HIV uzlaušana

2008. gada maija pēcpusdienā Brūss Vokers un Terijs Ragons '71 apmeklēja MIT darbā pieņemšanas vizītē. Vokers ir Hārvardas Medicīnas skolas ārsts, kurš trīs gadu desmitus ir pētījis HIV; Ragons, programmatūras uzņēmuma InterSystems dibinātājs un izpilddirektors, grasījās izveidot jaunu 100 miljonu dolāru vērtu pētniecības institūtu, lai izstrādātu HIV vakcīnas ar Vokeru priekšgalā.

Brūss Vokers (pa kreisi) un Terijs Ragons '71 vada Ragonas institūtu, lai izstrādātu vakcīnu HIV profilaksei.

Apmēram 20 MIT mācībspēku ieradās, lai uzklausītu Volkera un Ragona prezentāciju, lai saņemtu palīdzību viņu projektā. Viens no tiem bija Ārups Čakrabortijs, ķīmiskās inženierijas profesors, kuru ieinteresēja tā sauktā Ragon institūta misija. Viņš bija strādājis imunoloģijā gandrīz desmit gadus, taču viņš nekad nebija iedziļinājies HIV izpētē, kas bija salu joma. Turklāt es nezināju, ko es varētu dot, Čakrabortijs atceras.

Pēc vairākām prāta vētras sesijām Vokers domāja, ka Čakrabortijs varētu tikt skaidrībā ar kaut ko, kas bija satraucis HIV pētniekus: cilvēki, kuru imūnsistēma dabiski spēj cīnīties pret HIV infekciju, arī ir pakļauti autoimūnām slimībām. Diez vai šī parādība ir tikai nejaušība. Iespējams, Čakrabortijs, kurš izmanto skaitļošanas modeļus, lai pētītu, kā imūnsistēmas šūnas atšķir svešus iebrucējus un paša ķermeņa šūnas, varētu noskaidrot saistību.

Apmēram gadu vēlāk Čakrabortijs publicēja savu pirmo rakstu par HIV, kurā galvenā uzmanība tika pievērsta imūnsistēmas aģentiem, kas pazīstami kā T šūnas. Viņš atklāja, ka dažiem cilvēkiem ķermeņa process T šūnu atdalīšanai, kas varētu uzbrukt veselām šūnām, nav pilnībā efektīvs. Taču T šūnas, kas izvairās no šī procesa, ir īpaši efektīvas cīņā pret HIV.

Man tas ir lielisks piemērs tam, kas nekad nebūtu noticis bez kopienas, kas tika izveidota ar Ragon Institute, saka Vokers.

Masačūsetsas Vispārējās slimnīcas, MIT un Hārvardas Filipa T. un Sjūzenas M. Ragonas institūta misija ir dot zinātniekiem, inženieriem un ārstiem brīvas iespējas cīnīties ar HIV. Kopš tās atvēršanas 2009. gadā pētnieki no trim iestādēm ir strādājuši kopā un ar citiem pētniekiem visā pasaulē, lai risinātu problēmu no visiem leņķiem.

No paša sākuma Vokers vēlējās sadarboties ar pētniekiem ārpus parastās virusoloģijas un imunoloģijas jomas, jo viņš neuzskatīja, ka tradicionālie finansēšanas kanāli atbalsta pietiekami daudz jaunu pētījumu. Es bieži satikos ar cilvēkiem un runāju par iespējamu sadarbību ar kādu ārpus HIV jomas, un tā šķitīs lieliska ideja, taču tā nekur nenonāca, jo mēs nekad nevarējām to finansēt, viņš saka. Mēs vēlējāmies sapulcināt cilvēkus un patiešām licencēt viņus strādāt pie šīs problēmas un novērtēt panākumus nevis pēc publicētajiem dokumentiem, bet gan ar uzbrukumu mērķim.

Šai pieejai būs daudz plašākas ietekmes uz HIV izpēti, saka Čakrabortijs, tagad MIT Medicīnas inženierzinātņu un zinātņu institūta (IMES) direktors, starpdisciplinārs centrs, kas tika atvērts pagājušajā vasarā (skatīt sānjoslu zemāk). Viņš saka, ka visā pasaulē, it īpaši šajā valstī, tiek runāts par šāda veida darba iegūšanu atbalstīto disciplīnu saskarnē. Bet personīgi es nezinu citu piemēru, kur pamata zinātnieki un klīnicisti būtu strādājuši tādā sinerģijā kā Ragon Institute.

Vīrusa vājo vietu noteikšana
Pretretrovīrusu zāles ir bijušas tik efektīvas AIDS ārstēšanā, ka Amerikas Savienotajās Valstīs par to ir jūtama pašapmierinātība, saka Vokers. Problēma ir tā, ka zāles ir jālieto ļoti uzticami, lai neveidotos rezistence. Vēl viena lielāka problēma ir tā, ka pārējā pasaulē ir ierobežoti resursi un ierobežoti pieejamie medikamenti. Saskaņā ar Apvienoto Nāciju Organizācijas HIV/AIDS programmu 2011. gadā mazāk nekā 25 procentiem HIV inficēto cilvēku visā pasaulē bija pieejamas zāles.

Ņemot vērā šos faktus, Vokers uzskata, ka vienīgais veids, kā izskaust HIV, ir izstrādāt efektīvu vakcīnu. Taču HIV ir nenotverams mērķis: tas mutē daudz ātrāk nekā vairums vīrusu — pat gripa, pret kuru vakcīnas katru gadu ir jāpārveido.

Vakcīnas, kas izraisa imūnreakciju pret kādu no HIV olbaltumvielām, strauji kļūst nederīgas, olbaltumvielām attīstoties. Tomēr dažas aminoskābes, kas veido HIV proteīnus, paliek nemainīgas gandrīz visos celmos, kas liecina, ka tās ir būtiskas vīrusa izdzīvošanai. Pēdējos gados vakcīnu izstrādātāji ir mēģinājuši mērķēt uz šīm aminoskābēm. Taču viņiem ir bijuši ierobežoti panākumi, jo aminoskābju aizstāšana citur proteīnā var palīdzēt pārvarēt vakcīnas ietekmi.

Tāpēc Čakrabortijs meklēja aminoskābju grupas HIV proteīnos, kas attīstās kopā, neatkarīgi no citām grupām. Vakcīnas, kuru mērķis ir šīs aminoskābes, teorētiski varētu nogriezt vīrusa evolūcijas evakuācijas ceļu. 2011. gadā, strādājot ar DNS sekvences datiem no daudziem vīrusa celmiem, Čakrabortijs un Vokers izmantoja nejaušās matricas teoriju (izstrādāta 1950. gados, lai pētītu augstas enerģijas fiziku), lai identificētu vairākas šādas grupas, tostarp īpaši neaizsargātu grupu apvalkā, kas ieskauj vīrusu. vīrusa ģenētiskais materiāls. Viņi arī atklāja, ka T šūnas pacientiem, kuri paši cīnās ar HIV, nesamērīgi ir vērsti pret pētījumā identificētajām aminoskābēm. HIV celmi ar vairākām mutācijām šajās aminoskābēs ir reti sastopami, kas liecina, ka šiem celmiem ir grūti izdzīvot.

IMES direktors Arups Čakrabortijs veido fitnesa ainavas, identificējot proteīnu sekvences, kas vājina HIV.

Pamatojoties uz šo pētījumu, Chakraborty komanda izmanto skaitļošanas modeli, kas paredz, cik labi vīrusi, kas satur dažādas olbaltumvielu variācijas, var izdzīvot un vairoties. Aminoskābju secībā, kas veido proteīnu, ir 20 veidi, kā aizpildīt katru slotu. Viņi analizēja tūkstošiem HIV celmu, lai aprēķinātu, cik daudz aminoskābju variāciju notiek katrā no aptuveni 500 spraugām olbaltumvielās, kuras viņi pētīja, un cik bieži tiek novērota kāda noteikta secība. Viņi parādīja, ka jo izplatītāka ir secība, jo vairāk tai ir jāveicina vīrusa piemērotība. Izmantojot šos datus, viņi ģenerēja fitnesa ainavas, kurās proteīnu sekvences, kas stiprina vīrusu, parādās kā pauguri, bet tās, kas to vājina, ir ielejas. Šīs zināšanas var palīdzēt izstrādāt īsas olbaltumvielu sekvences, kas, ja tās tiek piegādātas kā vakcīnas, varētu padarīt vīrusu mazāk piemērotu.

Tas var palīdzēt zinātniekiem izstrādāt vakcīnas ne tikai pret HIV, bet arī pret citiem vīrusiem, kas bieži mutē. Ja tas saglabājas, tas ir aizraujoši, jo divas tehnoloģijas, kas nepieciešamas, lai iegūtu vīrusu fitnesa ainavas, ir sekvencēšana un aprēķināšana, saka Čakrabortijs. Abu šo tehnoloģiju cenas ļoti strauji samazinās.

Vienšūnu uzraudzība
Spēja cīnīties ar HIV bez narkotikām ir reta, un tā parādās apmēram vienam no 300 inficētajiem. Uzzinot vairāk par šiem elites kontrolieriem, Ragon Institute pētnieki cer ražot vakcīnas, kas atdarina viņu panākumus. Lai to izdarītu, zinātniekiem ir nepieciešams veids, kā izmērīt, kā atsevišķas imūnās šūnas reaģē uz HIV inficētām šūnām, kas vēl pirms dažiem gadiem nebija iespējams.

Cits MIT ķīmijas inženieris, kurš piedalījās sākotnējā sanāksmē ar Walker un Ragon, Christopher Love, nesen bija izstrādājis veidu, kā izpētīt, kā imūnās šūnas reaģē uz vakcīnām, pārtikas alergēniem vai infekcijas izraisītājiem. Viņš un Vokers saprata, ka šī tehnoloģija varētu būt tieši tas, kas nepieciešams, lai salīdzinātu imūnās atbildes reakcijas no HIV inficētiem cilvēkiem, kuri pretojās AIDS, un tiem, kuri saslima.

Ar Love’s sistēmu atsevišķas imūnās šūnas tiek ievietotas tūkstošiem mikroskopisku iedobju uz mīkstas gumijas virsmas. Izdalījumi no katras šūnas izkliedējas uz priekšmetstikliņa, kas novietots uz augšu, un pēc tam tiek pārbaudīts, vai tajā nav specifisku proteīnu, piemēram, iekaisumu izraisošu citokīnu. Jebkuras atklātās olbaltumvielas var izsekot līdz šūnai pēc tās adreses slaidā. Šis process ģenerē milzīgu datu apjomu. Tagad jūs varat veikt mērījumus 10 000 šūnās un ģenerēt 20 līdz 30 datu parametrus katrā šūnā, saka Love.

2011. gada pētījumā Love un viņa kolēģi analizēja T šūnas no HIV inficētiem pacientiem, lai noteiktu, vai, kā liecina iepriekšējie pētījumi, augsts citokīna līmenis, ko sauc par gamma interferonu, varētu būt saistīts ar spēju nogalināt HIV inficētās šūnas. Gluži pretēji, viņi atklāja, ka T šūnas, kas izdala gamma interferonu, tikai retos gadījumos iznīcina HIV inficētās šūnas.

Mīlestība tagad cer atrast biomarķierus, kas atklāj, kuras T šūnas efektīvi vēršas pret HIV. Viņš arī pēta antivielu atbildes reakciju uz HIV imūnās šūnās no gļotādas audiem, kas pārklāj resnās zarnas un reproduktīvo traktu. Apmēram puse cilvēka imūno šūnu atrodas gļotādas audos, kur notiek lielākā daļa HIV infekciju, taču lielākā daļa imunoloģisko pētījumu tiek veikti ar asins šūnām, tāpēc maz ir zināms par gļotādas šūnu darbību.

Loves šūnu analīzes sistēma varētu ļaut pētniekiem izsekot pacientu progresam klīnisko vakcīnu izmēģinājumu laikā. Šajā nolūkā viņš un kolēģi cenšas palielināt tā jaudu no diviem ikdienas paraugu komplektiem (no kuriem katrs satur 1000 līdz 100 000 šūnu) līdz simtiem vai tūkstošiem komplektu. Viņi arī strādā pie programmatūras, lai palīdzētu analizēt no katra parauga iegūto datu gigabaitus.

Vokers priecājas, ka inženieri strādā pie veselības problēmām. Viņš saka, ka ir veidi, kā mēs kā klīnicisti domājam par zinātniskām problēmām, kuras var ierobežot. Mēs domājam par to, kādi rīki mums ir un kādus jautājumus mēs varam uzdot ar šiem rīkiem, savukārt inženieri saka: “Kādu jautājumu vēlaties uzdot? Izveidosim rīku.

Padarot vakcīnas jaudīgākas
Pēdējo 30 gadu laikā pētnieki liela mēroga klīniskos pētījumos ir ieviesuši trīs HIV vakcīnas shēmas. Divi izrādījās neefektīvi, bet viens aizsargāja nelielu, bet ievērojamu priekšmetu daļu. Tas sniedz cerību, ka vakcīna ir iespējama, saka Ragon Institute loceklis Darels Irvins, bioloģiskās inženierijas un materiālu zinātnes un inženierzinātņu profesors.

Lielākajā daļā vakcīnu pret tādām slimībām kā vējbakas un gripa kā antigēnus izmanto novājinātas vīrusa formas vai vielas, kas provocē imūnreakciju. Tā kā tas tiek uzskatīts par pārāk bīstamu HIV, daži pētnieki izgatavo vakcīnas no viena no tā olbaltumvielām. Citi injicē ģenētiski modificētu DNS šūnās, kur tā var vadīt vīrusu proteīnu ražošanu. DNS vakcīnas pirmo reizi tika pārbaudītas apmēram pirms 20 gadiem, un tika konstatēts, ka grauzējiem tās izraisa spēcīgu imūnreakciju. Ja tās ir veiksmīgas cilvēkiem, tās varētu būt drošākas par parastajām vakcīnām un varētu tikt uzglabātas ilgāk. Šīs vakcīnas būtu arī vieglāk izstrādāt jaunām slimībām un ražot plašā mērogā, jo pētnieki vienkārši ieprogrammētu DNS, lai iegūtu vēlamo proteīnu.

DNS vai proteīnu injicēšana atsevišķi ne vienmēr rada pietiekami spēcīgu imūnreakciju, tāpēc Irvine pēta divas citas stratēģijas: pievieno adjuvantu, molekulu, kas palīdz stimulēt imūnsistēmu, un nogādā antigēnu tieši mērķa imūnās šūnās.

Šī gada sākumā Irvine un kolēģi izstrādāja veidu, kā iegult DNS polimēra plēvē. Mikroadatas nogādā plēvi apmēram pusmilimetru zem ādas — pietiekami dziļi, lai sasniegtu imūnās šūnas, kas apstrādā infekciozos iebrucējus epidermā, bet ne pietiekami dziļi, lai trāpītu nervu galiem. Plēves slāņi pakāpeniski noārdās, atbrīvojot vakcīnu dienu vai nedēļu laikā. Filma satur arī adjuvantu, kas izraisa iekaisumu mērķa audos, piesaistot imūnās šūnas, lai tās varētu saskarties ar DNS kodētu vīrusa proteīnu.

Pētījumos ar pelēm šī tehnika parādīja daudzsološu spēju izraisīt imūnreakciju. Pārbaudot pērtiķu ādas paraugus, pētnieki atklāja, ka plēvju pārnestā DNS daudz vieglāk nokļuva ādas šūnās un, šķiet, saglabājās ilgāk, nekā DNS, kas injicēta viena pati. Tagad viņi cer veikt izmēģinājumus ar primātiem, kas nav cilvēkveidīgie primāti.

[HIV] ir sarežģīta problēma, bet es domāju, ka tā ir atrisināma problēma, un es domāju, ka mums ir pienākums nodrošināt [tai] visus mūsu rīcībā esošos rīkus, saka Vokers. Jautājums ir par to, cik daudz resursu mums ir jāiegulda, un cik ātri mēs kā zinātnieku kopiena varam to sasniegt finiša taisnē?

Intelektuālais medicīnas inženierijas centrs
MIT jaunais institūts apvieno zinātniekus, inženierus un klīnicistus

1970. gadā MIT un Hārvarda izveidoja Hārvarda-MIT Veselības zinātņu un tehnoloģiju nodaļu (HST), apvienojot ārstus, zinātniekus un inženierus, lai pārveidotu medicīnas mācīšanas un praktizēšanas veidu. Tagad MIT ir paplašinājis šo misiju, saliekot HST par jaunu Medicīnas inženierijas un zinātnes institūtu (IMES).

Arups Čakrabortijs, ķīmijas inženierijas profesors, kurš vada IMES, saka, ka tas ir paredzēts kā intelektuāls centrs, kas labāk integrēs HST ar pārējo MIT un apvienos atšķirīgos centienus jomās, kas veicina medicīnu. Tas būs pionieris jaunām absolventu līmeņa mācību programmām, piedāvājot sertifikātus un, iespējams, grādu programmas.

IMES tagad ir 13 galvenie mācībspēki — 12 no HST un Chakraborty. Tas pieņems darbā vēl astoņus, un visi vienlīdzīgi sadalīs savu laiku starp IMES un citu MIT nodaļu, lai izveidotu savienojumus visā universitātes pilsētiņā. IMES ir arī mājvieta MIT Medicīnas elektronisko ierīču realizācijas centram, kas nesen tika izveidots, lai apvienotu MIT mācībspēkus, ārstus un nozares pārstāvjus, lai izstrādātu labākas, lētākas medicīnas ierīces.

Turklāt IMES plāno sadarboties ar Bostonas apgabala slimnīcām stratēģiskās partnerībās, kuras var veidot pēc Ragon institūta un tilta programmas, kas savieno MIT pētniekus Koha institūtā ar ārstiem Dana-Farber Cancer Institute.

Ja attīstīsies stratēģiskās partnerattiecības ar apgabala slimnīcām, tad tās tiks balstītas uz šo Ragon institūta sniegto koncepcijas pierādījumu, saka Čakrabortijs. — AT

paslēpties