Следователи ищут вещественные доказательства, чтобы остановить воспаление COVID-19
Предоставлено: Национальная лаборатория Ок-Риджа.

Подобно ветеранам-детективам, расследующим место преступления, команда экспертов-биофизиков и исследователей нейтронов была вызвана для участия в научном расследовании. Их задача — выяснить, как смертельный коронавирус SARS-CoV-2, после того, как он распадается на человеческую клетку, начинает вызывать массивное воспаление, которое приводит к наиболее тяжелым случаям инфекции COVID-19. Расследование проводится в Национальной лаборатории Ок-Риджа Министерства энергетики.

Преступники, как известно, представляют собой крошечные белки оболочки (Е-белки) на поверхностях или «оболочках» коронавирусов. После проникновения вируса в клетку-хозяина его Е-белок проникает в производственные центры клетки — эндоплазматическую сеть и область Гольджи — чтобы позволить генетическому материалу вируса копировать себя и собирать новые вирусы. Затем Е-белок претерпевает структурные изменения, которые разрушают клеточную стенку, высвобождая вновь образованные вирусы, которые, в свою очередь, продолжают проникать в другие клетки и делать больше копий.

Выживший цитокиновый шторм

Этот тип клеточного вторжения в дом является типичным для вирусных инфекций, от простуды до сезонного гриппа. Однако E-белок вируса SARS-CoV-2 имеет ионный канал и PDZ-связывающий мотив (модуль распознавания белок-белок, центральный в передаче сигналов клетки), который увеличивает проницаемость клеточной мембраны хозяина и запускает «цитокин». буря.» Возникающее в результате воспаление приводит к значительному накоплению жидкости в легких и, в некоторых случаях, к отекам в других тканях организма. Это может превратить то, что иначе напоминало бы простуду или грипп, в острый респираторный дистресс-синдром, который может привести к проблемам с дыханием и полиорганной недостаточности.

«В наших экспериментах используются нейтроны, чтобы понять, как вирус, в частности его E-белок, работает на клеточных мембранах, чтобы мы могли найти способ контролировать связанное с этим воспаление», — сказал Мин Фан, научный сотрудник и главный исследователь проект. «Если мы сможем ингибировать E-белок, мы сможем уменьшить количество воспалений в легких и других жизненно важных органах человека. Это поможет не допустить людей к интенсивной терапии, поэтому наши больницы и медицинские работники не будут перегружены. Тогда больше людей с COVID-19 могли успешно справиться с инфекцией дома. «

Чтобы понять, как клеточные мембраны взаимодействуют с E-белками вируса, ученые впервые использовали нейтронную рефлектометрию для анализа моделей липидных слоев, как одно-, так и двухслойных моделей, которые функционируют как настоящие клеточные мембраны. В образцах не было встроенных белков или других поверхностных элементов, которые могли бы повлиять на поведение голой мембраны.

Используя жидкостный рефлектометр с нейтронным прибором в Spallation Neutron Source от ORNL, исследователи измерили и проанализировали, как нейтроны рассеивались или «отражались» под разными углами в зависимости от состава липидных слоев, через которые они проходили.

Преследование под другим углом

«Нейтронная рефлектометрия дала нам информацию о внутренней структуре мембран, но нам также нужно было понять, как ведут себя внешние поверхности мембран», — сказал Джон Кацарас, биофизик, специализирующийся на рассеянии нейтронов и изучении биологических мембран в ORNL Управление нейтронных наук. «Это как лист бумаги, на котором мы заглянули внутрь листа, но нам также нужно было изучить лицевую и оборотную стороны бумаги. Поэтому мы провели эксперименты по малоугловому рассеянию нейтронов, которые выявили детали о поверхностях материалов».

Различные типы нейтронных экспериментов показали, как мембраны реагировали на различные давления и напряжения при сжатии или декомпрессии, что позволило ученым разработать базовую модель поведения голой мембраны внутри и по всей ее поверхности в различных условиях и независимо от каких-либо осложняющих факторов. Вспомогательные эксперименты были выполнены в Технологическом институте Вирджинии доцентом Рана Ашкар, который провел дополнительные микроскопические исследования липидных монослоев.

После проведения контрольных экспериментов команда вставила E-белки в мембраны (модели липидов) и проверила структуры. Они специально рассматривали, как ионный канал белка и PDZ-связывающий мотив работают вместе, и как ионный канал способствует проникновению вируса в клетку его генетического материала.

«Важно, чтобы мы понимали, как ионный канал работает в этом вирусе, потому что было показано, что определенные молекулы в существующих лекарствах способны ингибировать E-белки», — сказал Джесси Лаббе, генетик клеточных и молекулярных грибков в ORNL. Отдел бионаук. «В лабораториях блокаторы ионных каналов доказали свою эффективность в ограничении воспаления, вызванного аналогичным коронавирусом, SARS-CoV, который вызвал смертельную пандемию в 2002 году. Вот что делает эту линию исследований такой многообещающей».

Структура и активность E-белка были дополнительно изучены Пэт Коллиер, инженером-технологом в чистых помещениях Центра исследований нанофазных материалов ORNL, который исследовал бислои интерфейса капель для регистрации активности ионных каналов, и Беном Даути, ученым-исследователем из Отделения химических наук ORNL, который проводил колебательные спектроскопические нейтронные эксперименты для исследования ориентации E-белка и вторичных структур.

Мастера маскировки

Еще одна причина, с которой коронавирусам так трудно справиться, состоит в том, что они являются мастерами маскировки, регулярно мутируя, чтобы избежать распознавания иммунной системой человека.

Для решения проблем, связанных с мутациями, ученые из ORNL сосредоточены на особенностях текущего коронавируса, которые имеют тенденцию к мутации реже из поколения в поколение. Такие «консервативные» свойства, если их успешно нацелить лекарственным соединением, позволят разработать лечение с более длительными эффектами.

«Команда, работающая в ORNL, десятилетиями изучала мембраны и имеет большой опыт в этой области, и функция мембран является ключевым компонентом болезни COVID-19», — сказал Джейкоб Киннун, научный сотрудник отдела рефлектометрии SNS. «Если наше исследование сможет выявить механизм, который подавляет способность вируса SARS-CoV-2 вызывать воспаление у людей, инфицированных COVID-19, это может привести к лечению, которое уменьшит количество людей, нуждающихся в госпитализации, и поможет спасти жизни».

Затем исследователи планируют подвергнуть E-белки некоторым наиболее перспективным лекарственным соединениям, которые, как было показано, ингибируют сходные белки. Одной из целей является разработка модели того, как функционирует E-белок SARS-CoV-2 и какие лекарственные соединения наиболее эффективны против него, что позволяет исследователям во всем мире быстро и точно проводить скрининг новых лекарств, чтобы определить, как они могут работать против будущих вспышек вируса. ./p>




Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *