Hakowanie HIV

W majowe popołudnie 2008 roku Bruce Walker i Terry Ragon ’71 złożyli wizytę rekrutacyjną w MIT. Walker jest lekarzem w Harvard Medical School, który od trzech dekad bada HIV; Ragon, założyciel i dyrektor generalny firmy programistycznej o nazwie InterSystems, miał sfinansować nowy instytut badawczy o wartości 100 milionów dolarów na opracowanie szczepionek przeciwko HIV, z Walkerem na czele.

Bruce Walker (z lewej) i Terry Ragon ’71 prowadzą Ragon Institute w dążeniu do opracowania szczepionki zapobiegającej HIV.

Około 20 członków wydziału MIT przyszło wysłuchać propozycji Walkera i Ragona o pomoc w ich projekcie. Jednym z nich był Arup Chakraborty, profesor inżynierii chemicznej, który był zaintrygowany misją tak zwanej Instytutu Ragon. Pracował w immunologii przez prawie dziesięć lat, ale nigdy nie zagłębiał się w badania nad HIV, które były odosobnionym polem. Co więcej, nie wiedziałem, co mogę wnieść, wspomina Chakraborty.

Po kilku sesjach burzy mózgów Walker pomyślał, że Chakraborty może być w stanie dotrzeć do sedna czegoś, co irytowało badaczy HIV: ludzie, których układ odpornościowy jest w stanie naturalnie zwalczyć zakażenie wirusem HIV, są również podatni na zaburzenia autoimmunologiczne. Zjawisko to wydawało się nie być zwykłym zbiegiem okoliczności. Być może Chakraborty, który wykorzystuje modele obliczeniowe do badania, w jaki sposób komórki układu odpornościowego rozróżniają obcych najeźdźców od własnych komórek ciała, mógłby ustalić związek.

Około rok później Chakraborty opublikował swój pierwszy artykuł na temat HIV, który skupiał się na czynnikach odpornościowych znanych jako limfocyty T. Odkrył, że u niektórych osób proces usuwania komórek T, które mogą atakować zdrowe komórki, nie jest w pełni skuteczny. Ale komórki T, które unikają tego procesu, są szczególnie skuteczne w walce z HIV.

Dla mnie to świetny przykład czegoś, co nigdy by się nie wydarzyło bez społeczności stworzonej z Ragon Institute, mówi Walker.

Danie naukowcom, inżynierom i lekarzom wolną rękę w walce z HIV to misja Instytutu Phillipa T. i Susan M. Ragon z Massachusetts General Hospital, MIT i Harvardu. Od czasu jego otwarcia, w 2009 roku, naukowcy z trzech instytucji współpracowali razem – oraz z innymi badaczami na całym świecie – aby zaatakować problem z każdej strony.

Od samego początku Walker chciał współpracować z naukowcami spoza zwykłej dziedziny wirusologii i immunologii, ponieważ uważał, że tradycyjne kanały finansowania nie wspierają wystarczająco nowych badań. Często spotykałem się z ludźmi i rozmawiałem o potencjalnej współpracy z kimś spoza kręgu HIV i wydawałoby się to świetnym pomysłem, ale nigdzie nie poszedł, ponieważ nigdy nie byliśmy w stanie go sfinansować, mówi. Chcieliśmy zebrać grupę ludzi i naprawdę dać im licencję na pracę nad tym problemem i mierzyć sukces nie w kategoriach opublikowanych artykułów, ale w kategoriach ataku na cel.

Takie podejście będzie miało konsekwencje daleko wykraczające poza badania nad HIV, mówi Chakraborty, obecnie dyrektor Instytutu Inżynierii Medycznej i Nauk (IMES), interdyscyplinarnego centrum uruchomionego zeszłego lata (patrz pasek boczny poniżej). Mówi się, że na całym świecie, zwłaszcza w tym kraju, mówi się dużo o tym, jak uzyskać tego rodzaju pracę na styku wspieranych dyscyplin. Ale osobiście nie znam innego przykładu, w którym podstawowi naukowcy i klinicyści pracowali w takiej synergii, jak Instytut Ragon.

Identyfikacja słabych stron wirusa
Walker mówi, że leki antyretrowirusowe są tak skuteczne w leczeniu AIDS, że w Stanach Zjednoczonych panuje trochę samozadowolenia. Problem polega na tym, że leki muszą być przyjmowane bardzo niezawodnie, aby oporność się nie rozwinęła. Innym, większym problemem jest to, że w pozostałej części świata dostępne są ograniczone zasoby i leki. Według Wspólnego Programu Narodów Zjednoczonych ds. HIV/AIDS w 2011 roku mniej niż 25% osób zakażonych wirusem HIV na całym świecie miało dostęp do tych leków.

Biorąc pod uwagę te fakty, Walker uważa, że ​​jedynym sposobem na wykorzenienie HIV jest opracowanie skutecznej szczepionki. Ale HIV jest nieuchwytnym celem: mutuje znacznie szybciej niż większość wirusów — nawet grypy, na którą szczepionki muszą być co roku opracowywane na nowo.

Szczepionki, które wywołują odpowiedź immunologiczną przeciwko którymkolwiek z białek wirusa HIV, szybko stają się bezużyteczne w miarę ewolucji białek. Jednak niektóre aminokwasy tworzące białka HIV pozostają niezmienione w prawie wszystkich szczepach, co sugeruje, że są one niezbędne do przetrwania wirusa. W ostatnich latach projektanci szczepionek próbowali celować w te aminokwasy. Ale odniosły ograniczony sukces, ponieważ podstawienia aminokwasów w innych częściach białka mogą pomóc przezwyciężyć skutki szczepionki.

Tak więc Chakraborty szukał grup aminokwasów w białkach HIV, które ewoluują razem, niezależnie od tych w innych grupach. Szczepionki ukierunkowane na te aminokwasy mogą teoretycznie odciąć ewolucyjną drogę ucieczki wirusa. W 2011 roku Chakraborty i Walker, pracując z danymi sekwencji DNA z wielu szczepów wirusa, wykorzystali teorię macierzy losowych (opracowaną w latach 50. XX wieku do badania fizyki wysokich energii), aby zidentyfikować kilka takich grup, w tym szczególnie wrażliwą grupę w otoczce otaczającej materiał genetyczny wirusa. Odkryli również, że limfocyty T u pacjentów, którzy samodzielnie zwalczają HIV, nieproporcjonalnie celują w aminokwasy zidentyfikowane w badaniu. Szczepy HIV z wieloma mutacjami w tych aminokwasach są rzadkie, co sugeruje, że te szczepy walczą o przetrwanie.

Dyrektor IMES, Arup Chakraborty, tworzy krajobrazy sprawnościowe, identyfikując sekwencje białek, które osłabiają HIV.

Opierając się na tym badaniu, zespół Chakraborty używa modelu obliczeniowego, który przewiduje, jak dobrze wirusy zawierające różne odmiany białek mogą przetrwać i rozmnażać się. W sekwencji aminokwasów tworzących białko istnieje 20 sposobów na wypełnienie każdego miejsca. Przeanalizowali tysiące szczepów HIV, aby obliczyć, jaka jest zmienność aminokwasów w każdym z około 500 miejsc w badanych białkach – i jak często dana sekwencja jest widoczna. Pokazali, że im bardziej rozpowszechniona jest sekwencja, tym bardziej musi przyczyniać się do sprawności wirusa. Dzięki tym danym stworzyli krajobrazy przystosowania, w których sekwencje białek wzmacniające wirusa wyglądają jak wzgórza, a te, które go osłabiają, to doliny. Ta wiedza może pomóc w ukierunkowaniu rozwoju krótkich sekwencji białkowych, które, jeśli zostaną dostarczone jako szczepionki, mogą sprawić, że wirus będzie mniej dopasowany.

Może to pomóc naukowcom zaprojektować szczepionki nie tylko na HIV, ale także na inne wirusy, które często mutują. Jeśli to się utrzyma, jest to ekscytujące, ponieważ dwie technologie, których potrzebujesz, aby uzyskać krajobrazy sprawności wirusów, to sekwencjonowanie i obliczenia, mówi Chakraborty. Obie te technologie bardzo szybko tracą cenę.

Monitorowanie pojedynczych komórek
Zdolność do walki z HIV bez narkotyków jest rzadka i pojawia się u około jednej na 300 zakażonych osób. Dowiadując się więcej o tych elitarnych kontrolerach, naukowcy z Ragon Institute mają nadzieję wyprodukować szczepionki, które naśladują ich sukces. Aby to zrobić, naukowcy potrzebują sposobu na zmierzenie reakcji poszczególnych komórek odpornościowych na komórki zakażone wirusem HIV – co było niemożliwe jeszcze kilka lat temu.

Inny inżynier chemik z MIT, który wziął udział w pierwszym spotkaniu z Walkerem i Ragonem, Christopher Love, niedawno opracował sposób badania reakcji komórek odpornościowych na szczepionki, alergeny pokarmowe lub czynniki zakaźne. On i Walker zdali sobie sprawę, że ta technologia może być właśnie potrzebna do porównania odpowiedzi immunologicznych osób zakażonych wirusem HIV, które oparły się AIDS i tych, którzy zachorowali.

W systemie Love pojedyncze komórki odpornościowe są umieszczane w tysiącach mikroskopijnych studzienek na miękkiej gumowej powierzchni. Wydzieliny z każdej komórki dyfundują na szkiełko umieszczone na górze, które jest następnie testowane pod kątem obecności określonych białek, takich jak cytokiny wywołujące stan zapalny. Wszelkie wykryte białka można prześledzić z powrotem do komórki dzięki adresowi na szkiełku. Ten proces generuje ogromną ilość danych. Możesz teraz dokonywać pomiarów na 10 000 komórek i generować od 20 do 30 parametrów danych na każdej komórce, mówi Love.

W badaniu z 2011 r. Love i jego koledzy przeanalizowali komórki T od pacjentów zakażonych wirusem HIV, aby ustalić, czy, jak sugerowały poprzednie badania, wysoki poziom cytokiny zwanej interferonem gamma może korelować ze zdolnością do zabijania komórek zakażonych wirusem HIV. Wręcz przeciwnie, odkryli, że komórki T wydzielające interferon gamma wydają się zabijać komórki zakażone wirusem HIV rzadko.

Love ma teraz nadzieję na znalezienie biomarkerów, które ujawnią, które limfocyty T skutecznie atakują HIV. Bada również reakcje przeciwciał na HIV w komórkach odpornościowych z tkanek śluzówki wyściełającej okrężnicę i układ rozrodczy. Około połowa ludzkich komórek odpornościowych znajduje się w tkankach śluzówki, gdzie występuje większość infekcji HIV, ale większość badań immunologicznych jest wykonywana na komórkach krwi, więc niewiele wiadomo na temat funkcjonowania komórek śluzówki.

System analizy komórek Love może pozwolić naukowcom śledzić postępy pacjentów podczas klinicznych prób szczepionek. W tym celu wraz z kolegami próbuje zwiększyć jego wydajność z dwóch dziennych zestawów próbek (z których każdy zawiera od 1000 do 100 000 komórek) do setek lub tysięcy zestawów. Pracują również nad oprogramowaniem, które pomoże analizować gigabajty danych pobranych z każdej próbki.

Walker cieszy się, że inżynierowie pracują nad problemami zdrowotnymi. Są sposoby, w jakie my, klinicyści, myślimy o problemach naukowych, które mogą być ograniczające, mówi. Zastanawiamy się, jakie mamy narzędzia i jakie pytania możemy za ich pomocą zadać, podczas gdy inżynierowie mówią: „Jakie pytanie chcesz zadać? Zbudujmy narzędzie”.

Zwiększanie mocy szczepionek
W ciągu ostatnich 30 lat naukowcy poddali trzy schematy szczepień przeciwko HIV na dużą skalę próbom klinicznym. Dwie okazały się nieskuteczne, ale jedna chroniła niewielką, ale znaczącą mniejszość badanych. Daje nadzieję, że szczepionka jest możliwa, mówi członek Ragon Institute Darrell Irvine, profesor inżynierii biologicznej oraz materiałoznawstwa i inżynierii.

Większość szczepionek przeciwko chorobom takim jak ospa wietrzna i grypa wykorzystuje osłabione formy wirusa jako antygeny lub substancje wywołujące odpowiedź immunologiczną. Ponieważ uważa się to za zbyt niebezpieczne dla wirusa HIV, niektórzy badacze tworzą szczepionki z jednego z jego białek. Inni wstrzykują genetycznie zmodyfikowane DNA do komórek, gdzie może on kierować produkcją białek wirusowych. Szczepionki DNA zostały po raz pierwszy przetestowane około 20 lat temu i stwierdzono, że wywołują silną odpowiedź immunologiczną u gryzoni. Jeśli odniosą sukces u ludzi, mogą być bezpieczniejsze niż konwencjonalne szczepionki i mogą być przechowywane dłużej. Te szczepionki byłyby również łatwiejsze do opracowania na nowe choroby i do produkcji na dużą skalę, ponieważ naukowcy po prostu zaprogramowaliby DNA do produkcji pożądanego białka.

Samo wstrzykiwanie DNA lub białek nie zawsze wywołuje wystarczająco silną odpowiedź immunologiczną, więc Irvine bada dwie inne strategie: dodanie adiuwantu, cząsteczki, która pomaga stymulować układ odpornościowy, oraz dostarczenie antygenu bezpośrednio do docelowych komórek odpornościowych.

Na początku tego roku Irvine i współpracownicy opracowali sposób osadzania DNA w folii polimerowej. Mikroigły dostarczają film około pół milimetra pod skórę – wystarczająco głęboko, aby dotrzeć do komórek odpornościowych, które przetwarzają zakaźnych najeźdźców w naskórku, ale nie na tyle głęboko, aby trafić w zakończenia nerwowe. Warstwy folii ulegają stopniowej degradacji, uwalniając szczepionkę w ciągu dni lub tygodni. Film zawiera również adiuwant, który wywołuje stan zapalny w tkance docelowej, przyciągając komórki odpornościowe, aby mogły napotkać białko wirusa kodowane przez DNA.

W badaniach na myszach technika ta wykazała obiecującą zdolność do wywoływania odpowiedzi immunologicznej. W testach na próbkach skóry małp naukowcy odkryli, że DNA przenoszone przez filmy o wiele łatwiej dostało się do komórek skóry – i wydawało się, że utrzymuje się dłużej – niż DNA wstrzyknięte samodzielnie. Mają teraz nadzieję na przeprowadzenie prób na naczelnych innych niż ludzie.

[HIV jest] trudnym problemem, ale myślę, że jest to problem do rozwiązania i myślę, że jesteśmy zobowiązani do dostarczenia [do niego] każdego dostępnego nam narzędzia, mówi Walker. Problem polega na tym, ile zasobów musimy w to włożyć i jak szybko możemy doprowadzić to do mety jako społeczność naukowa?

Intelektualne centrum inżynierii medycznej
Nowy instytut MIT zrzesza naukowców, inżynierów, klinicystów

W 1970 r. MIT i Harvard uruchomiły Wydział Nauk o Zdrowiu i Technologii (HST) Harvard-MIT, skupiający lekarzy, naukowców i inżynierów, aby zmienić sposób nauczania i praktyki medycyny. Teraz MIT rozszerzył tę misję, składając HST w nowy Instytut Inżynierii Medycznej i Nauki (IMES).

Arup Chakraborty, profesor inżynierii chemicznej, który kieruje IMES, mówi, że ma on służyć jako intelektualne centrum, które lepiej zintegruje HST z resztą MIT i połączy różne wysiłki w obszarach, które przyczyniają się do medycyny. Będzie pionierem nowych programów nauczania na poziomie magisterskim, oferujących certyfikaty i ewentualnie programy studiów.

IMES ma teraz 13 podstawowych członków wydziału - 12 z HST plus Chakraborty. Zatrudni jeszcze osiem osób, a wszyscy podzielą swój czas równo między IMES i inny dział MIT, aby zbudować połączenia w kampusie. IMES jest także siedzibą Centrum Realizacji Medycznego Urządzenia Elektronicznego MIT, które zostało niedawno uruchomione, aby zgromadzić wykładowców MIT, lekarzy i przedstawicieli branży w celu opracowania lepszych i tańszych urządzeń medycznych.

Ponadto IMES planuje współpracować ze szpitalami w Bostonie w ramach partnerstwa strategicznego, które może być wzorowane na Ragon Institute i Bridge Program, który łączy badaczy MIT z Instytutu Kocha z lekarzami z Dana-Farber Cancer Institute.

Jeśli strategiczne partnerstwo rozwinie się ze szpitalami rejonowymi, będzie się opierać na tym dowodu koncepcji, który dostarczył Ragon Institute, mówi Chakraborty. -W

ukryć