В надежде разработать возможное лечение COVID-19 команда химиков Массачусетского технологического института разработала лекарство-кандидат, который, по их мнению, может блокировать способность коронавирусов проникать в клетки человека. Потенциальный препарат представляет собой короткий фрагмент белка или пептид, имитирующий белок, обнаруженный на поверхности клеток человека.
Исследователи показали, что их новый пептид может связываться с вирусным белком, который коронавирусы используют для проникновения в клетки человека, потенциально обезоруживая его.
"У нас есть ведущее соединение, которое мы действительно хотим изучить, потому что оно действительно взаимодействует с вирусным белком так, как мы предсказывали, поэтому у него есть шанс подавить проникновение вируса в клетку-хозяин," говорит Брэд Пентелут, доцент химии Массачусетского технологического института, возглавляющий исследовательскую группу.
Команда MIT сообщила о своих первоначальных результатах в препринте, размещенном на сервере препринтов bioRxiv 20 марта. Они отправили образцы пептида сотрудникам, которые планируют провести тесты на человеческих клетках.
Молекулярное нацеливание
Лаборатория Pentelute начала работу над этим проектом в начале марта, после того, как исследовательская группа в Китае опубликовала крио-ЭМ структуру шипового белка коронавируса вместе с рецептором клетки человека, с которым он связывается. Коронавирусы, в том числе SARS-CoV-2, который вызывает текущую вспышку COVID-19, имеют много протеиновых шипов, выступающих из их вирусной оболочки.
Исследования SARS-CoV-2 также показали, что определенная область белка-шипа, известная как рецептор-связывающий домен, связывается с рецептором, называемым ангиотензин-превращающим ферментом 2 (ACE2). Этот рецептор находится на поверхности многих клеток человека, в том числе в легких. Рецептор ACE2 также является точкой входа, используемой коронавирусом, вызвавшим вспышку атипичной пневмонии в 2002–2003 годах.
В надежде разработать лекарства, которые могут блокировать проникновение вируса, Генвэй Чжан, постдок в лаборатории Pentelute, выполнил компьютерное моделирование взаимодействий между рецептором ACE2 и рецептор-связывающим доменом шипового белка коронавируса. Это моделирование выявило место, где рецептор-связывающий домен прикрепляется к рецептору ACE2 – отрезку белка ACE2, который образует структуру, называемую альфа-спиралью.
"Такое моделирование может дать нам представление о том, как атомы и биомолекулы взаимодействуют друг с другом и какие части важны для этого взаимодействия," Чжан говорит. "Молекулярная динамика помогает нам сузить определенные области, на которых мы хотим сосредоточиться при разработке терапии."
Затем команда Массачусетского технологического института использовала технологию синтеза пептидов, которую ранее разработала лаборатория Pentelute, чтобы быстро получить пептид из 23 аминокислот с той же последовательностью, что и альфа-спираль рецептора ACE2. Их настольная машина для синтеза пептидов на основе потока может формировать связи между аминокислотами, строительными блоками белков, примерно за 37 секунд, а для генерации полных пептидных молекул, содержащих до 50 аминокислот, требуется меньше часа.
"Мы создали эти платформы для действительно быстрого изменения, поэтому я думаю, что именно поэтому мы находимся на этом этапе прямо сейчас," Pentelute говорит. "Это потому, что у нас есть инструменты, которые мы создали в Массачусетском технологическом институте за долгие годы."
Они также синтезировали более короткую последовательность всего из 12 аминокислот, обнаруженных в альфа-спирали, а затем протестировали оба пептида с помощью оборудования в Центре биофизических инструментов Массачусетского технологического института, которое может измерить, насколько сильно две молекулы связываются друг с другом. Они обнаружили, что более длинный пептид показал сильное связывание с рецептор-связывающим доменом шипового белка COVID-19, в то время как более короткий пептид показал незначительное связывание.
Множество вариантов
Хотя Массачусетский технологический институт сокращает исследования на территории кампуса с середины марта, лаборатории Pentelute было предоставлено специальное разрешение, позволяющее небольшой группе исследователей продолжить работу над этим проектом. Сейчас они разрабатывают около 100 различных вариантов пептида в надежде увеличить его силу связывания и сделать его более стабильным в организме.
"Мы уверены, что точно знаем, где эта молекула взаимодействует, и можем использовать эту информацию для дальнейшего уточнения, чтобы мы могли надеяться получить более высокую аффинность и большую эффективность, чтобы блокировать проникновение вируса в клетки," Pentelute говорит.
Тем временем исследователи уже отправили свой оригинальный 23-аминокислотный пептид в исследовательскую лабораторию Медицинской школы Икана на горе Синай для тестирования на человеческих клетках и, возможно, на животных моделях инфекции COVID-19.
В то время как десятки исследовательских групп по всему миру используют различные подходы для поиска новых методов лечения COVID-19, Пентелут считает, что его лаборатория является одной из немногих, которые в настоящее время работают над пептидными препаратами для этой цели. Одним из преимуществ таких препаратов является то, что их относительно легко производить в больших количествах. Они также имеют большую площадь поверхности, чем низкомолекулярные препараты.
"Пептиды – это более крупные молекулы, поэтому они действительно могут захватить коронавирус и препятствовать проникновению в клетки, тогда как если вы использовали небольшую молекулу, трудно заблокировать всю область, которую использует вирус," Pentelute говорит. "Антитела также имеют большую площадь поверхности, поэтому они также могут оказаться полезными. Просто нужно больше времени на изготовление и открытие."
Одним из недостатков пептидных препаратов является то, что их обычно нельзя принимать перорально, поэтому их придется вводить либо внутривенно, либо вводить под кожу. Их также необходимо будет модифицировать, чтобы они могли оставаться в кровотоке достаточно долго, чтобы быть эффективными, над чем также работает лаборатория Pentelute.
"Трудно предсказать, сколько времени потребуется, чтобы получить что-то, что мы можем протестировать на пациентах, но моя цель – получить что-то в течение нескольких недель. Если окажется, что это будет сложнее, на это могут уйти месяцы," он говорит.