Противовирусные препараты - исследования и разработка

Противовирусные препараты – это класс лекарств, используемых специально для лечения вызванных вирусамиинфекций. Подобно действию антибиотиков против бактерий, специфические противовирусные препараты используются против конкретных вирусов. От большинства антибиотиков противовирусные препараты отличаются тем, что они не уничтожают целевой патоген, а ингибируют его развитие вместо этого.

Противовирусные препараты представляют собой класс противомикробных препаратов, большую группу, которая также включает антибиотики (другое название – антибактериальные лекарства), противогрибковые и противопаразитарные лекарства, или противовирусные препараты на основе моноклональных антител. Большинство противовирусных препаратов считается относительно безвредным для хозяина, и, следовательно, может быть использовано для лечения инфекций. Они должны быть отделены от вирулицидов, которые не являются лекарством, а действуют, дезактивируя или разрушая вирусные частицы внутри или вне организма. Противовирусные препараты также можно обнаружить в эфирных маслах некоторых растений, таких как эвкалипт, и его составных частях.

Содержание

1. Применение в медицине
   
2. Видео о противовирусных препаратах
   
3. Исследования противовирусных препаратов
   
4. Жизненный цикл вируса
   
5. Ограничения вакцин
   
6. Антивирусный таргетинг
   
7. Подходы по стадии жизненного цикла
   
8. Стимуляция иммунной системы
   
9. Приобретенная устойчивость противовирусных препаратов
   

Применение в медицине

Большинство доступных теперь противовирусных препаратов разработаны, чтобы помочь справиться с ВИЧ, вирусами герпеса, вирусами гепатита В и С, вирусами гриппа А и В. Исследователи работают, чтобы расширить спектр противовирусных препаратов для других семейств болезнетворных микроорганизмов.

Разработка безопасных и эффективных лекарств этого класса не так проста, потому что вирусы используют клетки хозяина для репликации. Поэтому трудно найти цели для препарата, который будет мешать вирусу без ущерба для клеток организма-хозяина. Кроме того, основная трудность в разработке вакцин и противовирусных препаратов связана с вирусной изменчивостью.

Появление противовирусных препаратов является продуктом значительно расширенных знаний о генетических и молекулярных функциях организмов, что позволяет исследователям-биомедикам понять функцию и структуру вирусов, крупных достижений в технике для поиска новых лекарств и интенсивного давления, оказанного на медиков, чтобы справиться с вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ), причиной смертельной пандемии синдрома приобретенного иммунодефицита (СПИД).

Первые экспериментальные противовирусные препараты были разработаны в 1960-х гг., в основном для работы с вирусами герпеса, и были обнаружены с помощью традиционных методов проб и ошибок. Исследователи выращивали культуру клеток и заражали их целевым вирусом. Затем они вводили в культуру химические вещества, которые, по их мнению, возможно, ингибировали вирусную активность, и наблюдали, вырастал ли уровень вируса в культурах или падал. Химические вещества, которые, предположительно, отличались эффективностью, отбирались для более внимательного изучения.

Потребовалось много времени и сделанных наугад попыток в отсутствие хорошего знания о том, как работал целевой вирус. Но все эти попытки обнаружить эффективные противовирусные препараты, которые имели бы мало побочных эффектов, были безрезультатными. Лишь в 1980-х гг., когда исследователи начали разгадывать полные вирусные генетические последовательности, они действительно стали понимать в деталях, как вирусы работают и какие именно химические вещества необходимы для разрушения их репродуктивного цикла.

Видео о противовирусных препаратах

Исследования противовирусных препаратов

В августе 2011 г. исследователи из Массачусетского технологического института объявили о разработке нового метода ингибирования NA, процесс избирательного поражения инфицированных клеток. Команда назвала процесс DRACO или «активируемый двухцепочечной РНК олигомеризатор каспазы». По мнению ведущего исследователя, DRACO должен теоретически действовать против всех вирусов.

Жизненный цикл вируса

В структуре вирусов есть геном, а иногда и несколько ферментов, содержащихся в капсуле, изготовленной из белка (так называемый капсид), а иногда покрыты липидным слоем (иногда называемый оболочкой). Вирусы не могут воспроизводиться самостоятельно, а вместо этого распространяются посредством подчинения клетки-хозяина, чтобы производить копии самих себя, таким образом, производя следующее поколение.

Исследователи, разрабатывающие стратегии рациональной работы над противовирусными препаратами, пытались атаковать вирусы на каждом этапе их жизненного цикла. Было обнаружено, что некоторые виды грибов содержат множественные антивирусные химикаты с аналогичными синергетическими эффектами. Жизненные циклы вирусов различаются в своих точных деталей в зависимости от вида вируса, но всех их объединяет общая модель:

• Присоединение к клетке-хозяину.
  
• Выделение генов и, вероятно, ферментов вируса в клетку-хозяина.
  
• Репликация вирусных компонентов, использующих снаряжение клетки-хозяина.
  
• Скопление вирусных компонентов в полные вирусные частицы.
  
• Выделение вирусных частиц для заражения новых клеток-хозяев.
  

Ограничения вакцин

При помощи вакцин укрепляется иммунная система организма, чтобы лучше атаковать вирусы в стадии «полной частицы» за пределами клеток организма. Они традиционно состоят из аттенуированной (ослабленной живой) или инактивированной (убитой) версии вируса. Эти вакцины могут в очень редких случаях нанести вред хозяину, случайно заразив его полномасштабной вирусной экспансией. Недавно были разработаны вакцины «субъединицы», которые состоят строго из белковых мишеней из патогена. Стимулируя иммунную систему, они не наносят серьезного вреда хозяину. В любом случае, когда реальный возбудитель атакует субъект, иммунная система реагирует на него быстро и блокирует его.

Вакцины очень эффективны на устойчивых вирусах, но имеют ограниченное применение в лечении уже зараженного пациента. Кроме того, их успешное развертывание против быстро изменяющих вирусов, таких как грипп (ежегодно обновляемая вакцина) и ВИЧ, не столь просто. В таких случаях особенно полезны противовирусные препараты.

Антивирусный таргетинг

Общая идея в основе современных противовирусных препаратов заключается в определении вирусных белков или частей белков, которые можно отключить. Эти «мишени», как правило, должны отличаться от любых белков или частей белков в организме человека, насколько возможно, чтобы сократить вероятность побочных эффектов. К тому же, цели должны быть распространены во многих штаммах вируса или даже среди различных видов вируса в той же семье, таким образом, один препарат будет иметь широкую эффективность. Например, исследователь может нацелиться на критический фермент посредством синтезируемого вируса, который является общим на штаммах, и посмотреть, что можно сделать, чтобы помешать его функционированию.

После определения целей могут быть выбраны лекарства-кандидаты либо из препаратов, которые, как уже известно, имеют соответствующие эффекты, либо посредством фактического проектирования кандидата на молекулярном уровне при помощи программы автоматизированного проектирования.

Можно изготовить целевые белки в лаборатории для тестирования с кандидатами путем введения гена, который синтезирует белок-мишень в бактерии или других видах клеток. Затем клетки культивируют для массового производства белка, который затем может быть подвержен действию различных кандидатов и оценен при помощи технологий «быстрого скрининга».

Подходы по стадии жизненного цикла

До внедрения в клетку

Одна антивирусная стратегия заключается в создании препятствий для способности вируса проникать в клетку-мишень. Для этого вирус проходит через последовательные этапы, начиная с привязки к молекуле конкретного «рецептора» на поверхности клетки-хозяина и заканчивая «раздеванием» вируса внутрь клетки и выпуска его содержимого. Вирусы, которые имеют липидную оболочку, должны также соединить свою оболочку с целевой клеткой или с пузырьком, транспортирующим их в клетку до того, как они смогут сбросить оболочку.

Этот этап вирусной репликации может быть ингибирован двумя способами:

Использование агентов, которые имитируют вирус-связанный белок (VAP) и связываются с клеточными рецепторами. Это может включать антиидиотипические антитела VAP, природные лиганды рецептора и антирецепторные антитела.

Использование агентов, которые имитируют клеточный рецептор и привязку к VAP. Сюда включаются анти-VAP антитела, антиидиотипические антитела рецептора, инородные рецепторы и синтетические миметики рецептора.

Эта стратегия проектирования лекарственных средств может быть очень дорогой, а поскольку процесс генерации антиидиотипических антител частично ведется методом проб и ошибок, прогресс может быть относительно медленным, пока не будет получена адекватная молекула.

Ингибитор внедрения

Самая ранняя стадия вирусной инфекции – это внедрение, когда вирус прикрепляется к клетке-хозяину и входит в нее. Для борьбы с ВИЧ разрабатываются лекарства «ингибирования внедрения» или «блокирования внедрения». ВИЧ наиболее сильно нацелен на белые кровяные тельца иммунной системы, известные как «Т-хелперы», и идентифицирует эти клетки-мишени через поверхностные рецепторы Т-клеток, обозначенные как «CD4» и «CCR5». Попытки помешать связыванию ВИЧ с рецептором CD4 не смогли остановить ВИЧ от заражения Т-хелперов, но продолжаются исследования того, как помешать связыванию ВИЧ с рецептор CCR5 в надеждах, что это будет более эффективным.

ВИЧ инфицирует клетку через слияние с клеточной мембраной, для чего требуется участие двух различных молекулярных участников клеток, CD4 и рецептора хемокина (отличающегося в зависимости от типа клеток). Подходы к блокированию слияния вируса/клетки подавали надежды в предотвращении проникновения вируса в клетку. Как минимум, один ингибитор внедрения, биомиметический пептид, представленный на рынке под торговой маркой фузеон, получил одобрение FDA (Управление по контролю за продуктами и лекарствами США) и применялся в течение какого-то времени. Одним из потенциальных преимуществ использования эффективного агента блокирования или ингибирования внедрения является то, что он не только способен предотвратить вирусное распространение в зараженном человеке, но и распространение от инфицированного лица к неинфицированному.

В то время как упоминалось, что пептид применялся в клинической практике на протяжении определенного периода, другие подходы к ингибированию внедрения могут быть весьма многообещающими. Например, аджоен, химическое вещество, производимое в распаде биопродукта дробления чеснока, как было показано в испытаниях в пробирке, предотвращает внедрение ВИЧ в клетки при высоких пикомолярных концентрациях.

Одним возможным преимуществом терапевтического подхода блокирования проникновения вируса (в отличие от доминирующего в данный момент подхода ингибирования вирусного фермента) является то, что вирусу может быть труднее выработать устойчивость к этой терапии, чем мутировать или развить свои ферментативные протоколы.

Ингибитор сбрасывания оболочки

Также были исследованы ингибиторы сбрасывания оболочки.

Для борьбы с гриппом были представлены амантадин и римантадин. Эти агенты действуют на проникновение и сбрасывание оболочки.

Плеконарил действует против риновирусов, вызывающих простуду, блокируя полость на поверхности вируса, которая контролирует процесс сбрасывания оболочки. Эта полость похожа на большинство штаммов риновирусов и энтеровирусов, которые могут вызвать диарею, конъюнктивит, менингит и энцефалит.

Во время вирусного синтеза

Второй подход заключается в нацеливании на процессы, в которых синтезируются вирусные компоненты после проникновения в клетку вируса.

Обратная транскрипция

Одним из способов сделать является разработка нуклеотидов или аналогов нуклеозидов, которые выглядят, как строительные блоки РНК или ДНК, но деактивируют ферменты, синтезирующие ДНК или РНК, когда внедряется аналог. Этот подход чаще ассоциируется с ингибированием обратной транскриптазы (РНК с ДНК), нежели с «нормальной» транскриптазой (ДНК с РНК).

Первый успешный противовирусный препарат ацикловир представляет собой аналог нуклеозида, и эффективен против инфекций герпеса. Другим аналогом нуклеозидов является первый противовирусный препарат, который должен был получить одобрение для лечения ВИЧ, зидовудин или AZT.

Расширение знаний о действии обратной транскриптазы привело к появлению улучшенных аналогов нуклеозидов для лечения ВИЧ-инфекции. Одним из таких препаратов, ламивудином, который был одобрен для лечения гепатита B, используется обратная транскриптаза, как часть процесса репликации. Исследователи пошли дальше и разработали ингибиторы, которые на нуклеозиды не похожи, но обратная транскриптаза может быть заблокирована ими.

Другой целью, рассматриваемой для препаратов против ВИЧ, является РНКаза H, это компонент обратной транскриптазы, отделяющий синтезированную ДНК от исходной вирусной РНК.

Интеграза

Другой целью является интеграза, которая сращивает синтезированную ДНК с геномом клетки-хозяина.

Транскрипция

Начав функционировать в клетке-хозяине, вирусный геном генерирует молекулы матричной РНК (мРНК), посредством которых направляется синтез вирусных белков. Производство мРНК инициируется белками, известными как факторы транскрипции. В настоящее время разрабатываются противовирусные препараты, чтобы блокировать прикрепление факторов транскрипции к вирусной ДНК.

Трансляция/антисмысловые типы

При помощи геномики удалось не только найти цели для многих противовирусных препаратов, она послужила основой для совершенно нового типа лекарства, основанного на «антисмысловых» молекулах. Эти сегменты ДНК или РНК предназначены в качестве дополнительной молекулы для критических участков вирусных геномов и связывания этих антисмысловых сегментов с этими целевыми участками, которые блокируют функционирование этих геномов. Представленный фосфоротиоатный антисмысловый препарат под названием фомивирсен используется для лечения оппортунистических инфекций глаз у больных СПИДом, возбудителем которых является цитомегаловирус, а другие антисмысловые антивирусные препараты находятся в стадии разработки. Антисмысловый структурный тип, принесший особенно высокую пользу в исследованиях, это морфолино антисмысловой.

Морфолино олигонуклеотиды были использованы для экспериментального подавления многих вирусных типов:

• калицивирусы
  
• флавивирусы (включая WNV)
  
• денге
  
• ВГС
  
• коронавирусы.
  

Трансляция/рибозимы

Еще один противовирусный метод вдохновлен геномикой и представляет собой набор препаратов на основе рибозимов, ферментов, которые будут разрезать вирусную РНК или ДНК на отдельных участках. В своем естественном курсе рибозимы используются в качестве части последовательности вирусного производства, но эти синтетические рибозимы разработаны для разрезания РНК и ДНК на участках, которые будут их отключать.

Рибозим противовирусный препарат был предложен для лечения гепатита С, и рибозимные противовирусные средства разрабатываются для борьбы с ВИЧ. Интересным вариантом этой идеи видится использование клеток после генетической модификации, которые способны производить на заказ рибозимы. Это является частью более широких усилий по созданию генетически модифицированных клеток, которые можно вводить в организм хозяина, чтобы нападать на болезнетворные микроорганизмы путем создания специализированных белков, которые блокируют вирусную репликацию на различных этапах жизненного цикла вируса.

Обработка и таргетинг

Также возможно вмешательство с посттрансляционными изменениями или ориентацией вирусных белков в клетке.

Ингибиторы протеазы

У некоторых вирусов имеется фермент протеаза, который отрезает цепи вирусного белка, чтобы они могли собраться в их конечной конфигурации. ВИЧ включает протеазу, и многочисленные исследователи занимались поиском «ингибиторов протеазы», чтобы атаковать ВИЧ на этом этапе его жизненного цикла. В 1990-х ингибиторы протеазы стали доступны. Несмотря на доказанную эффективность, для них характерны необычные отрицательные эффекты, например, в виде скопления жира в неожиданных местах. В настоящее время в разработке находятся улучшенные ингибиторы протеазы.

Ингибиторы протеазы также обнаруживаются в природе. Ингибитор протеазы был выделен из гриба шиитаке (Lentinus edodes). Его присутствие может объяснить отмеченную противовирусную активность грибов шиитаке в пробирке.

Скопление

Рифампицин действует на стадии скопления.

Фаза выделения

Заключительным этапом жизненного цикла вируса является выделение завершенных вирусов из клетки-хозяина, и он был также мишенью разработчиков противовирусных лекарств. Два лекарства занамивир (реленза) и озельтамивир (тамифлю), которые недавно были введены для лечения гриппа, препятствуют выпуску вирусных частиц, посредством блокировки молекулы нейраминидазы, которая находится на поверхности вирусов гриппа и кажется постоянной среди широкого ассортимента штаммов этго вируса.

Стимуляция иммунной системы

Вторая категория стратегии борьбы включает стимуляцию иммунной системы организма, чтобы атаковать вирусы, нежели нападать на них напрямую. Некоторые антивирусные лекарства такого рода не сосредотачиваются на конкретном возбудителе, а стимулируют иммунную систему, чтобы атаковать спектр патогенных микроорганизмов.

Одним из наиболее известных препаратов этого класса являются интерфероны, которые подавляют синтез вируса в пораженных инфекцией клетках. Одна из форм интерферона человека под названием «интерферон альфа» хорошо разработана в рамках стандартного лечения гепатита В и С, а другие интерфероны также исследуются в качестве лечения различных заболеваний.

Более специфичный подход – это синтез антител, молекул белка, которые могут связываться с патогеном и помечать его для атаки других элементов иммунной системы. После того, как исследователи выделяют определенную цель на возбудителе, они способны синтезировать идентичные «моноклональные антителы», чтобы связаться с этой целью. Моноклональный препарат в настоящее время продается, чтобы помочь бороться с респираторно-синцитиальным вирусом у детей, и очищенные антитела от инфицированных лиц также используются в качестве средства в терапии гепатита B.

Приобретенная устойчивость

Почти все противомикробные средства, в том числе противовирусные препараты, подлежат лекарственной устойчивости, так как возбудители мутируют с течением времени, теряя свою восприимчивость к лечению. Например, в недавнем исследовании, опубликованном в Nature Biotechnology, подчеркивается настоятельная необходимость увеличения запасов осельтамивира (тамифлю), включая дополнительные противовирусные препараты, среди которых занамивир (реленза), на основе оценки эффективности этих препаратов в сценарии, в котором в 2009 г. нейраминидаза (NA) свиного гриппа H1N1 приобрела мутацию устойчивости к тамифлю (His274Tyr), которая в настоящее время получила широкое распространение в сезонных штаммах H1N1.