Призраки прошлого вируса гриппа и поиски универсальной вакцины
Ваша первая встреча с вирусом гриппа может определить, чего будут стоить Вам следующие пандемии. Именно по этой причине так важно понять механизм иммунного импринтинга.
Сиэтл, штат Вашингтон: полицейские носят маски для защиты от гриппа во время пандемии 1918 года, унесшей жизни 50 миллионов человек. Источник: Национальный архив / Time Life / Getty
Жила-была девочка. Когда ей было около трех лет, она перенесла свое первое инфицирование вирусом гриппа. Это была тяжелая битва, ее мышцы болели, а ее тело было охвачено лихорадкой. Она была слишком мала, чтобы, став старше, сохранить в памяти этот период. Но ее иммунная система будет помнить.
Присутствие инфекции в ее теле побудило пул незрелых, незапрограммированных иммунных клеток начать соревноваться, чтобы стать охотником и убийцей вируса гриппа. Победители — клетки, которые наиболее тесно связались с вирусом — хранители памяти о патогене, готовые распознать и отбросить его при следующей атаке.
Но вирус гриппа — настоящий мастер перевоплощений. Участки его внешних белков могут мутировать во время репликации, что позволяет скрыться от обнаружения иммунной системой. При инфицировании новым штаммом гриппа иммунная система будет реагировать, основываясь на памяти о той, первой встрече, усиленно атакуя лишь распознанные участки вирусной капсулы, но не измененные фрагменты. Иммунные клетки не могут тут же выкроить любые новые антитела, которые могли бы помочь.
Как именно впервые встреченные штаммы «отпечатываются» (imprint) в памяти иммунной системы — остается мучительной загадкой для ученых. И ее решение может помочь в борьбе с вирусом и усовершенствовании вакцин.
Ученые предполагают, что понимание механизмов импринтинга поможет им предсказать, кто больше всего пострадает от сезонных штаммов и пандемий. Установленные данные говорят о том,что некоторые люди тяжелее переносят смертельные пандемии гриппа из-за того, что их первая встреча с ним в детстве прошла с другой версией штамма. По мнению исследователей, именно по этой причине, в сравнении с другими возрастными группами, молодые люди занимают основную часть в структуре смертности от гриппа во время смертельной пандемии 1918 года, когда по всему миру погибло около 50 миллионов человек.
Знание механизмов импринтинга поможет вирусологам разработать более эффективные сезонные вакцины, которые смогут противодействовать циркулирующим штаммам в течение нескольких лет, а также создать долгожданную универсальную вакцину против гриппа, которая могла бы защитить людей на протяжении всей жизни от совершенно новых — и потенциально пандемических — подтипов гриппа. Импринтинг, вероятно, обеспечивает некоторую иммунную защиту от штаммов гриппа, связанных с первым инфицированием. Представление об этом иммунном механизме часто рассматривается как возможность настроить иммунную систему на обширную защиту. «Это дает нам надежду на создание обширного иммунного ответа», — говорит Обри Гордон, эпидемиолог из Мичиганского университета в Анн-Арборе.
Существующие вакцины, безусловно, могут обеспечить некоторую защиту. Однако их действие стирается через несколько месяцев, и они не очень эффективны даже в этот короткий промежуток времени: во время эпидемии гриппа 2017–18 годов вакцинированные жители Соединенных Штатов были на 36% меньше подвержены заражению, чем те, кто не был иммунизирован, кроме того, вакцинация может снизить тяжесть заболевания у тех, кто был инфицирован.
По видимому, именно в механизмах импринтинга кроется объяснение малой эффективности этих вакцин. По словам Скотта Хенсли, иммунолога-вирусолога из Пенсильванского Университета в Филадельфии, ученым, надеющимся адаптировать универсальную вакцину от всех прошлых и будущих штаммов гриппа, необходимо полное представление о механизмах, лежащих в основе этого процесса. «Иммунизация разных людей одной и той же вакциной скорее всего вызовет различные иммунные реакции, в зависимости от впервые встреченного штамма», — говорит он.
В апреле Национальный институт аллергии и инфекционных заболеваний США (NIAID) в Бетесде, штат Мэриленд, призвал ученых провести исследования с целью выявления последствий импринтинга для иммунной системы, в рамках большего финансирования проектов по поиску универсальной вакцины против гриппа. Планируется потратить около 5 млн долларов США на крупное когортное исследование, которое будет набирать и контролировать группы детей с рождения в течение как минимум трех сезонов гриппа, чтобы исследовать на молекулярном уровне реакцию их иммунной системы на первоначальное воздействие и последующее инфицирование вирусами гриппа и влияние вакцинации. Иммунизация обычно рекомендуется для детей старше 6 месяцев.
Изучение одного только вируса гриппа принесет не так много результатов; создание лучшей защиты будет зависеть также от изучения людей. Ученые осознают, что организм может отреагировать на удивление широким иммунным ответом даже против такой изменчивой инфекции, как вирус гриппа. «Грипп — один из наиболее изученных вирусов на планете, — говорит Кэйтилин Гостич, эпидемиолог из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, — но мы открываем новый континент в мире, который, как мы думали, уже изучен вдоль и поперек».
Основы антигенного импринтинга
Концепция импринтинга была предложена покойным Томасом Фрэнсисом, вирусологом-эпидемиологом Мичиганского университета, когда он в своих исследованиях в 40–50-х годах впервые выявил свойство иммунной системы реагировать большей генерацией антител при повторной встрече со своим первым штаммом вируса гриппа, чем с теми, инфицированию которыми они подвергались в дальнейшем в течение жизни.
С тех пор концепция была усовершенствована. На юге Китая у более чем 150 человек в возрасте от 7 до 81 лет были определены уровни антител для изучения реакции их иммунной системы на столкновение с различными штаммами в течение их жизни. Ученые обнаружили, что последующее инфицирование другими штаммами оказывает все меньшее влияние на иммунный ответ. «Хотя иммунный импринтинг играет основную роль, сосредоточив свое внимание только на этом мы пропустим важные аспекты того, как иммунитет против гриппа развивается при множественных воздействиях», — объясняет Джастин Лесслер, соавтор исследования и эпидемиолог Школы общественного здравоохранения Джона Хопкинса Блумберга в Балтиморе, штат Мэриленд.
Замороженные штаммы вируса гриппа в Национальном институте здравоохранения США. Источник: Каролин Кастер / AP (Associated Press) / Shutterstock
В 2009 году в Мексике появился новый штамм вируса гриппа, который привел к пандемии и дал ученым хорошую возможность для изучения импринтинга с использованием современных иммунологических методов. В ряде исследований высказывается предположение о том, что вирус «пробудил» у заразившихся людей такой широкий иммунный ответ, что он на долгие годы после первого контакта работал по отношению и к другим штаммам вируса. У многих людей генерировались антитела, работающие не только в отношении первого встреченного штамма вируса гриппа, но и способные оказать защиту от других членов его большой семьи.
Вирусы гриппа необычайно многолики. Основная вариация, поражающая людей, имеет множество подтипов, названных в зависимости от вариантов белков, из которых состоит их капсула: известно 18 форм белка гемагглютинина (НА) и 11 белка нейраминидазы (NA). Каждый штамм вируса имеет свой вариант HA и NA. В зависимости от их сочетания эти штаммы получают свое имя — например, H1N1 или H3N2. Одни из них заражают только определенные группы животных, другие могут преобразовываться в новые версии, способные заражать людей.
В 2016 году Гостик и ее коллеги проанализировали в шести странах все известные случаи заражения человека двумя вариантами птичьего гриппа, H5N1 и H7N9. Два вируса поражали разные возрастные группы: заражению H5N1 в основном были подвержены молодые люди, тогда как почти все случаи H7N9 были зарегистрированы у пожилых людей. Изучив год рождения каждого больного гриппом, они обнаружили, что восприимчивость к заболеванию резко изменилась в 1968 году: люди, родившиеся до этого года, оказались более уязвимыми к H7N9, а родившиеся после него — более уязвимы к H5N1.
Прежде эти люди не встречали ни один из этих штаммов. Но в зависимости от года своего рождения, они сталкивались с другими доминирующими на тот момент подтипами, более или менее связанными с изучаемыми штаммами. В целом варианты вируса гриппа можно разделить на две группы в соответствии с характеристиками белка НА. H5N1 относится к той же обширной группе, что и штаммы H1N1 и H2N2, которые сезонно распространялись до 1968 года.
Иммунная система любого, кто родился до этого года, сохранила память об одном из штаммов этой группы, и потому он был защищен от H5N1. Но в 1968 году все изменилось: наступила пандемия H3N2, ставшего единственным сезонным подтипом. Иммунологический импринтинг с H3N2 обеспечил надежную защиту и от родственного ему штамма H7N9 для людей, родившихся после 1968 года.
Исследование наводит на мысль о том, что импринтинг с вирусом, содержащим один из двух вариантов НА, обеспечивает формирование широкой перекрестной защиты от новых штаммов со схожим белковым составом. Это открытие опровергает мнение многих деятелей общественного здравоохранения о том, что большинство людей при появлении новых подтипов гриппа останутся беззащитны перед лицом будущих пандемий.
«Возможности защиты от тяжело протекающих инфекций H5N1 и H7N9 были шокирующими», — говорит эколог Джеймс Ллойд-Смит, соавтор статьи и профессор в UCLA (University of California, Los Angeles — Калифорнийский университет, Лос-Анджелес). С помощью моделирования исследователи показали, что импринтинг в детстве обеспечивал защиту на 75% от тяжелого течения болезни и на 80% от летального исхода от заболеваний, вызванных вирусом птичьего гриппа.
Вариации восприимчивости среди разных возрастных групп наблюдались и во время других пандемий. Во время пандемии 1918 года, вызванной H1N1, больше всего пострадали молодые люди, иммунизированные от H3N8, циркулировавшего в 1889–1918 годах, на которые пришлись на их детские годы (см. «Правящие штаммы»). «В 2009 году пандемия была вызвана серотипом H1N1, и во время нее было зарегистрировано очень мало случаев у пожилых людей, которые сталкивались с более ранней версией H1N1, распространенной после пандемии 1918 года», — говорит Патрик Уилсон, иммунолог из Университета Чикаго, штат Иллинойс. Вирус H1N1 также появлялся в 1970-х годах: он был настолько похож на предыдущий штамм, что ученые думали, что он был случайно выпущен из лаборатории или во время исследований вакцин. «Приятно узнать о том, какой штамм впервые запомнила ваша иммунная система, глядя на дату своего рождения, — говорит Скотт Хенсли (иммунолог-вирусолог, Университет Пенсильвании, Филадельфия). — Сейчас приоритетной задачей является определение механизмов антигенного импринтинга. Нам необходимо дойти до сути этого процесса».
В последние десятилетия ученые разрабатывают методы изучения импринтинга на молекулярном уровне. Легко проверить уровень всех антител, вырабатываемых в ответ на заражение гриппом, но, например, для выяснения «корней» импринтинга необходима возможность установить то подмножество антител, которые обеспечивают наиболее обширный иммунный ответ.
Сейчас ученые могут сортировать и анализировать сотни тысяч одиночных клеток, могут с помощью методов секвенирования охарактеризовать основных участников иммунной системы до и после первого взаимодействия с инфекцией. И первоочередной задачей является выяснение механизмов создания клетками такого долговременного ответа на будущее инфицирование.
«Сейчас наши технологии стали совершенней, обеспечивая нам четкое представление о том, что происходит при первом экспонировании и повторном проникновении вируса гриппа или вакцины против него», — рассказывает Бадди Крич, руководитель программы исследования вакцин в Медицинском центре Университета Вандербильта в Нэшвилле, штат Теннесси. Он является одним из ведущих исследователей программы по вакцинации против гриппа — проекта, курируемого множеством университетов и запущенного в октябре прошлого года для изучения иммунного импринтинга в отношении вируса гриппа. «При лучшем понимании этих механизмов появится возможность пересмотреть технологию создания вакцин, что позволит сделать их более эффективными», — говорит Дженнифер Найак, педиатр-иммунолог Медицинского центра Университета Рочестера, Нью-Йорк.
Во власти людей
Эти исследования активно спонсируются Национальными институтами здравоохранения США и Фондом Билла и Мелинды Гейтс.
В апреле 2018 года фонд Гейтсов объявил о финансировании проектов, направленных на разработку универсальной вакцины против гриппа, в размере $12 млн. В том же месяце NIAID (National Institute of Allergy and Infectious Diseases — Национальный институт аллергических и инфекционных заболеваний) запустил исследование стоимостью 5 миллионов долларов, заключающееся в наблюдении за множеством детей в течение как минимум трех сезонов гриппа и, возможно, в течение многих лет во взрослом возрасте. Его конечной целью является получение более точной информации, которая бы помогла в разработке долговременных универсальных вакцин.
До сих пор не проводилось крупных исследований по изучению иммунного ответа у детей, а встречавшиеся ранее работы были небольшими и не могли охарактеризовать универсальный для каждого человека механизм формирования иммунного ответа. «Это делает невозможным даже доказательство возможности импринтинга, не то что определение ответственного механизма», — говорит Найак.
Проблема также заключалась в сборе материала для исследования иммунной системы ребенка, забор которого приходилось осуществлять несколько раз. Еще 5 лет назад для проведения анализа требовалось 10–20 мл крови, что делало невозможным иммунологический мониторинг новорожденных (у младенца весом 3 килограмма было 240 мл крови). Но технологический прогресс позволил преодолеть это препятствие: для проведения анализов с помощью методов одноклеточного секвенирования требуется лишь от 1 до 2 мл крови.
С помощью этих методов ученые смогут с точностью зарегистрировать развивающиеся в течение времени изменения в клетках иммунной системы у детей, а также получить детальную картину того, как отличается иммунный ответ при естественной стимуляции в сравнении с вакцинацией.
Целью NIAID является дополнение других проводимых во всем мире когортных исследований вируса гриппа. Агентство уже поддерживает исследования в Никарагуа, Гонконге и Новой Зеландии.
Для ученых, преследующих неуловимую универсальную вакцину против гриппа, когортные исследования являются одним из важнейших направлений многоцелевой стратегии. По словам Бадди Крича, им также необходимо изучить основы вирусной биологии и найти новые компоненты для вакцин. «Эту проблему необходимо решать с обеих сторон».
