Ученые изо всех сил пытаются узнать, как новый коронавирус, SARS-CoV-2, вызывает болезнь, а также спешат разработать методы лечения и, что особенно важно, вакцину. Эта работа в значительной степени опирается на редко признаваемых помощников — лабораторных животных. Одной из самых необычных особенностей SARS-CoV-2 является широкий спектр тяжести заболевания у людей — от легкого или бессимптомного протекания болезни до смертельных случаев.
Воспроизводить серьезные заболевания особенно сложно, но исследования коронавирусов, которые вызывают тяжелый острый респираторный синдром (SARS) и ближневосточный респираторный синдром (MERS), заложили важную основу. Самые популярные животные для медицинских исследований — это мыши: их можно быстро и дешево разводить, и у исследователей уже есть много инструментов для работы с ними. К сожалению, эти грызуны, хотя и не являются невосприимчивыми к инфекции, по-видимому, не испытывают никаких вредных последствий от нового вируса. То же самое было верно и для атипичной пневмонии, и две стратегии оказались эффективными: адаптация мышей к вирусу и адаптация вируса к мышам.
Сконструированные мыши
В 2007 году микробиолог Стэнли Перлман из Университета Айовы и его коллеги генетически модифицировали мышей, чтобы получить человеческую версию рецептора ангиотензинпревращающего фермента 2 (ACE2), который оригинальный вирус атипичной пневмонии использовал для захвата клеток. Эта болезнь была смертельной для таких «hACE2»-мышей. SARS-CoV-2 использует тот же рецептор, поэтому мыши с hACE2 также должны быть уязвимы к новому вирусу, говорит Перлман.
Он отправил замороженные образцы спермы этих мышей в Лабораторию Джексона, которая занимается разведением животных и подготовкой к их распространению по другим лабораториям по всему миру. «У нас должно быть достаточно образцов, чтобы научное сообщество могло провести свои эксперименты к середине июня», — говорит нейробиолог Кэт Лутц, которая руководит хранилищем мышей Лаборатории Джексона, одним из крупнейших в США.
Вирусолог Канта Суббарао, работающая в Национальном институте аллергии и инфекционных заболеваний, и ее коллеги пошли другим путем: они создали штамм вируса SARS, который был смертельным для обычных мышей. Исследователи использовали метод, называемый последовательным пассажем, который включает в себя извлечение вируса из легких инфицированной мыши и использование его для прививки другой мыши, а затем повторение этого процесса на других мышах.
После 15 циклов они создали штамм атипичной пневмонии, который был на 100% смертельным для мышей. Изучение связанных с этим генетических мутаций также позволило им узнать кое-что о том, как вирус вызывает заболевание. Хотя мыши с hACE2, скорее всего, будут восприимчивы к новому коронавирусу, у них, видимо, будет более легкое течение болезни, чем при атипичной пневмонии.
Перестройка рецептора hACE2, чтобы его мог использовать SARS для захвата клеток.
«Ожидается, что SARS-CoV-2 придется адаптировать путем [последовательного] пассажа на мышах с hACE2», — говорит Суббарао. Исследователи также имеют в своем распоряжении более простые инструменты управления. «Возможно, мы можем, манипулировать дозой [вируса] и способом введения, чтобы получить различную тяжесть болезни», — говорит Лутц.
Перлман не стал ждать, чтобы посмотреть, как его мышиный штамм hACE2 реагирует на SARS-CoV-2. Он использовал неродственный вирус в качестве «вектора» для переноса человеческого гена ACE2 в клетки взрослых мышей, делая их временно восприимчивыми к новому коронавирусу — подход, который он впервые применил при изучении MERS. Этот метод работает быстрее, чем те, которые связаны с изменением сперматозоидов или яйцеклеток, и он полезен для тестирования терапевтических препаратов на зараженных животных.
Однако такой подход не очень хорош для исследования патогенеза, то есть понимания того, как вирус проникает в клетки и размножается, и какие клетки атакует этот вирус. Перлман также использует генное редактирование для изменения рецептора ACE2 мыши, чтобы SARS-CoV-2 мог его распознать. Другие ученые наоборот, редактируют геном вируса, чтобы позволить ему прикрепиться к мышиному рецептору. «Они вполне могут использовать любых мышей» для изучения COVID-19, говорит Перлман. «Это был бы огромный шаг вперед».
Хомяки, хорьки и кошки
Разумеется, исследователи не останавливаются на одних мышах. Суббарао и ее коллеги обнаружили, что хомячки полезны для изучения атипичной пневмонии, поэтому некоторые исследователи используют их и для COVID-19. Команда из Университета Гонконга показала, что SARS-Cov-2 размножается у хомяков, вызывая некоторые повреждения легких, наблюдаемые у людей.
Правда, никто из животных не умер, но появились признаки болезни, включая потерю веса. Хомячки вырабатывали антитела, а сыворотка крови выздоровевших животных, которую вводили другим подопытным до заражения, снижала уровень инфицирования, но существенно не уменьшала легочную патологию.
Ученые часто изучают респираторные заболевания у хорьков, потому что физиология их легких схожа с человеческой. Команда из Южной Кореи обнаружила, что хорьки, зараженные SARS-CoV-2, имели повышенную температуру тела. Однако в статье, опубликованной несколькими днями позже, было показано, что вирус эффективно размножается только в верхних дыхательных путях хорьков, а не в нижних, что не отражает тяжелого заболевания новым коронавирусом у людей.
Хомяк — это не только милый зверек, всеми силами пытающийся быстрее покинуть этот бренный мир, но и достаточно ценное лабораторное животное.
Эти исследователи также обнаружили, что вирус передается между кошками в соседних клетках, что предполагает передачу воздушно-капельным путем. Так что кошки могут быть полезны для изучения того, как распространяется вирус. Однако с некоторыми животными труднее работать, чем с другими.
«Многие инструменты для изучения иммунной системы мышей далеко не так хорошо работают на хорьках или хомяках», — говорит патолог Дэвид О'Коннор из Университета Висконсин-Мэдисон. «На кошках проводили еще меньше исследований, поэтому инструментов еще меньше». Некоторых животных также сложнее находить и заботиться о них, или они банально стоят дороже, но исследователям требуется проводить эксперименты, прежде чем исключать какие-либо виды.
«В такой чрезвычайной ситуации, когда время — роскошь, мы должны позволить биологии направлять нас», — говорит О'Коннор. «Может оказаться, что эти менее традиционные модели являются лучшим подходом».
Обезьяны
Нечеловеческие приматы являются «золотым стандартом в тестировании вакцин и лекарств», — говорит вирусолог Барри Рокс из Медицинского центра Университета Эразма в Нидерландах. В предварительной работе, сделанной вирусологом Чуань Цинь из Китайской академии медицинских наук, было обнаружено, что вирус размножается в носу, легких и кишечнике макак-резусов. Животные также теряли вес и проявляли признаки пневмонии.
Исследование привлекло внимание, потому что ученые показали, что выздоровевшие обезьяны не могут быть реинфицированы. «Это хорошая новость: защитные иммунные реакции могут быть вызваны естественной инфекцией», — говорит О'Коннор. Американская команда также продемонстрировала в своем предварительном исследовании, что инфицированные макаки-резусы, получившие противовирусный ремдесивир (который был недавно одобрен для экстренного использования в лечении пациентов с COVID-19), имели более мягкие симптомы и меньшее поражение тканей легких.
Одним из основных факторов, влияющих на тяжесть COVID-19, является возраст человека, поэтому некоторые исследователи изучают животных в разных возрастах. Роккс недавно провел исследование с молодыми и старыми макаками-крабоедами — и никто из них не проявлял явных симптомов. «Клинических признаков не было, но мы видели повреждения в легких», — говорит он. Роккс и его коллеги обнаружили, что вирус дольше задерживается у старых обезьян, но течение болезни у них не было более тяжелым.
Тем временем ученые из Техасского института биомедицинских исследований одновременно изучают макак-резусов, бабуинов и мартышек. «Мы сравниваем несколько видов нечеловеческих приматов, чтобы посмотреть, сможем ли мы повторить [диапазон заболеваний], наблюдаемый у людей», — говорит Дипак Каушал, директор Юго-Западного Национального исследовательского центра приматов. Его команда также не увидела существенных различий в степени тяжести заболевания с возрастом.
Макаки-крабоеды. И нет, крабы — не их основной рацион, хотя они и могут их ловить и есть. Они всеядны и питаются фруктами, листьями, насекомыми и улитками.
Однако лишь у небольшой части людей с COVID-19 течение болезни становится критическим. И в этих исследованиях также использовалось сравнительно небольшое количество обезьян. Это иллюстрируют недостаток нечеловеческих приматов: из-за этических и практических соображений невозможно изучить достаточно большое их количество, чтобы выявить все аспекты болезни или рассчитать значимые статистические данные.
Но это не главная цель. Исследования О'Коннора включают инъекцию вируса глубоко в легкие макак-крабоедов, чтобы вызвать поддающееся изучению заболевание. «У нас есть поражение легких, которое можно измерить количественно, что означает, что мы можем измерить его снижение как результат рабочих медицинских контрмер», — говорит он. Проблема серьезных заболеваний становится «академической», добавляет он, «потому что, если вы не можете получить одно и то же значение постоянно, у вас нет хорошей системы для тестирования вакцин и лекарств».
Конечная цель
Основным преимуществом исследований на животных является контроль. «С людьми вы не знаете, когда они заражаются, что именно происходит», — говорит Перлман. «Вы можете гораздо лучше понять болезнь у лабораторно зараженного животного, потому что вы можете манипулировать параметрами», такими как путь воздействия, доза и время заражения. Тот же принцип применяется для получения данных об эффективности и безопасности лекарств и вакцин. «У вас никогда не будет такого контроля в клинических испытаниях», — говорит О'Коннор. «Вот поэтому-то и нужны различные животные в больших количествах».
Существующие стратегии вакцинации — частично основанные на тех, которые были разработаны для SARS — привели к тому, что для некоторых кандидатов на вакцину COVID-19 был пропущен этап тестирования на животных. «Это сложный процесс в эпоху COVID-19, потому что люди не хотят ждать», — говорит Перлман. «Что касается лекарств, не стоит пропускать тестирование на животных. Но что касается вакцин, такие тесты действительно пропускают или сводят к минимуму».
Максимально точная на данный момент модель нового коронавируса.
Острая необходимость, отсутствие хорошо зарекомендовавших себя моделей на животных и предыдущий опыт работы с некоторыми вакцинами — все это ускорило сроки. Тот факт, что вакцинные стратегии были протестированы на людях, даже на других патогенах, дает некоторую уверенность в безопасности, но есть также призрачная проблема, поднятая предыдущими исследованиями на животных: вакцины иногда могут усиливать болезнь, в том числе с помощью явления, известного как антителозависимое усиление.
И если такая проблема возникнет с вакциной от COVID-19, «вы бы точно хотели об этом знать», говорит Ларри Шлезингер, президент Texas Biomed. Ученым также необходимо понимать иммунные реакции. Последние данные из Китая свидетельствуют о том, что не каждый зараженный вирусом генерирует достаточное количество защитных или «нейтрализующих» антител, чтобы приобрести иммунитет. К тому же пандемия SARS-CoV-2 продолжается недостаточно долго, чтобы мы знали, как долго у людей сохраняется к нему иммунитет. «Это имеет важное значение для понимания того, как будет действовать вакцина», — говорит О'Коннор.
Только на прошлой неделе в журнале Science Цинь и его коллеги опубликовали результаты исследования инактивированного кандидата на вакцину против вируса SARS-CoV-2, который производит нейтрализующие антитела, связывающиеся со «спайковым» белком вируса, который позволяет ему проникать в клетки. Исследователи показали, что вакцина, названная PiCoVacc, генерирует иммунные реакции, которые защищают от нескольких штаммов вируса мышей, крыс и макак-резусов. К счастью, они не обнаружили никаких признаков антителозависимого усиления.
Испытания на людях, как ожидается, начнутся позже в этом году. Однако если ни одна из этих первоначальных попыток не увенчается успехом, придется полностью поменять вектор исследований. Для осуществления более сложных стратегий может потребоваться более глубокое понимание вируса. А чтобы понять вирус, исследователям необходимо изучать его в живых организмах. «Все надеются, что общие подходы, которые мы уже тестируем, будут впечатляюще успешными», — говорит О'Коннор. Разработка вакцины «может быть простой, но мы должны понимать, что все может оказаться куда сложнее».
