Пятнадцать лет назад профессор Массачусетского технологического института Джон Эссигманн и его коллеги из Вашингтонского университета придумали новую идею лекарства от ВИЧ. Они думали, что, если они могут заставить вирус бесконтрольно мутировать, они могут заставить его ослабнуть и в конечном итоге вымрут – стратегия, которую наша иммунная система использует против многих вирусов.
Исследователи разработали такой препарат, который, как и ожидалось, заставил ВИЧ мутировать с повышенной скоростью. Но это не помогло избавиться от вируса у пациентов в небольшом клиническом исследовании, опубликованном в 2011 году. Однако в новом исследовании Эссигманн и его коллеги определили механизм действия препарата, который, по их мнению, может помочь им разработать лучшие версии, которые быстрее уничтожат вирус.
По их словам, этот тип лекарств может помочь бороться с остаточным вирусом, который остается в Т-клетках пациентов, у которых болезнь была доведена до долгосрочной ремиссии с помощью комбинации из трех препаратов, обычно используемой для лечения ВИЧ. Эти вирусы периодически появляются снова, поэтому пациенты должны оставаться на коктейле из лекарств на неопределенный срок и не рассматриваются "вылечил."
"Это действительно была самая большая проблема с ВИЧ," говорит Эссигманн, William R. и Бетси П. Лейтч профессор химии, токсикологии и биологической инженерии Массачусетского технологического института. "Мы надеемся, что в течение длительного периода времени на этом типе терапии у человека потенциально может произойти мутация их латентного пула до такой степени, что он больше не будет вызывать активное заболевание."
В новом исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) на неделе 28 июля, исследователи обнаружили, как именно препарат, известный как KP1212, вызывает мутацию генома ВИЧ. Ведущими авторами статьи являются постдоки Массачусетского технологического института Дэю Ли, Богдан Феделес и Випендер Сингх, а также недавний аспирант Массачусетского технологического института Чунте Сэм Пэн. Эссигманн и Андрей Токмаков, бывший профессор Массачусетского технологического института, который сейчас работает в Чикагском университете, являются старшими авторами статьи.
Слишком много мутаций
После того, как ВИЧ заражает клетку, она быстро начинает копировать свой генетический материал. Это копирование очень подвержено ошибкам, поэтому вирус быстро мутирует. Обычно это помогает вирусу выжить, позволяя ему уклоняться как от иммунной системы, так и от созданных человеком лекарств. Однако на конференции в конце 1990-х годов Эссигманн узнал от биолога-эволюциониста, что, если вирус может быть вынужден удвоить скорость мутаций, он больше не сможет производить функциональные белки.
Эссигманн и Лоуренс Леб, профессор биохимии Вашингтонского университета, начали работать вместе, чтобы реализовать эту идею. Эссигманн разрабатывал соединения, имитирующие природные нуклеотиды – A, C, T и G "письма" которые образуют пары оснований ДНК, но вызывают генетические мутации путем связывания с неправильным партнером. Леб – эксперт по полимеразам, ферментам, которые связывают нуклеотиды вместе, чтобы сформировать ДНК или РНК.
Вместе с Джеймсом Маллинсом, профессором иммунологии и экспертом по ВИЧ в Вашингтонском университете, Эссигманн и Леб разработали молекулу под названием 5-гидроксицитозин, описанную в статье PNAS 1999 года. При введении ВИЧ-инфицированным клеткам, выращенным в лаборатории, эта молекула включалась в вирусный геном вместо естественной формы цитозина. В течение 25 циклов репликации вируса популяции ВИЧ в этих инфицированных клетках исчезли.
Затем исследователи создали компанию Koronis Pharmaceuticals, которая разработала KP1212, соединение, которое в 100 раз более мутагенное, чем 5-гидроксицитозин. В четырехмесячном клиническом испытании с участием 32 пациентов мутации накапливались в вирусной ДНК пациентов, но их было недостаточно, чтобы вызвать падение популяции. Лекарство также оказалось безопасным: оно не мутировало в собственной ДНК пациентов, отчасти потому, что лекарство было разработано таким образом, что человеческие формы ДНК-полимеразы не могли его принять.
Молекулы, изменяющие форму
В новой статье PNAS исследователи использовали передовые методы спектроскопии для анализа способности KP1212 способствовать таутомерии, химическому явлению, которое включает миграцию протонов между атомами азота и кислорода на основаниях нуклеиновых кислот. Это позволило исследователям увидеть, что как только KP1212 внедряется в геном, он может переключаться между пятью различными формами, или таутомерами. Некоторые из них ведут себя как цитозин, соединяясь с гуанином. Однако некоторые из таутомеров напоминают тимин, поэтому они образуют пары с аденином, вызывая мутации.
"Пять молекул меняют форму в наносекундном масштабе времени, и каждая форма имеет различное свойство спаривания оснований, поэтому вы увидите неразборчивость в отношении оснований, с которыми спаривается KP1212," Сингх говорит.
Чтобы увидеть это изменение формы, исследователи использовали ЯМР и форму двумерной инфракрасной спектроскопии, разработанную Токмаковым. Эта технология позволяет ученым определять атомный состав и структуру оснований нуклеиновых кислот.
Затем, используя генетический инструмент, разработанный в лаборатории Essigmann, исследователи определили, что KP1212 вызывает частоту мутаций ровно 10 процентов в геноме ВИЧ. Основываясь на этих выводах, Эссигманн оценивает, что если KP1212 удвоит частоту мутаций ВИЧ, он может избавить пациентов от вируса в течение одного-двух лет.
Он говорит, что Коронис надеется провести более длительные испытания KP1212, а также заинтересован в разработке лекарств, которые будут работать быстрее, что можно сделать, изменив некоторые химические свойства молекулы и проверив, ускоряют ли они скорость мутаций.
В документе также указаны другие факторы, которыми ученые могут манипулировать, чтобы улучшить эффективность препарата.
"Есть и другие переменные, которые важны для расчета времени, необходимого для уничтожения вируса," Феделес говорит. "Это включает в себя концентрацию, которой лекарство должно достичь внутри клетки, и способность клетки преобразовывать нуклеозид, молекулу без фосфата, в трифосфатную версию, которая включается полимеразой."
"Мы разрабатываем новую стратегию, которая может дать нам много информации о том, как создать новую молекулу," Ли говорит. "Это новый набор инструментов для разработки лекарств будущего. Эти препараты не ограничиваются ВИЧ. Они могут быть кандидатами на лихорадку денге или другие вирусы, такие как желтая лихорадка."
Считается, что рибавирин, препарат, используемый для лечения гепатита С, и препарат против гриппа Т-705 вызывают гипермутацию в своих вирусах-мишенях. Команда Массачусетского технологического института также планирует работать с Лебом, чтобы проверить возможность использования подобных соединений, чтобы заставить опухолевые клетки мутировать до исчезновения.