Результаты опубликованы на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) и служат основой для разработки будущих противовирусных препаратов и вакцины против вируса риновируса C.«Риновирус C был« недостающим звеном »в объяснении болезни, вызванной простудой», — говорит Майкл Россманн, заслуженный профессор биологических наук Хэнли в Purdue и соруководитель исследования с Энн Палменберг из UW-Madison, профессором биохимии и биохимии. с Институтом молекулярной вирусологии. «Это обязательно вызовет новые серьезные усилия по разработке вакцин и противовирусных препаратов, особенно для профилактики астмы».Фактически, несколько фармацевтических компаний ждали данных, говорит Палменберг.Риновирус C устойчив к современным противовирусным препаратам, и вакцины не существует. Он был обнаружен всего 10 лет назад, и эксперты в области здравоохранения считают, что на его долю приходится от 50 до 85 процентов всех детских госпитализаций по поводу астмы.
По оценкам, астма поражает около 24 миллионов человек в США, и в предыдущих исследованиях было показано, что у детей-астматиков, инфицированных риновирусом С, более серьезные симптомы астмы.По словам Пальменберга, инфекции, вызванные риновирусом С, также являются основным фактором неблагоприятных исходов для людей с хроническими заболеваниями легких, такими как муковисцидоз, и раннее воздействие вируса может вызвать пожизненное рубцевание легких, что в дальнейшем приведет к стойким респираторным заболеваниям.Осенью прошлого года с использованием препарата риновируса С, выращенного в лаборатории Пальменберга, которая в настоящее время является одним из немногих мест в мире, способных культивировать вирус, и новой для Пердью технологии визуализации, аспирант Россманна Юэ Лю, первый автор книги исследование, смог составить карту полной атомной структуры частицы риновируса C.Понимание структуры микроскопических биологических агентов, таких как вирусы, позволяет изучать и понимать их так, как невозможно другими способами.
Например, Лю обнаружил физические особенности риновируса С, которые помогают объяснить, почему он устойчив к стандартным противовирусным препаратам, как он взаимодействует с клетками, вызывая инфекцию, и почему он ведет себя как заболевание, отличное от других членов семейства энтеровирусов.«Мы нашли кое-что интересное», — говорит Палменберг. «В отличие от обычных риновирусов, у этого есть шипы на поверхности частиц. Мы этого не ожидали».
«Это и другие изменения поверхности вируса помогают объяснить, почему клинические испытания препаратов против риновируса, которые основаны на различных поверхностях вируса, обычно терпят неудачу при тестировании против изолятов риновируса С в течение последних четырех-пяти лет», — говорит Палменберг.Однако спайки представляют новые сайты связывания для иммунного ответа человека на инфекцию и, как таковые, могут представлять новые многообещающие цели для разработки различных типов лекарств.
Или они могут содержать структурные элементы, которые можно использовать для создания эффективных вакцин.«Еще одно новое открытие заключается в том, что 30 процентов вирусных частиц были пустыми и не содержали генетического материала», — говорит Палменберг.«Пустые» частицы не способны вызвать инфекцию, но, подобно крошечным молекулярным имитаторам, они предоставляют иммунной системе специфичную для вируса информацию.«Они могут быть приманками для иммунитета», — говорит Палменберг, соблазняя организм бороться с неинфекционными вирусными частицами, позволяя инфекционному вирусу делать свою грязную работу. «Похоже, что никакие другие риновирусы не делают этого естественным образом».
Они потенциально могут быть использованы для вакцин.Вирус был одним из первых образцов, проанализированных с помощью новой системы криоэлектронной микроскопии в Purdue, которая была разработана для работы с гораздо более высоким разрешением, чем предыдущие инструменты. Система позволяет создавать множественные изображения отдельных вирусных частиц, а не полагаться на совокупность изображений тысяч отдельных вирусов.
Следовательно, система работает быстрее, точнее и дает структуры с более высоким разрешением из меньшего количества вирусного материала.Хотя определение структуры риновируса С, безусловно, было ускорено этой новой технологией, оно также зависело от многолетнего опыта Россманна, усилий Лю и многолетней работы опытной команды Пальменберга, чтобы заставить вирус расти в лабораторных условиях.«Если вы не можете его вырастить, вы не сможете проводить эксперименты», — говорит Пальменберг. «Это было стержнем для этой структуры … нам потребовалось два с половиной года работы, чтобы придумать, как поместить достаточное количество вируса в пробирку, чтобы мы могли передать его Purdue».Этот процесс теперь лицензирован Исследовательским фондом выпускников Висконсина, частной некоммерческой организацией, которая управляет интеллектуальной собственностью в UW-Madison.
Изучая, как культивировать риновирус C, исследовательская группа Пальменберга обнаружила, что вирус заражает только определенные клетки легких, которые экспрессируют определенную генетическую форму молекулы клеточной поверхности, называемую кадгерин-связанным белком 3 (CDHR3). Команда опубликовала эти результаты в прошлом году в PNAS.Когда частица риновируса С встречает клетку, несущую правильный белок CDHR3, она может заблокироваться и проникнуть в клетку. Во время последующей инфекции он создает множество копий своего генетического материала, используя механизмы клетки, и это повторно собирается во множество других вирусных частиц, которые затем высвобождаются для заражения большего количества клеток.
Когда CDHR3 экспрессируется в клетках глубоко в легких, вирусные инфекции могут нанести серьезный ущерб, говорит Россманн. «Он создает идеальный шторм для самых тяжелых случаев астмы, вызывающих рубцевание легких».Но «знание того, как его выращивать, не говорит вам, как он выглядит», — говорит Пальменберг.
Существует несколько типов риновируса C, и они являются частью более крупной группы вызывающих болезни вирусов, включая вирусы простуды риновирус A и B. «Мы знали, что он будет отличаться от риновируса A и B: он не реагировал на лекарства, он использовал другой рецептор, у него были другие биологические свойства. Итак, вопрос был в том, что происходит? "С новой структурой данных команда намного ближе к поиску ответов. Фактически, картирование частиц риновируса С также показало, где на этих поверхностях вирус, вероятно, вступает в контакт с молекулами CDHR3, предоставляя еще одну возможность для разработки лекарств, которые могут предотвратить инфекцию.
Пальменберг и Россманн сотрудничают в течение 34 лет, с тех пор как ее бывший наставник, почетный профессор UW-Madison Роланд Рюкерт, и Россманн начали сотрудничать, чтобы стать первым, кто определил структуру риновируса B.Как только Пальменберг выяснила, как выращивать риновирус C, она тоже стала партнером Россманна.
Ее технический специалист и соавтор статьи Марчел Хилл доставила в Purdue грубый тестовый образец вируса в пятницу утром прошлой осенью. Лю выполнил часть изображений в тот же день, и к субботе предварительная структура была в основном готова.
Результаты были неожиданно быстрыми и замечательными, но Россманн не позвонил Пальменбергу в ту субботу. Он знает, что ее осенние субботы зарезервированы для одного: барсучьего футбола. На вопрос, ответила ли она на его звонок, известный вирусолог и заядлый спортивный фанат решительно покачала головой.
«Нет. Я никогда не беру свой телефон в игры».