Pewnego dnia – możliwe, że już wkrótce – być może za powstrzymanie pandemii COVID-19 będziemy dziękować lamom, a konkretnie udomowionej lamie o imieniu Wally. Naukowcy ze Szkoły Medycznej Uniwersytetu w Pittsburghu wyizolowali z krwi zwierzęcia nanociała wiążące się z białkami kolca wirusa SARS-CoV-2, co uniemożliwia mu wejście do komórek. A jeśli wirusy nie mogą dostać się do komórek, to nie są w stanie się rozmnażać i rozprzestrzeniać. Nanociała lamy, po dokonaniu pewnej manipulacji przez badaczy, stanowią dla wirusa barierę nie do przejścia.
Jest więcej dobrych wieści. Zespół badawczy uważa, że nanociała można produkować w dużych ilościach, szybko dystrybuować po całym globie i aplikować za pomocą inhalatorów, dzięki czemu dostają się one tam, gdzie są najbardziej potrzebne – do dróg oddechowych i płuc. Wygląda na to, że nanociała mają długi termin ważności, są niedrogie i bezpieczne.
Doniesienie z Uniwersytetu w Pittsburghu, opublikowane na stronie Medical Xpress, zawiera krótkie wideo pokazujące, jak Wally biega po swojej zagrodzie, i opisujące, jak badacze odkryli nanociała:
Specjalne przeciwciała lamy, nazwane „nanociałami”, są dużo mniejsze niż ludzkie przeciwciała i znacznie efektywniejsze w neutralizowaniu wirusa SARS-CoV-2. Są też bardziej stabilne.
„Natura jest naszym najlepszym wynalazcą – powiedział główny autor Yi Shi, adiunkt na Wydziale Biologii Komórkowej Uniwersytetu w Pittsburghu. – Opracowana przez nas technika umożliwia przegląd neutralizujących SARS-CoV-2 nanociał na niespotykaną dotąd skalę, dzięki czemu szybko znajdujemy tysiące nanociał o niezrównanym podobieństwie i swoistości”1.
Historia ta po raz pierwszy trafiła do mediów 8 sierpnia 2020 roku, kiedy to pojawił się przeddruk na serwerze bioRxiv2, a 11 sierpnia ukazało się doniesienie Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco (UCSF – University of California San Francisco), do którego dołączono krótkie wideo wyjaśniające, jak nanociała wiążą białka kolca koronawirusa. Badanie UCSF, bardzo podobne do tego z Pittsburgha, wskazuje na międzynarodowe zainteresowanie tym podejściem. W rzeczy samej członkami zespołu Shi byli badacze z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie. Nie mamy tutaj do czynienia z historią, która rozbłyska jak meteor, a następnie szybko znika w próżni, jak było w przypadku wielu leków na raka i wspomagaczy pamięci, które nigdy nie trafiły na rynek. Chociaż ani w prasie, ani w artykule naukowym w „Science”3 nie doniesiono o próbach klinicznych, to ze względu na zapotrzebowanie na ten rodzaj szybko wdrażanego i niedrogiego leczenia próby te mogą uzyskać wsparcie rządu. Zespół z UCSF ubiega się o patent na swoje stworzone metodami inżynierii genetycznej nanociała, które nazwano AeroNabs.
Przeciwciała a nanociała
Wielu ludzi słyszało o leczeniu COVID-19 przeciwciałami, na przykład lekiem firmy Regeneron, ale nanociała (niekiedy nazywane w skrócie Nb albo Nabs) mają inne, większe zalety. Yi Shi, współautorów artykułu opublikowanego w „Science”, tłumaczy:
Nanociała Shi można przechowywać w temperaturze pokojowej przez sześć tygodni i da się utworzyć z nich wziewną mgiełkę, by dostarczyć terapeutyk antywirusowy bezpośrednio do płuc, gdzie jest najbardziej potrzebny. Ponieważ SARS-CoV-2 jest wirusem układu oddechowego, więc nanociała mogłyby go znaleźć i unieszkodliwić w układzie oddechowym, zanim zdążyłby wyrządzić w nim jakiekolwiek szkody.
Natomiast tradycyjne przeciwciała przeciwko SARS-CoV-2 wymagają wstrzyknięcia dożylnego, co wiąże się z rozprowadzeniem produktu po całym ciele i wymaga dużo większej dawki, a także kosztuje pacjentów oraz ubezpieczycieli około 100 000 dolarów za leczenie.
„Nanociała mogłyby potencjalnie kosztować dużo mniej – powiedział Shi. – One są idealne z perspektywy obecnego, naglącego, wielkiego kryzysu”4.
Lama Wally dostarczyła surowca, który już sam w sobie był skuteczny. Ale badacze posłużyli się inżynierią genetyczną, by jeszcze bardziej wzmocnić naturalne wiązanie nanociała:
We współpracy z Chengiem Zhangiem z Uniwersytetu w Pittsburghu i Diną Schneidman-Duhovny z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie zespół odkrył, że nanociała lamy Wally stosują różnorodne mechanizmy, by zablokować infekcję SARS-CoV-2. Oznacza to, że nanociała bardzo dobrze poddają się bioinżynierii. Na przykład nanociała, które wiążą się z różnymi regionami wirusa SARS-CoV-2, można połączyć ze sobą, jak szwajcarski scyzoryk, w razie gdyby jedna część wirusa zmutowała i stała się lekooporna4.
Dlaczego lamy?
Badacze medyczni zwykle szukają czynników terapeutycznych u zwierząt. Na przykład przeciwciała monoklonalne można uzyskać od zwierząt przy użyciu metody prezentacji fagowej. Okazuje się, że wielbłądowate (w tym wielbłądy, lamy i alpaki) w niezwykły sposób produkują małe, jednodomenowe przeciwciała o wyższej swoistości względem poszczególnych białek. Mają one jedną dziesiątą wielkości ludzkich przeciwciał, dzięki czemu są bardzo skuteczne i stabilne:
„Dla mnie jako wirusologa jest to niesamowite, że ujarzmienie nietypowej generacji przeciwciał lamy można wykorzystać do stworzenia potężnej nanobroni przeciwko klinicznym izolatom SARS CoV-2” – powiedział współautor badania i dyrektor CVR, Paul Duprex5.
Zespół badawczy wstrzyknął trochę białka kolca wirusa lamy. Około dwóch miesięcy później badacze zebrali setki nanociał wyprodukowanych przez organizm zwierzęcia do walki z najeźdźcą. Następnie zidentyfikowali te, które najsilniej wiążą się z koronawirusem:
Wtedy to, przy pomocy badaczy z Ośrodka Badań Szczepionek Uniwersytetu w Pittsburghu (CVR – Center for Vaccine Research), naukowcy wystawili swoje nanociała na działanie żywego wirusa SARS-CoV-2 i odkryli, że nawet ułamek nanograma może już zneutralizować dostateczną ilość wirusa, by ochronić milion komórek ludzkich przed zainfekowaniem5.
Próby poszukiwania nanociał nie są czymś nowym, ale cząstki te są trudne do znalezienia. W ciągu ostatnich trzech lat pittsburski zespół Shi opracował nową technikę szybkiego identyfikowania, charakteryzowania i sortowania tysięcy nanociał. Właśnie dzięki niej naukowcy byli zdolni znaleźć te z największym powinowactwem i w trzy miesiące wyprodukować nanociała, które wiążą się o kilka rzędów wielkości silniej niż jakiekolwiek inne, które zostały wyprodukowane. Artykuł w „Science” kończy się w bardzo optymistycznym tonie:
W naszym badaniu maturacja powinowactwa przeciwciał in vivo [u lamy Wally] w połączeniu z zaawansowaną proteomiką umożliwiła szybkie odkrycie różnorodnego repertuaru nanociał RBD [domeny wiązania receptora] o wysokim powinowactwie, w tym ultrasilnego neutralizatora z subpikomolowym powinowactwem, który jest niespotykany wśród naturalnych, jednodomenowych nanociał. Zademonstrowaliśmy prostotę i różnorodność bioinżynierii nanociała oraz wyróżniające się cechy fizykochemiczne monomerycznych nanociał i ich wielowalencyjnych form. Z tego, co się dowiedzieliśmy, wynika, że wielowalencyjne konstrukty stanowią aktualnie najsilniejsze neutralizatory SARS-CoV-2. Elastyczne i skuteczne aplikowanie leku, jak na przykład inhalacja, może jeszcze bardziej zwiększyć ich skuteczność antywirusową, przy jednoczesnym zmniejszeniu dawki, kosztu i potencjalnej toksyczności w przypadku zastosowań klinicznych. Wysokie podobieństwo sekwencji między nanociałami a ludzkimi IgGs [immunoglobulinami] może ograniczać immunogenność. Możliwe jest połączenie antywirusowych nanociał z wysoce stabilnymi konstruktami nanociał albuminowych, by ulepszyć farmakokinetykę. Te wysokiej jakości nanociała mogą też być stosowane jako szybka i ekonomiczna metoda diagnostyczna w miejscu opieki nad pacjentem. Przewidujemy, że opisana tutaj technika nanociał przyczyni się do zahamowania obecnej – i zapewne jakiejś przyszłej – pandemii6.
Część pracy stanowiącą największe wyzwanie wykonała lama Wally. Jej układ odpornościowy musiał rozpoznać intruza, a następnie produkował maleńkie cząstki, które mogły dopasować się do jego niepowtarzalnego kształtu, by można było go zneutralizować. Reszta pracy, wykonana przez ludzi, polegała na ulepszeniu tego, co zrealizował już inteligentny projekt w układzie odpornościowym lamy.
W ramach Operacji Warp Speed wiodące firmy farmaceutyczne świata przyspieszyły swoje poszukiwania szczepionki z czterech lat do mniej niż roku. Lama Wally znalazła rozwiązanie w dwa miesiące. Czyż to, co zdziałała, nie jest inteligentnym projektem!
Evolution News
Oryginał: A Biomimetics Cure for COVID-19? Thank This Llama, „Evolution News & Science Today” 2020, November 13 [dostęp 04 V 2022].
Przekład z języka angielskiego: Paweł Brzózka
Źródło zdjęcia: Pixabay
Ostatnia aktualizacja strony: 04.05.2022
Przypisy
- University of Pittsburgh, Llama Nanobodies Could Be a Powerful Weapon Against COVID-19, „Medical Xpress” 2020, November 5 [dostęp 13 X 2021] [wyróżnienia dodano].
- Artykuł ten opublikowano już w czasopiśmie „Science”, por. M. Schoof et al., An Ultrapotent Synthetic Nanobody Neutralizes SARS-CoV-2 by Stabilizing Inactive Spike, „Science” 2020, Vol. 370, No. 6523, s. 1473–1479 [dostęp 13 X 2021] (przyp. tłum.).
- Por. Y. Xiang et al., Versatile and Multivalent Nanobodies Efficiently Neutralize SARS-CoV-2, „Science” 2020, Vol. 370, No. 6523, s. 1479–1484 [dostęp 13 X 2021].
- University of Pittsburgh, Llama Nanobodies Could Be a Powerful Weapon Against COVID-19 [wyróżnienia dodano].
- University of Pittsburgh, Llama Nanobodies Could Be a Powerful Weapon Against COVID-19 [wyróżnienie dodano].
- Xiang et al., Versatile and Multivalent Nanobodies Efficiently Neutralize SARS-CoV-2, s. 1483 [wyróżnienia dodano].
Literatura:
- Schoof M. et al., An Ultrapotent Synthetic Nanobody Neutralizes SARS-CoV-2 by Stabilizing Inactive Spike, „Science” 2020, Vol. 370, No. 6523, s. 1473–1479 [dostęp 13 X 2021].
- University of Pittsburgh, Llama Nanobodies Could Be a Powerful Weapon Against COVID-19, „Medical Xpress” 2020, November 5 [dostęp 13 X 2021].
- Xiang Y. et al., Versatile and Multivalent Nanobodies Efficiently Neutralize SARS-CoV-2, „Science” 2020, Vol. 370, No. 6523, s. 1479–1484 [dostęp 13 X 2021].