Охота на вирус папилломы

С. М. Андреев,
кандидат химических наук, ГНЦ Институт иммунологии ФМБА России
«Химия и жизнь» № 12-2008 (опубликовано на сайте «Элементы»)

Как охотники готовятся к охоте – изучают следы, устанавливают кормушки, размещают загонщиков, ставят стрелков на линию огня, выпускают собак – так же и иммунологи, чтобы избавить организм от вируса, поэтапно готовят и направляют процесс активации иммунной системы. Первое действие – определить мишень.

Мишень – белок вируса

Вирус папилломы, попав в клетки кожи, проявляет себя как двуликий Янус. Его геном может находиться в двух формах: или встроиться в хромосому клетки, или существовать в виде свободной молекулы – ДНК-эписомы. Если он встроился в клеточную хромосому, то при наличии предрасполагающих факторов происходит реализация программы его генома и вирус начинает размножаться. Пораженный участок превращается в папиллому, или бородавку. Причем порой это случается не на руке или ноге, а на слизистой оболочке в самых интимных местах человеческого тела. И если вирус принадлежит к особому подтипу, то лет через десять пораженные клетки, возможно, трансформируются в раковую опухоль.

Для своей успешной жизни вирус должен заставить клетку синтезировать несколько полезных ему белков. В частности, вирусу папилломы нужен белок L1, который идет на строительство оболочки новых вирусных частиц, а также белки Е6 и Е7 – они делают зараженную клетку бессмертной, это онкогенные белки.

Бороться с вирусом можно несколькими принципиально разными способами. Первый – запретить ему связываться с клетками-мишенями, второй – не дать ему в них размножаться, третий – уничтожать больные клетки вместе с вирусом. Поскольку в случае с вирусом папилломы больные клетки не содержат его в традиционном понимании – ведь после попадания в клетку от него остается одна ДНК, которая и задает синтез тех самых опасных белков, – запретить размножение нельзя. Поэтому в руках медиков остаются первый и третий способы, то есть профилактическая вакцина и терапевтическая. Недавно появился еще один – применение коротких, так называемых молчащих РНК, которые принуждают замолкнуть вирусные гены. Но движение по этому пути еще в самом начале.

Ситуация осложняется тем, что у каждого вида млекопитающих имеются свои вирусы папилломы, которые не живут в тканях других видов, а в культуре клеток вирус человека размножается чрезвычайно неохотно. В результате поиск вакцины приходится вести на мышах, а потом надеяться, что эти результаты удастся воспроизвести при испытаниях с участием добровольцев.

Большим успехом в борьбе с вирусом папилломы оказалось открытие в 1991 году интересного феномена, сделанное Чжоу Цзянем и Яном Фрэйзером, работавшими в брисбенском госпитале им. принцессы Александры, Австралия (Яна Фрэйзера в ноябре 2008 года наградили за эту работу итало-швейцарской премией фонда Бальцана в размере 1 млн швейцарских франков. – Примеч. ред.). Они обнаружили, что белки L1 самопроизвольно собираются в вирусоподобные частицы (ВПЧ) даже если внутри них нет никакого генетического материала. Такие белки очень просто и в больших количествах можно синтезировать с помощью дрожжей, встроив в них нужный ген. Из дрожжей они выходят уже в виде готовых частиц, причем их иммунногенные свойства такие же, как и у настоящего вируса. Если ВПЧ ввести в организм, то в нем начнут вырабатываться защитные антитела. Во многих экспериментах такая защита доказала свою надежность, и спустя одиннадцать лет после открытия большой эксперимент с участием 1533 добровольцев показал, что подобная вакцина от вируса папилломы человека подтипа 16 (HPV16), во-первых, вполне безопасна, а во-вторых, обеспечивает полную защиту организма. Этот результат важен еще потому, что именно на подтипы 16 вместе с 18, 31 и 45 приходится 80% всех случаев опухолевого перерождения пораженной вирусом ткани, прежде всего рака шейки матки. За оставшиеся 20% ответственны еще 13 разновидностей этого вируса. За шесть лет, прошедшие с начала эксперимента с участием добровольцев, действие вакцины не ослабло – ни одного случая заражения вирусом среди них зафиксировано не было.

В 2006 году компания «Merck» первой получила разрешение на продажу на территории США и Европы профилактической вакцины «Gardasil», которая защищает от папилломавирусной инфекции подтипов 6, 11, 16, и 18. Вакцинацию врачи рекомендуют проводить девочкам в возрасте от 9 до 26 лет. В 2007 году компания «GlaxoSmithKline» получила разрешение на вакцину «Cervarix», которая защищает от 16 и 18 подтипов вируса папилломы.

Пептидные пули

Однако это все – профилактические вакцины, причем пока неизвестно, сколь быстро иммунная система забудет о той информации, которую она получила в момент прививки. Поэтому огромный интерес вызывает терапевтическая вакцина, которая уничтожает уже зараженные клетки.

Для ее создания иммунологи надеются использовать столь яркий след вируса, как те самые два белка, Е6 и Е7. Они обязательно должны быть на поверхности заболевших клеток, и, стало быть, задача состоит в том, чтобы научить клетки-киллеры находить эти следы.

Многие лаборатории в мире соревнуются на этом поприще, ведь цена победы очень велика. Для возбуждения иммунного ответа применяют и сами Е-белки, и их пептидные фрагменты (Т-эпитопы), и химерные конструкции из Е- и L-белков. (Напомним, что вещества, которые возбуждают иммунный ответ, называются антигенами.) Для усиления ответа в вакцину добавляют цитокины, белки теплового шока и другие стимулирующие элементы.

Непременный компонент вакцины – вектор, который обеспечивают доставку антигенов – Е-белков или их пептидных фрагментов – в специальные клетки иммунной системы (макрофаги, дендритные клетки), после чего те начинают вырабатывать особые белки цитокины и давать инструкции клеткам-киллерам, что им, собственно, надо уничтожать. Векторами для антигенов папилломавируса в разных опытах служили вирус осповакцины, аденовирус, альфавирус, бактерии. Надо отметить, что дендритные клетки – самые активные партнеры для возбуждения сильного иммунного ответа, поэтому желательно, чтобы антигены попадали именно в них.

Вот почему большое внимание уделяют химерным конструкциям на основе белков теплового шока, то есть содержащим и Е-белок, и белок-усилитель иммунного ответа. Белок теплового шока имеет сродство к дендритным клеткам. Именно таким методом в модельных экспериментах удалось уже при однократной иммунизации зафиксировать уменьшение размера опухоли. Сейчас несколько кандидатов в терапевтические вакцины находятся на различных проверочных стадиях, но в отличие от профилактических вакцин пока ни одна из них не дала приемлемой эффективности. Возникает мысль, что успеха можно достичь, совершенствуя все части вакцины: пептидные фрагменты, которые наиболее правильно повторяют Т-эпитопы Е-белка, вектор для направленной доставки вакцины в дендритную клетку, стимулятор иммунного ответа, а также носитель вакцины, на котором все это держится.

Работу по реализации программы «Комбинированная вакцина к HPV 16, 18 и 31», которую под руководством академика РАМН М. Р. Хаитова вели коллективы двух институтов – Института иммунологии и ГОСНИИГенетики, мы начали с компьютерных расчетов. Чтобы проводить такое исследование, надо иметь хорошие инструменты – набор специфических антител к различным типам вируса, референс-препараты (вирусные белки), чтобы было с чем сравнивать получаемые продукты. В России ничего из этого купить было нельзя, и даже в США невозможно было купить антитела к некоторым L1-белкам – ни одна фирма их не делала для продажи. И здесь нам здорово помог профессор Нейл Кристенсен из Медицинского центра Милтон Херши в Пенсильвании, предоставив микрообразцы некоторых рекомбинантых белков и моноклонов. Но многое пришлось синтезировать самим, в том числе антитела к белкам L1 и Е7 трех типов и к различным их участкам, которые рассчитывались по компьютерным алгоритмам. Все пептиды синтезировали химическим путем твердофазным методом, их было около 20 штук. Такие пептиды для организма безопасны, и синтезировать их несложно, однако иммунная система недостаточно активно на них реагирует – чистые пептиды почти не индуцируют антител. Поэтому приходится их соединять, во-первых, с носителем, а во-вторых, добавлять вещества, которые стимулируют иммунную систему. В качестве носителей использовали гемоцианин (огромный белок из улитки), «полиоксидоний», на основе которого ранее была создана вакцина «Гриппол», и некоторые другие стимуляторы.

Параллельно в ГОСНИИГенетики был налажен синтез в дрожжах белков L1 трех типов (с одним из них была проблема), который собирался в правильные вирусоподобные частицы и правильно реагировал с антипептидными антителами и референс-моноклональными антителами.

Ответы на разные пептиды сильно отличались, и эти эксперименты позволили выявить наиболее эффективные фрагменты как белка L1, так и Е7. Окончательная проверка показала, что если в качестве носителя-адъюванта к этим пептидам использовать гемоцианин улитки или специальный иммуностимулятор ПМ, то реакция иммунной системы будет наиболее сильной. Самое главное, что при этом вырабатывается сильный иммунный ответ к L1, а также активируются популяции специфических клеток-киллеров, так называемые цитотоксические Т-клетки CD8+. Именно они должны уничтожать зараженные клетки. Фактически, полученные данные дают основание считать, что нам удалось создать отдельные компоненты прототипа комбинированной вакцины, профилактической и терапевтической. Пока это еще не вакцина, препарат надо испытывать на приемлемой биологической модели, например на мышах с перевиваемой опухолью, вызываемой онкогенным белком Е7. Причем полученные вакцинные препараты скорее ориентированы на профилактику, поскольку уже доказано, что белок L1 генерирует сильный защитный ответ даже в отсутствие адъюванта.

Пептиды – слабые иммуногены, в этом мы убедились, сделав конъюгат одного пептида из белка Е7 со стандартным адъювантом Фрейнда. Активировать Т-клетки таким путем непросто, и, вероятно, нужно менять тактику. Прежде всего для этого требуется обеспечить целевую доставку пептидных антигенов из Е-белка в дендритные клетки, чтобы достичь специфической и сильной активации киллерных CD8+ лимфоцитов.

И тогда мы решили применить новый подход: использовать как усилитель доставки фуллерены, высокая клеточно-проникающая способность которых хорошо известна, и добавить вектор, который бы направлял их в дендритные клетки. Для этого пришлось заняться работой, не имеющей прямого отношения к созданию вакцины: определить иммуногенность фуллерена и их производных с аминокислотами и пептидами, а также их способность проникать внутрь клеток. И здесь мы получили очень интересные результаты.

Фуллерен и жизнь

О токсичности фуллеренов сказано уже немало, причем есть две противоположные точки зрения: «они чрезвычайно вредны» и «они весьма полезны». Не исключено, что появлению столь разных точек зрения способствуют особенности физико-химических свойств фуллеренов, а именно то обстоятельство, что они в силу своей гидрофобности не растворимы в воде. В результате, чтобы приготовить препарат и ввести его, например, в кровь подопытному животному, молекулу фуллерена нужно как-то модифицировать: присоединить к ней гидрофильные группы или добавить в раствор поверхностно-активные вещества, способные подавить гидрофобность фуллеренов. Эти компоненты могут обладать специфической химической активностью, они оказываются сами по себе токсичными, что вполне способно привести к выводу о токсичности самого фуллерена. И такие случаи широко известны. Например, один из весьма авторитетных специалистов по изучению биологического действия фуллеренов, Г. В. Андриевский из Института терапии АМН Украины, доказал, что данные, приведенные в наиболее часто цитируемой статье о токсичности фуллеренов, связаны именно с артефактом: в изучаемой фуллеренсодержащей жидкости присутствовало токсичное вещество – тетрагидрофуран. Сам же Г. В. Андриевский известен тем, что сумел создать методику получения довольно концентрированного раствора (наносуспензии) фуллерена в воде.

Проблема токсичности фуллеренов и прочих наночастиц давно уже стала весьма актуальной. Сразу же за открытием фуллеренов среди ученых распространилась идея, что эти молекулы могут пригодиться в качестве средства для транспортировки лекарственных препаратов. Сейчас синтезированы сотни соединений фуллеренов, многие из них проявляют биологическую активность, однако до создания коммерческих препаратов дело не дошло. Возможно, потому, что у них нет особых преимуществ по сравнению с нефуллереновыми аналогами, а возможно – из-за недостаточно глубокого понимания механизмов метаболизма фуллеренов и их взаимодействия с живыми клетками.

Однако из-за развития нанотехнологий практически неизбежно возникают условия для загрязнения окружающей среды этими весьма стойкими соединениями, масштаб производства которых возрастает. Пора решать вопрос об опасности или безопасности фуллеренов в том числе и об иммунологической безопасности. Прежде всего речь идет о способности фуллеренов вызывать иммунный ответ, например аллергию.

Безразличный фуллерен

В своих опытах мы использовали кристаллический фуллерен, называемый фуллеритом, наносуспензию гидратированого фуллерена Андриевского, а также соединения фуллерена со всевозможными аминокислотами, пептидами и белками. При этом аминокислоты присоединялись непосредственно к шарику фуллерена. Способ получения таких производных разработали еще в 1994 году в ИНЭОС РАН им. А. Н. Несмеянова. Там же в содружестве с Институтом проблем химической физики РАН был создан еще один функциональный фуллерен, который очень быстро пришивается к пептидам и белкам, содержащим аминокислоту цистеин. Для чего нужно было получать столь сложные соединения?

Дело в том, что еще 12 лет назад мы уже пытались вызвать у мышей специфический иммунный ответ на чистые фуллерены и их аминокислотные производные и нисколько не преуспели в этом деле. Однако в 1998 году появились сведения, что одной американской группе удалось-таки добиться иммунного ответа на фуллерен в присутствии сильного иммуностимулятора. В своих опытах мы как раз и хотели проверить этот результат, а в качестве иммуностимуляторов взяли известные аллергены вроде яичного и сывороточного альбумина. Однако результат оказался тем же: никакого специфического ответа на собственно фуллерен замечено не было. Зато мы обнаружили хорошо выраженную реакцию на аминокислоты, пришитые к фуллерену. (На чистые аминокислоты ответ вообще не развивается, организм к ним толерантен.)

Отсутствие иммунной реакции на фуллерен можно объяснить следующим образом. Теоретически в водной среде молекулы гидрофобного фуллерена не могут существовать в одиночном состоянии, а собираются в кластеры из десятков, а то и сотен молекул. Попав в живой организм, эти кластеры должны взаимодействовать с гидрофобными компонентами среды и электронодонорными молекулами – белками, жирами или аминами. В результате углеродная сфера может быть полностью закрыта этими молекулами, и тогда она не способна связываться с рецептором В-лимфоцита, который дает сигнал на развитие иммунного ответа. Впрочем, само по себе наличие у В-клеток специфического рецептора на фуллерен вызывает серьезные сомнения. Фуллерены как искусственные молекулы получены совсем недавно, в 1991 году, и в процессе эволюции организмы с ним не могли контактировать, следовательно, вряд ли существуют клеточные клоны, распознающие такие молекулы. Как показали работы по созданию углеродных эндопротезов еще в 1979 году, антитела к другим формам углерода – графиту и алмазу получить невозможно. Хотя известен такой фермент, как протеаза ВИЧ, чей активный центр имеет гидрофобную полость: фуллерен (с гидрофильной подвеской) хорошо ее заполняет и тем самым блокирует активность вируса. Но рецепторы на В-лимфоците для улавливания чужеземцев располагаются снаружи, то есть обращены в водную среду, имеют гидрофильную природу и вряд ли будут захватывать фуллерен.

Как нож в масло

Если фуллерен не вызывает иммунного ответа, то может ли он как-то повредить клетку? Ответ на этот вопрос дает серия опытов, проведенная нами с эритроцитами, тромбоцитами человека и симбиосомами – продуктами симбиоза бобовых растений с азотфиксирующими бактериями рода Rhizobium. О том, что фуллерен проник внутрь симбиосомы можно судить по заряду ее мембраны. В присутствии АТФ и ионов магния она способны генерировать на внутренней стороне своей мембраны положительный заряд. Фуллерены с пришитыми аминокислотами пролином или аминокапоновой кислотой – отрицательно заряжены. Попав внутрь симбиосомы, они нейтрализуют заряд на мембране, что можно зафиксировать спектральными методами, используя специальные зонды. Как оказалось, процесс этот весьма быстрый: при добавлении раствора с производными фуллерена, мембрана клетки моментально теряла накопленный ею потенциал.

Фуллерен с другой кислотой, аргинином, наоборот, приобретает положительный заряд, и поэтому его влияние на симбиосому заметить не удалось. Зато оно проявилось на эритроцитах, мембрану которых заряжали отрицательно с помощью валиномицина (из клетки при этом выходит K+): при добавлении C60-Arg происходила быстрая разрядка потенциала.

Изменение потенциала мембраны оказалось не единственным эффектом. Есть такой флуоресцентный краситель – акридин оранжевый. Он меняет свое свечение при изменении кислотности среды. С его помощью удалось дополнительно подтвердить, что аминокислотные производные фуллеренов в самом деле легко проникают внутрь клеток и меняют кислотность среды.

Мы подтвердили также, что фуллерены легко проникают в разные типы клеток. Например, в тромбоцитах много кальция, поэтому изучать транспорт фуллерена можно с помощью другого красителя, хлортетрациклина, свечение которого зависит от концентрации ионов кальция: если фуллерен с ним взаимодействует, то гасит это свечение. Так оно и вышло: при добавлении к тромбоцитам, нагруженным хлортетрациклином, фуллеренов, в том числе и фуллерена Андриевского, наблюдалось тушение флуоресценции. Правда, оказалось, что фуллерен Андриевского входит в клетку в сто раз медленнее, чем с аминокислотными производными.

Итак, установлено, что фуллерен благодаря своей гидрофобности достаточно свободно проходит сквозь липидную мембрану клетки. Отсюда появляется идея, которая уже у многих на слуху: фуллерен с закрепленным пептидом может протащить его внутрь клетки. А это значит: он может служить отличным средством доставки пептидов в дендритные клетки иммунной системы.

Чтобы проверить этот предположение, мы, во-первых, присоединили к фуллерену найденные на предыдущем этапе пептиды белка Е7, вызывающие наибольший иммунный ответ. Во-вторых, синтезировали носитель для вакцины на основе сополимера винилпирролидона и малеинового ангидрида, к которому были присоединены цепочки жирных кислот. К этим гидрофобным хвостам за счет ван-дер-ваальсовых связей и цеплялись молекулы фуллеренов с пептидами. Результат оказался очень неплохим уже в первом эксперименте. Препарат действительно вел себя, как и положено терапевтической вакцине, генерировал специфические Т-клетки и антитела. Но пока что нам не удалось детально проследить механизм его действия. К сожалению, из-за прекращения финансирования эту работу пришлось прервать. Хотя мы и не теряем надежды на продолжение, но время упущено, а зарубежные исследователи не стоят на месте.

Работа начата по инициативе
академика РАН Р. В. Петрова

Портал «Вечная молодость» www.vechnayamolodost.ru
08.04.2009