Hamstritest Paavianideni: Loomad, Kes Aitavad Teadlasi Koronaviirusest Aru Saada

Erinevad liigid aitavad vaktsiinide ja raviviiside väljatöötamisel vastata erinevatele küsimustele inimeste COVID-19 kohta.

Teadlased uurivad, kuidas uudne koronaviirus, SARS-CoV-2, haigusi põhjustab, samuti võistlevad ravimeetodite ja kriitiliselt vaktsiini väljatöötamisel. Töö tugineb suuresti harva tunnustatud mängijale: uurimisloomadele. Üks kõige ebatavalisemaid asju SARS-CoV-2 puhul on inimeste raskete haiguste raskusaste - alates kergetest või asümptomaatilistest infektsioonidest kuni surmavateni. Sellist kliinilist mitmekesisust kajastavate loomamudelite loomine on oluline, ehkki keeruline. Siin on segamini olendid, alates alandlikust laborihiirest kuni hamstrite ja paavianideni. Me ei tea veel, millised loomad osutuvad kõige kasulikumaks; erinevatele küsimustele vastamiseks võivad kõige paremini sobida erinevad liigid.

Tõsiste haiguste paljundamine on eriti keeruline, kuid raske ägeda respiratoorse sündroomi (SARS) ja Lähis-Ida respiratoorse sündroomi (MERS) põhjustavate koronaviiruste uuringud on loonud olulise aluse. Meditsiinilise uurimise loomad on hiired: neid saab kiiresti aretada ja odavalt hankida ning teadlastel on nendega töötamiseks juba palju tööriistu. Kahjuks ei tundu need närilised, ehkki nad pole nakkuse suhtes immuunsed, uue viiruse poolt halba mõju. Sama lugu oli SARS-iga, kuid kaks strateegiat osutusid tõhusaks: hiirte kohandamine viirusega või viiruse kohandamine hiirtega.

Insenerihiired

2007. aastal Iowa ülikooli mikrobioloog Stanley Perlman ja tema kolleegid konstrueerisid geneetiliselt hiired geneetiliselt muundatud angiotensiini konverteeriva ensüümi 2 (ACE2) retseptori inimversiooni tootmiseks, mida algne SARS-viirus rakkudele kinnitas. Haigus oli nendele “hACE2” hiirtele surmav. SARS-CoV-2 kasutab sama retseptorit, seega peaksid ka HACE2 hiired olema uue viiruse suhtes haavatavad, ütleb Perlman. Ta on saatnud külmutatud hiire sperma proovid Jacksoni laboratooriumi, mis aretab loomi ja valmistub nende levitamiseks teistele laboritele kogu maailmas. "Meil peaks olema piisavalt, et teadusringkonnad saaksid juuni keskpaigaks oma katsed läbi viia," ütleb neuroteadlane Cat Lutz, kes juhib Jacksoni labori hiirehoidlat - üht USA suurimat.

Siis riiklikus allergia- ja nakkushaiguste instituudis töötanud viroloog Kanta Subbarao ja tema kolleegid läksid teist teed: nad lõid SARS-viiruse tüve, mis oli tavalistele hiirtele surmav. Teadlased kasutasid tehnikat, mida nimetatakse järjestikuseks läbimiseks, mis hõlmab viiruse eraldamist nakatunud hiire kopsudest, kasutades seda teise inokuleerimiseks ja seejärel protsessi korrata täiendavatel hiirtel. Pärast 15 tsüklit lõid nad SARS-i tüve, mis oli hiirtele 100 protsenti surmav. Kaasatud geneetiliste mutatsioonide uurimine võimaldas neil ka midagi teada saada, kuidas viirus põhjustas haigust. Kuigi HACE2 hiired on suure tõenäosusega uue koronaviiruse suhtes vastuvõtlikud, võivad neil ilmneda palju kergemad haigused kui SARS-i puhul. "Eeldatakse, et SARS-CoV-2 tuleb kohandada HACE2 hiirte [jada] läbipääsu abil," ütleb Subbarao, nüüd Austraalias Peter Doherty Infektsiooni ja Immuunsuse Instituudis. Teadlaste käsutuses on ka proosalisemad tööriistad. "Me võime võimaliku raskusastme saamiseks manipuleerida [viiruse] annuse ja manustamisviisiga," ütleb Lutz.

Perlman pole oodanud, et näha, kuidas tema hACE2 hiire tüvi reageerib SARS-CoV-2-le. Ta kasutas inimese ACE2 geeni täiskasvanud hiirerakkudesse kandmiseks "vektorina" seostumatut viirust, muutes need ajutiselt vastuvõtlikuks uuele koronaviirusele - lähenemisviis, mille ta oli MERSi uurimisel. See meetod on kiirem kui spermatosoidide või munarakkude muutmine. See meetod on kasulik terapeutiliste ainete testimiseks looma nakatumise ajal. Kuid see ei ole hea patogeneesi uuringute jaoks, mis püüavad aidata teadlastel mõista, kuidas viirus rakkudesse siseneb ja paljuneb või milliseid rakke see viirus ründab. Perlman kasutab hiire ACE2 retseptori muutmiseks ka geenitöötlust, et SARS-CoV-2 saaks selle ära tunda. Teised muudavad viiruse genoomi, et see saaks kinnituda hiire retseptoriga. "Nad võivad hästi kasutada mis tahes hiire tüve", et uurida COVID-19, ütleb Perlman. "See oleks tohutu samm edasi."

Hamstrid, tuhkrud ja kassid

Teadlased vaatavad ka hiirtest kaugemale. Subbarao ja tema kolleegid leidsid, et hamstrid olid SARS-i uurimisel kasulikud, nii et mõned teadlased kasutavad neid uuesti COVID-19 jaoks. Hongkongi ülikooli meeskond näitas, et SARS-CoV-2 kordub hamstritel, tekitades osa inimestel täheldatud kopsukahjustustest. Ükski loom ei surnud, kuid oli märke haigusest, sealhulgas kehakaalu langusest. Hamstrid tootsid antikehi. Ja taastunud loomade vereseerum, mis anti teistele enne nakatumist, alandas küll viirusetaset, kuid ei vähendanud oluliselt kopsupatoloogiat.

Teadlased uurivad sageli tuhkrute hingamisteede haigusi, kuna nende kopsufüsioloogia sarnaneb inimeste omaga. Lõuna-Korea meeskond leidis, et SARS-CoV-2-ga nakatatud tuhkrutel oli kõrgenenud temperatuur ja kerge kopsuhaigus. Päevi hiljem avaldatud paberist ilmnes, et viirus paljunes tõhusalt ainult tuhkrute ülemiste hingamisteede, mitte nende alumiste hingamisteedes, mis ei kajasta inimeste rasket haigust. Selles uuringus leiti ka, et viirus levis kasside vahel külgnevates puurides, mis viitab hingamisteede tilkade levikule. Nii et kassid võivad olla kasulikud viiruse leviku uurimisel. Mõne loomaga on raskem töötada kui teistega. "Paljud hiirtel kasutatava immuunsüsteemi uurimise vahendid ei ole tuhkrute ega hamstrite jaoks sugugi nii hästi välja töötatud," ütleb patoloog David O'Connor Wisconsini ülikoolist-Madisonist, kes uurib mitteinimlikke primaate. teadlaste laiaulatuslikust koostööst, kasutades erinevaid meetodeid ja pannes kõik oma andmed veebiportaali nimega CoVen. "Kasside kohta on veel vähem uuringuid, nii et tööriistu on veelgi vähem." Mõningaid loomi on ka raskem hankida või nende eest hoolitseda või need on kallimad, kuid teadlased vajavad enne mis tahes liigi välistamist rohkem teavet. "Sellises hädaolukorras, kus meil pole luksuslikku aega, peame laskma bioloogial end juhtida," ütleb O’Connor. "Võib osutuda, et need vähem tavapärased mudelid on parim lähenemisviis, sellisel juhul peame nende uurimiseks arendama asjatundlikkust."

Ahvid

Muid inimprimaate on "vaktsiinide ja terapeutiliste ainete testimisel kullastandard," ütleb viroloog Barry Rockx Hollandi Erasmuse ülikooli meditsiinikeskusest. Hiina meditsiiniteaduste akadeemia ja Pekingi liidu meditsiinikolledži viroloog Chuan Qini ja tema kolleegide eeltrükiarvutis, mis postitati märtsis veebi, leiti, et viirus paljuneb reesusmakakade ninades, kopsudes ja sooltes. Loomad kaotasid kaalu ja neil ilmnesid kopsupõletiku tunnused. Uuring pälvis tähelepanu, kuna teadlased näitasid, et paranenud ahve ei olnud võimalik uuesti nakatada. "See pakkus häid uudiseid: et looduslikud nakkused võivad esile kutsuda kaitsva immuunvastuse," ütleb O’Connor, "kuigi vastupidavus tuleb veel välja mõelda." USA meeskond on eelprindiuuringus näidanud ka, et viirusevastast remdesiviiri (mis hiljuti kiideti heaks kiidetud kasutamiseks COVID-19 patsientide ravimisel) nakatunud reesusemakakkidel olid kergemad sümptomid ja kopsupatoloogia.

Üks peamisi tegureid, mis mõjutavad inimeste COVID-19 raskusastet, on inimese vanus, seetõttu uurivad mõned teadlased loomi erinevas vanuses. Rockx juhtis hiljutist uuringut, milles kasutati nii noori kui ka vanu cynomolgus-makaake - neist ühelgi ei olnud ilmseid sümptomeid. "Kliinilisi tunnuseid pole, kuid kopsukahjustusi näete," ütleb ta. See loomamudel võiks olla kasulik katsetamaks, kas ravimid vähendavad haiguse edasikandumist või avaldavad kahjulikke mõjusid, lisab Rockx. Ta ja tema kolleegid avastasid, et vanematel ahvidel on rohkem viirusi, kuid nende loomade haigus ei olnud raskem. Samal ajal uurivad Texase Biomeditsiiniliste Uuringute Instituudi (Texas Biomed) teadlased reesusemakakke, paaviane ja marmosette korraga. "Võrdleme paljusid mitteinimese primaatide liike, et näha, kas suudame kokku võtta inimestel täheldatud [haiguste vahemiku]," ütleb Deepak Kaushal, Texas Biomedi edelaosa riikliku primaatide uurimiskeskuse direktor. Tema meeskond ei näe ka vanuse järgi olulisi erinevusi raskusastmetes.

Tuletame siiski meelde, et ainult väike osa COVID-19-ga inimestest haigestub kriitiliselt. Ja nendes uuringutes kasutati ahve suhteliselt vähe. Need hoiatused illustreerivad ebainimlike primaatide puudust: eetiliste ja praktiliste probleemide tõttu ei ole võimalik uurida piisavalt suurt hulka neist, et paljastada haiguse kõik tahud, või isegi arvukate statistiliste andmete arvutamiseks. Kuid see pole esmane eesmärk. O’Connori uuringud hõlmavad viiruse süstimist sügavale cynomolgus-makaagide kopsudesse, et esile kutsuda mõõdetav haigus. "Meil on kopsuhaigus, mida on võimalik mõõta, mis tähendab, et saame selle vähenemist mõõta meditsiiniliste vastumeetmete näiduna," ütleb ta. Tõsiste haiguste teema muutub akadeemiliseks, "lisab ta," sest kui te ei saa järjekindlalt sama näitu, pole teil vaktsiinide ja ravimite testimiseks head süsteemi. " Primaadid, kes ei ole inimkonnad, alluvad uurimistööle kõige kõrgemale eetikale, mistõttu neid kasutatakse säästlikult.

Lõppeesmärk

Loomkatsete oluline eelis on kontroll. "Inimeste puhul ei tea te, millal nad nakatuvad, mis täpselt juhtub," ütleb Perlman. "Eksperimentaalselt nakatunud loomal saate haigusest palju paremini aru, sest saate manipuleerida parameetritega," nagu kokkupuuteviis, nakatumise doos ja aeg. Sama põhimõte kehtib ka tõhususe ja ohutuse andmete kogumisel. "Teil pole kliinilises uuringus kunagi sellist kontrolli," ütleb O’Connor. "Seal on loomamudelid hädavajalikud."

Olemasolevad vaktsiinistrateegiad, mis põhinevad osaliselt SARS-i jaoks välja töötatud strateegiatel, on viinud selleni, et mõned COVID-19 vaktsiini kandidaadid jätavad loomkatse etapi vahele. "See on COVID-19 ajastul väljakutse, sest inimesed ei taha oodata," ütleb Perlman. "Narkootikumide puhul pole hea mõte looma samme vahele jätta. Kuid vaktsiinide puhul jäetakse need tõesti vahele või minimeeritakse. " Kiireloomuline vajadus, väljakujunenud loommudelite puudumine ja varasem kogemus mõnede vaktsiiniplatvormide kasutamisel on ajakava kiirendanud. Asjaolu, et vaktsiinistrateegiaid on inimestel katsetatud, isegi kui erinevate patogeenide puhul, annab mõningase kindluse ohutuse osas, kuid on ka varasemate loomkatsete tõstatatud nägemus: vaktsiinid võivad mõnikord haigust võimendada, sealhulgas nähtus, mida tuntakse antikehadest sõltuva täiustamine. Kui see probleem peaks tekkima COVID-19 vaktsiini puhul, "tahate seda teada," ütleb Texas Biomedi president Larry Schlesinger. Teadlased peavad mõistma ka immuunvastuseid. Värskeimad Hiina andmed näitavad, et mitte kõik viirusega nakatunud inimesed ei tekita immuunsuseks piisavalt kaitsvaid või "neutraliseerivaid" antikehi. Ja SARS-CoV-2 pole olnud piisavalt kaua aega, et me teaksime, kui kaua inimesed, keda võib kaitsta, sellisena püsivad. "Sellel on oluline mõju sellele, milline vaktsiin välja näeks," ütleb O’Connor.

Alles eelmisel nädalal ajakirjas Science avaldas Qin ja tema kolleegid inaktiveeritud SARS-CoV-2 viiruse vaktsiinikandidaadi uuringu tulemused, mis toodavad neutraliseerivaid antikehi, mis seonduvad viiruse "piigi" valguga, mis võimaldab tal rakkudesse siseneda. Teadlased näitasid, et vaktsiin nimega PiCoVacc tekitas hiirtel, rottidel ja reesusemakakkidel immuunvastuseid, mis kaitsesid viirusetüvede eest. Rahustavalt ei näinud nad antikehast sõltuva võimendumise märke. Eeldatakse, et inimkatsed algavad selle aasta lõpus. Kui ükski neist esimestest katsetest ei õnnestu, võivad alusuuringud muutuda kriitiliseks. Keerukamate strateegiate järgimiseks võib vaja minna paremat mõistmist. Ja viiruse mõistmiseks peavad teadlased seda uurima elusorganismides. "Kõik loodavad, et üldised lähenemisviisid, mida me juba katsetame, osutuvad suurepäraselt edukaks," ütleb O’Connor. Vaktsiini väljatöötamine võib olla lihtne, kuid peame inimesi ette valmistama võimaluseks, et see ei pruugi olla.

Koroonaviiruse puhangu kohta lugege lähemalt siit Scientific American. Ja lugege meie rahvusvahelise ajakirjade võrgustiku kajastusi siit.