A rational design strategy and validation for protease-resistant fusion-inhibitor antiviral peptides

يجب على الفيروسات التي تغلف نفسها بغشاء دهني، والمعروفة باسم الفيروسات المغلفة، أن تدمج طبقتها الخارجية مع خلية بشرية لتسبب عدوى. وللقيام بذلك، تستخدم "بروتين شوكي" يعمل كمفتاح جزيئي، والذي يخضع لتغير جذري في الشكل ليقفل الفيروس والخلية معاً. وقد عرف العلماء منذ فترة طويلة أنه يمكنهم نظرياً إيقاف هذه العملية عن طريق صنع "خديعة": وهي قطعة قصيرة من البروتين تحاكي جزءاً من مفتاح الفيروس نفسه. هذه الخديعة سترتبط بالبروتين الشوكي، مما يؤدي إلى تعطيل الآلية ومنع الفيروس من دخول الخلية. وبينما تنجح هذه الاستراتيجية بشكل جيد في أنبوب الاختبار، إلا أنها فشلت تاريخياً كدواء لأن جسم الإنسان مليء بالإنزيمات التي تعمل مثل "مقصات جزيئية"، حيث تقطع هذه البروتينات الخداعية قبل أن تؤدي عملها.

لقد وجد فريق من الباحثين الآن طريقة للتغلب على هذه المقصات. فقد اكتشفوا أن الإنزيم ذاته الذي يستخدمه الفيروس لفتح الخلايا هو نفسه الذي يدمر البروتينات الخداعية. ومن خلال دراسة المواقع المحددة التي يقطع فيها هذا الإنزيم، أعادوا تصميم البروتينات الخداعية لتكون "غير مرئية" للمقصات مع الحفاظ على قدرتها على تعطيل قفل الفيروس. وعند اختبارها في خلايا حية وفي الفئران، ظلت هذه الخداعات الجديدة الأكثر متانة نشطة لفترة أطول بكثير من النسخ الأصلية، مما يفتح مساراً واعداً نحو علاج وقائي آمن يمكن إعطاؤه قبل تعرض الشخص للفيروس.

تبدأ القصة بنوع محدد من الفيروسات، وهو SARS-CoV-2، الذي يسبب كوفيد-19. ومثل العديد من الفيروسات الأخرى، يعتمد هذا الفيروس على بروتين شوكي لاختراق دفاعات الخلايا البشرية. وداخل الفيروس، توجد منطقة تسمى "التكرار السباعي 2" (heptad repeat 2 أو HR2)، وهي ضرورية لعملية الاندماج. وقد حاول العلماء سابقاً استخدام قطعة قصيرة من منطقة HR2 هذه كدواء؛ وكانت الفكرة هي أن هذه القطعة ستطفو وتترابط مع منطقة HR2 الخاصة بالفيروس، مما يؤدي فعلياً إلى "تقييد يديه" حتى لا يتمكن من الاندماج مع الخلية. ومع ذلك، كانت هذه القطع البروتينية القصيرة هشة داخل الجسم. واشتبه الباحثون في أن إنزيماً معيناً في المجاري التنفسية البشرية، يسمى TMPRSS2، كان مسؤولاً عن تدمير هذه البروتينات الخداعية. وهذا الإنزيم ضروري لدخول الفيروس إلى الخلايا، حيث يقوم بقطع البروتين الشوكي لتنشيطه. وافترض الفريق أن هذا الإنزيم نفسه كان أيضاً يقطع البروتينات الخداعية، مما يجعلها عديمة الفائدة.

ولاختبار ذلك، أخذ الباحثون البروتينات الخداعية الأصلية وعرضوها لإنزيم TMPRSS2 في طبق مختبري. وفي غضون ساعة واحدة، كان الإنزيم قد قطع الخداعات تماماً إلى قطع صغيرة. وعندما اختبروا هذه الشظايا المقطعة في تجربة اندماج خلوي، وجدوا أن الشظايا قد فقدت كل قدرة على إيقاف الفيروس. وقد أكد ذلك أن الإنزيم كان بالفعل هو المتسبب في فشل الخداعات. الخطوة التالية كانت معرفة أين يقطع الإنزيم بالضبط. وباستخدام تقنية تحدد التركيب الكيميائي للجزيئات، حددوا ثلاثة مواقع محددة في البروتينات الخداعية حيث يقوم الإنزيم بعمليات القطع. وكانت هذه المواقع غنية باللبنات الأساسية القاعدية للبروتينات، والتي يستهدفها الإنزيم تحديداً.

مسلحين بهذه المعرفة، شرع الفريق في إعادة تصميم الخداعات. كانوا بحاجة إلى تغيير مواقع القطع الثلاثة لكي لا يتعرف عليها الإنزيم بعد الآن، لكن كان عليهم توخي الحذر لكي لا يغيروا شكل الخديعة لدرجة تمنعها من الارتباط بالفيروس. ولحل هذه المشكلة، استخدموا استراتيجيتين مختلفتين لإيجاد البدائل الأفضل. أولاً، أنشأوا مكتبة ضخمة تضم الملايين من نسخ الخديعة المختلفة قليلاً واختبروا أي منها لا يزال يرتبط بقوة بهدف الفيروس. ثانياً، بحثوا في السجلات الجينية لمتغيرات SARS-CoV-2 الموجودة في الطبيعة لمعرفة التغييرات التي حدثت بالفعل دون كسر الفيروس. ومن خلال الجمع بين هذين النهجين، حددوا ثلاث نسخ جديدة من البروتين الخداعي مقاومة للإنزيم ولكنها لا تزال فعالة في الارتباط.

قام الباحثون بعد ذلك بتخليق هذه البروتينات الثلاثة الجديدة واختبارها. وأكدوا أن الإنزيم لم يعد قادراً على قطعها. وفي تجارب الخلايا، نجحت جميع الخداعات الثلاثة الجديدة في منع الفيروس من الاندماج مع الخلايا، حتى في وجود الإنزيم. وقد أدى أحد الإصدارات، الذي أطلق عليه الباحثون اسم HR2-NHN، أفضل أداء. ولفهم سبب عمل هذا الإصدار تحديداً بشكل جيد، استخدم الفريق تقنية تصوير قوية تسمى "المجهر الإلكتروني المبرد" (cryo-electron microscopy) لالتقاط صورة ثلاثية الأبعاد مفصلة للخديعة وهي مرتبطة بهدفها. ووجدوا أنه بينما أدى أحد التغييرات التي أجروها إلى إزالة جذب كهربائي قوي بين الخديعة والفيروس، فإنه خلق اتصالاً جديداً ومستقراً يحفظهما معاً بنفس القوة. وقد أوضح هذا الفهم الهيكلي سبب كون الخديعة الجديدة قوية جداً.

جاء الاختبار الحقيقي عندما انتقل الباحثون من أطباق الخلايا إلى الحيوانات الحية. استخدموا فئراناً معرضة لمتغير من SARS-CoV-2. وفي هذه التجارب، أعطوا الخديعة الأصلية وخديعة HR2-NHN الجديدة الأكثر متانة في أوقات مختلفة قبل إصابة الفئران بالفيروس. وعند إعطائها قبل العدوى مباشرة، عمل كلا الإصدارين بشكل جيد. ومع ذلك، عندما انتظر الباحثون اثنتي عشرة ساعة قبل إصابة الفئران، فقدت الخديعة الأصلية معظم قوتها. وفي المقابل، ظلت خديعة HR2-NHO الجديدة فعالة للغاية؛ إذ استمرت في حماية الفئران حتى عند إعطائها قبل يوم كامل من دخول الفيروس. وفي تجربة منفصلة، قاسوا المدة التي ظلت فيها الخداعات نشطة في رئتي الفئران. فقد تلاشى التأثير الوقائي للخديعة الأصلية بنصف عمر يبلغ حوالي ثماني ساعات، بينما استمرت الخديعة الجديدة لمدة إحدى عشرة ساعة. ويعني هذا الفرق أن الخديعة الجديدة يمكنها منع العدوى خلال نافذة زمنية أطول بكثير.

كما درست الدراسة كيفية أداء هذه الخداعات ضد سلالات مختلفة من الفيروس، بما في ذلك متحور أوميكرون. وبينما كانت الخديعة الجديدة أقل فعالية قليلاً ضد أوميكرون مقارنة بالسلالة الأصلية، إلا أنها تفوقت على الخديعة القديمة. وأشار الباحثون إلى أن التغييرات التي أُجريت على الخديعة قد تساعدها على دخول الخلايا بكفاءة أكبر أو مقاومة الإنزيمات الأخرى الموجودة داخل الخلية، مما قد يفسر هذه المرونة الإضافية. ويظهر هذا العمل أنه من الممكن صنع مضاد فيروسي قائم على البروتين لا يتطلب تعديلات كيميائية معقدة للبقاء في الجسم. فبمجرد تغيير بضعة أحرف في الشفرة البروتينية لتجنب "المقصات الطبيعية" في الجسم، استطاع الباحثون ابتكار مرشح دوائي أكثر استقراراً وطولاً في المفعول.

يقدم هذا النهج طريقة جديدة للتفكير في محاربة العدوى الفيروسية. فبدلاً من الاعتماد على الطلاءات الكيميائية المكلفة لحماية الدواء، يمكن للعلماء الآن استخدام نقاط ضعف الفيروس نفسه والبيئة الطبيعية للجسم لتصميم أدوية أفضل. إن نجاح هذه الاستراتيجية مع SARS-CoV-2 يشير إلى إمكانية تطبيقها على فيروسات خطيرة أخرى تستخدم آليات اندماج مماثلة، مثل إيبولا، ونيباه، وفيروس نقص المناعة البشرية (HIV). ويتصور الباحثون مستقبلاً يمكن فيه استخدام بخاخ أنفي بسيط يحتوي على هذه البروتينات المعاد تصميمها كوسيلة وقائية، لحماية الناس قبل التعرض للفيروس أو للمساعدة في وقف العدوى في مراحلها الأولى. وتوفر هذه النتائج مخططاً واضحاً وعملياً لتحويل قطع البروتين الهشة إلى أدوات قوية ومنقذة للحياة.