Zwierzęta laboratoryjne: Rola modelu chomika syryjskiego w badaniach COVID -19
W 2005 roku naukowcy po raz pierwszy odkryli, że złoty chomik syryjski może zostać zakażony koronawirusem, wywołującym chorobę zwaną zespołem ostrej niewydolności oddechowej (SARS), która przyczyniła się do globalnej epidemii na początku XXI wieku. Przenosząc się o 15 lat w przyszłość, chomiki te okazały się wiodącym narzędziem naukowym i nadzieją w zrozumieniu etiologii wirusa SARS-CoV-2 już w pierwszych miesiącach pandemii. Podczas gdy niektórzy naukowcy zostali zmuszeni do zamknięcia swoich laboratoriów z powodu odgórnych obostrzeń epidemiologicznych, inni pracowali nad rozwiązaniem tego problemu, zwiększając tym samym wiedzę naukową, jak i społeczne zrozumienie wirusa, a także jego odpowiedzi na pojawiające się nowe metody leczenia. Ten globalny wysiłek doprowadził do powstania bezprecedensowej ilości badań, które pomagają nam stworzyć nowe terapie i leki w rekordowo krótkim czasie. I w centrum tego wszystkiego był chomik.
Zaledwie kilka miesięcy po wybuchu globalnej pandemii, zespół naukowców z Uniwersytetu w Hongkongu opublikował artykuł w „Clinical Infectious Diseases” dokumentujący przydatność chomika syryjskiego jako ważnego modelu do badań z zakresu przenoszenia, patogenezy, leczenia i szczepień przeciwko wirusowi SARS-CoV-2. Badania te, prowadzone przez głównego autora publikacji, Jaspera Fuk-Woo Chana, zobrazowały co stało się z ośmioma chomikami zakażonymi SARS-CoV-2. Zwierzęta te straciły na wadze, stały się ospałe, przyjmowały zgarbioną postawę, na ich grzbiecie pojawiło się potargane futro, a ich oddech był znacznie przyspieszony. Wysoki poziom ekspresji wirusa SARS-COV-2 stwierdzono w płucach i jelitach chomików, natomiast ich tkanki były pokryte receptorem białkowym - enzymem konwertującym angiotensynę 2 (ACE2), który stanowi punkt wejściowy dla wirusa.
Inne badania przeprowadzone również na Uniwersytecie w Hongkongu podczas wczesnego okresu pandemii, ponownie wykazały tożsame wzorce chorobowe u chomików syryjskich porównywalne do objawów u ludzi. Antygeny wirusowe wykryto w śluzie nozdrzy, w komórkach nabłonka oskrzeli oraz w obszarach konsolidacji płuc już 2-5 dni po zainfekowaniu wirusem. SARS-CoV-2 z łatwością przenosił się pomiędzy chomikami rozpylony za pomocą aerozoli lub przez bezpośredni kontakt (mimo, że infekcje przez zarodniki w zabrudzonych klatkach były mniejsze). Odkrycia te zostały opublikowane w "Nature".
I nie był to ostatni raz, kiedy chomiki syryjskie pomogły naukowcom w zrozumieniu śmiertelnego wirusa wywołującego globalną pandemię. W kolejnych badaniach, chomik syryjski dostarczył nowych informacji na temat skuteczności szczepionek i leków, genetyki wirusa, skuteczności noszenia masek, procesów starzenia się, osocza ozdrowieńców, skutków niepożądanych COVID-19, a także ważnego pytania: w jaki sposób mogą działać neutralizujące przeciwciała przeciwko wirusowi. Do tej pory opublikowano co najmniej 50 prac, w których wykorzystywano chomiki syryjskie i chociaż stosuje się również wiele innych modeli zwierzęcych, to właśnie chomik syryjski okazał się jednym z pierwszych i najbardziej przydatnych modeli w badaniach wszystkich aspektów dotyczących COVID-19. Oto krótkie podsumowanie badań, które dostarczają informacji na temat COVID-19.
Poszukiwanie idealnego rozwiązania
Niezmiernie trudne jest przetestowanie nowych leków lub szczepionek na ludziach bez uprzedniego zebrania wystarczających danych, że produkt jest bezpieczny i skuteczny w modelach przedklinicznych. Dlatego też, znalezienie idealnego modelu przeznaczonego do infekcji i testowania nowych terapii również jest trudne, tym bardziej, że na chwilę obecną zakres wiedzy na temat SARS-CoV-2 jest ograniczony. Odkrycia z US Rocky Mountain Laboratory w Montanie, tego samego miejsca, które pomogło w opracowaniu szczepionki na wirusa Eboli, pokazały, że chomik syryjski jest bardzo podatny na infekcję SARS-CoV-2, co czyni go idealnym modelem do badań leków przeciwko COVID-19. Naukowcy byli w stanie dojść do tego wniosku na podstawie określenia dawki wirusa względem stopnia zakażenia chomika. W innym projekcie, kierowanym przez United States Army Research Institute of Infectious Diseases, opracowano nowy model chomika z ciężkim zaburzeniem odporności adaptacyjnej. Badania te sugerują, że zarówno limfocyty B jak i T, czyli bliźniacze ramiona układu adaptacyjnego, są niezmiernie istotne do eliminowania wirusa i wczesnej ochrony podczas ekspozycji na patogeny. Natomiast w indyjskich badaniach nad wirusem wykorzystano narzędzia bioinformatyczne (tj. homologię sekwencji białka ACE2) do oceny podatności na infekcję różnych modeli zwierzęcych, w tym również chomika syryjskiego.
W międzyczasie naukowcy z University of Essex w Wielkiej Brytanii przyjrzeli się w jaki sposób wirus oddziałuje z białkami obecnymi na powierzchni komórek płuc i stwierdzili, że chomiki były jednym z modeli, które wykazywały największe podobieństwo do ludzi, co czyni go użytecznym modelem do dalszych badań nad terapiami dotyczącymi COVID-19, a w szczególności zmianami w drogach oddechowych.
W innym badaniu przeprowadzonym na Uniwersytecie w Hongkongu wykorzystano model chomika syryjskiego, aby wykazać, że nasilenie zapalenia płuc wywołanego donosową inhalacją SARS-CoV-2 wzrasta wraz z inokulacją wirusa.
Co więcej, chomiki syryjskie nie były jedynymi chomikami, które były brane pod uwagę co do użyteczności w testach naukowych. Badania przeprowadzone przez Institut für Virologie w Berlinie wykazały, że zakażenie SARS-CoV-2 u chomików chińskich powodowało podobne objawy zapalenia płuc.
Badania dotyczące szczepionek i leków
Prawdopodobnie, jednym z najbardziej eksploatowanych obszarów naukowych ostatnich lat było poszukiwanie leków przeciwwirusowych i szczepionek do leczenia i zapobiegania wirusa SARS-CoV-2. Istnieją prawie trzy tuziny badań klinicznych dotyczących leków przeciwwirusowych i ponad 100 badań klinicznych z zakresu szczepionek. Jeśli chodzi o szczepionki, to już kilku kandydatów przeszło „testy późnej skuteczności”, a jeden lek przeciwwirusowy, który wcześniej został opracowany dla wirusa Ebola, jest już obecnie rozprowadzany w tzw. trybie pilnym.
Chomik syryjski okazał się przydatnym modelem zwierzęcym w ocenie niektórych z tych terapii. Badania opublikowane niedawno w „PNAS” przez współpracujący zespół naukowców z Japonii i USA wykazały, że izolaty SARS-CoV-2 skutecznie replikują się w płucach chomików syryjskich i powodują poważne zmiany patologiczne w płucach, które są podobne do tych jakie znajdujemy u pacjentów COVID-19 z zapaleniem płuc. Co ciekawe, chomiki zakażone SARS-CoV-2 odznaczały się produkcją neutralizujących odpowiedź przeciwciał i były chronione przed ponowną infekcją SARS-CoV-2. Ponadto bierny transfer surowicy ozdrowieńców, czyli przeciwciał pobranych z osocza pacjentów, hamował replikację wirusa w płucach tych zwierząt. Model chomików syryjskich posłużył do zademonstrowania procesu bezpieczeństwa z wykorzystaniem tańszego modelu wektora wirusowego, który opiera się na wirusie z Newcastle (NDV-S), w celu domięśniowego podania szczepionki. Badanie pilotażowe wykazało, że inaktywowana szczepionka NDV-S była immunogenna, wywołując wysokie miana swoistych przeciwciał, zapewniające ochronę i osłabiającą objawy chorób indukowanych SARS-CoV-2 u chomików.
Chomik syryjski pomógł również pogłębić wiedzę na temat stosowania hydroksychlorochiny, leku immunosupresyjnego reklamowanego jako potencjalne leczenie we wczesnych dniach pandemii, ale od tego czasu wykazano, że jest nieskuteczny w leczeniu krytycznie chorych pacjentów z COVID-19. Badania przeprowadzone przez National Institutes of Health w USA wykazały, że ten lek (zwykle przepisywany w leczeniu malarii) nie miał żadnego korzystnego wpływu na chorobę kliniczną ani na replikację/eliminację wirusa u chomika syryjskiego. Odkrycia te zostały zawarte w komentarzu opublikowanym w sierpniu w „Nature Communications”, w którym stwierdzono, że międzynarodowa współpraca niezależnych naukowców doprowadziła do tego samego wniosku. Ponadto, badania przeprowadzone przez Rega Institute for Medical Research w Belgii (w których zastosowano model chomika syryjskiego) wykazały, że lek przeciwwirusowy przeciwko grypie ma wyraźny efekt ochronny przeciwko SARS-CoV-2 w przeciwieństwie do hydroksychlorochininy.
Natomiast we wrześniu 2020 opublikowano wyniki badań w „Nature Medicine” prowadzone przez Beth Israel Deaconess Medical Center, w których wykazano, że optymalna szczepionka przeciwko wirusowemu wektorowi SARS-CoV-2 oparta na Ad26, wywołała silną odpowiedź immunologiczną u złotych chomików syryjskich, co zapobiegło ciężkim objawom klinicznym, takim jak: utrata masy ciała, zapalenie płuc czy nawet śmierć. Obecny kandydat na szczepionkę jest weryfikowany i podawany ochotnikom wśród ludzi.
Chomiki syryjskie były również wykorzystywane do testowania terapeutycznego koktajlu przeciwciał zaprojektowanego do leczenia krytycznie chorych pacjentów z COVID-19. Co więcej, potwierdzono, że lek powszechnie stosowany w leczeniu infekcji bakteryjnej Helicobacter pylori jest silnym inhibitorem SARS-CoV-2. U chomików syryjskich lek ten hamował replikację SARS-CoV-2, prowadząc do zmniejszenia miana wirusa zarówno w górnych jak i dolnych drogach oddechowych. Łagodził również zapalenie płuc związane z wirusem.
Wirusowa sprawność i genetyka
Zapewne nikogo nie dziwi fakt, że niektóre z najwcześniejszych badań nad SARS-Cov-2 dotyczyły genetyki wirusów. W końcu zrozumienie w jaki sposób działają geny SARS-CoV-2 mogą przyczynić się do opracowania nowych sposobów leczenia i zapobiegania rozprzestrzeniania się wirusa. Jedno z takich badań pokazało, dlaczego niektóre wirusy SARS-CoV-2 są lepiej przenoszone niż inne, podkreślając znaczenie miejsca furyny, czyli miejsca zawierającego rozszczepienie, które ułatwia wirusowi SARS-CoV-2 wniknięcie do wnętrza komórek. Ponadto, badanie to wykazało, że delecja miejsca furyny u chomików (spowodowana mutacją) znacznie zmniejszyła zdolność wirusa do replikacji. Podobne testy przeprowadzone na chomikach wykazały znaczne opóźnienie objawów choroby, (gdy zwierzęta nie posiadały miejsca rozszczepienia przez furynę), co podkreśla jak bardzo kluczowe jest to w patogenezie choroby SARS-CoV-2.
Chomiki syryjskie okazały się również przydatne w testowaniu zakaźnego klonu SARS-CoV wygenerowanego przez Texas Medical Center. Takie klony są niezbędne do badania mechanizmu infekcji wirusa, jego replikacji czy podawanych leków przeciwwirusowych oraz potencjalnych szczepionek. Badania w Teksasie wykazay podobny poziom replikacji do naturalnego izolatu w małżowinach nosowych i płucach zakażonych chomików. Ponadto, model chomika był przydatny w określeniu względnej zdolności do replikacji różnych wariantów wirusa w porównaniu z SARS-CoV-2 typu dzikiego z użyciem czułego testu opracowanego przez Uniwersytet w Hongkongu.
Przyjrzano się również podatności na infekcje wirusowe, aby określić, które wirusy SARS-CoV-2 są „sprawniejsze” niż inne, tj. które lepiej przystosowują się do środowiska gospodarza. Badania z udziałem chomików syryjskich przeprowadzone przez oddział medyczny Uniwersytetu w Teksasie potwierdziły, że mutacja białka D614G w chorobie SARS-CoV-2 zwiększa miano wirusa w górnych drogach oddechowych pacjentów z COVID-19, a także może zwiększać jego transmisję. Z kolei badania przeprowadzone przez szpital w prowincji Shandong w Chinach sugerują, że powodem, dla którego chomiki syryjskie mogą być bardziej podatne na SARS-CoV-2 niż inne zwierzęta, jest różnorodność izoform ACE2, bowiem posiadają zróżnicowane wersje receptorów powierzchniowych, co wpływa na różną odpowiedź receptorową. To z kolei sprawia, że izoformy ACE2 występujące u chomików wpływają na zwiększoną podatność na infekcje SARS-CoV-2.
Badania przeprowadzone na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego miały na celu zdefiniowanie tzw. „burzy cytokin”, czyli ekstremalnego i anormalnego ataku immunologicznego w odpowiedzi na wirusa. I tu znowu chomik syryjski pomógł naukowcom. Korzystając z technik uczenia maszynowego, przeanalizowano ponad 45.000 transkryptomicznych zestawów danych dotyczących pandemii wirusów, aby wyodrębnić sygnaturę 166 genów przy użyciu ACE2 jako genu „zaszczepiającego”. Wyniki te zostały następnie wykorzystane jako model predykcyjny do nawigacji po sekwencji COVID-19. Dalsze ustalenia wytłumaczyły mechanizm „burzy cytokinowej”, typy komórek biorących w nim udział oraz narządów zaangażowanych w ten proces. Kluczowe wnioski zostały potwierdzone zarówno u chomików syryjskich jak i u pacjentów.
Neutralizujące przeciwciała
Idąc dalej, naukowcy wykorzystali model chomika syryjskiego do wyizolowania potencjalnych przeciwciał neutralizujących (nAbs) przeciwko SARS-CoV-2. Wśród wielu wirusologów znalezienie dobrych nAbs, które można wykorzystać do zapobiegania i leczenia wirusa, jest złotym standardem w walce z COVID-19. W rzeczywistości rekonwalescencyjne osocze składające się z przeciwciał wyleczonych pacjentów z COVID-19 (tzw. osocze ozdrowieńcow) stało się strategią, którą wielu lekarzy testuje u pacjentów będących w stanie krytycznym i którą FDA dopuszcza jako produkt badawczy w oparciu o najnowsze dane.
Ale nasuwa się pytanie czy i w jakim stopniu to działa? Naukowcy z The Scripps Research Institute and the International AIDS Vaccine Initiative zrekrutowali grupę naturalnie zakażonych osób, które wyzdrowiały z COVID-19. W mniej niż siedem tygodni pobrali próbki krwi i opracowali funkcjonalne testy, aby szybko posortować przeciwciała z próbek, a następnie skonfigurowali komórki i zwierzęta do oceny przeciwciał pod kątem ochrony przed SARS-CoV-2. Naukowcy scharakteryzowali ogółem ponad 2000 przeciwciał. Najsilniejsze z nich, w oparciu o testy wykonane na ludziach, oceniono na modelu zwierzęcym chomika syryjskiego pod kątem ochrony przed SARS-CoV-2. Badania wykazały, że zwierzęta, które otrzymały najsilniejsze przeciwciało nAb, były skutecznie chronione przed infekcją. Odkrycia zostały opublikowane w „Science”.
Z kolei inne badania również wykazały użyteczność modelu chomika w izolowaniu i testowaniu przeciwciał neutralizujących. Japoński zespół stwierdził, że zdolność chomika do tworzenia silnych przeciwciał neutralizujących przeciwko SARS-CoV-2, a także brak ponownego zakażenia poprzez prowokację, uczyniła go użytecznym modelem do testowania szczepionek, leków przeciwwirusowych i immunoterapii. Badania przeprowadzone przez German Center for Neurodegenerative Diseases wykazały, że profilaktyczne zastosowanie silnego przeciwciała neutralizującego (uzyskanego z krwi wyzdrowiałych pacjenta z COVID-19) chroniło chomiki przed infekcją SARS-CoV-2, utratą masy ciała i patologią płuc. Z kolei naukowcy z University of Pittsburgh użyli modelu chomika do przetestowania przeciwciał o wysokim powinowactwie, które zidentyfikowali z biblioteki fagów. Autorzy badania zasugerowali, że był to pierwszy raport dotyczący przeciwciała o wysokim powinowactwie, które wiąże się ze zmiennym regionem wirusa SARS-CoV-2.
Doświadczenia laboratoryjne wykonane w Chinach pozwoliły na stworzenie skrystalizowanej struktury neutralizującego przeciwciała o wysokim powinowactwie, które wiąże się z białkiem powierzchniowym SARS-CoV-2. Badanie to miało na celu określenie mechanizmu działania neutralizacji, a następnie potraktowanie zakażonych chomików sekwencyjną, niską dawką wspomnianych przeciwciał. Terapia wykazała wysoką skuteczność wśród testowanych chomików w porównaniu z grupą kontrolną (nieleczonych, zakażonych chomików). Inne badania przeprowadzone również w Chinach opisały możliwość odratowania szczepu SARS-CoV-2 (pochodzącego z USA) ze sztucznego chromosomu bakteryjnego, czyli miniaturowej wersji prawdziwego chromosomu, który może replikować wraz ze swoim naturalnym odpowiednikiem w komórkach gospodarza. W tym celu chomiki syryjskie zostały zakażone sklonowanym wirusem (infekcja została wprowadzona do wnętrza nozdrzy), aby sprawdzić, czy wirus będzie zachowywał się tak samo jak naturalnie występujący szczep wirusa. Z kolei zespół z Colorado State University zidentyfikował panel sklonowanych, ludzkich przeciwciał monoklonalnych z biblioteki drożdży ze swoistością wobec domeny wiążącej białko SARS-CoV-2. Ich badania wykazały, że podanie wiodącego klonu przeciwciał chomikom syryjskim poddanym infekcji SARS-CoV-2 znacząco zmniejszyło miano wirusa oraz zmiany histopatologiczne w płucach.
Badania zdrowia publicznego
Co ciekawe, chomiki syryjskie nie były przydatne tylko w badaniach biologii wirusa. Wykorzystano je również do zbadania krytycznych problemów zdrowotnych dotyczących takich aspektów jak: maski (czy pomagają zapobiegać przenoszeniu infekcji i jak są skuteczne?), wiek a zachorowalność (dlaczego COVID-19 jest tak trudny dla osób starszych?) oraz węch a wirus (dlaczego osoby zakażone SARS-CoV-2 tracą węch?). Były to jedne z wielu pytań, które pochłonęły środowisko naukowe, a na które model chomika po raz kolejny pomógł odpowiedzieć.
Model chomika syryjskiego został wykorzystany do potwierdzenia hipotezy, że noszenie masek chirurgicznych zapobiega transmisji SARS-CoV-2. Aby to udowodnić, grupę kontrolną chomików sztucznie zakażono SARS-CoV-2 i umieszczono obok zdrowych chomików, których klatka zawierała warstwę przegrody wykonanej z materiału maski chirurgicznej. Zastosowana bariera ograniczała przenoszenie wirusa do zdrowych osobników o ponad 60%, podczas gdy 2/3 grupy zdrowych zwierząt (bez przegrody z materiału chirurgicznego) zostało zarażonych w ciągu tygodnia. Odkrycia te pojawiły się w Clinical Infectious Diseases i są ważnym przypomnieniem, jak ważnym środkiem zapobiegawczym są maski w czasach ogólnej pandemii.
Wirusolodzy z Freie Universität w Berlinie wykorzystali również wiekowe i młode chomiki syryjskie, aby zademonstrować, jak skorelowany jest wiek pacjenta z infekcją wirusa. Wyniki potwierdziły, że młode chomiki wykazywały znacznie silniejszą odpowiedź immunologiczną na zakażenie SARS-CoV-2, przez co szybciej odzyskiwały pojemność płuc niż ich starsi krewni, u których zamiast tego rozwijał się wyraźny obrzęk pęcherzykowo-naczyniowy wskazujący na wysięk naczyniowy.
Zaskakującym faktem jest, że jednym z objawów COVID-19 jest chwilowa utrata smaku lub zapachu. Nasuwa się pytanie: dlaczego? Badania przeprowadzone w Hongkongu na chomikach wykazały, że SARS-Cov-2 bezpośrednio infekuje neurony węchowe, a przy tym indukuje śmierć tych komórek. Infekcja wywołała również odpowiedzi zapalne w sąsiednich komórkach, które mogą niekorzystnie wpływać na funkcję neuronów węchowych. Odrębne testy na chomikach przeprowadzone we Francji wykazały, że zakażenie komórek wspierających nabłonek węchowy przez COVID-19 powoduje masowe złuszczanie się nabłonka węchowego, co prowadzi do utraty węchu.
Wnioski końcowe
Podsumowując, dużo informacji na temat pandemii czerpiemy z różnych modeli zwierzęcych, zarówno dużych jak i małych zwierząt. Oczywiście żaden z nich nie jest identyczny z ludzkim organizmem, co uniemożliwia zobrazowanie pełnego mechanizmu infekcji w warunkach przedklinicznych. Od rozpoczęcia pandemii zaczynamy zauważać pojawianie się nowych modeli zwierzęcych COVID-19, które są oparte na określonych technikach inżynierii genetycznego, w tym CRISPR. Jednak gdyby nie zasłużony, złoty chomik syryjski, nie dowiedzielibyśmy się tyle, ile nauczyliśmy się na tak wielu różnych frontach podczas pierwszych miesięcy pandemii.
Serdecznie podziękowania dla chomików.
Artykuł udostępniony dzięki Charles River. Oryginalny tekst jest dostępny tutaj.
