Коронавирусная болезнь 2019 г. (COVID-19) – это третья крупная вспышка коронавируса в этом столетии. Пандемия дала импульс к изучению группы коронавирусов в качестве возбудителя острых респираторных инфекций: ключевых молекулярных механизмов, типовых и индивидуальных молекулярных структур, специфичности и универсальности расположения функциональных группировок. Большой объем и общедоступность публикаций по этой проблематике дают возможность провести достаточно подробный анализ полученных экспериментально-теоретических результатов и предложить интегральные теории ключевых процессов, позволяющие разработать методы купирования инфекции COVID-19 и ее возможных осложнений.
Отсутствие обобщенной картины процесса инфицирования в целом не позволяет выработать эффективные меры противодействия COVID-19. На наш взгляд, ее невозможно построить без учета и подробной оценки роли среды в процессе инфицирования, определения способов ее направленной структурной коррекции. А ведь этому вопросу внимание в современных исследованиях практически не уделяется. Поэтому изучение роли среды в процессе внедрения SARS-CoV-2 в клетку и ее интегрирования в общую картину возникновения COVID-19 – актуальная цель исследования в период пандемии.
Исследование строения коронавируса как объекта инактивации
Говоря о SARS-CoV-2, отметим поразительную эффективность проникновения одноцепочечной РНК позитивного смысла (positive sense) [1] в структуру клетки, что объясняет высокую вирулентность вируса. Процессы удвоения РНК позитивного смысла происходят уже в ядре клетки хозяина, что, несомненно, минимизирует степень воздействия внешних факторов (в том числе лекарственных препаратов) на процессы ее репликации. Это с избытком компенсирует отсутствие возможности репликации вирусной РНК в составе капсида, лишающей его шансов на выживание в случае неудачи проникновения в клетку. Сходными механизмами инфицирования обладают вирусы таких опасных инфекционных заболеваний, как полиовирус, вирус гепатита С, вирус Денге, атипичная пневмония, вирус Западного Нила, эховирус, вирус Коксаки и т.д. Их механизм инфицирования не менее совершенен, чем у SARS-COV-2. Они также обладают РНК позитивного смысла, что наводит на мысль, что и способы борьбы с ними могут быть в чем-то сходны.
Основную защиту вирусной РНК обеспечивает капсид SARS-CoV-2, белковый слой внутренней мембраны и липидная оболочка которого могут быть усилены суперкапсидными белками (пепломерами) [1]. Суперкапсидные белки обычно гликозилированы и являются амфипатичными молекулами, что способствует поддержанию гетерогенности системы вируса в среде. Ключевым детерминантом специфичности хозяина является атакующая часть вирусной структуры, представленная шиповидным гликозилированным спайковым S-белком. S-белки коронавирусов состоят из S1 и S2 субъединиц [2]. Этим они напоминают структуру белка гемагглютинина (HA) вируса гриппа, который также имеет две расщепленные субъединицы (HA1 и HA2). Молекула мономера S-белка состоит из трех доменов [3], в свою очередь эктодомен состоит из рецептор-связывающей N-концевой субъединицы S1 и мембраносвязывающей С-концевой субъединицы S2. Рецептор-связывающая субъединица S1, в свою очередь, содержит два независимых домена: N- и C-терминальный домен. В составе S-белков SARS-CoV-2 имеются гибкие рецептор-связывающие домены (receptor-binding domain – RBD), состоящие приблизительно из 200 аминокислот [3]. RBD S-белка SARS-CoV несколько отличается по размерам от аналогичной структуры MERS-CoV, хотя принципиально очевидна большая структурная схожесть [4].
Особое внимание исследователей привлекают специфичная объемно-пространственная форма RBD и наличие функциональных группировок на участках, являющихся основной мишенью для нейтрализующих антител. На знании этой статической структуры COVID-19 основываются разрабатываемые в настоящее время способы инактивации вируса, идет активный поиск потенциальных лекарств in silico методами компьютерного моделирования [5–7]. В частности, проводится поиск наиболее перспективных пептидов, применимых для доставки лекарственных веществ непосредственно в клетку, формируется платформа для глубокого скрининга вирусных протеомов, предложены однодоменные фрагменты антител (нанотела), которые связываются с RBD спайкового белка SARS-CoV-2 и блокируют его взаимодействие с рецептором ангиотензинпревращающего фермента 2 [8], препараты-ферменты и ингибиторы, таргетирующие белки вируса [9, 10]. Правда, не совсем ясно, за счет чего будет достигаться необходимая высокая таргетность данных блокирующих структур. Ведь сама по себе структура стыковочного участка RBD достаточно распространена.
Изменчивость структур вируса in vivo и in silico
Сам по себе вирус, в том числе его несегментированная РНК положительного смысла, обладает признаками достаточно совершенной системы с присущим определенным уровнем самоорганизации, что позволяет ему весьма эффективно выполнять свои основные функции – инфицирование клеток хозяина, воспроизводство новых вирусных структур, обеспечение их выхода во внешнюю среду и формирование из них единого сообщества с обобщенными функциями [11]. Создается впечатление, что данная структура РНК возникла как временное приспособление для почти мгновенного проникновения в клетку. Однако не будем забывать, что все существующие организмы, в том числе и вирусы, тесно взаимосвязаны и находятся под постоянным влиянием внешней среды. Ее изменчивость инициирует модификации и мутации организмов до установления равновесия. Правда, мутационные изменения у вирусных молекулярных структур позитивного смысла затруднены, но не невозможны. Очевидно, что мутационные процессы вирусных организмов оказывают существенное воздействие на состав нуклеопротеинов с учетом структурных особенностей хозяина [12]. Например, процессы репликации и транскрипции, в частности инфицированной клетки хозяина, имеют температурный оптимум, детерминированный температурой тела конкретного вида животного, под которую адаптируется аминокислотный состав нуклеопротеина поражающего его вируса.
Капсидные белки также проявляют тенденции изменчивости, направленные на приспособление к носителю: так, длина S-1 белка за время наблюдения увеличилась на 18 аминокислот, в то время как остальные молекулы проявляют достаточную стабильность. При этом субъединица обрела положительную заряженность, а вирус – высокую контагиозность [13], свойственную вирусам гриппа, кори, паротита и краснухи, гепатита А и Е, а также ротавирусам [12]. Еще один пример – S белок SARS-CoV-2 в начале пандемии приобрел мутацию D614G, которая, по-видимому, также придала вирусу большую контагиозность. Теперь (лето 2020 г.) эта форма вируса является доминирующей во всем мире [14].
Таким образом, роль среды как комплексного инициатора мутационного процесса является определяющей в формировании завершенной структуры организма. Эта мысль подтверждается работами по созданию 3D-моделей крупных молекулярных объектов. Многие задачи по вычислительной идентификации методов лечения вируса основаны на стыковке малых молекул In silico (условно характеризующих состояние среды) с экспериментально определенными структурами вирусных белков. Одним из существенных ограничений в этих подходах является то, что часто не учитывается структурная динамика белков, что приводит к игнорированию переходных конформационных состояний [15]. Но есть и положительные примеры применения расчетных методов изучения оптимальных условий самосборки модели капсида вируса [16, 17]: учтены количественные характеристики компонентных частиц капсида и частиц среды, проведено вычислительное исследование химико-физических (электростатических, вибрационных и акустических) свойств пустого капсида, выявлены критические химико-физические показатели для осуществления биологических функций капсида изучаемого вируса.
Структурные модели белков позволили визуализировать активность антител к SARS и MERS, однако их сравнительный анализ показал беспрецедентную рецепторную изменчивость [18], что допускает изменение важных межмолекулярных водородных связей и других несвязанных контактов, критичных для молекулярного распознавания [19], приобретение RBD доменом способности «узнавать» различные виды рецепторов. Наглядно этот процесс продемонстрирован при моделировании взаимодействия RBD S-белка с различными по свойствам поверхностями – целлюлозой и графитом [20]. В обоих случаях адсорбция весьма эффективна.
Среда организма (слизистых) как объект воздействия при инактивации вируса
Такая способность к взаимному приспособлению вируса и хозяина не случайна и не может возникать только при непосредственном контакте этих двух элементов стыковочной системы. Ключевую роль в процессе должна играть среда организма, основу которой составляют самоорганизованные сольватные структуры, взаимодействие между которыми определяет не только ее (среды) геометрию, но и активность по отношению к тем или иным процессам, имеющим место в данном регионе организма. При этом обеспечивается гомеостаз за счет демпфирования воздействия на среду определенного активного процесса до установления равновесия.
Первейшая задача любой частицы – это установление связи со средой. Только после этого она способна питаться, продуцироваться и т.д. Проблема в том, что в тканях уже все связи и процессы распределены до того, как вирус появился. Свободных структурных элементов, способных обеспечить вирусу взаимодействие со средой, нет. Их и не может быть, поскольку это противоречит принципу минимальной энергетической выгоды в нашем случае, принципу существования живой ткани. В этом контексте можно предположить, что Sars-Cov-2 ничего не остается, как начать конкурентную борьбу за создание устойчивого контакта (взаимодействия) со структурными элементами среды.
К сходным выводам приходят авторы работы [20]. В статье показано наличие упруго-вязкого взаимодействия между RBD S-белка SARS-CoV-2 и двумя типами различных по свойствам поверхностей – целлюлозой и графитом, что доказывает доминирующее влияние электростатических и сольватационных взаимодействий между функциональными группировками вируса и моносахаридными радикальными структурами (пример целлюлозы). На этой идее основаны оригинальные методы купирования инфекционных частиц путем модификации микроокружения полифосфатами [21] и амфифильными пептидами [22].Изменение кислотности микроокружения тоже позволяет блокировать активность вируса. Одним из эффектов действия известного противовирусного препарата хлорохин [23] является в том числе ингибирование рН-зависимых стадий репликации вируса [24]. Однако хлорохин относится к числу координаторов Zn2+ [25], и ряд авторов связывают цинк и противовирусную активность хлорохина [26]. Роль цинка в функционировании организма и, в частности, иммунной и дыхательной системы, не подлежит сомнению [27, 28]. В статье [29] показаны достаточно устойчивые корреляции между развивающимися при COVID-19 осложнениями и уровнем цинка в тканях и жидкостях. В то же время в ряде публикаций приводятся опровергающие это утверждение данные [30, 31]. Такое противоречие говорит, на наш взгляд, о том, что при COVID-19 эффективность воздействия ионов цинка на вирус находится в зависимости от многих факторов, но не исключает его позитивного воздействия.
На кафедре химии Курского государственного медицинского университета предложено противомикробное медицинское средство на основе медицинской лицевой маски, применяемой в качестве ингаляционного носителя [32]. В основе его активности лежит мультиэффекторное воздействие ионов цинка на состояние слизистой, прежде всего носоглотки. Предложенный нами способ профилактики и лечения заболеваний, передающихся воздушно-капельным путем, предполагает контактное воздействие ионизированного цинка на структуры микробов и вирусов на поверхности материала маски, а также на слизистой носоглотки и ротовой полости при ингаляционном воздействии активного вещества при обычном дыхании. Разработка тестировалась в течение трех лет на десятках добровольцах (медицинских работниках, студентах и преподавателях медицинского вуза, их родственниках и знакомых) при диагнозе ОРЗ или ОРВИ. Первичная симптоматика ОРВИ проходит за сутки. Наиболее эффективно кратковременное (10–30 мин), но частое (3–6 раз/сутки) применение маски.
Появление новых вызовов (COVID-19) потребовало корректировки состава препарата. Применение нашей разработки как средства против SARS-CoV-2 при введении композиции ингаляционным способом после ее нанесения на поверхности обычной медицинской маски оказалось достаточно эффективным, что было установлено предварительными исследованиями на добровольцах.
Заключение
Формирование обобщенной картины представлений инфицирования и биохимических патологических процессов в целом – необходимая цель исследования SARS-CoV-2 в период пандемии COVID-19. Основываясь на принятых научной общественностью фактах, можно обосновывать неэффективность ряда статических подходов к разработке противовирусных препаратов и схем лечения. Главное условие противовирусной устойчивости, на наш взгляд, – это равновесное состояние (гомеостаз) самоорганизованных сольватных структур: органо-минеральных комплексов на поверхности слизистых оболочек – потенциальных ворот инфекции для организма.