Strona używa plików cookies więcej

Wydarzenia

Koronawirus SARS-CoV-2 – biologia, wykrywanie i zwalczanie

Pandemia koronawirusa to czas zupełnie niecodzienny dla nas wszystkich. Mierzymy się i będziemy mierzyć ze strachem i niepewnością o zdrowie nasze i naszych bliskich, o miejsca pracy, o przyszłość. Niektórzy – także ze stratą bliskich. Musieliśmy zmienić codzienne funkcjonowanie, przeorganizować pracę i naukę, opiekę nad dziećmi.
Nie wiemy, kiedy wrócimy do „codzienności” i czy ta znana nam – w ogóle powróci. Nie jesteśmy w stanie przewidzieć, jak będzie rozwijać się sytuacja.
W tym trudnym okresie poprosiliśmy kilkoro naukowczyń i naukowców z UWr, żeby podzielili się swoimi przemyśleniami i refleksjami, przedstawili, jak ich dziedzina „patrzy” na koronowirusa.
Na początek prof. Zuzanna Drulis-Kawa z Instytutu Genetyki i Mikrobiologii, członkini powołanego przez Rektora UWr zespołu do monitorowania sytuacji sanitarno-epidemiologicznej, o tym, czym właściwie koronawirus jest.

SARS-CoV-2 (severe acute respiratory syndrome coronavirus 2) to wirus wywołujący zespół ciężkiej ostrej niewydolności oddechowej – jednostkę chorobową nazwaną COVID-19 (coronavirus disease-19). Pierwsze zachorowania na COVID-19 odnotowano w grudniu 2019 r. w Chinach. W styczniu 2020 r. choroba zaczęła się szybko rozprzestrzeniać na całym obszarze Chin kontynentalnych, z epicentrum w mieście Wuhan (Zhou et al. 2020). Wirus SARS-CoV-2 okazał się wysoce zakaźny, a przenoszony z człowieka na człowieka drogą kropelkową, bardzo szybko został „wywieziony” do najodleglejszych krańców świata. Już po dwóch miesiącach od wybuchu epidemii w Wuhan COVID-19 osiągnął rozmiary pandemii, co ogłosiła Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) 11 marca 2020 r.

Wirus SARS-CoV-2 jest siódmym poznanym wirusem z rodziny koronawirusów zakażającym człowieka. Do tej grupy należy również wirus SARS-CoV, który wywołał epidemię w latach 2002–2003, oraz wirus MERS-CoV, odpowiedzialny za ostrą chorobę zakaźną zwaną bliskowschodnim zespołem niewydolności oddechowej, opisaną po raz pierwszy w 2012 r. Pozostałe wirusy z tej grupy odpowiedzialne są za łagodne zakażenia układu oddechowego ludzi i zwierząt (Zhou et al. 2020; Andersen et al. 2020).

SARS-CoV-2 jest wirusem osłonkowym, którego genom stanowi jednoniciowe RNA o dodatniej polarności złożone z 29 903 nukleotydów, co czyni go jednym z największych wirusów RNA. Cechą charakterystyczną jest „korona” wirusa, zbudowana z wystającej na powierzchni wirusa glikoproteiny S. Glikoproteina S, tworząca „wypustki/kolce” wirusa, warunkuje rozpoznanie receptorów na powierzchni komórki gospodarza i wnikanie wirusa do jej wnętrza.

Koronawirusy wykazują tropizm do komórek nabłonkowych wyścielających drogi oddechowe oraz układ pokarmowy. Receptorem, do którego wiążą się cząstki wirusa SARS-CoV-2, jest białko ACE2 (konwertaza angiotensyny II), występujące zarówno u ludzi, jak i nietoperzy, które m.in. reguluje skurcze drobnych naczyń tętniczych i ciśnienie krwi (Zhou et al. 2020).

Ostatnie badania opublikowane na łamach „Antiviral Research” (Sigrist et al. 2020) sugerują, że SARS-CoV-2 może również wykorzystywać dodatkowo inne receptory (integryny) do przyczepiania się do naszych komórek. Warunkuje to unikatowa budowa jego glikoproteiny S, różniąca się od analogicznych struktur u innych koronawirusów. Taka unikatowa budowa SARS-CoV-2 może potencjalnie wpłynąć na poszerzenie jego tropizmu do różnych komórek docelowych i zwiększenie wirulencji patogenu (Sigrist et al. 2020). Co ciekawe, strategia przyczepiania się do integryn jest rozpowszechniona u innych ludzkich wirusów, niespokrewnionych z SARS-CoV-2, takich jak andenowirusy, rotawirusy czy cytomegalii.

W analizach sekwencji materiału genetycznego SARS-CoV-2, wykonanych przez zespół Andersena (Andersen et al. 2020), stwierdzono, że wirus ten nie został wygenerowany sztucznie w laboratorium. Porównaniom szczegółowym poddano sekwencję kodującą glikoproteinę S i okazało się, że białko to jest podobne do białek wirusa ludzkiego SARS-CoV, wirusów nietoperzy oraz łuskowca malajskiego (Andersen et al. 2020).

Są jednak pewne znaczne różnice, które prawdopodobnie mogą zwiększać zjadliwość wirusa SARS-CoV-2. Pojawienie się dodatkowych elementów w sekwencji glikoproteiny S, takich jak „O-linked glycans”, oraz miejsca cięcia dla ludzkiego enzymu furyny pozwoliły prawdopodobnie na przełamanie bariery gatunkowej, namnażanie się i łatwe przekazywanie w układzie człowiek – człowiek. Podobną zależność zaobserwowano we wcześniejszych badaniach nad wirusem grypy ptasiej, który analogicznie nabył zdolność zakażania i łatwej transmisji z człowieka na człowieka. Powyższe modyfikacje w strukturze powierzchniowej glikoproteiny S mogą zatem potencjalnie zwiększać infekcyjność wirusa SARSCoV-2.

Dokładne pochodzenie wirusa SARS-CoV-2 jest na razie nieznane, ale osiemdziesięcioprocentowe podobieństwo do SARS-CoV, który wywołał zachorowania w latach 2002–2003, wskazuje, że oba wirusy prawdopodobnie wywodzą się z naturalnego rezerwuaru, jakim są nietoperze (Zhou et al. 2020). Wydaje się zatem, że nowy wirus SARS-CoV-2 jest wirusem odzwierzęcym, który wyewoluował i dostosował się do nowego gospodarza, jakim jest człowiek. Istnieją dwa scenariusze tego procesu. Pierwszy to selekcja naturalna w organizmie gospodarza zwierzęcego i następnie przeniesienie zoonotyczne na człowieka. Drugi to selekcyjny dobór naturalny w trakcie namnażania się u człowieka po przeniesieniu zoonotycznym (Andersen et al. 2020). Biorąc pod uwagę, że wirusy mające materiał genetyczny zapisany na nici RNA, są bardziej zmienne niż wirusy DNA, możemy się spodziewać powstawania kolejnych „nowych wirusów”. Zmienność obserwujemy również na przykładzie samego SARS-CoV-2, którego klony chiński, europejski oraz amerykański różnią się od siebie. Ogólnie, z punktu widzenia epidemiologii, „nowe” patogeny na początku charakteryzują się dużą zjadliwością wobec nowego gospodarza, a z czasem „łagodnieją”. Im częstość mutacji jest większa, czyli patogen jest bardziej zmienny, tym szybciej możemy obserwować proces łagodnienia.

Diagnostyka COVID-19

Według obecnych zaleceń WHO w diagnostyce zakażeń SARS-CoV-2 stosujemy metodę „real-time RT-PCR” do wykrywania materiału genetycznego wirusa w próbkach pobranych z górnych lub dolnych dróg oddechowych pacjenta. Metoda ta jest czuła i wysoce specyficzna ze względu na wykrywanie sekwencji kwasu nukleinowego specyficznej dla wirusa SARS-CoV-2.

Teoretycznie można również wykrywać fragmenty wirusa w pobieranych próbkach przy użyciu znakowanych przeciwciał monoklonalnych, co z punktu widzenia obróbki materiału i czasu analizy byłoby szybsze niż metoda „real-time RT-PCR”. Jednakże opracowanie takich testów wymaga czasu i również wystandaryzowania metodologii.

Odmiennym podejściem w diagnostyce zakażeń są metody serologiczne, oparte na wykrywaniu w surowicy ludzkiej przeciwciał swoistych względem białek wirusowych, które nasz organizm wytworzył w odpowiedzi na zakażenie. Ponieważ COVID-19 jest nową jednostką chorobową, nie ma jeszcze odpowiedniej liczby danych, aby można było ustalić standardy interpretacji badań serologicznych. Dodatkowo wykrywanie przeciwciał we wczesnej fazie infekcji może dać wynik ujemny ze względu na to, że organizm nie zdążył jeszcze wytworzyć odpowiedniej ilości swoistych przeciwciał.

Leczenie COVID-19

Leczenie infekcji wirusowych nie jest łatwym zadaniem ze względu na różnorodność samych wirusów i strategii ich namnażania się w naszych komórkach. Mamy do dyspozycji kilka wariantów terapeutycznych, takich jak stosowanie małocząsteczkowych związków chemicznych, terapie peptydami i oligonukleotydami, terapie oparte na interferonie oraz na przeciwciałach monoklonalnych. Koronawirusy są grupą względnie dobrze poznaną pod względem specyficzności do konkretnych receptorów na komórkach gospodarza i mechanizmów namnażania się, dlatego wiedza zdobyta podczas poprzedniej epidemii SARS w 2002 r. pozwala w obecnej sytuacji na zastosowanie leków już dopuszczonych do terapii ludzi (Guangdi, De Clercq 2020; Wang et al. 2020).

Za efektywne w leczeniu uważa się kilka leków. Pierwszy z nich to chlorochina, stosowana z powodzeniem jako lek przeciwmalaryczny oraz w leczeniu chorób autoimmunologicznych, takich jak reumatoidalne zapalenie stawów czy toczeń.

Kolejna grupa to leki przeznaczone do leczenia zakażeń wywoływanych przez retrowirusy, w tym HIV, oparte na związkach hamujących dojrzewanie nowo tworzonych cząstek wirusowych. Do tej grupy leków zaliczamy Lopinavir (Kaletra) oraz Ritonavir (Norvir, Ritonavir), które obecnie zostały dopuszczone do terapii.

W skład trzeciej grupy leków wchodzi Remdesivir opracowany przez firmę Gilead Sciences Inc., będący w trakcie badań klinicznych i mający już swoje sukcesy w leczeniu zakażeń wirusem ebola. Jego skuteczność w leczeniu infekcji wywołanych przez koronawirusy MERS-CoV i SARS-CoV potwierdzono też w badaniach na zwierzętach. Remdesivir jest analogiem adenozyny i hamuje powielanie materiału genetycznego wirusa.

Czwarty typ terapii stosowanej przy zakażeniach koronawirusowych wykorzystuje będące jeszcze w fazie projektowania leki, które blokują działanie głównego enzymu wirusa SARS-CoV-2, tj. proteazy M, niezbędnej do tworzenia funkcjonalnych białek wirusa. Badania nad inhibitorami tego enzymu, na podstawie analizy strukturalnej białka, prowadzone są przez zespół profesora Marcina Drąga z Katedry Chemii Biologicznej i Bioobrazowania Politechniki Wrocławskiej we współpracy z grupą profesora Rolfa Hilgenfelda z Uniwersytetu w Lubece w Niemczech (Zhang et al. 2020; Rut et al. 2020).

Zapobieganie COVID-19

Podstawową metodą ochrony społeczeństwa przed chorobami zakaźnymi są szczepienia. Mają one za zadanie zabezpieczyć przed chorobą zarówno osoby, które zostały poddane szczepieniu, jak i osoby nieszczepione, dzięki wytworzeniu tzw. odporności populacyjnej „herd immunity”. Obecnie dysponujemy kilkoma rodzajami szczepionek do ochrony przez infekcjami wirusowymi i bakteryjnymi. Wyróżniamy szczepionki żywe, które zawierają w sobie drobnoustroje pozbawione cech wirulencji. Druga grupa to szczepionki zawierające zabite patogeny. Trzecia grupa to szczepionki rekombinowane, w których skład wchodzą wybrane elementy drobnoustroju opracowane metodami biologii molekularnej i produkowane w postaci czystych białek przez modelowe organizmy, takie jak pałeczka okrężnicy (Escherichia coli) czy drożdże. Tak przygotowane szczepionki rekombinowane zawierają jedynie wyselekcjonowane antygeny patogenu służące do immunizacji pacjentów.

Obecnie prowadzi się bardzo intensywne badania na całym świecie w celu opracowania skutecznej i bezpiecznej szczepionki przeciwko wirusowi SARS-CoV-2.

Kilka dni temu amerykański National Institutes of Health ogłosił rozpoczęcie pierwszej fazy klinicznej badań nad nowatorską szczepionka mRNA-1273, opartą na fragmencie materiału genetycznego wirusa SARS-CoV-2 kodującym glikoproteinę S (https://www.nih.gov/news-events/news-releases/nih-clinical-trial-investigational-vaccine-covid-19-begins). Szczepionka mRNA-1273 została opracowana przez naukowców National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) przy współpracy z firmą biotechnologiczną Moderna Inc. z siedzibą w Cambridge w Massachusetts. Badania prowadzone w Kaiser Permanente Washington Health Research Institute w Seattle objęły 45 zdrowych ochotników w wieku od 18 do 55 lat, którzy będą poddawani szczepieniu mRNA-1273 i monitorowani przez 12 miesięcy w celu oceny bezpieczeństwa oraz immunogenności produkowanej przez nasz organizm glikoproteiny S wirusa SARS-CoV-2.

Najnowsze informacje dotyczące rozwoju pandemii COVID-19, toczących się badań naukowych, statystyk, zaleceń epidemicznych i diagnostyki, leczenia i prewencji, można znaleźć na stronach Światowej Organizacji Zdrowia (https://www.who.int/emergencies/diseases/novel-coronavirus-2019).

Literatura

Andersen, K.G., Rambaut, A., Lipkin, W.I., et al. (2020). The proximal origin of SARS-CoV-2. Nat Med [doi.org/10.1038].

Guangdi, L., De Clercq, E. (2020). Therapeutic options for the 2019 novel coronavirus (2019-nCoV). Nature Review Drug Discovery [doi.org/10.1038/d41573-020-00016-0].

Rut, W., et al. (2020). Substrate specificity profiling of SARS-CoV-2 Mpro protease provides basis for anti-COVID-19 drug design. bioRxiv preprint [doi.org/10.1101/2020.03.07.981928].

Sigrist, Ch.J.A., Bridge, A., Le Mercier, Ph. (2020). A potential role for integrins in host cell entry by SARS-CoV-2. Antiviral Research, 177, 104759 [doi.org/10.1016/j.antiviral.2020.104759].

Wang, M., et al. (2020). Remdesivir and chloroquine effectively inhibit the recently emerged novel coronavirus (2019-nCoV) in vitro. Cell Research, 30, s. 269–271 [doi.org/10.1038/s41422-020-0282-0].

Zhang, L., et al. (2020). Crystal structure of SARS-CoV-2 main protease provides a basis for design of improved α-ketoamide inhibitors’. Science [10.1126/science.abb3405].

Zhou, P., et al. (2020). A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. Nature [doi.org/10.1038/s41586-020-2012-7].


prof. Zuzanna Drulis-Kawa

Wizualizacja koronawirusa SARS-CoV-2
fot. Pete Linforth/Pixabay/CC0

Dodane przez: Agata Kreska

26 Mar 2020

ostatnia modyfikacja: 26 Mar 2020