Широко нейтрализующие антитела в лечении ВИЧ: как это работает?

Антитела (еще их называют иммуноглобулинами) — это особые белки, которые вырабатывает наша иммунная система для защиты от вирусов, бактерий и токсинов. Антитела циркулируют в крови и благодаря своему строению могут «прилипать» к поверхности вирусов и бактерий или связываться с токсинами. Вирусные частицы, «облепленные» антителами, не могут проникать в клетки и заражать их, бактерии — питаться и размножаться, а токсины — теряют свои ядовитые свойства.

Чтобы антитело могло «прилипнуть» к микробу — связаться с белками на его поверхности, — оно должно иметь подходящую структуру. Ее наша иммунная система подбирает после первого контакта с бактерией или вирусом, и она уникальна для каждого возбудителя. Например, антитела, эффективные против вируса гепатита В, никак не будут взаимодействовать с вирусом гриппа, и наоборот. Антитело подходит к белку, с которым связывается, как ключ к замку. Такое свойство антител называют специфичностью. Она очень важна для того, чтобы антитела не наносили вред собственным клеткам организма, то есть не реагировали с нашими белками. Но по этой же причине организму приходится каждый раз подбирать «свое» антитело не только для разных видов микробов, но даже для разных штаммов. 

Сила связывания антител с поверхностью вируса или бактерии бывает разной. Если антитело «сливается» с возбудителем прочно и мешает его размножению, такое антитело называют нейтрализующим. Иногда антитела могут связывать микробные частицы недостаточно прочно или на неудачном участке поверхности — что не помешает им заражать клетки. Такие антитела называют связывающими — ведь они не могут «нейтрализовать» вирусы и бактерии. В борьбе с инфекцией значение имеют только нейтрализующие антитела.

Более подробно о том, как устроены и работают антитела мы рассказывали в этом и этом материале.

Идея использовать антитела в борьбе с болезнями давно занимала умы исследователей, но воплотить ее на практике оказалось очень непросто. Антитела — это сложные белки с уникальной структурой, и воспроизводить их с помощью химического синтеза практически невозможно. Но на помощь ученым пришли биотехнологии, и в 1975 году были разработаны первые подходы к синтезу антител в клеточных культурах.

Сейчас производство таких препаратов — их называют моноклональными антителами — хорошо освоено, а сами они широко применяют в онкологии, ревматологии и других отраслях медицины.

Хитрый вирус…

Если технология производства лекарственных антител давно освоена, возникает закономерный вопрос: почему их до сих пор не используют для лечения ВИЧ? Проблема в том, что ВИЧ — по-настоящему крепкий орешек и так просто антителам не сдается. 

Чтобы закрепиться на поверхности вирусной частицы, «прилипнуть» к вирусу, антитело должно связаться с каким-то белком на поверхности вируса. Большая часть поверхности ВИЧ гладкая и покрыта двойным слоем липидов, которые вирус забирает у погибающей клетки-хозяина. Наша иммунная система на «свои» липиды не реагирует, что позволяет вирусу ускользать от иммунного ответа. 

Единственное, за что может «зацепиться» антитело на поверхности вируса, — это комплекс из белков gp41 и gp120, с помощью которых ВИЧ связывается с рецептором CD4+ и проникает в клетки человека. Но и эта мишень оказалась очень непростой для атаки. 

Во-первых, таких молекул очень мало — несколько десятков на всю поверхность одной вирусной частицы. А чем меньше мишеней, тем ниже вероятность того, что наша иммунная система распознает чужака и отреагирует.

Вторая проблема — очень высокая степень изменчивости белка gp120. ВИЧ постоянно мутирует, и даже в организме одного человека одновременно будут присутствовать множество вирусных частиц с разными вариантами строения gp120. Мы помним, что антитела высоко специфичны, и для успешного связывания антитело должно подходить к белку вируса как ключ к замку. В случае с ВИЧ наша иммунная система сталкивается одновременно с большим количеством не только разных, но еще и постоянно меняющихся «замков»-вирусов и просто не успевает подбирать к ним «ключи»-антитела.

В среднем на выработку антител против какого-то микроба наш организм тратит около двух недель. Так как ВИЧ умеет ускользать от иммунного ответа, организму требуется уже не меньше трех месяцев, чтобы подобрать эффективное нейтрализующее антитело. За это время вирус успевает мутировать, строение gp120 частично меняется, и подбор антител приходится начинать заново. Это гонка, в которой ВИЧ всегда оказывается на шаг впереди иммунитета. 

Белок gp120 меняется не полностью, у него есть и относительно стабильные участки, которые очень похожи у разных вариантов ВИЧ и отлично бы подошли для связывания с антителами. Но тут мы встречаемся с третьей проблемой — эти участки расположены в глубине белковой молекулы, и антитела до них «не дотягиваются», а легкодоступные для антител поверхностные части молекулы постоянно меняются и плохо подходят для связывания. 

Но и это еще не все: поверхность белкового комплекса gp41-gp120 покрыта большим количеством гликанов, с которыми антитела тоже плохо связываются, что дополнительно затрудняет нейтрализацию ВИЧ. Все это превращает вирусную частицу в настоящую крепость, практически неуязвимую для обычных антител.

...но антитела хитрее

При длительном присутствии ВИЧ в организме человека иммунная система некоторых людей в очень редких случаях постепенно приспосабливается к постоянно меняющемуся вирусу и начинает вырабатывать «универсальные» антитела, которые способны обходить защиту вируса и эффективно связываться сразу со многими вариантами ВИЧ. Такие антитела называют нейтрализующими антителами широкого спектра (broadly neutralizing antibodies — bNAbs) или просто широко нейтрализующими антителами.

Для поиска bNAbs ученые анализируют сотни тысяч образцов сыворотки крови людей, живущих с ВИЧ, со всего мира, определяя ее активность по отношению к разным вариантам ВИЧ. Иногда удается найти донора, чья сыворотка хорошо нейтрализует сотни разных вариантов ВИЧ. Это случается действительно редко и это — сочетание огромной удачи и титанического труда. 

У найденного донора ученые берут образцы B-лимфоцитов — особых клеток иммунной системы, которые синтезируют антитела. Задача осложняется тем, что в организме каждого человека присутствуют сотни тысяч различных B-лимфоцитов, отвечающих за выработку разных антител. И среди этого многообразия нужно найти именно те клетки, которые синтезируют нужное нам нейтрализующее антитело широкого спектра. То есть исследователям нужно не просто найти иголку в стоге сена, а сначала найти сам стог (донора) и только потом искать ту самую иголку (B-клетки). Вот почему масштабные исследования bNAbs начались сравнительно недавно — это работа высочайшей сложности.

После выделения и очистки нужные B-клетки клонируют в биореакторе, и они становятся постоянным источником антител для дальнейших исследований и производства препаратов. К настоящему моменту таким способом удалось обнаружить уже более 90 различных вариантов bNAbs.То есть bNAbs — это не изобретение ученых в чистом виде. Они рождаются в «живых биореакторах» — людях, чья иммунная система напряженно борется с вирусом и изобретает для этого уникальные молекулы — bNAbs. А современные биотехнологии позволяют исследователям передать опыт этой борьбы от иммунной системы одного человека сотням тысяч других людей в виде препаратов антител.

Нейтрализующие антитела широкого спектра имеют несколько интересных особенностей, которые позволяют им обходить защиту ВИЧ. Во-первых, это наличие длинных цепей, благодаря которым антитело способно «дотягиваться» до относительно стабильных участков вирусного белка gp120, преодолевая гликановый щит и изменчивые участки. Во-вторых, полиреактивность, благодаря которой антитело может связываться не только с вирусным белком, но и с его липидной мембраной, что делает связь более прочной и позволяет нейтрализовать вирус.

В настоящее время наиболее полно изучены антитела из семейств VRC, N49 и PGT, а также антитела 3BNC117, 10-1074, PG9, PG16, CAP256-VRC26.25, PGDM1400 и некоторые другие. Основное отличие этих антител друг от друга заключается в том, с каким конкретно участком вирусного белка они связываются и насколько прочная получается связь. 

После выделения потенциально интересного антитела иногда удается дополнительно улучшить его структуру с помощью компьютерного моделирования. Это позволяет еще больше повысить эффективность связывания антитела с вирусом и расширить его универсальность. Например, заменив несколько аминокислот в молекуле VRC07, ученые получили вариант VRC07–523, который оказался в 8 раз эффективнее по сравнению с исходной молекулой.

Какой бы широкой ни была нейтрализующая активность антител, пока ни одно из них не может покрыть весь спектр различных вариантов ВИЧ. Поэтому особенно перспективными представляются «коктейли» из нескольких антител, которые связываются с разными участками вирусного белка.

Новые лекарства

На сегодняшний день перспективные препараты на основе bNAbs находятся на разных стадиях исследований, и ни один из них пока не применяется в широкой клинической практике. Но это лишь вопрос времени, так как последние результаты исследований выглядят весьма многообещающе.

Главное преимущество антител по сравнению с традиционной АРТ — длительная циркуляция в крови, что позволяет вводить препарат раз в несколько недель или даже месяцев. Так как антитела — это естественные белки человеческого организма, большинство пациентов хорошо переносят такую терапию, и побочные эффекты встречаются достаточно редко.

Главный недостаток — все препараты нужно вводить внутривенно, в лучшем случае — подкожно, то есть требуется участие квалифицированного специалиста или обучение пациента. Также препараты антител имеют довольно высокую стоимость, потенциально ограничивающую их доступность, особенно в странах со средним и низким уровнем дохода. 

Учитывая пролонгированный эффект bNAbs, они также могут стать перспективными препаратами для профилактики ВИЧ в уязвимых группах, особенно в тех случаях, когда пациенту может быть сложно соблюдать ежедневный прием традиционного химиопрепарата.

К сожалению, сейчас нет никаких данных, которые бы говорили о том, что применение bNAbs способно полностью удалить ВИЧ из организма человека. Да и вряд ли это возможно даже теоретически, ведь антитела могут связывать только циркулирующий в крови вирус, но никак не затрагивают его внутриклеточные резервуары. В любом случае препараты на основе bNAbs точно займут свою нишу в арсенале противовирусных средств для лечения и профилактики ВИЧ благодаря длительному действию и хорошей переносимости.

Иллюстрации: Надя Ще