Вирус в роли кинозвезды

Время, когда «охотникам за микробами» приходилось вести свою героическую и самоотверженную работу наугад, действовать практически вслепую, давно кануло в прошлое. Сегодняшние микробиологи и вирусологи располагают оптическими и электронными микроскопами очень высокой разрешающей способности, в их распоряжении – множество тонких аналитических методик и визуализирующих технологий. Однако о том, чтобы воочию увидеть процесс распространения вирусной инфекции, своими глазами во всех подробностях проследить за тем, как вирус проникает в здоровую клетку, до самого недавнего времени исследователям приходилось лишь мечтать. И вот теперь эта мечта стала явью.

Группа учёных во главе с профессором Михаэлем Халлеком (Michael Hallek) из Мюнхенского центра генетических исследований и профессором Кристофом Бройхле (Christoph Bräuchle) из Института физической химии при Мюнхенском университете Людвига Максимилиана разработала технологию, позволяющую не только наблюдать, но и регистрировать на видеоплёнку, как отдельный вирус внедряется в клетку человеческого организма. Профессор Бройхле поясняет:

Бройхле: Мы видим вирус, как он приближается к клетке, видим, как он адсорбируется на её поверхности, как он проникает внутрь, как он добирается до ядра (причём эта внутриклеточная транспортировка может осуществляться самыми разными способами). Мы видим, наконец, как вирус внедряется в ядро клетки, как раскрывает там свою белковую оболочку – так называемый капсид – и освобождает нуклеиновую кислоту – ДНК или РНК, – которая является носителем его наследственной информации. По сути дела, клетка представляет собой химическую фабрику, которая производит продукцию в соответствие с инструкциями, заложенными в её генетическом коде. Внедрившись в клетку, вирус переподчиняет её себе, так что она начинает действовать согласно его генетическому коду.

Наблюдение за всеми этими процессами стало возможным благодаря двум новаторским разработкам. Во-первых, мюнхенским учёным впервые удалось осуществить прецизионную маркировку вируса: его делает видимым одна-единственная молекула флюоресцентного красителя. Такая исключительная точность совершенно необходима, – подчёркивает профессор Бройхле:

Бройхле: Благодаря этому взаимодействие между вирусом и клеткой практически не нарушается. Их поведение остаётся совершенно нормальным. Это позволяет нам вести наблюдения и видеосъёмку как бы в естественных физиологических условиях.

Вторая инновация – это сконструированный мюнхенскими исследователями специальный высокочувствительный электронный микроскоп. Луч встроенного лазера вызывает флюоресценцию красителя, вирус начинает светиться и благодаря этому становится видимым. Его след регистрируется цифровой видеокамерой с высоким разрешением. Профессор Бройхле не без гордости поясняет:

Бройхле: Пространственное разрешение столь высоко, что позволяет нам видеть каждое движение вируса, каждое его подрагивание. Это и понятно: если размеры самых мелких вирусов составляют никак не меньше 15-ти нанометров, то наш прибор способен различать детали до 10-ти нанометров. Временнóе разрешение также исключительно высоко: 10 миллисекунд. Иными словами, мы имеем возможность непосредственно на экране монитора наблюдать за любыми, даже самыми незначительными перемещениями вируса в режиме реального времени.

До сих пор, чтобы проследить за взаимодействием вирусов и клеток, учёные были вынуждены действовать более грубо: метить вирусы очень большими порциями красителя, а заодно создавать неестественно высокую концентрацию вирусов. Это не только изрядно затрудняло наблюдение, поскольку все вирусы сливались как бы в одно светящееся облако, но и приводило исследователей к весьма искажённому представлению о протекающих в природе процессах. Например, повышенная концентрация заставляла вирусы скапливаться возле определённых рецепторов оболочки клетки. Эти рецепторы интерпретировались учёными как некое «узкое место» для вирусов и, соответственно, как объект воздействия для новых биологически активных веществ, предназначенных для противовирусной терапии. Теперь благодаря работе мюнхенских исследователей стало совершенно ясно, что такая интерпретация ошибочна. В нормальных условиях никакого скопления вирусов на оболочке клетки не возникает.

Кристоф Бройхле и его коллеги уже засняли более тысячи взаимодействий вируса и клетки. На этих видеоклипах отчётливо видно, как вирус стучится в клетку и как она его впускает. Впрочем, бывает, что и не впускает. В таких случаях вирус отскакивает, словно теннисный мяч, и предпринимает вторую, третью, четвёртую или даже пятую попытку. Довольно часто ему так и не удаётся найти подходящий рецептор, и инфицирование клетки не происходит. Профессор Бройхле не упускает возможности продемонстрировать коллегам такие видеоклипы:

Бройхле: Вы видите здесь, как вирус приближается к клетке, сталкивается с ней, отскакивает, ударяется ещё раз, снова отлетает и удаляется совсем...

Бройхле: А в другом фильме, вот здесь, вы видите, как вирус подплывает к клетке, задерживается на мгновение... раз! и он уже внутри.

Скорость, с которой происходит проникновение вируса внутрь клетки, особенно поразила исследователей. Часто преодоление оболочки клетки занимает лишь доли секунды, а между первым соприкосновением вируса с клеткой и его проникновением внутрь ядра проходит в среднем всего пятнадцать минут. Прежде вирусологи полагали, что первый процесс занимает, по крайней мере, минуты, а второй – часы. Не менее интересную информацию учёные почерпнули также из наблюдений за тем, как ведёт себя вирус внутри клетки, какими способами он преодолевает расстояние до ядра. Порой он закутывается в небольшой фрагмент клеточной оболочки и в виде так называемых эндосом медленно плывёт по цитоплазме к ядру. Однако нередко вирус использует в качестве транспортного средства специальные внутриклеточные белки, которые, словно скоростная канатная дорога, прямиком доставляют его к месту назначения. Таким образом, разработки мюнхенских учёных позволяют гораздо детальнее понять механизмы распространения вирусной инфекции на клеточном уровне. Правда, пока всё это – сугубо фундаментальные исследования, однако они открывают немало новых возможностей в совершенствовании противовирусной терапии. И не только это. Например, аденовирусы, обычно вызывающие у человека лёгкую простуду, в обезвреженном и модифицированном виде применяются сегодня в качестве так называемых генетических векторов, то есть средств доставки определённых генов в клетки того или иного органа. Такую генную терапию врачи пытаются использовать при лечении ряда наследственных заболеваний, связанных с генетическими дефектами, или для маркировки опухолевых клеток, чтобы их распознавала собственная иммунная система больного. Так вот, оптимизация вирусов в качестве генетических векторов – это тоже одна из возможных сфер применения разработок мюнхенских учёных. Профессор Бройхле поясняет:

Бройхле: Там наша методика может сыграть важную роль потому, что она даёт возможность воочию увидеть, на каком участке пути у такого вирусного вектора, призванного доставить внедрённый ген в определённое место, вдруг возникают проблемы. Или другой аспект: прежде чем использовать вирус в качестве генетического вектора, его модифицируют так, чтобы он действовал строго избирательно, внедрялся только в определённые клетки. Так вот, наша методика позволяет все эти процессы отследить, показать во всех деталях, подтвердить или опровергнуть эффективность модификации.

Весьма значительный интерес к разработке мюнхенских учёных проявляют и фармакологические концерны, поскольку она позволит им уже на ранних стадиях исследования испытывать на живых человеческих клетках биологически активные вещества, предназначенные для создания новых противовирусных лекарственных препаратов. 80 процентов всех таких веществ можно было бы отсеивать заранее, ещё до начала экспериментов на животных, не говоря уже о клинических испытаниях на людях. Согласно предварительным расчётам, это позволит на три четверти сократить расходы на разработку новых медикаментов. В ближайших планах профессора Бройхле и его коллег – изучение вирусов оспы и разных форм герпеса, а также инфекционного мононуклеоза, то есть вируса Эпстайна-Барра. Затем учёные собираются заняться вирусом иммунодефицита человека. А ещё они намерены использовать свою методику и свой микроскоп для того, чтобы попытаться проследить, как клетка инфицируется возбудителем коровьего бешенства, то есть уже даже и не вирусом, а гораздо более мелким патогеном – прионом, аномальным белком.

Впрочем, о прионах мы поговорим как-нибудь в другой раз, а пока продолжим вирусную тему. Речь пойдёт о разработке, авторами которой являются вовсе не биологи, медики или генетики, а группа физиков-теоретиков. Учёные Кильского университета во главе со Штефаном Борнхольдтом (Stefan Bornholdt) создали компьютерную программу, позволяющую с высокой степенью достоверности моделировать противоборство между вирусом и иммунной системой человека. Это вечное противоборство отчасти напоминает игру в кошки-мышки: вирусы проникают в организм, иммунная система пытается с ними справиться. Чтобы выжить в этой борьбе, вирусы постоянно мутируют, то есть видоизменяются; иммунная система не отстаёт, отслеживает все эти мутации и старается найти эффективные средства борьбы с видоизменёнными вирусами; те, в свою очередь, ищут новые способы обмануть иммунную систему. Эволюция вирусов сама по себе изучена довольно неплохо. По словам Штефана Борнхольдта, этот процесс давно описан математически, разработана его компьютерная модель. Теперь кильские физики использовали тот же самый математический аппарат для моделирования процесса эволюции клеток иммунной системы. А потом... Штефан Борнхольдт говорит:

Борнхольдт: А потом было, конечно, очень интересно посмотреть, не удастся ли эти две модели увязать между собой. Ведь в природе вирусы и иммунная система развиваются не сами по себе, изолированно друг от друга. Напротив, они находятся в постоянном и очень жёстком противоборстве. И такую совместную эволюцию мы попытались смоделировать в компьютере, наложив модель эволюции вируса на модель эволюции иммунной системы.

Такая операция позволила получить гораздо более детальное представление о совместной эволюции. С помощью этой компьютерной модели учёные хотели, прежде всего, выяснить, способна ли иммунная система человека использовать с выгодой для себя динамику такой игры в кошки-мышки. Штефан Борнхольдт поясняет:

Борнхольдт: Если, скажем, параметры мутаций, посредством которых иммунная система обновляет и модернизирует свои клетки, чтобы встретить мутировавшие вирусы во всеоружии, так вот, если эти параметры выбраны удачно, если они позволяют организму эффективно справляться с инфекцией, то тут уж перед вирусом встаёт вопрос, в каком направлении ему дальше мутировать и какой темп мутации для него оптимален.

Для вируса это далеко не праздный вопрос. Его жизнь зависит от выбора оптимального темпа мутации. Если вирус будет мутировать слишком быстро, это может поставить под угрозу весь ход его эволюции. Если же он будет мутировать слишком медленно, это даст возможность клеткам иммунной системы распознать все его хитрости и приёмы: иммунная система успеет хорошо приспособиться к его особенностям и подготовиться к обороне. Регулируя скорость собственных изменений, иммунная система сможет развернуть против вируса стратегические действия. С одной стороны, такие изменения должны происходить достаточно быстро, чтобы не отстать от темпов мутации вируса; с другой стороны, они не должны происходить слишком быстро, иначе растёт риск проглядеть, не заметить и не отреагировать вовремя на те или иные опасные мутации вируса.

Когда учёные сопоставили результаты вычислений на базе созданной ими компьютерной модели с результатами исследований реальных иммунных реакций человека и других позвоночных, они были поражены обилием и точностью совпадений. Полученные данные позволяют утверждать, что иммунная система действует на редкость рационально и разумно, – говорит Штефан Борнхольдт. Но на этом кильские учёные не остановились:

Борнхольдт: Если задаться вопросом, зачем всё это нужно, то ответ ясен: когда мы поймём во всех деталях, чем определяется динамика борьбы между вирусами и иммунной системой, тогда мы сможем эффективнее и осмысленнее разрабатывать методики терапии инфекционных заболеваний, принимать меры, направленные на укрепление иммунной системы и усиление иммунного ответа, определять стратегию профилактических прививок и так далее.

До этого, правда, ещё далеко. Во всяком случае, врачам-клиницистам от разработки кильских учёных никакой практической пользы пока нет, но иммунологи-теоретики уже проявили к ней интерес. Между тем, Штефан Борнхольдт и его коллеги намерены совершенствовать свою модель. Они пытаются, в частности, создать виртуальный вирус СПИДа и воспроизвести в компьютере механизм его действия. От прочих вирусов вирус иммунодефицита отличается тем, что он внедряется непосредственно в клетки иммунной системы и таким образом подавляет иммунный ответ на все патогены, а не только на себя самого. Штефан Борнхольдт говорит:

Борнхольдт: Сейчас мы стараемся понять, почему заболевание СПИДом протекает совершенно не так, как все прочие вирусные заболевания. Отличий тут очень много: например, для СПИДа характерен крайне продолжительный инкубационный период, причём в сочетании с очень большим разбросом этого параметра; или весьма странный феномен, выражающийся в том, что многие пациенты, инфицированные вирусом иммунодефицита человека, так никогда и не заболевают СПИДом.

Этот феномен не поддаётся объяснению в рамках традиционных моделей. Зато динамические модели могут, по мнению учёных, помочь им выявить целый ряд интересных особенностей и закономерностей, касающихся мутаций вирусов вообще и поразительной изменчивости вируса СПИДа в частности.