Plasmodium falciparum, паразит, вызывающий самую смертоносную форму малярии у людей, мастерски уклоняется от всех попыток создать эффективную и долговечную вакцину. Теперь, используя сложный метод, который характеризует, как антитела реагируют на все примерно 5400 белков паразита, исследователи из Chan Zuckerberg Biohub-San Francisco (CZ Biohub SF) и UC San Francisco (UCSF) создали первую карту с высоким разрешением иммунный ответ человека на P. falciparum, позволяющий понять, что делает этого паразита таким устойчивым патогеном.
В исследовании, опубликованном в eLife 10 марта, исследователи использовали сложный метод для расщепления белков, составляющих P. falciparum, на части, распознаваемые нашей иммунной системой , а затем подвергли их воздействию крови 198 взрослых и детей Уганды. Результаты показали, что антитела связываются со многими областями P. falciparum, которые не вызывают долгоживущий ответ антител, очевидная «тактика отвлечения», которая заставляет иммунную систему генерировать более короткие ответы.
«Малярия — это профессионал, когда дело доходит до уклонения от иммунитета», — сказал президент CZ Biohub SF Джо ДеРизи, соавтор исследования. «Но вместо того, чтобы использовать скрытность, наши новые результаты показывают, что малярийный паразит в основном устраивает фейерверк, который отвлекает иммунную систему, заставляя ее преследовать цели, которые в конечном итоге бесполезны для разработки долгосрочной защиты».
Изощренный враг
Что касается того, почему так трудно найти надежную вакцину против малярии, эксперты указывают на сложность жизненного цикла паразита. P. falciparum претерпевает глубокие изменения по мере продвижения по человеческому телу , сначала скользя по кровотоку, как одноклеточный червь, а затем размножаясь в клетках печени, прежде чем ворваться в систему кровообращения , чтобы повторно поглотить содержимое эритроцитов в качестве топлива для умножить.
Этот паразит также генетически сложен и включает сотни белков, которые, как считается, предназначены для уклонения от иммунитета. Белки паразита также содержат большое количество простых повторяющихся последовательностей, которые десятилетиями ставили ученых в тупик.
Перед лицом такого изощренного врага неудивительно, что и наши естественные иммунные реакции, и усилия по созданию вакцины терпят неудачу. Только после многократного повторного воздействия на протяжении всей жизни люди в регионах передачи малярии перестают заболевать при заражении паразитом, а иногда даже этого недостаточно.
Длительные сроки выработки иммунитета подвергают детей особому риску. Более того, выработанный с таким трудом иммунитет быстро ослабевает: люди, покинувшие районы с высоким уровнем передачи, скорее всего, потеряют свою защиту и снова заболеют, когда вернутся.
Эти проблемы с развитием естественного иммунитета были перенесены на усилия по вакцинации. Вакцина, известная как RTS,S, первая одобренная для лечения малярии, требует серии из четырех прививок и по-прежнему эффективна только на 30% против тяжелой болезни, а защита, которую она дает, снижается уже через несколько месяцев.
«Мы многого просто не знаем о том, как развивается иммунитет к малярии», — сказал Брайан Гринхаус, профессор медицины в Калифорнийском университете в Сан-Франциско и соавтор новой статьи. «Это в значительной степени связано с отсутствием инструментов для всесторонней характеристики реакции иммунной системы. Однако новые методы, которые мы здесь разработали, помогут закрыть этот пробел».
Картирование иммунного ответа
Чтобы лучше понять, почему так сложно выработать иммунитет к малярии, исследователи Biohub SF и UCSF использовали мощную технологию под названием PhIP-Seq, которая позволила им проанализировать в лаборатории, как иммунная система людей, подвергшихся воздействию P. falciparum, отреагировала на него. .
Подход заключался в том, чтобы взять все примерно 5400 белков, из которых состоит паразит P. falciparum — «протеом» паразита, — и разделить их на сотни тысяч фрагментов, что примерно соответствует масштабу, в котором работает наша иммунная система, охотясь за кусочками патогенов, чтобы цель. Затем исследователи создали вирусы для отображения каждого из этих крошечных кусочков — как солдаты, размахивающие флагом противоборствующей армии — и смешали их в лабораторных посудах с кровью участников исследования.
«Что мы сделали, так это создали библиотеку всех компонентов всех белков, которые малярия может показать нашей иммунной системе», — сказал ДеРизи, также профессор биохимии и биофизики в Калифорнийском университете в Сан-Франциско. «Мы можем видеть именно то, что видит наша иммунная система, и пытаться выяснить, как она реагирует».
Теперь исследователи могли проанализировать, какие части паразита активировали антитела в крови человека для борьбы с болезнью. Если иммунная система сталкивалась с фрагментом ранее и вырабатывала антитела, то антитела должны проявлять реактивность к этим фрагментам на платформе PhIP-seq.
Как и ожидалось, образцы, взятые у контрольной группы взрослых американцев, которые, по большей части, вероятно, никогда не подвергались воздействию малярии, показали очень небольшую реакцию на белковые фрагменты паразита. Но когда команда изучила кровь, сданную угандийцами, они обнаружили интересные закономерности.
Кровь угандийцев содержала антитела ко многим компонентам малярийного паразита , но чаще всего к фрагментам белка, получившим название «повторяющиеся элементы». Повторяющиеся элементы — это области белка, в которых аминокислотные последовательности, из которых он состоит, повторяются снова и снова, и считается, что они не играют особой роли в функционировании белка.
Любопытно, что реакция на повторяющиеся элементы сильно зависела от экспозиции. Угандийские дети, живущие в условиях чрезвычайно высокого уровня заражения малярией (в среднем 49 раз в год через укусы инфицированных комаров), проявляли примерно в два раза большую реактивность ко многим из этих повторяющихся элементов, чем дети, живущие в районах с умеренным воздействием (пять инфицированных укусов в год).
Но реактивность к некоторым из этих повторяющихся элементов со временем ослабевала в большей степени, чем реактивность к неповторяющимся областям. Резкое различие предполагает, что, хотя антитела к этим повторяющимся элементам доминируют в иммунном ответе на малярию, этот ответ является мимолетным и может исчезнуть быстрее, чем ответы на неповторяющиеся участки.
«Эти повторения, как правило, не очень хорошие цели, когда речь идет о создании долгосрочной защиты», — сказал Мадхура Рагхаван, докторант в области биохимии и биофизики в Калифорнийском университете в Сан-Франциско и ведущий автор нового исследования. «Иммунные ресурсы ограничены, и в случае с малярией наши тела, кажется, делают серьезный просчет в том, на что они нацелены, чтобы создать естественный иммунитет».
ДеРизи согласился, добавив: «Наша иммунная система начинает действовать, чтобы справиться с этими приманками. Это такое отвлечение, что организм упускает возможность выработать защиту, которая действительно была бы полезна в следующий раз».
Полученные данные, вероятно, являются важным уроком для разработки вакцин, которые обычно основаны на имитации собственной иммунной защиты организма без обязательной оценки ее эффективности. Действительно, вакцина RTS,S использует повторяющийся элемент P. falciparum в качестве своей мишени — возможное объяснение ее низкой стойкости.
Вооружившись своей новой библиотекой протеома P. falciparum, исследователи Biohub планируют продолжить тестирование иммунных реакций на малярию в Уганде, наблюдая затем, как эти реакции меняются с течением времени и при различных уровнях воздействия. Они ожидают, что дополнительные данные в конечном итоге приведут их к конкретным компонентам белков паразита, которые могут быть ключом к запуску более эффективного иммунного ответа посредством вакцинации.
«К сожалению, малярия — это просто нормальная часть повседневной жизни для многих людей, и иммунитет — единственное, что удерживает их от постоянных болезней или смерти», — сказал Гринхаус. «Очень важно, чтобы мы продолжали работать над тем, чтобы лучше понять этот иммунитет, если мы хотим иметь шанс разработать эффективную, спасающую жизни вакцину».
