Парадокс COVID-19: почему наша иммунка начинает работать против нас?

Исследователи в лаборатории на Манхеттене выяснили, как вирус SARS-CoV-2 использует защиту нашего организма против нас же самих.

Предлагаем почитать фрагмент их научной статьи.

В пятницу, 6 марта, очищенный образец коронавируса нового типа прибыл в лабораторию вирусолога по имени Бенджамин тен Овер в Медицинскую школу Икана в Восточном Гарлеме. Многие вирусологические лаборатории занимаются только одним патогеном, но Овер изучает десятки вирусов и то, как они изменяют клетки, которые заражают.

Бенджамину Тен Оверу 43 года, он родился в семье выходцев из Голландии и вырос в сельской местности Онтарио. Зимой Овер и его команда были сосредоточены на гриппе. Но по мере того, как пандемия коронавирусной инфекции в США начала нарастать, исследователи взялись за побочный проект. 26 марта он собрал свою команду, и они обсудили план: они возьмут полдюжины вирусов — в том числе SARS, MERS и коронавирус нового типа — и будут заражать ими организмы, сначала клетки в чашке Петри и потом хорьков. Исследователи изучат результаты, чтобы понять, что сделало новый коронавирус уникальным.

Инфицирование происходило в лаборатории с уровнем биобезопасности 3 (максимальный уровень — 4). Внутри лаборатории комнаты расположены одна за другой, и в каждой следующей давление ниже, чем в предыдущей — благодаря этому воздух идет вовнутрь и вверх через вытяжку, которая содержит особые фильтры. В «заразной» зоне вы должны носить халаты, два комплекта перчаток, два комплекта бахил, респираторную маску, маску для лица и медицинский чепчик (шапочку). Вы работаете с руками под капюшоном и с защитой в виде дополнительного комплекта одноразовых рукавов. Когда вы закончите свой эксперимент, вы продезинфицируете это оборудование и бросите его в автоклав — своего рода печь, — где оно будет вариться в течение 20 минут. Чтобы вернуться в «чистую» зону, вы снимаете бахилы, прежде чем переступить красную линию. В Нью-Йорке эти меры предосторожности казались абсурдными: в городе, где ежедневно диагностировали около 3 тыс. новых случаев коронавируса, вы с большей вероятностью заразились бы в вашем районе.

Докторантка по имени Дейзи Хоугланд только что вылечилась от COVID-19, который протекал у нее в легкой форме, и подготовила образцы для анализа. С помощью шейкера и пробирки, заполненных песком и керамическими гранулами, она превратила суспензию из клеток легких хорька — часть от инфицированных животных, часть — от других от членов контрольной группы — в гомогенный сок, а затем отделила раствор в центрифуге, которая произвел 15 тыс. г. Это кропотливая работа. С помощью пипетки она осторожно перенесла верхний слой (розовую жидкость), в другую пробирку и с помощью центрифуги получила очищенный образец РНК. Хоугланд передала его своим коллегам Расмусу Мёллеру и Мэрилин Панис для секвенирования (определение аминокислотной или нуклеотидной последовательности биополимеров). Процесс занимает 16 часов, и Мёллер, который в разгар пандемии жил в Гринпойнте в Бруклине, часто на рассвете ехал домой на велосипеде по мосту Пуласки.

В то время как секвенирование ДНК определяло молекулярную биологию в начале 2000-х, секвенирование РНК определяет его сегодня. Представьте клетку как своего рода компьютер — ваша ДНК содержит все программы, которые она могла бы запустить. Это удивительный факт, что к одной и той же ДНК есть доступ у каждой клетки тела, от кожи до мозга; эти клетки различаются по внешнему виду и функциям, потому что в каждой из них молекулярная штуковина «транскрибирует» одни сегменты ДНК, а не другие, в молекулы одноцепочечной РНК. Эти биты РНК, в свою очередь, используются в качестве чертежей для белков, молекулярных машин, которые выполняют большую часть работы клетки. Если ДНК — это главный экран вашего телефона, то транскрипция похожа на нажатие на значок. Взяв образцы РНК, присутствующей в группе клеток, исследователи могут увидеть, какие «программы» эти клетки обрабатывают в данный момент; если взять образец после того, как клетки были заражены вирусом, ученые могут увидеть, как этот вирус заменяет встроенные программы на свои собственные.

Команда тен Овера быстро обнаружила, что SARS-CoV-2 невероятно хорош в том, чтобы встраивать свои программы в клетки. Обычно вирус заменяет менее 1% программного обеспечения организма, который он инфицирует. SARS-CoV-2, по словам тен Овера, меняет около 60% РНА в инфицированных клетках — это самый высокий показатель, который когда-либо встречал исследователь. Кроме того, вирус перестраивает систему сигнализации, которую клетки используют для предупреждения других о заражении. Обычно в рамках так называемого «врожденного» иммунного ответа — так называемого, потому что он генетически запрограммирован, а не адаптирован к конкретному патогену, — клетка посылает два вида сигналов. Один сигнал передают молекулы, которые называются интерфероны. Сигнал направляется к соседним клеткам и говорит им, что нужно создать защиту, которая замедлит распространение вируса. Другой сигнал передают молекулы цитокины — они отправляют сообщение в в эпителиальную выстилку кровеносной системы.

Белые кровяные тельца, вызванные этим вторым сигналом, не просто поедают захватчиков и инфицированные клетки; они также собирают свои расчлененные белковые части. В других частях иммунной системы эти фрагменты используются для создания вирусоспецифичных антител в рамках сложной «адаптивной» реакции, развитие которой может занять шесть или семь дней.

Обычно вирусы, о которых волнуются люди, успешны, потому что они отменяют обе эти сигнальные программы. Коронавирус другой. «Похоже, что он блокирует только одну из этих двух рук», — говорит тен Овер. Он подавляет интерфероновую реакцию, но ничего не делает с цитокинами; то есть он уклоняется от местной защиты, но позволяет инфицированным клеткам вызывать подкрепление. Лейкоциты — мощное оружие: они прибывают с началом воспалительного процесса, уничтожают клетки со всех сторон и забивают проходы обломками. Они предназначены для выборочного использования против захватчиков, которые были ограничены на небольшой территории. Что касается коронавируса, они применяются слишком широко — ковровая бомбардировка, а не хирургический удар. Когда они выполняют свою работу, воспаление раздувает легкие, и мусор наполняет их, как туман.

В конце мая команда тен Овера поделилась своими выводами в еженедельном журнале Cell. В статье они утверждали, что именно этот несбалансированный иммунный ответ приводит к тяжелому течению COVID-19 и иногда вызывает образование сгустков крови, отеков у детей и «цитокиновых штормов» — это симптомы аутоиммунного нарушения. [«цитокиновый шторм» —воспалительная реакция в организме, при которой уровень цитокинов в крови резко возрастает, что приводит к атаке иммунитета на клетки и ткани собственного организма. Следствием этого может стать разрушение тканей и органов, и, как следствие, гибель организма].

Поскольку вирус бесконтрольно распространяется по телу, он тянет за собой деструктивную иммунную реакцию. Люди с COVID-19 сталкиваются с той же проблемой, что и страны во время пандемии: они не могут локализовать небольшие очаги инфекции на раннем этапе, чтобы их мог уничтожить прицельный удар. В конечном итоге иммунитет проводит такие масштабные вмешательства, что это вызывает шок в организме.

Механизмы иммунного ответа, которые рушатся при COVID-19, открывались медленно, с ошибками, как будто сама наука повторяла эволюцию. В некотором смысле существует несколько иммунных систем. В здоровом организме они согласовываются и уравновешивают друг друга. Но машина с таким количеством движущихся частей неизбежно уязвима.

В конце марта 32-летний мужчина голландского происхождения попал в больницу в Нидерландах. Ему было трудно дышать, и компьютерная томография показала, что в его легких распространяется непрозрачная дымка. Мужчине поставили диагноз коронавирусная инфекция, и он провел 16 дней в реанимации. Через четыре дня после того, как его перевели из палаты интенсивной терапии в обычную, он был переведен из I.C.U., у него произошел коллапс легкого [спадение легкого, возникающее при давлении на него содержимого плевральной полости, например, воздуха, экссудата, крови]. Ему понадобилось еще девять дней, чтобы достаточно поправился и отправиться домой. Его 29-летний брат, живший в соседнем доме, заболел примерно в то же время и умер. У их родителей были симптомы средней тяжести.

Исследователи узнали и о другой паре молодых братьев — юноши 21 и 23 лет африканского происхождения тоже перенесли COVID-19 в тяжелой форме. Ученые секвенировали геномы всех четверых мужчин [определили их аминокислотную или нуклеотидную последовательность] и геномы их родителей, чтобы понять, почему молодые мужчины так тяжело заболели COVID-19.

Команда из Нидерландов нашла нечто, что перекликается с теорией тен Оверса о том, что SARS-CoV-2 перестраивает систему сигнализации клеток. У всех четырех мужчин был неэффективный вариант толл-подобного рецептора 7, который распознает вирусную РНК. Когда это работает, TLR7 помогает производить интерфероны, которые говорят соседним клеткам усилить свои противовирусные действия. Когда этого не происходит, сигнал тревоги не включается, и инфекция распространяется. Эта генетическая аномалия значительно облегчила работу вируса – налетчики подошли к незапертому дому.

Весной клинические испытания в Великобритании показали, что у тех пациентов, которые получили интерферон на ранней стадии заражения, вероятность тяжелого течения болезни оказывалась на 75% ниже. Исследователи уверены, что время имеет решающее значение. В первые дни заражения коронавирусом повышение уровня интерферона может помочь вашей врожденной иммунной системе сдерживать вирус. Но позже это может быть вредно, так как к этому времени адаптивная иммунная система может выйти из-под контроля, и пациенту может потребоваться иммунодепрессант, такой как стероид дексаметазон. (В октябре президент Трамп получил дексаметазон во время лечения от COVID-19; ему также дали лекарство, которое содержало лабораторно сконструированные антитела, способные бороться с вирусом одновременно или опережая собственную адаптивную реакцию организма).

Гены TLR7 находятся в Х-хромосоме, связанной с полом. Это может быть частичным объяснением того, почему мужчины чаще страдают от тяжелой формы COVID-19, чем женщины. Но дефицит TLR7, как считают ученые, встречается редко — гораздо реже, чем заболеваемость COVID-19 в тяжелой форме среди молодых людей. Почти наверняка существуют другие генетические факторы или факторы окружающей среды, которые ослабляют реакцию интерферонов. В середине сентября исследование, опубликованное в Science, показало, что у некоторых тяжелых пациентов с COVID-19 были «аутоантитела», атакующие их собственный интерферон. В другой статье, опубликованной в том же номере, описан генетический недостаток, связанный с TLR3, который также участвует в интерфероновом ответе. До 14% тяжелых случаев заболевания COVID-19 могут быть связаны с одним из этих двух состояний. Чем больше исследователей изучают наш иммунный ответ на вирус, тем сложнее он оказывается. По некоторым теориям, течение болезни может зависеть от того, сколько вирусных частиц вы вдохнули и успели ли они добраться до ваших легких. Если вы недавно простудились, возможно, что Т-клетки, выработанные против простуды, помогут и против коронавируса. Уровень витамина D может иметь значение, потому что он помогает контролировать воспаление. Все это все еще исследуется.

Ученые отмечают, что вакцины могут быть не столь эффективны для пожилых пациентов, даже при двойной дозе или после повторных прививок. Прелесть вакцины в том, что она избавляет ученых от задачи полного понимания вируса. Пакет антигенов просто нажимает кнопку включения великой машины иммунитета. При этом для помощи пожилым людям может потребоваться более тонкая настройка под конкретный способ, которым вирус дестабилизирует иммунную систему. То, что пока узнали ученые, — дело не только в том, что старение делает организм слабым, и что коронавирус использует эту слабость. Механизм действия болезни фактически усиливается в стареющем организме.

По этой причине примерно через месяц после начала изучения коронавируса исследователи из лаборатории тен Овера переключились с хорьков на хомяков. Иммунная система хорьков очень отзывчива, и животные слишком быстро поправлялись. «Они больше похожи на детей», — сказал тен Овер. Напротив, у некоторых хомяков при заражении коронавирусом «действительно развивается респираторный дистресс. Мы видим гораздо больше инфильтрации в их легких». У старых хомяков, как и у пожилых людей, врожденный иммунитет с меньшей вероятностью сдерживает вирус, а адаптивный иммунитет медленнее включается и выключается. У хомяка резко нарушается иммунная регуляция. «Разница между этими двумя результатами действительно сводится к тому, что по мере того, как ты становишься старше…— тен Овер сделал паузу.— Стареть — отстой. Все ломается, даже на самых простых уровнях».

С возрастом иммунная система теряет подвижность. «Если мне приходится реагировать на вторжение — бактерия, вирус, травма — ответ становится медленнее и слабее», — объясняет Луиджи Ферруччи, изучающий процесс старения и иммунную систему в Национальном институте старения США. Но при этом система становится хронически активированной. Цитокины циркулируют в крови на постоянном высоком уровне, как будто организм все время реагирует на некоторую атаку, независимо от состояния здоровья.

«Даже у людей, которые абсолютно здоровы, очень хорошо питаются, не болеют и не принимают никаких лекарств, есть некоторые воспалительные маркеры, концентрация которых увеличивается с возрастом», — сказал Ферруччи. Подумайте о рубце, который появляется на ране, а затем представьте тот же процесс — припухлость, покраснение, скопление гноя — медленно пронизывающий все тело. Уровень воспаления влияет на ваш «биологический» возраст, который не всегда идеально совпадает с вашим хронологическим возрастом и увеличивает риск развития сердечно-сосудистых заболеваний, рака и деменции; это способствует тому, что гериатры называют «хрупкостью» (frailty).

Явление, известное как клеточное старение, частично отвечает за усиление воспаления в организме с течением времени. По мере того как клетки стареют и делятся, в их ДНК накапливаются небольшие ошибки. Эти ошибки могут привести к раку и другим болезням. Когда клетки обнаруживают распад в своей ДНК, они прекращают репликацию и начинают выделять цитокины, как будто прося иммунную систему проверить и уничтожить их. Накопление стареющих клеток может способствовать тяжелому развитию COVID-19: согласно нынешней теории, по словам Ферруччи, они могут «чрезвычайно расширить цитокиновый шторм», при котором происходит неконтролируемое воспаление во всем организме.

Адаптивный иммунитет тоже по разным причинам страдает с возрастом. Атрофируется сама вилочковая железа (тимус). Когда вы молоды, у вас короткая история воздействия болезнетворных микроорганизмов, ваша вилочковая железа производит новые Т-клетки с непомерной скоростью. Но с возрастом производство замедляется, и клетки дифференцируются. Некоторые живут бесконечно как «Т-клетки памяти», неся с собой записи о своих побежденных противниках.

Некоторые вирусы используют больше памяти Т-клеток, чем другие. Около 20% репертуара Т-клеток пожилого человека посвящено борьбе с одним вирусом: цитомегаловирусом человека (ЦМВ), штаммом герпеса, который обычно не имеет симптомов. Было бы иронично, если бы ЦМВ в какой-то мере затруднял выживание в связи с COVID-19. В отличие от SARS-CoV-2, который распространяется, не скрываясь, и поэтому причиняет значительный ущерб, ЦМВ — мастер маскировки. При заражении клетки вирус выключает главный комплекс гистосовместимости (ГКГС) этой клетки. Никакие клетки не доставляют доказательств появления инфекции на поверхность тела. Тем не менее, этого недостаточно, чтобы избежать обнаружения. Наша иммунная система изобрела оружие, «естественную клетку-убийцу», которая специально ищет клетки без функционирующих комплексов гистосовместимости. И поэтому ЦМВ эволюционировал, чтобы создать плот-приманку ГКГС, предназначенный для одурачивания естественных убийц.

Как паразит, ЦМВ почти идеально адаптирован к своему хозяину. Он умеет распространяться, не привлекая внимания, и потребляет при этом ресурсы организма. Вилочковая железа — это место, где от этого остается след. Другое дело — научная практика. Многие из рабочих инструментов молекулярных биологов, — включая ферменты, которые использует команда тен Овера для секвенирования РНК, и систему редактирования генома CRISP, возможно, самое важное научное открытие нашего времени, — когда-то были либо оружием, либо защитой в гонке микробных вооружений. Именно там, в горниле жизни и смерти, биологические инновации происходят быстрее всего, оставляя нам технологии для создания нового вида защиты.

В последний раз я разговаривал с тен Овером в конце июля, его команда на тот момент начала поиск способов лечения. В лаборатории BSL-3 Мёллер заражал хомяков. План был дать животным лекарства-кандидаты, секвенируя их РНК на протяжении всего процесса заражения и лечения. Команда изучала закономерности в данных и смогла выяснить, какие лекарства лучше справлялись с перепрограммированием коронавируса. Тен Овер использовал удобный способ визуализации того, что происходило в камерах. Он мог превратить генетический анализ в карту, похожую на чернильное пятно, показывая, какие части своего генома активирует каждая клетка. «Вы можете построить ландшафт, если хотите», — сказал тен Овер. Если коронавирус сместит ландшафт на северо-восток, они будут искать лекарства, которые потянут его на юго-запад. Так они тестировали по четыре кандидата в неделю.

Это был импрессионистический взгляд на иммунную систему. Но система не создавалась для того, чтобы быть понятной. В течение многих лет Роберт Джек, один из авторов «Эволюционных концепций в иммунологии», преподавал курс иммунологии студентам, только начинающим работать над своими докторскими диссертациями. Умные и полные энтузиазма студенты изо всех сил пытались распутать реакции иммунной системы. Джек сказал мне: «Мы склонны смотреть на эти системы и говорить: “Вау, кто бы мог подумать об этом? Это невероятно. Это так здорово. Она делает эту невероятно сложную работу, и делает это очень хорошо!” — Он вздохнул, затем продолжил. — «В то время как на самом деле иммунная система перед лицом атаки патогенов просто колебалась от одной чрезвычайной ситуации к другой. Она просто использует то, что есть поблизости и пытаться выжить еще на какое-то время. Какое бы безумное решение ни придумал иммунитет — пока это работает, это будет использоваться». В результате получается система большой гибкости и мощности, которая, если ее толкнуть в неправильном направлении, может рухнуть сама по себе.

О том, как идут дела в борьбе с пандемией коронавируса, можно почитать по ссылке

Polit.ru