Glykozaminoglikany jako nowa nadzieja w walce z COVID-19

Czy glykozaminoglikany mogą stać się przełomem w terapii COVID-19?

Glykozaminoglikany przeciwko SARS-CoV-2: heparan siarczan i enoksaparyna jako obiecujące narzędzia terapeutyczne

Trwająca pandemia COVID-19 zmobilizowała naukowców do poszukiwania nie tylko skutecznych szczepionek, ale również alternatywnych metod terapeutycznych, które mogłyby ograniczyć wnikanie i replikację wirusa SARS-CoV-2 w organizmie. Szczególnie interesującym kierunkiem badań okazało się wykorzystanie glykozaminoglikanów (GAG), a zwłaszcza heparan siarczanu (HS) i enoksaparyny (EX), które mogą zakłócać kluczowy etap infekcji – interakcję między białkiem kolca wirusa a receptorem ACE2 na komórkach gospodarza.

Naukowcy z włoskiego ośrodka badawczego przeprowadzili kompleksową analizę porównawczą potencjału antywirusowego HS i EX w różnych scenariuszach eksperymentalnych, wykorzystując model pseudowirusa SARS-CoV-2. Badanie to wyróżnia się na tle wcześniejszych prac zastosowaniem niższych stężeń obu związków, co miało na celu symulację warunków odpowiednich dla podania donosowego – potencjalnie najbardziej praktycznej drogi aplikacji w kontekście profilaktyki zakażeń.

Jakie strategie leczenia i wyniki potwierdzają potencjał HS i EX?

Szczególnie istotnym aspektem przeprowadzonych badań było zastosowanie trzech różnych protokołów leczenia, które pozwoliły na dokładną analizę mechanizmów działania obu związków. Pierwszy wariant obejmował wstępną inkubację komórek z badanymi substancjami (pre-treatment komórek), drugi polegał na wstępnej inkubacji wirusa z HS lub EX (pre-treatment wirusa), natomiast w trzecim komórki były jednocześnie eksponowane na wirusa i badane związki (co-treatment).

“Nasze podejście eksperymentalne, wykorzystujące zróżnicowane warunki leczenia, w tym wstępną ekspozycję komórek, wstępne traktowanie wirusa oraz jednoczesną ekspozycję, pozwoliło nam na wyodrębnienie różnych mechanizmów antywirusowych związanych z każdym związkiem” – piszą autorzy badania.

Wyniki badań wykazały, że zarówno HS, jak i EX skutecznie hamują wnikanie pseudowirusa SARS-CoV-2 do komórek, jednak robią to poprzez różne, lecz uzupełniające się mechanizmy. W przypadku HS zaobserwowano znaczące zahamowanie infekcji we wszystkich testowanych stężeniach (od 8 μg/ml do 1,25 mg/ml), jednak efekt ten nie był zależny od dawki. Sugeruje to, że HS działa jako konkurencyjny czynnik, który po nasyceniu określonych domen na powierzchni komórki nie wymaga wyższych stężeń do osiągnięcia maksymalnego efektu. Z kolei EX wykazywała wyraźną zależność efektu od dawki, co wskazuje na bardziej ukierunkowane oddziaływanie z białkiem kolca wirusa.

Interesujące różnice zaobserwowano w zależności od zastosowanego protokołu leczenia. W przypadku wstępnej inkubacji komórek z HS (Treatment A), redukcja infekcji wynosiła od 31,25% do 37,08% w zależności od stężenia, podczas gdy dla EX obserwowano progresywny wzrost hamowania od 42,76% przy najniższym stężeniu do 67,91% przy najwyższym. Podobny trend zaobserwowano przy wstępnej inkubacji wirusa z badanymi związkami (Treatment B).

Czy GAG mogą stanowić skuteczną barierę przeciwko różnym wariantom SARS-CoV-2? Jest to prawdopodobne, gdyż jak wskazują badacze: “W przeciwieństwie do przeciwciał monoklonalnych lub inhibitorów białkowych, które zazwyczaj celują w zmienne regiony białka kolca i wymagają podania ogólnoustrojowego, glykozaminoglikany takie jak HS i EX oddziałują z bardziej konserwowanymi domenami wiążącymi, oferując niezależne od sekwencji podejście antywirusowe”.

Najciekawsze wyniki uzyskano w protokole jednoczesnej ekspozycji komórek na wirusa i badane związki (Treatment D), gdzie HS wykazał lepszy efekt hamujący przy niższych stężeniach w porównaniu do EX. Przy stężeniu 8 μg/ml HS osiągnął 64,86% zahamowania infekcji, podczas gdy EX wykazała 53,78% skuteczności. Przy wyższych stężeniach różnice te zmniejszały się, a przy najwyższym testowanym stężeniu (1,25 mg/ml) EX okazała się nawet nieznacznie skuteczniejsza (67,84% vs 64,43%).

Badacze proponują, że różnice w działaniu obu związków wynikają z ich odmiennych właściwości molekularnych. HS prawdopodobnie działa jako konkurencyjny czynnik “wabiący”, naśladujący naturalną warstwę GAG w glikokaliksa komórkowym, co prowadzi do sekwestracji cząstek wirusowych i zapobiega ich interakcji z powierzchnią komórki. EX natomiast wydaje się działać poprzez bezpośrednie wiązanie z białkiem kolca, upośledzając jego zdolność do nawiązywania produktywnych interakcji z komórką gospodarza.

Jakie implikacje kliniczne niosą ze sobą wyniki badań?

Jakie znaczenie kliniczne mogą mieć te odkrycia? Autorzy sugerują, że zarówno HS, jak i EX mogłyby znaleźć zastosowanie w profilaktyce i wczesnym leczeniu zakażeń SARS-CoV-2, szczególnie w formie preparatów do podania donosowego. “Biorąc pod uwagę korzystne profile bezpieczeństwa i przydatność do podawania miejscowego, HS i EX stanowią obiecujących kandydatów do rozwoju translacyjnego, szczególnie w scenariuszach, gdy dryf antygenowy wirusa zagraża skuteczności szczepionek lub przeciwciał” – podkreślają badacze.

Czy wyniki te można bezpośrednio przełożyć na praktykę kliniczną? Autorzy zachowują ostrożność, wskazując na ograniczenia badania: zastosowany system pseudowirusowy nie odtwarza w pełni złożoności infekcji żywym wirusem, w tym replikacji po wniknięciu, rozprzestrzeniania się ogólnoustrojowego i modulacji immunologicznej. Konieczne są dalsze badania z wykorzystaniem zakaźnych modeli wirusowych i systemów in vivo w celu oceny farmakokinetyki, biodostępności w błonie śluzowej i potencjału terapeutycznego w warunkach fizjologicznych.

Warto zauważyć, że choć eksperymenty koncentrowały się na pseudowirusach ekspresjonujących białko kolca typu dzikiego, wcześniejsze badania molekularne wykazały, że zarówno HS, jak i EX zachowują silne powinowactwo do domen wiążących receptor kilku wariantów SARS-CoV-2, w tym BA.2.86, KP.2 i JN.1. Warianty te wykazują rozległe mutacje kolca, jednak analiza dokowania potwierdziła zachowanie kluczowych reszt interakcji, co sugeruje potencjał inhibicyjny o szerokim spektrum działania.

Dodatkowo, GAG takie jak HS wykazują wpływ na stan zapalny mediowany przez receptory TLR, co sugeruje możliwe działanie przeciwzapalne. Jest to szczególnie istotne w kontekście EX, która jako niskocząsteczkowa heparyna posiada udokumentowane właściwości przeciwzakrzepowe i przeciwzapalne, co mogłoby przynieść dodatkowe korzyści w leczeniu COVID-19.

Mechanizmy działania HS i EX opierają się na oddziaływaniach elektrostatycznych między ujemnie naładowanymi grupami siarczanowymi tych związków a dodatnio naładowanymi resztami w domenie wiążącej receptor (RBD) białka kolca. W przypadku HS, oddziaływania te naśladują naturalne wiązanie wirusa do glikokaliksa, odciągając cząstki wirusowe od komórkowych celów. EX, ze swoją niższą masą cząsteczkową i specyficznym wzorem siarczanowania, prawdopodobnie indukuje zmiany konformacyjne w białku kolca po związaniu, upośledzając jego zdolność do interakcji z ACE2.

Jakie znaczenie praktyczne mają te odkrycia dla lekarzy? Przede wszystkim wskazują na możliwość opracowania nowej klasy leków przeciwwirusowych, które mogłyby być stosowane profilaktycznie lub we wczesnej fazie zakażenia. Co istotne, mechanizm działania tych związków nie zależy od konkretnej sekwencji białka kolca, co czyni je potencjalnie skutecznymi przeciwko różnym wariantom SARS-CoV-2, w tym tym, które mogą częściowo omijać odporność wywołaną przez szczepionki.

“Nasze badanie wprowadza znaczący poziom nowości w porównaniu z wcześniejszymi badaniami, ponieważ celem było opracowanie formulacji odpowiedniej do podania donosowego” – podkreślają autorzy. Niższe stężenia zarówno HS, jak i EX wykazały doskonałe hamowanie wnikania wirusa, co wskazuje, że skuteczne działanie przeciwwirusowe może być utrzymane przy dawkach odpowiednich do podania miejscowego.

Warto zastanowić się, czy tego typu preparaty mogłyby znaleźć zastosowanie w codziennej praktyce klinicznej. Podanie donosowe stanowiłoby wygodną formę profilaktyki, szczególnie dla osób z grup wysokiego ryzyka lub w sytuacjach zwiększonego narażenia na kontakt z wirusem. Dodatkowo, ze względu na działanie miejscowe, można by oczekiwać mniejszej liczby działań niepożądanych w porównaniu z terapiami ogólnoustrojowymi.

Szczególnie obiecująca wydaje się możliwość połączenia obu związków w jednym preparacie. Jak sugerują autorzy: “Wyniki te podkreślają komplementarny charakter HS i EX w hamowaniu zakażenia SARS-CoV-2. Ta dwoistość otwiera możliwość synergistycznych strategii łączących wirusowe przynęty i bezpośrednie inhibitory”. Taka kombinacja mogłaby zapewnić szersze spektrum działania i większą skuteczność niż każdy związek stosowany osobno.

Jednym z ważnych aspektów badania jest również ocena cytotoksyczności. Wcześniejsze prace cytowane przez autorów wykazały, że zarówno HS, jak i EX są dobrze tolerowane w stężeniach istotnych dla działania przeciwwirusowego. Konkretnie, HS utrzymywał >98% żywotności komórek przy stężeniu 5,0 mg/ml, podczas gdy EX wykazywała minimalne efekty cytotoksyczne, zachowując ~87% żywotności przy 1,25 mg/ml. Te wyniki potwierdzają bezpieczeństwo zakresów stężeń zastosowanych w obecnym badaniu.

Warto również zauważyć, że badania przeprowadzone na komórkach A549 (linia komórek nabłonka płucnego) stanowią dobry model do oceny potencjalnego działania tych związków w drogach oddechowych. Jest to istotne, ponieważ górne drogi oddechowe są głównym miejscem wnikania SARS-CoV-2 do organizmu.

Czy istnieją dowody na skuteczność podobnych podejść w warunkach klinicznych? Autorzy przytaczają niedawne odkrycia pokazujące, że donosowe podanie heparyny znacząco hamuje replikację SARS-CoV-2 w ludzkich komórkach nabłonka nosa, zapewniając ochronę niezależną od szczepu w głównym miejscu wnikania wirusa. Jest to obiecująca wskazówka, że podobne efekty mogłyby być obserwowane dla HS i EX.

Jakie są potencjalne ograniczenia tego podejścia terapeutycznego? Przede wszystkim, jak przyznają sami autorzy, zastosowany model pseudowirusowy nie odzwierciedla w pełni złożoności infekcji żywym wirusem. Ponadto, skuteczność podania donosowego w warunkach klinicznych zależeć będzie od wielu czynników, takich jak biodostępność, retencja w błonie śluzowej i interakcje z naturalnym mikrośrodowiskiem dróg oddechowych.

Lekarze powinni również pamiętać, że choć wyniki są obiecujące, to droga od badań laboratoryjnych do zastosowania klinicznego jest długa i wymaga dalszych badań. “Konieczne są dalsze badania z wykorzystaniem zakaźnych modeli wirusowych i systemów in vivo w celu oceny farmakokinetyki, biodostępności w błonie śluzowej i potencjału terapeutycznego w warunkach fizjologicznych” – podkreślają autorzy.

Niemniej jednak, przedstawione wyniki stanowią solidną podstawę do dalszych badań nad wykorzystaniem HS i EX jako potencjalnych środków profilaktycznych lub terapeutycznych przeciwko SARS-CoV-2. Ich mechanizm działania, niezależny od specyficznej sekwencji białka kolca, czyni je szczególnie atrakcyjnymi w kontekście pojawiających się nowych wariantów wirusa.

Podsumowując, badanie to demonstruje, że HS i EX skutecznie hamują wnikanie pseudowirusa SARS-CoV-2 poprzez odrębne, lecz uzupełniające się mechanizmy. HS działa jako konkurencyjna przynęta na powierzchni komórki gospodarza, naśladując endogenne glykozaminoglikany i steryczne utrudniając zaangażowanie kolca, podczas gdy EX wywiera zależną od dawki interferencję poprzez bezpośrednie wiązanie z białkiem kolca wirusa. Ta podwójna strategia wspiera wykorzystanie inhibitorów opartych na GAG, które celują we wczesne wydarzenia infekcyjne poprzez konserwowane domeny strukturalne, niezależnie od zmienności sekwencji wirusa.

Co najważniejsze, wyniki ujawniły, że HS utrzymuje zdolność hamującą we wszystkich testowanych stężeniach, sugerując próg nasycenia, podczas gdy EX wykazuje liniowy profil dawka-odpowiedź, wskazując na jej regulowaną potencję przeciwwirusową. Dane te wspierają zastosowanie obu związków – samodzielnie lub w kombinacji – do podania donosowego lub miejscowego w kontekstach profilaktycznych lub wczesnej terapii.

Podsumowanie

Badania nad glykozaminoglikanami (GAG) jako potencjalną metodą terapeutyczną w walce z COVID-19 przyniosły obiecujące rezultaty. Naukowcy skupili się na dwóch związkach: heparan siarczanie (HS) i enoksaparynie (EX), które wykazują zdolność do hamowania wnikania wirusa SARS-CoV-2 do komórek poprzez różne mechanizmy działania. HS działa jako konkurencyjny czynnik wabiący, osiągając skuteczność niezależną od dawki, podczas gdy EX wykazuje działanie zależne od dawki poprzez bezpośrednie wiązanie z białkiem kolca wirusa. W badaniach zastosowano trzy różne protokoły leczenia, które pozwoliły na dokładną analizę mechanizmów działania obu związków. Najlepsze wyniki uzyskano przy jednoczesnej ekspozycji komórek na wirusa i badane substancje, gdzie HS wykazał lepszą skuteczność przy niższych stężeniach. Szczególnie istotna jest możliwość zastosowania obu związków w formie preparatów do podania donosowego, co mogłoby znaleźć zastosowanie w profilaktyce i wczesnym leczeniu zakażeń SARS-CoV-2. Mechanizm działania tych substancji, niezależny od konkretnej sekwencji białka kolca, czyni je potencjalnie skutecznymi przeciwko różnym wariantom wirusa.