APS играет основополагающую роль в разработке вакцин COVID-19

APS plays foundational role in development of COVID-19 vaccines0

Shutterstock/PalSand

Быстрое развитие вакцин COVID-19 было бы невозможно без многолетних исследований подобных вирусов. Работа, проделанная на передовом источнике фотонов в период с 2009 по 2013 год, привела к повышению эффективности нескольких вакцин COVID-19.

APS plays foundational role in development of COVID-19 vaccines1

Джейсон Маклеллан

Данные, полученные на АПС, показывают, что нейтрализующее антитело D25 связывается с белком F респираторно-синцитиального вируса (РСВ). Это связывание стабилизирует белок в его префузионной форме. Некоторые вакцины COVID-19 включают аналогичные мутации, которые стабилизируют спайковые белки в их более уязвимой форме.

Предыдущий Следующий

Newswise — в конце пандемического туннеля COVID-19 есть свет. Несколько вакцин против вируса SARS-CoV-2, вызывающего COVID-19, в настоящее время проходят клинические испытания, а одна из них — разработанная компанией Pfizer/BioNTech — уже одобрена для экстренного использования в Соединенных Штатах. Это была самая быстрая разработка и внедрение любой вакцины в истории, начиная с первой последовательности генов, выпущенной в январе. (Предыдущий рекорд принадлежал вакцине против эпидемического паротита, на которую ушло четыре года.)

Но хотя это может показаться внезапным успехом, скорость и эффективность этих новых вакцин отчасти можно объяснить десятилетиями исследований инфекционных заболеваний, предшествовавших вспышке COVID-19. Показательный пример: пять вакцин, в том числе разработанные Pfizer/BioNTech и Moderna, содержат генетические мутации, повышающие их эффективность, мутации, основанные на работе, выполненной более 10 лет назад с использованием ресурсов Advanced Photon Source (APS), отдела научных пользователей Министерства энергетики США (DOE) в Аргоннской национальной лаборатории DOE.

«Предыдущая работа позволила нам двигаться очень быстро. Разработка вакцины обычно занимает десятилетие. Вакцина против РСВ, которую мы создали в 2013 году, только сейчас вступает в фазу 3 клинических испытаний. COVID-19 прошел путь от последовательности генома до первой иммунизации менее чем за год » — Джейсон Маклеллан, Техасский университет в Остине.

APS был на переднем крае области структурной биологии с тех пор, как его ультраяркие рентгеновские лучи впервые начали светить в 1995 году. Ученые используют эти мощные лучи света, чтобы осветить структуры вирусов, создавая детальные картины строения их белков. Эти изображения затем используются для разработки методов, лекарств и вакцин, которые более эффективно борются с вирусом.

Именно это и делают эти мутации. Они были разработаны Джейсоном Маклелланом, ныне адъюнкт-профессором Техасского университета в Остине, и Барни Грэмом, в настоящее время заместителем директора Исследовательского центра вакцин Национального института аллергии и инфекционных заболеваний, входящего в состав Национального института здравоохранения (NIH). На текущую работу пары над вакцинами COVID-19 большое влияние оказали их исследования совершенно другого заболевания-респираторно-синцитиального вируса (РСВ), который поражает тысячи людей в год.

“Мы начали эту работу в 2009 году», — сказал Маклеллан, который в то время был постдокторским исследователем в лаборатории Питера Квонга в NIH. “Это заняло некоторое время, но в 2013 году мы добились успеха в разработке вакцины-кандидата для РСВ.”

Ключом к созданию этой вакцины, которая сейчас вступает в фазу 3 испытаний, было лучшее понимание одного из белков вируса. Белок F в РСВ украшает поверхность вируса и вступает в первый контакт с клетками человека, заражая их. Этот белок имеет две формы: префузионную, меньшую грибовидную форму, которая сначала вступает в контакт с клетками, и постфузионную, расширенную форму, которая инициирует проникновение вируса в эти клетки. Как только белок находится в своей постфузионной форме, начинается инфекция,и иммунной системе труднее бороться с вирусом.

Маклеллан и Грэм работали над теорией, что вакцина, направленная на белок F в режиме префузии, должна быть более эффективной. Они создали более 100 различных вариантов этого белка, чтобы найти вариант, который они могли бы стабилизировать в форме префузии. Это послужило бы мишенью для иммунной системы, помогая ей вырабатывать нейтрализующие антитела против вируса. Часть этой работы была проделана в Юго-Восточной региональной группе совместного доступа (SER-CAT) beamline в APS, управляемой Университетом Джорджии.

В мае 2013 года пара и их коллеги сообщили об успехе, опубликовав свою работу в журнале Science. В ноябре 2013 года они сообщили о вакцине-кандидате на РСВ, которая нейтрализовала белок F, стабилизируя его в префузионной форме. Эта статья также была опубликована в журнале Science и включала структурные работы, выполненные в SER-CAT. В 2019 году Маклеллан, Грэм и их коллеги опубликовали клиническое доказательство концепции в науке, которое показало, что молекула префузии является лучшим вакцинным антигеном.

Маклеллан и Грэм вскоре узнали, что обнаруженный ими метод может быть применен к коронавирусам.

“Мы с Барни начали думать о том, на что смотреть дальше, и коронавирусы в целом были похожи на РСВ”, — сказал Маклеллан. — Оба содержат схожий белок: Спайк в коронавирусах похож на белок F в РСВ, за исключением того, что Спайк примерно в два с половиной раза больше. Это как белок F на стероидах.”

В 2013 году Маклеллан и его коллеги, включая Няньшуана Вана, ныне работающего в Regeneron Pharmaceuticals, начали работать с Грэмом и его коллегой из NIH Киззмекией Корбетт над вакциной против коронавируса ближневосточного респираторного синдрома (БВРС-КоВ). Команда применила ту же технику к БВРС-КоВ, и в 2017 году сообщила о подобном успехе. На этот раз они выполнили часть своей работы в центре структурной биологии (SBC) при АПС и опубликовали результаты в Трудах Национальной академии наук.

“И Маклеллан, и Грэм являются давними пользователями APS, и их работа по пониманию RSV и MERS-CoV привела к эффективной технике нейтрализации обоих вирусов”, — сказал Боб Фишетти из Аргонна, руководитель группы и советник по наукам о жизни директора APS. «Структурные работы, выполненные в APS, сыграли ключевую роль в открытии этой техники, и теперь мы видим, насколько это может быть важно.”

Когда появился SARS-CoV-2, Маклеллан, Ван И аспирант Дэниел фант, ныне работающий в Техасском университете в Остине, присоединились к Грэму и Корбетту, чтобы посмотреть, будет ли работать та же самая техника, чтобы подавить распространение этого нового вируса. И как только они смогли изучить структуру белка Спайка, они обнаружили, что это так.

” Возможность разгадать структуру спайкового белка SARS-CoV-2 и знать, что он находится в желаемой конформации в течение трех недель после высвобождения последовательности, имела решающее значение для быстрого продвижения программ разработки вакцин и обнаружения антител», — сказал Грэм.

Первые результаты их работы, мутация под названием S-2P, в настоящее время находятся в вакцинах SARS-CoV-2, разработанных Moderna, Pfizer/BioNTech, Novavax, Johnson & Johnson и CureVac, подтвердил Маклеллан. Вакцины Pfizer и Moderna используют мессенджерную РНК (мРНК), чтобы научить человеческие клетки производить мутант белка Спайка, против которого иммунная система затем вырабатывает антитела. Если человек заражен вирусом, иммунная система распознает его до заражения, и антитела нейтрализуют спайковый белок, связываясь с ним и предотвращая заражение клетки.

Управление по контролю за продуктами и лекарствами США выдало разрешение на экстренное использование вакцины Pfizer 12 декабря и, как ожидается, вынесет свои рекомендации относительно вакцины Moderna на этой неделе. Вакцина Pfizer в настоящее время вводится в Соединенных Штатах.

«Предыдущая работа позволила нам двигаться очень быстро», — сказал Маклеллан. — Разработка вакцины обычно занимает десять лет. Вакцина против РСВ, которую мы создали в 2013 году, только сейчас вступает в фазу 3 клинических испытаний. COVID-19 прошел путь от последовательности генома до первой иммунизации менее чем за год. Мы сыграли определенную роль в развитии антигена. Была массовая реакция на этот коронавирус. Многие лаборатории и компании внесли свой вклад.”

Маклеллан и его коллеги опубликовали дальнейшую работу по SARS-CoV-2 в журнале Science в сентябре. Ученые снова протестировали более 100 вариантов спайкового белка, на этот раз используя метод, называемый криогенной электронной микроскопией, в своих собственных лабораториях. В итоге они получили молекулу под названием Гексапро, которая могла быть в 10 раз мощнее спайкового белка S-2P в современных вакцинах COVID-19. В настоящее время он оценивается для использования несколькими компаниями.

В то время как перспектива нескольких вакцин COVID-19 является захватывающей, Маклеллан также воодушевлен тем, что этот ускоренный процесс разработки означает для будущего. Мы не знаем, какими будут следующие патогены, отмечает он, и инструменты и методы, разрабатываемые сейчас, будут играть важную роль.

“Мы многое узнали о различных шагах, связанных с ответом на пандемию», — сказал он. «Платформа разработки вакцин будет продолжать развиваться. Скорость и новые технологии экономят нам дни и недели, а также помогают с игровым планом реагировать на будущие пандемии.”

Грэм и Корбетт недавно были названы лауреатами премии «Золотой Гусь» за свою работу по исследованию COVID-19, и работа Маклеллана признана в объявлении.

В этом году APS посвятила более 10 000 часов исследованиям структуры SARS-CoV-2 и предоставила свои ресурсы более чем 80 группам исследователей со всей страны, в дополнение к работе, проделанной там Аргоннскими учеными. С более чем 100 структурами вируса, доступными мировому научному сообществу-больше, чем любой другой источник света в США, — APS стал важным фактором в борьбе с COVID-19.

“Точно так же, как то, что мы узнали из предыдущих вспышек, помогло создать вакцины и методы лечения с рекордной скоростью, то, что мы узнаем о SARS-CoV-2 в APS, поможет бороться не только с этой вспышкой, но и с будущими”, — сказал Стивен Стрейффер, заместитель директора лаборатории Аргонны по науке и технике и временный директор APS.

Усовершенствованный источник фотонов — это пользовательское устройство управления науки Министерства энергетики США (DOE), эксплуатируемое для управления науки Министерства энергетики Аргоннской национальной лабораторией. Дополнительное финансирование лучевых линий, используемых для исследований COVID-19 в APS, обеспечивается Национальными институтами здравоохранения (NIH)и Управлением научных биологических и экологических исследований Министерства здравоохранения. В этом году APS работала на 10 процентов больше часов, чем обычно, чтобы поддержать исследования COVID-19, причем дополнительное время поддерживалось управлением науки Министерства здравоохранения через национальную виртуальную биотехнологическую лабораторию, консорциум национальных лабораторий министерства здравоохранения, сосредоточенных на реагировании на COVID-19 с финансированием, предусмотренным Законом о заботе о коронавирусе.

О дополнительных источника фотонов

Усовершенствованный источник фотонов (APS) Управления науки Министерства энергетики США в Аргоннской национальной лаборатории является одним из самых производительных в мире источников рентгеновского света. APS обеспечивает высокояркие рентгеновские лучи разнообразному сообществу исследователей в области материаловедения, химии, физики конденсированных сред, наук о жизни и окружающей среде, а также прикладных исследований. Эти рентгеновские лучи идеально подходят для исследования материалов и биологических структур, распределения элементов, химических, магнитных, электронных состояний и широкого спектра технологически важных инженерных систем от батарей до топливных форсунок, которые являются основой экономического, технологического и физического благополучия нашей страны. Каждый год более 5000 исследователей используют APS для создания более 2000 публикаций, детализирующих впечатляющие открытия, и решают более важные биологические белковые структуры, чем пользователи любого другого исследовательского центра рентгеновского источника света. Ученые и инженеры APS внедряют инновационные технологии, которые лежат в основе развития ускорителей и источников света. Это включает в себя вставные устройства, которые производят рентгеновские лучи экстремальной яркости, высоко ценимые исследователями, линзы, которые фокусируют рентгеновские лучи до нескольких нанометров, приборы, которые максимизируют способ взаимодействия рентгеновских лучей с исследуемыми образцами, и программное обеспечение, которое собирает и управляет огромным количеством данных, полученных в результате исследований discovery в APS.

В этом исследовании использовались ресурсы усовершенствованного источника фотонов, пользовательского объекта управления науки Министерства здравоохранения США, эксплуатируемого для управления науки Министерства здравоохранения Аргоннской национальной лабораторией по контракту № DE-AC02-06CH11357.

Аргоннская национальная лаборатория ищет решения насущных национальных проблем в области науки и техники. Первая в стране Национальная лаборатория Аргонна проводит передовые фундаментальные и прикладные научные исследования практически по всем научным дисциплинам. Аргоннские исследователи тесно сотрудничают с исследователями из сотен компаний, университетов и федеральных, государственных и муниципальных учреждений, чтобы помочь им решить свои конкретные проблемы, продвинуть научное лидерство Америки и подготовить нацию к лучшему будущему. С сотрудниками из более чем 60 стран Аргонна управляется компанией UChicago Argonne, LLC для управления науки Министерства энергетики США.

Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим сторонником фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и работает над решением некоторых из самых насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите сайт https://energy.gov/science.

СМ. ОРИГИНАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Коронавирус-2