогенам, таким как SARS-CoV-2, не требуется много времени, чтобы адаптироваться и избежать иммунного распознавания. Вирусы с мутациями, которые уклоняются от иммунного распознавания более эффективно, чем исходный вирус, будут иметь селективное преимущество и преобладать с течением времени, все больше доминируя в ландшафте инфекций.
«Если новый вариант вируса может успешно избежать иммунного ответа, то уже недостаточно выздороветь от одного из предыдущих вариантов или быть вакцинированным ранее эффективной вакциной», — говорит профессор Лука Чичин-Сайн, заведующий отделением вирусной иммунологии в HZI.
«С разработкой вакцины мы всегда играем в догонялки с распространением новых вариантов побега. Такова сама природа эволюции вирусов. Тем не менее, нам нужно перехитрить вирусы и уменьшить их преимущества, как для тех, которые циркулируют в настоящее время, так и для тех, которые будут присутствовать в будущих пандемиях».
Быстрое выявление мутаций, которые имеют решающее значение для иммунного ускользания, позволяет быстро адаптировать вакцины к новым вариантам вируса. В своем текущем исследовании команда под руководством Сицин-Сайна представляет многообещающий новый подход для решения именно этой задачи. Он основан на ранее установленном методе, называемом мутационным сканированием: каждая мутация, обнаруженная в новом варианте, вводится отдельно в исходный вирус для создания библиотеки вирусных мутантов.
Таким образом, эффекты каждой отдельной мутации можно определить, сравнивая мутанты из библиотеки с оригиналом и с новым вариантом вируса. Однако в своем исследовании исследователи HZI модифицировали процедуру, вводя мутации одну за другой в новый вариант вируса, чтобы сделать его похожим на исходный вирус в каждой позиции. Поэтому они использовали методологию в обратном порядке, поэтому они назвали ее обратным мутационным сканированием.
Как работает обратное мутационное сканирование
Что именно представляет собой процесс, стоящий за обратным мутационным сканированием, и как исследовательская группа его осуществила? Чтобы проверить свой новый подход, ученые изучили вирусные варианты SARS-CoV-2 в качестве примера. Они хотели выяснить, какие из 33 мутаций, отличающих вариант вируса BA.2.86 от исходного варианта BA.2, отвечают за иммунный побег.
Используя передовые генетические методы, исследователи создали так называемые псевдовирусы, которые используют шиповидный белок SARS-CoV-2 для проникновения в клетки, но не способны реплицироваться и поэтому безвредны для человека и окружающей среды. Исследователи начали с нового варианта вируса с иммунным побегом, т. е. BA.2.86.
«Чтобы выяснить, какие мутации ответственны за иммунный побег этого варианта вируса, мы создали различные псевдовирусы, в которых одна из 33 различных мутаций была обращена вспять, в направлении исходного вируса BA.2», — объясняет доктор Наджат Бдейр, ученый из отдела вирусной иммунологии в HZI и первый автор исследования. Затем в ходе обширных клеточных экспериментов исследователи изучили, насколько хорошо соответствующие псевдовирусы могут бороться с иммунными клетками . Для этого они использовали образцы «из реальной жизни».
«Для исследования мы смогли предоставить сыворотку крови от когорты из 40 человек, работающих в секторе здравоохранения», — говорит профессор Георг Беренс из кафедры ревматологии и иммунологии Ганноверской медицинской школы. «Участники были вакцинированы несколько раз, в том числе актуальной на тот момент вакциной, которая была эффективна против омикрон XBB.1.5».
«Назад ведет нас вперед»
Используя обратное мутационное сканирование, исследователи определили, что три мутации в белке шипа были ответственны за иммунный побег. Но почему важно начать с нового варианта вируса и обратить вспять отдельные мутации, таким образом применяя мутационное сканирование «в обратном порядке»?
«Это важно, поскольку наши иммунные клетки очень разнообразны. Они могут вырабатывать антитела, которые связываются с различными частями вируса и таким образом блокируют процесс заражения», — объясняет Сичин-Сайн.
«Если мы начнем с исходного варианта и внесем мутацию в область, которая фактически распознается антителами, существует высокая вероятность того, что антитела, связывающиеся с другой частью вируса, все равно распознают и нейтрализуют вирус. Фактический вклад мутации в иммунный побег не может быть адекватно обнаружен таким образом. Поэтому мы должны начать с нового варианта и работать оттуда в обратном направлении — обратное движение приведет нас сюда.
Исследователи надеются, что их новый метод также может продвинуть и ускорить разработку будущих вакцин. С помощью обратного мутационного сканирования другие вирусы и их варианты могут быть проанализированы на предмет мутаций, ответственных за ускользание от иммунного ответа.
«Также было бы возможно использовать этот новый метод для обучения машинного обучения и моделей ИИ, чтобы предсказывать, какие потенциальные мутации вируса могут привести к иммунному ускользанию», — говорит Сичин-Сайн. «Если бы мы могли производить вакцины на основе предварительно адаптированных вакцин, мы были бы быстрее вируса».
Помимо отдела вирусной иммунологии Луки Чицина-Сайна, в этом исследовании также участвовал отдел «Структура и функции белков» профессора Вульфа Бланкенфельдта из HZI. Ученые из Центра индивидуализированной инфекционной медицины (CiiM), Немецкого центра приматов — Института Лейбница по исследованию приматов и Института Лейбница DSMZ — Немецкой коллекции микроорганизмов и клеточных культур, а также Немецкого центра исследований инфекций (DZIF) также внесли свой вклад в это исследование.