A rational design strategy and validation for protease-resistant fusion-inhibitor antiviral peptides
यह अध्ययन एक तर्कसंगत डिजाइन रणनीति प्रस्तुत करता है जो SARS-CoV-2 HR2 डोमेन के प्रोटीज-प्रतिरोधी वेरिएंट्स को इंजीनियर करके पेप्टाइड-आधारित फ्यूजन इनहिबिटर्स की इन विवो अस्थिरता को सफलतापूर्वक दूर करती है, जो वाइल्डटाइप अनुक्रम की तुलना में वायरल संक्रमण को रोकने में काफी उन्नत प्रभावकारिता प्रदर्शित करते हैं।
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विषाणु (वायरस), जो स्वयं को एक वसायुक्त झिल्ली में लपेट लेते हैं, जिन्हें एनवेलप्ड वायरस कहा जाता है, उन्हें संक्रमण फैलाने के लिए मानव कोशिका के साथ अपनी बाहरी परत को मिलाना (फ्यूज करना) पड़ता है। ऐसा करने के लिए, वे स्पाइक प्रोटीन नामक एक आणविक कुंजी का उपयोग करते हैं, जो वायरस और कोशिका को आपस में जोड़ने के लिए एक नाटकीय आकार परिवर्तन से गुजरता है। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते थे कि वे एक छलावरण (डिकॉय) बनाकर इस प्रक्रिया को रोक सकते हैं: प्रोटीन का एक छोटा टुकड़ा जो वायरस की अपनी कुंजी के एक हिस्से की नकल करता है। यह डिकॉय स्पाइक प्रोटीन से जुड़ जाएगा, तंत्र को जाम कर देगा और वायरस को कोशिका में प्रवेश करने से रोक देगा। हालांकि यह रणनीति एक टेस्ट ट्यूब में अच्छी तरह काम करती है, लेकिन ऐतिहासिक रूप से यह एक दवा के रूप में विफल रही है क्योंकि मानव शरीर एंजाइमों से भरा होता है जो आणविक कैंची की तरह कार्य करते हैं, और इन प्रोटीन डिकोय को अपना काम करने से पहले ही काट देते हैं।
शोधकर्ताओं के एक दल ने अब इन कैंचियों को मात देने का एक तरीका खोज लिया है। उन्होंने पाया कि जिस एंजाइम का उपयोग वायरस कोशिकाओं को खोलने के लिए करता है, वही एंजाइम डिकॉय प्रोटीनों को नष्ट करने वाला भी है। डिकॉय प्रोटीनों के कटने वाले विशिष्ट स्थानों का अध्ययन करके, उन्होंने डिकोय को इस तरह से पुनर्गठित किया कि वह इन कैंचियों के लिए अदृश्य हो जाए, जबकि वायरस के ताले को जाम करने की उसकी क्षमता बनी रहे। जीवित कोशिकाओं और चूहों में परीक्षण करने पर, ये नए, अधिक मजबूत डिकॉय मूल संस्करणों की तुलना में बहुत लंबे समय तक सक्रिय रहे, जो एक आशाजनक सुरक्षित निवारक उपचार की ओर संकेत करते हैं जिसे व्यक्ति के वायरस के संपर्क में आने से पहले दिया जा सकता है।
यह कहानी एक विशिष्ट प्रकार के वायरस के साथ शुरू होती है, SARS-CoV-2, जो कोविड-19 का कारण बनता है। कई अन्य वायरसों की तरह, यह मानव कोशिकाओं की रक्षा पंक्ति को तोड़ने के लिए स्पाइक प्रोटीन पर निर्भर करता है। वायरस के भीतर, हेप्टैड रिपीट 2 (HR2) नामक एक क्षेत्र है, जो फ्यूजन प्रक्रिया के लिए महत्वपूर्ण है। वैज्ञानिकों ने पहले इस HR2 क्षेत्र के एक छोटे टुकड़े को दवा के रूप में उपयोग करने का प्रयास किया था। विचार यह था कि यह टुकड़ा तैरते हुए वायरस के अपने HR2 क्षेत्र से जुड़ जाएगा, जिससे प्रभावी रूप से उसके हाथ बंध जाएंगे ताकि वह कोशिका के साथ मिल न सके। हालांकि, शरीर में, ये छोटे प्रोटीन के टुकड़े नाजुक होते हैं। शोधकर्ताओं को संदेह था कि मानव श्वसन मार्ग में मौजूद एक विशिष्ट एंजाइम, जिसे TMPRSS2 कहा जाता है, उन्हें नष्ट करने के लिए जिम्मेदार था। यह एंजाइम वायरस के कोशिका में प्रवेश के लिए आवश्यक है, क्योंकि यह स्पाइक प्रोटीन को सक्रिय करने के लिए उसे काटता है। टीम ने यह परिकल्पना की थी कि यही एंजाइम चिकित्सीय डिकॉय प्रोटीनों को भी काट रहा था, जिससे वे बेकार हो रहे थे।
इसकी जांच करने के लिए, शोधकर्ताओं ने मूल डिकॉय प्रोटीनों को लिया और उन्हें लैब डिश में TMPRSS2 एंजाइम के संपर्क में लाया। एक घंटे के भीतर, एंजाइम ने डिकोय को पूरी तरह से टुकड़ों में काट दिया था। जब उन्होंने सेल-फ्यूजन प्रयोग में इन कटे हुए अंशों का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि अंशों ने वायरस को रोकने की पूरी क्षमता खो दी थी। इससे पुष्टि हुई कि एंजाइम ही डिकोय की विफलता के पीछे का मुख्य कारण था। अगला कदम यह पता लगाना था कि एंजाइम ठीक कहाँ काट रहा है। अणुओं की रासायनिक संरचना की पहचान करने वाली एक तकनीक का उपयोग करते हुए, उन्होंने डिकॉय प्रोटीनों पर तीन विशिष्ट स्थानों की पहचान की जहाँ एंजाइम ने कट लगाए थे। ये स्थान प्रोटीनों के बुनियादी तत्वों (बिल्डिंग ब्लॉक्स) से समृद्ध थे, जिन्हें एंजाइम विशेष रूप से लक्षित करता है।
इस जानकारी के साथ, टीम ने डिकोय को पुनर्गठित करने का काम शुरू किया। उन्हें उन तीन कटने वाले स्थानों को बदलना था ताकि एंजाइम उन्हें अब पहचान न सके, लेकिन उन्हें सावधान रहना था कि वे डिकॉय के आकार को इतना न बदल दें कि वह वायरस से जुड़ने में असमर्थ हो जाए। इसे हल करने के लिए, उन्होंने सर्वोत्तम विकल्पों को खोजने हेतु दो अलग-अलग रणनीतियों का उपयोग किया। सबसे पहले, उन्होंने लाखों थोड़े भिन्न डिकॉय संस्करणों की एक विशाल लाइब्रेरी बनाई और परीक्षण किया कि कौन से अभी भी वायरस के लक्ष्य से मजबूती से जुड़ते हैं। दूसरा, उन्होंने प्रकृति में पाए जाने वाले SARS-CoV-2 वेरिएंट के आनुवंशिक रिकॉर्ड को देखा ताकि यह देखा जा सके कि वायरस को तोड़े बिना कौन से परिवर्तन पहले ही हो चुके हैं। इन दोनों दृष्टिकोणों को मिलाकर, उन्होंने डिकॉय प्रोटीन के तीन नए संस्करणों की पहचान की जो एंजाइम के प्रति प्रतिरोधी थे लेकिन जुड़ने में अभी भी प्रभावी थे।
शोधकर्ताओं ने फिर इन तीन नए प्रोटीनों को संश्लेषित किया और उनका परीक्षण किया। उन्होंने पुष्टि की कि एंजाइम अब उन्हें काट नहीं सकता। सेल प्रयोगों में, तीनों नए डिकोय ने सफलतापूर्वक वायरस को कोशिकाओं के साथ फ्यूज होने से रोका, यहाँ तक कि एंजाइम की उपस्थिति में भी। एक संस्करण, जिसे शोधकर्ताओं ने HR2-NHH नाम दिया, सबसे अच्छा प्रदर्शन करने वाला रहा। यह समझने के लिए कि यह विशिष्ट संस्करण इतना प्रभावी क्यों था, टीम ने क्रायो-इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी नामक एक शक्तिशाली इमेजिंग तकनीक का उपयोग करके डिकॉय के अपने लक्ष्य से जुड़े होने का विस्तृत 3D चित्र लिया। उन्होंने पाया कि हालांकि उनके द्वारा किए गए एक बदलाव ने डिकॉय और वायरस के बीच एक मजबूत विद्युत आकर्षण को हटा दिया, लेकिन इसने एक नया, स्थिर संबंध बनाया जिसने उन्हें उतना ही मजबूती से थामे रखा। इस संरचनात्मक अंतर्दृष्टि ने समझाया कि नया डिकॉय इतना शक्तिशाली क्यों था।
असली परीक्षा तब हुई जब शोधकर्ता सेल डिश से निकलकर जीवित जानवरों तक पहुँचे। उन्होंने उन चूहों का उपयोग किया जो SARS-CoV-2 के एक वेरिएंट के प्रति संवेदनशील थे। इन प्रयोगों में, उन्होंने वायरस से संक्रमित करने से पहले मूल डिकॉय और नए, अधिक मजबूत HR2-NHH डिकॉय को अलग-अलग समय पर दिया। संक्रमण से ठीक पहले दिए जाने पर, दोनों संस्करणों ने अच्छा काम किया। हालांकि, जब शोधकर्ताओं ने चूहों को संक्रमित करने से बारह घंटे पहले प्रतीक्षा की, तो मूल डिकॉय ने अपनी अधिकांश शक्ति खो दी थी। इसके विपरीत, नया HR2-NHH डिकॉय अत्यधिक प्रभावी बना रहा। यह चूहों को वायरस के संपर्क में आने से पूरे एक दिन पहले दिए जाने के बावजूद सुरक्षा प्रदान करता रहा। एक अलग प्रयोग में, उन्होंने चूहों के फेफड़ों में डिकोय कितनी देर तक सक्रिय रहे, इसका मापन किया। मूल डिकॉय का सुरक्षात्मक प्रभाव लगभग आठ घंटे के हाफ-लाइफ (अर्ध-आयु) के साथ कम हो गया, जबकि नया डिकॉय ग्यारह घंटे तक टिका रहा। इस अंतर का अर्थ था कि नया डिकॉय संक्रमण को रोकने के लिए काफी लंबे समय तक उपलब्ध रह सकता है।
अध्ययन ने यह भी देखा कि ये डिकॉय वायरस के विभिन्न स्ट्रेन, जिसमें ओमिक्रॉन वेरिएंट भी शामिल है, के खिलाफ कैसा प्रदर्शन करते हैं। हालांकि नया डिकॉय मूल स्ट्रेन की तुलना में ओमिक्रॉन के खिलाफ थोड़ा कम प्रभावी था, फिर भी इसने पुराने डिकॉय से बेहतर प्रदर्शन किया। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि डिकॉय में किए गए बदलावों से इसे कोशिका के भीतर अधिक कुशलता से प्रवेश करने या कोशिका के अंदर पाए जाने वाले अन्य एंजाइमों का विरोध करने में मदद मिल सकती है, जो इसकी अतिरिक्त सहनशीलता की व्याख्या कर सकता है। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि एक प्रोटीन-आधारित एंटीवायरल बनाना संभव है जिसे शरीर में जीवित रहने के लिए जटिल रासायनिक संशोधनों की आवश्यकता नहीं है। केवल प्रोटीन के कोड में कुछ अक्षरों को बदलकर शरीर की प्राकृतिक कैंचियों से बचने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा ड्रग कैंडिडेट बनाया जो अधिक स्थिर और लंबे समय तक चलने वाला है।
यह दृष्टिकोण वायरल संक्रमणों से लड़ने के लिए सोचने का एक नया तरीका प्रदान करता है। दवा को बचाने के लिए महंगे रासायनिक कोटिंग्स पर निर्भर रहने के बजाय, वैज्ञानिक अब वायरस की अपनी कमजोरियों और शरीर के प्राकृतिक वातावरण का उपयोग बेहतर दवाएं डिजाइन करने के लिए कर सकते हैं। SARS-CoV-2 के साथ इस रणनीति की सफलता यह सुझाव देती है कि इसे अन्य खतरनाक वायरसों पर भी लागू किया जा सकता है जो समान फ्यूजन तंत्र का उपयोग करते हैं, जैसे इबोला, निपाह और एचआईवी। शोधकर्ता एक ऐसे भविष्य की कल्पना करते हैं जहाँ इन पुनर्गठित प्रोटीनों वाले एक साधारण नेज़ल स्प्रे (नाक से छिड़काव) का उपयोग निवारक उपाय के रूप में किया जा सकता है, जो लोगों को वायरस के संपर्क में आने से पहले सुरक्षित कर सकता है या संक्रमण को उसके शुरुआती चरणों में रोकने में मदद कर सकता है। ये निष्कर्ष नाजुक प्रोटीन अंशों को मजबूत, जीवन रक्षक उपकरणों में बदलने के लिए एक स्पष्ट, व्यावहारिक ब्लूप्रिंट प्रदान करते हैं।
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