Вирусы накапливают мутации при репликации в инфицированных клетках. Повторная репликация может привести к появлению вирусных штаммов с ослабленной вирулентностью. Такие штаммы могут действовать как вакцины, если ослабленный вирус может вызывать иммунитет без серьезных заболеваний.
Такой подход не нов. Альберт Сабин разработал аттенуированную вакцину против полиовируса в середине 20-го века, которая помогла искоренить естественный полиомиелит в Западном полушарии. Широко используются ослабленные вирусные вакцины против краснухи, кори, желтой лихорадки и других болезней.
Можно ли разработать аналогичную вакцину против COVID-19?
Исследователи из Университета Алабамы в Бирмингеме опубликовали фундаментальное исследование этой возможности в Journal of Virology . Они задали простой вопрос: какие мутации преобладают, когда вирус SARS-CoV-2, вызывающий COVID-19, выращивается в последовательных поколениях - вирусологи называют это пассажами - в культуре тканей?
Исследователи UAB обнаружили, что изоляты SARS-CoV-2 быстро адаптировались, поскольку они росли в повторяющихся пассажах в клетках Vero E6 , штамме клеток почек, который обычно используется для размножения вируса. Развитые вирусы приобрели более высокую инфекционность, продемонстрировали более быстрое распространение инфекции и образовали значительно более крупные бляшки на клетках Vero. Зубной налет - это видимый фрагмент клеточного слоя, где клетки разрушаются в результате размножения и высвобождения вируса.
Для одного из штаммов SARS-CoV-2, протестированных исследователями UAB - штамма из штата Вашингтон, который был первым вирусом COVID-19, обнаруженным в США в начале 2020 года - среднее количество инфекционных вирусных частиц, выпущенных из клеток было в 100 раз меньше, чем количество инфекционных частиц, выпущенных после четырех пассажей.
Исследователи во главе с Ильей Фроловым, доктором философии, профессором кафедры микробиологии UAB, обнаружили, что вирусная эволюция развивалась по двум основным механизмам. Первым была вставка семи аминокислот , включая две положительно заряженные аминокислоты, в спайковый белок изолята Вашингтонского SARS-CoV-2. Вирус использует свои шипованные белки для прикрепления к рецепторам ACE2 на клетках, запуская его проникновение в клетку. Таким образом, белок спайков является основным детерминантом патогенеза.
Второй механизм заключался в замене одной аминокислоты с серина на глицин, мутация, называемая S686G, в белке-шипе рядом с местом его расщепления. Оба механизма увеличивают способность мутанта связываться с гепарансульфатом , который в большом количестве присутствует на поверхности клеток. Эти два изменения также увеличили размер бляшки и скорость распространения инфекции. Это связывание с гепарансульфатом на клеточной мембране, по-видимому, является механизмом первичного прикрепления вируса до высокоаффинного взаимодействия спайка с клеточным рецептором ACE2. В качестве теста биологической значимости растворы гепарина - родственного полисахарида - ингибировали инфекционность мутантных вирусов, которые показали повышенное связывание с гепарансульфатом, в то время как гепарин не снижал инфекционность немутантных вирусов.
Чтобы проверить независимые эффекты двух основных механизмов, исследователи UAB клонировали каждое изменение в ДНК, которая была копией генома первого изолята SARS-CoV-2 в Ухане, Китай, секвенированного в январе 2020 года. Копии РНК, полученные из этой ДНК. конструкции были доставлены в клетки, и клетки затем продуцировали вирус . Исследователи обнаружили, что каждый отдельный механизм увеличивал связывание конструкций с гепарансульфатом, а конструкция с двойным мутантом с обоими изменениями имела значительно более высокие показатели инфицирования, чем любой простой мутант.
«Важной характеристикой двойного мутанта является то, что его дальнейшая эволюция в культивируемых клетках маловероятна», - сказал Фролов. Он говорит, что рекомбинантные одиночные мутанты продолжали накапливать различные мутации второго сайта в дальнейших пассажах, в то время как двойной мутант, который содержал как вставку аминокислоты, так и S686G, был стабильным и не приобрел дополнительных изменений.
Интересно, что SARS-CoV-2 представляет собой коронавирус с положительной цепью РНК. Альфавирусы также являются вирусами с положительной цепью РНК. Другие показали, что альфавирусы чикунгунья, венесуэльский лошадиный энцефалит, Росс Ривер и Синдбис продемонстрировали аналогичную быструю эволюцию во время роста в культуре клеток, включая увеличение размера бляшек, более сильное взаимодействие с гепарансульфатом и стимулированное распространение инфекции.
Важно отметить, что эти эволюционировавшие альфавирусы обычно были значительно менее патогенны для мышей и людей.
«Как и в случае мутантов, связывающих гепарансульфат других РНК + вирусов, развившийся SARS-CoV-2 также может быть аттенуирован in vivo, особенно двойной мутант, который демонстрирует наиболее адаптированный фенотип», - сказал Фролов. «Таким образом, они также могут быть использованы в качестве основы для разработки стабильных живых аттенуированных вакцин против COVID-19».
Помимо Фролова, исследованием руководили Тодд Грин, доктор философии, доцент, и Елена Фролова, доктор философии, профессор кафедры микробиологии UAB.
