За эпидемии последних 20 лет были ответственны коронавирусы человека: тяжелый острый респираторный синдром SARS-CoV (атипичная пневмония) и ближневосточный респираторный синдром MERS-CoV. COVID-19 — заболевание, вызываемое вирусом SARS-CoV-2. Множество противовирусных препаратов перепрофилируется для лечения COVID-19. В связи с этим изучаются эффективность и безопасность интерферонов (IFN).

Содержание

Рекомбинантные и пегилированные интерфероны

Рекомбинантный интерферон — IFN, полученный с помощью генной инженерии. Рекомбинантный интерферон безопасен с точки зрения заражения заболеваниями, передающимися через кровь.

Пегилированный интерферон — соединение IFN с пропиленгликолем. Пегилированный интерферон остается в организме дольше.

Для лечения таких заболеваний как вирусный гепатит и рассеянный склероз применяются рекомбинантный и пегилированный IFN-α и IFN-β (интерфероны I типа). Также для лечения вирусного гепатита исследуется безопасность и эффективность IFN-λ (интерферон III типа).

Данный обзор описывает противовирусный ответ, вызванный IFN, при коронавирусной инфекции, а также врожденное иммунное распознавание и способность SARS-CoV и MERS-CoV избегать его. В обзоре изучается роль ответа IFN I и III типов на SARS и MERS и рассматриваются возможности и ограничения использования интерферона для лечения COVID-19.

Механизм ответа интерферона

Аутокринная передача сигналов: клетка выделяет химический агент, который связывается с рецепторами той же самой клетки. Это приводит к изменениям в клетке.

Паракринная передача сигналов: сигналы передаются между соседними клетками. Клетки вырабатывают сигнальные молекулы (паракринные факторы) и секретируют их во внеклеточную среду. Паракринные факторы распространяются на относительно короткие расстояния. Факторы перемещаются в соседние клетки и вызывает изменения в них.
В ответ на проникновение вируса в организм клетки вырабатывают интерферон. Врожденная иммунная система распознает вирусные инфекции и вызывает ответ интерферонов I (α, β, ε, κ, ω) и III (λ) типов. С помощью аутокринной и паракринной передачи сигналов интерфероны I типа связываются с соответствующим им рецептором IFNАR и запускают противовирусную реакцию — экспрессию интерферон-стимулированных генов (ISG). ISG подавляют репликацию вируса. Интерфероны III типа связываются с соответствующим рецептором IFNLR, который экспрессируется в эпителиальных и миелоидных клетках. Сигнатуры ISG, индуцированные интерфероном I и III типов, похожи. Активация ISG, вызванная IFN I типа, и усиливается, и снижается быстрее.
Интерфероны I и III типов делают клетку устойчивой к вирусам и запускают противовирусный адаптивный иммунный ответ.

Некоторые вирусы научились избегать иммунного распознавания и подавлять функции IFN и ISG. Многие вирусные белки изменяют ответ организма на интерферон. Эти механизмы характерны для SARS-CoV и MERS-CoV.

Результат передачи сигналов IFN зависит как от вируса, так и от хозяина. Например, сигналы IFN I типа могут принести вред из-за системных провоспалительных эффектов интерферона. Окажет ли сигнал IFN защитное или патогенное действие при атипичной пневмонии и MERS — зависит от контекста, в котором этот сигнал формируется.

Врожденное распознавание коронавирусной инфекции

Врожденная иммунная система распознает проникнувшие в организм патогенные микроорганизмы с помощью рецепторов распознавания образов (PRR). PRR распознают патоген-ассоциированные молекулярные паттерны (PAMP) — набор нуклеиновых кислот и продукты репликации вируса. Этих сигнатур нет в исходных клетках организма.

Распознают вирусную РНК два типа PRR: Toll-подобные рецепторы (TLR) и RIG-I-подобные рецепторы (RLR). TLR располагаются в эндосоме, а RLR – в цитозоле. RLR есть в большинстве клеток организма. Экспрессия TLR происходит в клетках врожденного иммунитета. Некоторые ISG (OAS, IFIT) также могут распознавать и подавлять вирусную РНК.

Генетические исследования выявили, что восприимчивость к коронавирусной инфекции возрастает, если отсутствуют специфические PRR и их сигнальные пути. Репликация коронавирусов происходит в цитоплазме клетки. Поэтому продукты репликации и вирусные геномы распознаются цитозольными рецепторами RIG-I и MDA5. В обнаружении вируса мышиного гепатита (коронавирус мыши, MHV) участвуют оба этих рецептора. Если рецепторы RIG-I и MDA5 отсутствуют, индукция интерферона в ответ на MHV не происходит. Возможно, эти цитозольные рецепторы также распознают и SARS-CoV-2.

Рецепторы TLR: TLR3, TLR7 и TLR8. TLR3 распознают двухцепочечную РНК, а TLR7 и TLR8 – одноцепочечную РНК. TLR7 — важнейший рецептор, распознающий такие коронавирусы как MHV, SARS-CoV и MERS-CoV. TLR7 необходим, чтобы при этих инфекциях плазмацитоидные дендритные клетки продуцировали IFN-α. Экспрессия TLR4 происходит во врожденных иммунных клетках. TLR4 распознает вирусные стыковочные белки, в частности белок респираторно-синцитиального вируса, поражающего нижние дыхательные пути. Исследование на мышах продемонстрировало, что дефицит TLR4 увеличивает заболеваемость и смертность после инфицирования MHV и SARS-CoV.

Адаптер — белок, передающий сигнал от рецептора к эффектору, который регулирует активность тех или иных белков.
Молекулы-адаптеры для TLRMyD88 (для TLR4, TLR7, TLR8) и TRIF (для TLR3, TLR4). Молекулы-адаптеры — важная часть механизма защиты от коронавирусных инфекций.

MAVS – митохондриальный противовирусный сигнальный белок. MAVS находится дальше по сигнальному пути от RLR.

В исследовании 2008 года  мышей заражали вирусом rMA15 (адаптированной к мышам атипичной пневмонией). Исследование показало, что мыши с дефицитом MyD88 неспособны контролировать репликацию вируса и погибают. Заболеваемость мышей с дефицитом TRIF сопоставима с заболеваемостью мышей с дефицитом MyD88.

Исследование на мышах 2014 года показало, что если при MERS-CoV сигналы MyD88 отсутствуют, то снижение вирусной нагрузки замедляется, а легочная патология увеличивается. У мышей Tlr7−/− снижена экспрессия IFN по сравнению с мышами дикого типа. У мышей Mavs−/− такого эффекта не наблюдается. Значит, сигнальный путь TLR7 – MyD88 – основной для врожденного иммунного распознавания MERS-CoV.

NF-κΒ – ядерный фактор, белковый комплекс, который управляет транскрипцией ДНК, продукцией цитокинов и выживаемостью клеток.

IRF3, IRF7 — факторы регуляции интерферона.

Врожденное вирусное распознавание запускает два процесса:

  • продукцию провоспалительных цитокинов (IL-1, IL-6, TNF-α), вызванную NF-κΒ;
  • продукцию IFN I и III типов, вызванную IRF3 и IRF7.

Ответ IFN I и IFN III на SARS-CoV-2 очень слабый, экспрессия ISG ограничена. При этом активируются хемокины и провоспалительные цитокины.

Кроме того, что вирус подавляет ответ IFN, уровень провоспалительных цитокинов зависит от возраста. В исследовании SARS-CoV на макаках у пожилых макак по сравнению с молодыми были выше степень легочной патологии и экспрессия провоспалительных цитокинов. Также наблюдалась более низкая экспрессия IFN I типа. Эти результаты соответствуют результатам другого исследования, демонстрирующего, что в ответ на инфекцию вирусом гриппа А у более старых моноцитов человека снижена продукция IFN I и IFN III. При этом сохраняется исходный уровень провоспалительных цитокинов. В процессе старения возникает дисбаланс между провоспалительным и интерфероновым ответами. Этот факт играет важную роль для течения и исхода COVID-19.

Коронавирус изменяет врожденный противовирусный ответ

Чтобы сделать клетки устойчивыми к вирусу, интерфероны I и III типов вызывают экспрессию противовирусных ISG. Но коронавирусы умеют избегать иммунного распознавания и подавлять ответ интерферона. Этим объясняется высокая патогенность коронавирусов.

Коронавирусы могут подавлять любую ступень врожденного иммунитета:

  • врожденное распознавание;
  • продукцию интерферона;
  • сигнальный путь интерферона;
  • противовирусное действие

Интерфероны и коронавирусные инфекции

У пациентов с атипичной пневмонией отсутствовал интерфероновый ответ. В то же время продукция хемокинов и цитокинов оставалась устойчивой. Исследования in vitro подтверждают: при инфицировании SARS-CoV продукция IFN I типа снижена. В исследовании 2020 года у пациентов с COVID-19 взяли на анализ сыворотку крови. Результат тот же: отсутствуют интерфероны I и III типов, провоспалительные цитокины и хемокины повышены.

Исследование SARS-CoV 2010 года показало, что экспрессия интерферона отстает от экспрессии провоспалительных цитокинов. То есть ответ на интерферон не отсутствует, а запаздывает. Исследование SARS-CoV на мышах показало, что от пика вирусной нагрузки до экспрессии в легких интерферона I типа проходило несколько часов.
В то же время исследование 2007 года показало, что высокие уровни IFN-α и ISG у пациентов с атипичной пневмонией связаны с тяжелой формой заболевания. Даже после перехода заболевания в менее острую форму у пациентов с гипоксемией сохранялись высокие уровни IFNAR1 и хемокинов, индуцированных интерфероном.

У пациентов с тяжелой формой MERS уровни IFN-α также были повышены. У пациентов с COVID-19 высокие уровни IFN-α и ISG коррелируют с тяжелой формой заболевания и высокой вирусной нагрузкой. Эти факты показывают, что при инфекциях, протекающих в тяжелой форме, повышается уровень интерферона, при этом сохраняется высокая вирусная нагрузка.

Исследования SARS на мышах показали, как генетические факторы влияют на эффект сигналов интерферона. Для исследований использовались наиболее популярные лабораторные мыши C57BL/6 и мыши 129 с нокаутом интерферона I, II или III типа.

У мышей 129 SARS развивается в легкой форме, потому что сигналы интерферона способствуют повышению вирусного клиренса.

У мышей Stat1– / – (с дефицитом STAT1) отсутствует ответ на IFNα и IFNγ.

BALB/c — иммунодефицитные мыши, у которых отсутствует тимус, и они не способны продуцировать Т-клетки.

У мышей  Stat1– / – 129 нарушен вирусный контроль, поэтому SARS для них смертелен, хотя и протекает с той же тяжестью, что и у мышей дикого типа. У мышей Stat1– / – C57BL/6 заболеваемость SARS-CoV была выше. А у мышей Ifnar1– / – C57BL/6 были выше вирусные титры.

Для мышей BALB/c SARS-CoV смертелен, так как сигналы IFN I приводят к инфильтрации воспалительных моноцитов и макрофагов в легких. Симптомы SARS у мышей Ifnar1−/− BALB/c были умеренными, а выживаемость составила 100%.

Ранний IFN подавляет репликацию вируса. При тяжелой форме SARS у мышей BALB/c индукция IFN I запаздывает по отношению к репликации вируса. Введение IFN I до пика вирусной нагрузки усиливало вирусный контроль и обеспечивало противовирусную защиту. Но введение IFN I после пика вирусной нагрузки не приводило к такому результату.
Исследования MERS на мышах показали, что сигнал IFN I снижает у мышей заболеваемость и смертность. У мышей Ifnar1-/- повреждения тканей были сильнее, а клинические исходы хуже, чем у мышей дикого типа. Блокирование IFNAR1 увеличивало вирусную нагрузку и смертность.

В отличие от SARS-CoV, при MERS-CoV ответ IFN I не запаздывает по отношению к репликации вируса. Причина — в том, что интерферон действуют по-разному при SARS и MERS.

Раннее введение IFN I типа защищает при MERS. У мышей, которым в качестве профилактики вводили IFN-β, не наблюдалось воспалительных процессов и снижения массы тела, а клиренс вируса происходил быстрее. Введение IFN-β до пика вирусной нагрузки обеспечивало противовирусную защиту. Но введение IFN I после пика вирусной нагрузки увеличивало воспалительные реакции и смертность.

Исследования SARS и MERS показывают, что время ответа IFN I по отношению к репликации вируса определяет течение и исход заболевания. Ранний ответ или введение IFN I обеспечивает противовирусную защиту. Если ответ IFN I запаздывает, снижается вирусный контроль, что приводит к воспалению и повреждению тканей. Вирус может подавлять ответ IFN. С возрастом экспрессия IFN снижается. Введение IFN I полезно только на начальных стадиях заболевания. Это наиболее важно при запаздывающей или сниженной экспрессии IFN I.

ACE2 – стыковочный белок для  SARS-CoV.

DPP4  – стыковочный белок для MERS-CoV.

Течение и смертность при SARS и MERS отличается у людей и животных. Причина — в различных факторах рестрикции и экспрессии стыковочных белков. Экспрессия ACE2 увеличивает заболеваемость SARS-CoV у мышей. Но мышиная модель течения SARS отличается от человеческой. Исследования SARS-CoV и MERS-CoV на не человекообразных обезьянах показали, что патогенез этих моделей отличается от человеческого.

Также у людей и животных различаются ответы IFN. Во время SARS у мышей и не человекообразных обезьян ответ IFN нарушается или задерживается. У людей ответ IFN отсутствует.

Профиль ISG у людей и животных также отличается. Интерферон усиливает экспрессию ACE2 у людей. У мышей экспрессия меньше.

Ответ IFN и исход заболевания зависят от факторов, специфичных для хозяина. Изучать действие IFN важно на всем периоде заболевания COVID-19.

Интерферон I типа для лечения COVID-19

Для лечения SARS, MERS и COVID-19 рассматривались рекомбинантные интерфероны I типа. IFN I показал свою эффективность in vitro и in vivo для лечения SARS и MERS.

IFN-β1b снижал вирусную нагрузку и повреждения легких у мартышек с MERS-CoV. IFN-β в комбинации с лопинавир-ритонавиром улучшал легочную функцию, хоть и не снижал повреждения легких у мышей с MERS-CoV. IFN-a2b в комбинации с рибавирином улучшал вирусный контроль и исход MERS-CoV у макак.

Интерферон был также эффективен в отношении SARS-CoV на животных моделях. Профилактика IFN-α до инфицирования SARS-CoV снижала репликацию вируса и легочную патологию у макак.
Клинические исследования применения интерферона среди пациентов с SARS и MERS показали более разноплановые результаты. IFN-α, как дополнение к кортикостероидам, улучшал насыщенность кислородом и ускорял восстановление легких у пациентов с SARS. IFN-α в комбинации с рибавирином увеличивал выживаемость пациентов с MERS через 14 дней после постановки диагноза, но не влиял на выживаемость через 28 дней. Комбинированная терапия не была эффективной на поздних стадиях SARS. Причина разноплановых результатов применения IFN среди пациентов — в ограниченном числе участников ретроспективных исследований, различных комбинациях препаратов, применении IFN на разных стадиях заболевания и сопутствующих заболеваниях.
Опыт применения IFN I для лечения SARS и MERS используется для COVID-19. In vitro SARS-CoV-2 более чувствителен к IFN I, чем SARS-CoV. Предварительная обработка клеток IFN-α и IFN-β снижает вирусные титры. Это показывает возможную эффективность IFN I для профилактики и раннего лечения SARS-CoV-2.

В Китае для лечения COVID-19 используется небулизированный IFN-α в сочетании с рибавирином. Небулизированный IFN-α воздействует непосредственно на дыхательные пути.

Исследования эффективности применения IFN I для лечения COVID-19 продолжаются. Сравнивается эффективность подкожных инъекций IFN-ß1a в комбинации с лопинавиром / ритонавиром и монотерапия лопинавиром / ритонавиром, ремдесивира, гидроксихлорохина и монотерапии небулизированным IFN-ß1a.

В ретроспективном исследовании 77 пациентов с COVID-19 в Ухане получали лечение небулизированным IFN-α2b, арбидолом и их комбинацией. IFN-α2b значительно снижал продолжительность обнаружения вирусных и воспалительных маркеров. Другое исследование показало эффективность и отсутствие побочных эффектов применения назальных капель рекомбинантного IFN-α для профилактики COVID-19. Это исследование проводилось среди 2944 медработников в течение 28 дней. За это время не выявлено ни одного заболевшего.

С другой стороны, недавние исследования показали, что стыковочный белок для SARS-CoV-2 ACE2 является ISG, который регулируется IFN-α в  клетках верхних дыхательных путей. Это означает, что IFN может способствовать проникновению вируса в клетки. В ретроспективном исследовании описывается течение и исход COVID-19 у 446 пациентов. Результаты исследования показали связь позднего введения IFN с более медленным улучшением КТ легких. Возможно, во время пика вирусной нагрузки у умеренно больных пациентов положительные и вредные эффекты IFN компенсируют друг друга. У тяжелобольных пациентов вирусная нагрузка могла достичь пика. Поэтому экспрессия ACE2 может не представлять столь сильного риска, как до достижения пика вирусной нагрузки.

Интерферон III типа и респираторные инфекции

Также как и IFN I типа, IFN III типа экспрессируются при распознавании PAMP рецепторами распознавания образов. Через сигнальный путь JAK-STAT интерфероны запускают противовирусную программу.

Интерфероны I и III типов не избыточны, так как экспрессируются в разных видах клеток, и ответы IFN I и III типа различаются:

  • IFN-λ связываются с соответствующим рецептором IFNLR. Если IFNAR экспрессируется повсеместно, то IFNLR экспрессируется эпителиальными клетками дыхательного, желудочно-кишечного и репродуктивного трактов и некоторыми миелоидными клетками. Это позволяет контролировать вирус непосредственно в месте его проникновения.
  • Сигнатуры ISG I и III типов похожи. Но IFN III индуцирует более устойчивую экспрессию ISG.
  • Только IFN I, в отличие от IFN III, стимулирует экспрессию фактора транскрипции провоспалительного гена IRF1. IFN-λ – преобладающий IFN, который продуцируют эпителиальные клетки на ранних стадиях гриппа. IFN-λ связываются с IFNLR эпителиальных клеток и нейтрофилов, подавляя репликацию вируса и не вызывая воспаления.

Исследования на животных роли IFN III в SARS и MERS показали, что у животных, инфицированных MERS-CoV, индуцируемая TLR7 продукция IFN-λ коррелируют с кинетикой вирусной репликации. У мышей, инфицированных SARS-CoV, индукция ISG зависела от STAT1 и не зависела от IFNAR. Это значит, что ISG может быть индуцирована сигналом через IFNLR.

Ответ IFN-λ является защитным при таких инфекциях дыхательных путей, как грипп и SARS-CoV. Мыши Ifnlr1−/− не могут контролировать репликацию SARS-CoV. Ответы IFN I и IFN III имеют аддитивный эффект. У мышей Ifnar1-/- Ifnlr1-/-, нокаутных по рецепторам IFNAR и IFNLR, вирусная нагрузка выше, чем у мышей, нокаутных только по одному рецептору. У мышей Ifnar1-/- Ifnlr1-/- отсутствуют сигналы IFN I и IFN III. Это ухудшает вирусный клиренс. Но тяжесть заболевания у этих мышей ниже, чем у мышей Stat1-/-. Это указывает на вклад IFN II типа в противовирусную защиту.
Потребность в IFN-λ различна в верхних и нижних дыхательных путях. В легких IFN-α и-λ в большой степени дублируют друг друга. Но в верхних дыхательных путях противовирусную защиту создает только IFN-λ.

В исследовании на мышах моделировали естественное заражение гриппом. Низкую дозу вируса гриппа вводили в верхние дыхательные пути. Чтобы предотвратить распространение вируса гриппа из верхних дыхательных путей в легкие, был необходим IFN-λ. У мышей Ifnlr1-/- вирусная нагрузка была больше. Эти мыши были более заразны, чем мыши дикого типа или мыши Ifnar1-/-. Как IFN-α, так и IFN-λ вводили интраназально для профилактики. Оба интерферона подавляли репликацию гриппа в легких, но только IFN-λ длительно защищал верхние дыхательные пути и снижал заразность.

Так как IFN-λ позволяет контролировать вирус в месте его проникновения, обладает более длительным эффектом и не вызывает воспаления, он рассматривается как возможный метод лечения COVID-19.

На мышах исследовался вирус гриппа. IFN-λ обладал лечебным действием без побочных воспалительных эффектов. При профилактическом введении IFN-λ обеспечивал такой же уровень защиты, как и IFN-α. При одновременном введении с вирусом гриппа IFN-λ создавал большую защиту, чем IFN-β. При введении после появления симптомов IFN-λ2 создавал противовирусную защиту, в то время как IFN-α4 ухудшал течение заболевания за счет экспрессии провоспалительных цитокинов и инфильтрации иммунных клеток.

Роль IFN-λ также исследовалась и для SARS-CoV-2. Нокаутные по IFNLR1 кишечные эпителиальные клетки человека контролируют репликацию вируса еще хуже, чем нокаутные по IFNAR1.

Клетки, предварительно обработанные как IFN-β, так и IFN-λ, более устойчивы к SARS-CoV-2. Исследование SARS-CoV-2 на мышах показало, что пегилированный IFN-λ1, используемый как для лечения, так и для профилактики, подавляет репликацию вируса.

Вывод

Применение интерферонов I и III типов рассматривается как эффективный метод лечения COVID-19. IFN III подавляет репликацию вируса в легких и верхних дыхательных путях и создает устойчивую  противовирусную защиту.

IFN I мощнее, чем IFN III. Но так как IFN I вызывает воспаление, применять его следует только на ранней стадии заболевания.

Раннее применение IFN I ускоряет клиренс вируса и предотвращает цитокиновый шторм.

Первоисточники