Подписаться
Оглавление

Самособирающиеся пептидные нановолокна в борьбе с туберкулезом

  • 135
  • 0,3
  • 0
  • 0
Добавить в избранное
Обзор

эта и другие иллюстрации Анастасии Смирновой

Статья на конкурс «био/мол/текст»: В последние годы интерес к пептидным нановолокнам сильно возрос из-за возможности их использования для доставки антигена и иммунной активации, а также из-за относительной легкости их синтеза и невоспалительной природы. В этой истории речь пойдет о туберкулезе, о том, как на его возбудителя реагирует организм, и о том, как в борьбе с этим заболеванием можно использовать пептидные нановолокна. Начнем же поскорее!

Конкурс «био/мол/текст»-2018

Эта работа опубликована в номинации «Наглядно о ненаглядном» конкурса «био/мол/текст»-2018.


«Диа-М»

Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.


Genotek

Спонсором приза зрительских симпатий выступил медико-генетический центр Genotek.


«Альпина нон-фикшн»

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

...Вот я пришла,
Живу себе,
Пока дела ты мечешь.
А мне вот в твоих легких,
Считаю, жить полегче.

Отрывок из стихотворения А. Матвиенко

Привет, бацилла!

Знакомьтесь, на картинке выше — бактерия Mycobacterium tuberculosis, и она, также как и вы, хочет лишь выжить этой холодной дождливой осенью. Вообще, если быть честным, то хочет она не только выжить, но и размножиться, как и всякий уважающий себя живой организм. И вот тут-то начинается самое интересное, ведь для размножения ей нужны вы. На самом деле, различные микобактерии встречаются в более чем 120 видах различных позвоночных и беспозвоночных животных [1], но для Mycobacterium tuberculosis вы вполне подходите в качестве уютного домика с отличными условиями для размножения. Однако у большинства людей это существо вызывает не симпатию или сочувствие, а инфекционное заболевание, от которого человечество страдает и по сей день, — туберкулез. Человеку же тоже надо жить, размножаться или новые планеты исследовать, например. А когда вы больны туберкулезом, заниматься подобными вещами может оказаться крайне затруднительно. M. tuberculosis поражает не только легкие, распространяясь с капельками в воздухе, но и другие органы и ткани: заражена может быть даже центральная нервная система. Хотя это верно далеко не всегда, ведь многие люди являются носителями инфекции и не подозревают о скрытой угрозе, которая может никогда и не заявить о себе .

О тестах на туберкулез читайте в статье «Найти и заменить: существует ли альтернатива пробе Манту» [2]. — Ред.

Когда туберкулезные палочки попадают в организм человека, им нужно сначала преодолеть барьер слизистой оболочки. Если это удается, они начинают свой путь по лимфатической системе, задерживаясь в тканях с наибольшим количеством мелких сосудов, в том числе и в легких. Там через какое-то время их начинают «поедать» специальные клетки врожденного иммунитета — макрофаги (это процесс называется фагоцитозом). Но хитрым микобактериям только этого и надо. В макрофагах очень удобно заниматься бинарным делением, никто на тебя не смотрит и не мешает. Постепенно макрофаг погибает, микробы выходят на волю, заражают новых макрофагов, и все повторяется. Как же в таком случае беззащитным клеткам справиться с коварными микобактериями и помочь всему организму?

На помощь приходят дендритные клетки . Их основная функция — доносить другим клеткам — Т-лимфоцитам (Т-клеткам), — что в организм, между прочим, пробрался враг, и неплохо бы что-то предпринять. На самом деле в организме целое множество разнообразных групп Т-лимфоцитов, выполняющих различные функции . Итогом взаимодействия дендритной клетки и Т-лимфоцита может явиться целый спектр различных процессов, в результате которых должен произойти иммунный ответ с последующим уничтожением патогенных организмов.

Об открытии дендритных клеток и их роли в активации адаптивного иммунитета можно почитать на «Элементах» [3].

Подробнее о разнообразии Т-клеток рассказано в статье «Анализ индивидуальных репертуаров Т-клеточных рецепторов» [4].

Дендритные клетки узнают свою жертву по молекулам на поверхности бактерии. А чтобы передать Т-клеткам информацию о том, что произошло заражение, дендритной клетке необходимо самой разобраться, что это за гость, и для этого фагоцитировать патогенную бактерию.

Далее патоген расщепляется до небольших белковых последовательностей (такая обработка называется процессингом антигена), часть из которых доставляется на поверхность клетки и предъявляется (презентируется) Т-лимфоциту.

Дальше, если повезет, Т-клетка сможет распознать часть этих последовательностей (антигенов). И тогда может начаться подготовка к борьбе с бактериями-захватчиками, которая заключается в созревании и усиленном делении Т-лимфоцитов, что в дальнейшем и должно привести к адекватному иммунному ответу.

Поможем дендритным клеткам?

«Причем здесь человек, как же он может помочь своим клеткам в борьбе с инфекцией?» — спросите вы. Оказывается, может. Совсем недавно, в августе 2018 года, в журнале Nature было опубликовано исследование [5], в котором описывалось, как можно значительно улучшить используемую сейчас вакцину от туберкулеза БЦЖ (бациллу Кальметта—Герена) .

Подробнее о туберкулезе и истории борьбы с ним — «Болезнь, не думавшая сдаваться» [6].

К классической вакцине от туберкулеза достаточно добавить самособирающиеся пептидные нановолокна (self-assembling peptide nanofibers), которые вступают в игру на этапах, где требуется предъявить части бактерий иммунным клеткам [7].

Самособирающиеся пептиды (self-assembling peptides) — это категория пептидов, которые могут спонтанно организовываться в упорядоченные структуры.

Сами по себе нановолокна не уничтожают бактерий, а являются службой доставки различных «волшебных частичек», помогающих в этом процессе. Ученые смогли присоединить к нановолокнам несколько молекул, которые поэтапно помогают вызывать очень сильный иммунный ответ.

Итак, вот из чего состоит набор молекул, присоединенных к нановолокнам:

  1. «Извещение» — подтверждение того, что именно дендритной клетке отправлен груз. Это искусственно синтезированные последовательности (агонисты) для дендритной клетки, чтобы она, узнав их, «проглотила» всю конструкцию.
  2. «Инструкция по применению» — чёткие указания, как именно распаковывать груз. Особая последовательность, позволяющая дендритной клетке легко расщепить конструкцию на маленькие кусочки.
  3. «Груз» — искусственно синтезированные антигены микобактерий для предъявления их Т-лимфоцитам.

Вся эта конструкция, смешанная с вакциной БЦЖ, вводится в виде аэрозоля через нос. Слизистые оболочки — основная зона контакта с патогеном, пришедшим извне. Важно обеспечить взаимодействие нановолокон именно с легочными иммунными клетками, находящимися в легких постоянно .

О путешествиях различных клеток по организму можно прочитать в статье «Т-лимфоциты: путешественники и домоседы» [8].

Но что же случится после того, как дендритная клетка «проглотит» нановолокна вместе с бактериями в составе вакцины? Произойдет развитие классического иммунного ответа: презентация антигена и активация макрофагов . Активированный макрофаг, во-первых, обезвреживает патогена внутри себя (с помощью воздействия оксидом азота NO и его производными), а, во-вторых, посылает сигналы, способствующие активации других иммунных клеток.

Об иммунном ответе рассказывают «Элементы» [3] и «Биомолекула» [9].

Важно понимать, что белковые нановолокна не могут моментально избавить от инфекции зараженный туберкулезом организм. Речь идет, в первую очередь, именно о вакцинации, хотя в исследовании представлены также данные о том, что вакцина с нановолокнами приводит к уменьшению количества бактерий и в уже зараженных тканях.

Описанный метод борьбы с туберкулезом дает достоверно более сильный иммунный ответ, если сравнивать с классической вакциной БЦЖ. В классической вакцине содержится ослабленный патоген, и на развитие специфического иммунного ответа требуются недели. Кроме того, имеется ряд ограничений в применении этой вакцины: защитный эффект ослабевает с возрастом, кроме того, нельзя прививать людей с ослабленным иммунитетом и латентной туберкулезной инфекцией.

Нановолокна доставляются дендритным клеткам, то есть улучшение и ускорение развития иммунного ответа происходит на этапе подготовки к презентации антигена. Получается, это уже не просто «тренировка и обучение иммунных клеток решению проблемы», как в случае с БЦЖ, а сразу «готовое решение проблемы». Поэтому описанная выше смесь нановолокон и БЦЖ не имеет ограничений для сниженного иммунитета, а также может применяться в случаях латентной инфекции, так как вызываемый ею иммунный ответ достаточно сильный.

Исследование проводилось на модельных мышах. Впереди у ученых еще немало работы — возможно, другие комбинации молекул окажутся еще более эффективными. Перед использованием препарата также требуются клинические испытания, поэтому может пройти еще не один год, прежде чем такая усовершенствованная вакцина появится на рынке лекарственных препаратов.

Безусловно, это шаг вперед в борьбе с туберкулезом. Кроме того, самособирающиеся пептидные нановолокна дают многообещающие результаты не только в борьбе с Mycobacterium tuberculosis, но и с вирусом простого герпеса (Herpes Simplex Virus) [10], вирусом лихорадки Западного Нила [11], раковыми опухолями [12] и даже с кокаиновой зависимостью [13]. «Медицина слагается из науки и искусства, и над ними простирается чудесный покров героизма», — сказал Г. Глязер. Человек уже не бессилен в процессах, происходящих на клеточном и молекулярном уровнях, и всё ближе к победе в борьбе с самыми страшными болезнями мира!

Литература

  1. Ощепков В.Г., Бордюг В.Ф., Кощеев Н.Н., Панкратова А.Д., Гардер А.Г. (2012). О роли диких, синантропных и мелких домашних животных в резервации и распространении микобактерий туберкулеза. «Достижения науки и техники АПК». 2, 74–76;
  2. Найти и заменить: существует ли альтернатива пробе Манту;
  3. Элементы: «Первая линия обороны»;
  4. Анализ индивидуальных репертуаров Т-клеточных рецепторов;
  5. Charles B. Chesson, Matthew Huante, Rebecca J. Nusbaum, Aida G. Walker, Tara M. Clover, et. al.. (2018). Nanoscale Peptide Self-assemblies Boost BCG-primed Cellular Immunity Against Mycobacterium tuberculosis. Sci Rep. 8;
  6. Болезнь, не думавшая сдаваться;
  7. J. S. Rudra, Y. F. Tian, J. P. Jung, J. H. Collier. (2010). A self-assembling peptide acting as an immune adjuvant. Proceedings of the National Academy of Sciences. 107, 622-627;
  8. Т-лимфоциты: путешественники и домоседы;
  9. Иммунитет: борьба с чужими и… своими;
  10. Jai S. Rudra, Brianne N. Banasik, Gregg N. Milligan. (2018). A combined carrier-adjuvant system of peptide nanofibers and toll-like receptor agonists potentiates robust CD8+ T cell responses. Vaccine. 36, 438-441;
  11. Brian M. Friedrich, David W.C. Beasley, Jai S. Rudra. (2016). Supramolecular peptide hydrogel adjuvanted subunit vaccine elicits protective antibody responses against West Nile virus. Vaccine. 34, 5479-5482;
  12. Zhi-Hua Huang, Lei Shi, Jing-Wen Ma, Zhan-Yi Sun, Hui Cai, et. al.. (2012). a Totally Synthetic, Self-Assembling, Adjuvant-Free MUC1 Glycopeptide Vaccine for Cancer Therapy. J. Am. Chem. Soc.. 134, 8730-8733;
  13. Jai S. Rudra, Ye Ding, Harshini Neelakantan, Chunyong Ding, Rajagopal Appavu, et. al.. (2016). Suppression of Cocaine-Evoked Hyperactivity by Self-Adjuvanting and Multivalent Peptide Nanofiber Vaccines. ACS Chem. Neurosci.. 7, 546-552.

Комментарии