Сотрудничество под руководством Института Висса, охватывающее четыре исследовательские лаборатории и сотни миль, использовало технологию института “орган на чипе” (Organ Chip) для идентификации противомалярийного препарата амодиакин в качестве мощного ингибитора инфекции SARS-CoV-2, вируса, вызывающего COVID-19.

Экосистема тестирования лекарств на основе чипов органов, созданная в рамках сотрудничества, значительно упрощает процесс оценки безопасности и эффективности существующих лекарств для новых медицинских применений и обеспечивает доказательство концепции использования чипов органов для быстрого перепрофилирования существующих лекарств для новых медицинских применений, включая будущие пандемии. Об этом исследовании сообщается в журнале Nature Biomedical Engineering.

В то время как многие группы по всему миру тестировали существующие препараты на эффективность против COVID-19 с использованием культивированных клеток, хорошо известно, что клетки, выращенные в чашке, ведут себя не так, как клетки в живом человеческом организме, и многие препараты, которые кажутся эффективными в лабораторных исследованиях, не работают у пациентов. Команда Wyss изучила восемь существующих препаратов, включая гидроксихлорохин и хлорохин, которые они и другие обнаружили активными против SARS-CoV-2 в обычных анализах клеточных культур.

При тестировании на их более сложном микрофлюидном чипе дыхательных путей легких, который был заражен псевдотипированным вирусом SARS-CoV-2, они обнаружили, что большинство этих препаратов, включая гидроксихлорохин и хлорохин, не были эффективными. Однако другой противомалярийный препарат, амодиакин, был очень эффективен в предотвращении проникновения вируса. Затем эти результаты были подтверждены в культивируемых клетках и на модели COVID-19 на мелких животных с использованием инфекционного вируса SARS-CoV-2. В настоящее время амодиакин проходит клинические испытания на COVID-19 в нескольких местах в Африке, где этот препарат является недорогим и широко доступным.

“Скорость, с которой эта команда собралась, развернулась к COVID-19 и дала клинически значимые результаты, поразительна”, – сказал старший автор и директор-основатель Института Висса Дон Ингбер, доктор медицинских наук. “Мы начали тестировать эти соединения в феврале 2020 года, получили данные к марту и опубликовали препринт в апреле. Благодаря открытости и сотрудничеству, которые вызвала пандемия в научном сообществе, наш ведущий препарат в настоящее время тестируется на людях. Это мощное свидетельство способности чипов органов ускорять доклинические испытания.”

От загадочной болезни до соединения свинца за несколько месяцев

В первые месяцы пандемии COVID-19, когда мало что было известно о новом вирусе SARS-CoV-2, по всему миру предпринимались усилия по выявлению существующих лекарств, которые можно было бы использовать для лечения больных пациентов. В то время как ранние данные, полученные на клетках, выращенных в лабораторных чашках, по-видимому, предполагали, что противомалярийные препараты хлорохин и гидроксихлорохин могут лечить это заболевание, более поздние исследования показали, что они не активны против SARS-CoV-2 у животных или пациентов, и поиски эффективного перорального терапевтического средства, которое может как лечить, так и предотвращать COVID-19, продолжаются.

К счастью, у Института Висса было готовое решение этой проблемы. Более трех лет назад Агентство перспективных исследовательских проектов в области обороны (DARPA) и Национальные институты здравоохранения (NIH) выделили финансирование команде Ингбера для изучения того, можно ли использовать технологию микрожидкостной культуры чипов человеческих органов, которая точно имитирует функцию человеческих органов in vitro, для решения потенциальных проблем, связанных с биологической угрозой, включая пандемические респираторные вирусы.

Через два года после начала проекта команда неуклонно продвигалась вперед, используя свой чип дыхательных путей легких для изучения лекарств, которые можно было бы использовать для лечения инфекций, вызванных вирусом гриппа. Затем, в январе 2020 года, первые авторы Longlong Si, Ph. D. и Haiqing Bai, Ph. D. услышали о случаях так называемой новой вирусной пневмонии в Китае.

“Это привлекло большое внимание ученых, потому что любой новый вирус может стать глобальной угрозой, учитывая, как легко инфекции распространяются в сегодняшнюю эпоху широко распространенных международных путешествий. Мы внимательно следили за обновлениями, потому что думали, что наша модель чипа дыхательных путей может стать важным инструментом для изучения этого вируса”,-сказал Си, сотрудник по разработке технологий Wyss и соавтор. Как только стало ясно, что люди заболевают из-за таинственного COVID-19, а не пневмонии, команда быстро переключила свое внимание на новый вирус SARS-CoV-2.

Чип дыхательных путей человека, разработанный командой Wyss для этих исследований, представляет собой микрофлюидное устройство размером с USB-накопитель, которое содержит два параллельных канала, разделенных пористой мембраной. Клетки дыхательных путей легких человека выращиваются в одном канале, который перфузируется воздухом, в то время как клетки кровеносных сосудов человека выращиваются в другом канале, который перфузируется жидкой питательной средой для имитации кровотока. Клетки, выращенные в этом устройстве, естественным образом дифференцируются в несколько типов клеток, специфичных для дыхательных путей, в пропорциях, аналогичных пропорциям в дыхательных путях человека, и развивают черты, наблюдаемые в живых легких, такие как реснички и способность вырабатывать и перемещать слизь. Клетки чипа дыхательных путей также имеют более высокий уровень рецепторного белка ангиотензинпревращающего фермента-2 (ACE2), который играет центральную роль в физиологии легких и используется SARS-CoV-2 для заражения клеток.

“Наша самая большая проблема при переключении нашего внимания на SARS-CoV-2 заключалась в том, что у нас нет лабораторных помещений с необходимой инфраструктурой для безопасного изучения опасных патогенов. Чтобы обойти эту проблему, мы разработали псевдовирус SARS-CoV-2, который экспрессирует спайковый белок SARS-CoV-2, чтобы мы могли идентифицировать препараты, которые препятствуют способности спайкового белка связываться с рецепторами ACE2 клеток легких человека”, – сказал Бай, который является аспирантом Института Висса и соавтором. “Вторичная цель состояла в том, чтобы продемонстрировать, что такие исследования могут быть проведены другими исследователями чипов органов, которые также обладают этой технологией, но не имеют доступа к лабораторным помещениям, необходимым для изучения высокоинфекционных вирусов.”

Вооружившись псевдовирусом, который позволил им изучить инфекцию SARS-CoV-2, команда сначала перфузировала канал кровеносных сосудов чипов дыхательных путей несколькими одобренными препаратами, включая амодиакин, торемифен, кломифен, хлорохин, гидроксихлорохин, арбидол, верапамил и амиодарон, все из которых проявили активность против других родственных вирусов в предыдущих исследованиях. Однако, в отличие от статических культуральных исследований, они смогли перфузировать препарат по каналам чипа, используя клинически значимую дозу, чтобы имитировать, как препарат будет распределяться по тканям в наших телах. Через 24 часа они ввели псевдовирус SARS-CoV-2 в воздушный канал чипов дыхательных путей, чтобы имитировать инфекцию воздушно-капельными вирусами, например, при кашле или чихании.

Только три из этих препаратов—амодиакин, торемифен и кломифен—значительно предотвращали проникновение вируса, не вызывая повреждения клеток в чипах дыхательных путей. Самый мощный препарат, амодиакин, уменьшал инфекцию примерно на 60%. Команда также провела спектрометрические измерения с помощью Стива Гиги, группы доктора философии в Гарвардской медицинской школе, чтобы оценить, как лекарства влияют на клетки дыхательных путей. Эти исследования показали, что амодиакин вызывает отчетливые и более широкие изменения белка, чем другие противомалярийные препараты.

У исследователей был ведущий кандидат на наркотики.

Несмотря на обещание амодиакина, команде все еще нужно было продемонстрировать, что он работает против реального инфекционного вируса SARS-CoV-2. С помощью нового гранта DARPA, ориентированного на COVID-19, Ингбер объединился с Мэтью Фриманом, доктором философии в Медицинской школе Университета Мэриленда, и Бенджамином Теневером, доктором философии в Медицинской школе Икана на горе Синай, у которых уже были лаборатории биобезопасности, созданные для изучения инфекционных патогенов.

Это сотрудничество создало экосистему открытия лекарств, которая сочетает в себе возможности эмуляции человеком чипов органов Института Висса с опытом Фримана и тенЕвера в области взаимодействия между вирусами и их клетками-хозяевами. Лаборатория Фримена протестировала амодиакин и его активный метаболит, дезэтиламодиакин, против нативного SARS-CoV-2 с помощью высокопроизводительных анализов в клетках in vitro и подтвердила, что препарат ингибирует вирусную инфекцию.

Чип дыхательных путей человека воссоздает интерфейс дыхательных путей и кровеносных сосудов человеческого легкого, позволяя исследователям изучать, как различные лекарства и патогены, такие как вирусы, влияют на функцию легких. Кредит: Институт Висса при Гарвардском университете
Параллельно лаборатория Tenever протестировала амодиакин и гидроксихлорохин против нативного SARS-CoV-2 в сравнении с головой в модели COVID-19 для мелких животных и увидела, что профилактическое лечение амодиакином привело к снижению вирусной нагрузки на ~70% при воздействии, в то время как гидроксихлорохин был неэффективен. Они также увидели, что амодиакин предотвращает передачу вируса от больных к здоровым животным более чем в 90% случаев и что он также эффективен в снижении вирусной нагрузки при введении после введения вируса. Таким образом, их результаты свидетельствуют о том, что амодиакин может работать как в режиме лечения, так и в режиме профилактики.

“Видеть, как прекрасно амодиакин подавляет инфекцию в дыхательных путях, было чрезвычайно захватывающе”, – сказал Фримен. “И тот факт, что он, похоже, работает как до, так и после воздействия SARS-CoV-2, означает, что он потенциально может быть эффективным в самых разных условиях.”

“Это сотрудничество позволило нам делать вещи, на которые у нас никогда не было бы ресурсов, в том числе недавно создать чипы органов в нашей собственной лаборатории, чтобы теперь мы могли использовать их для изучения взаимодействия между инфекционными вирусами и их хозяевами. Хотя мы гордимся тем, чего мы достигли до сих пор для COVID-19, мы также с нетерпением ожидаем изучения дополнительной динамики вируса-хозяина с использованием чипов органов в надежде, что мы сможем предотвратить или устранить будущие пандемии”, – сказал Теневер, профессор микробиологии.