Multi-omický prístup k vývoju liekov proti COVID-19

Nová štúdia publikovaná na serveri predtlače medRxiv* v máji 2020 uvádza multimexický prístup, ktorý by mohol uľahčiť vývoj liekov, ktoré sú účinné proti COVID-19. Multi-omics je prístup biologickej analýzy, v ktorom sú súbory údajov viacnásobnými „om“, ako je genóm, proteóm, transkriptóm, epigenóm, metabolome, a mikrobióm (t.j. meta-genóm a/alebo meta-transkriptóm, podľa toho, ako je sekvenovaný).

Tri zdroje údajov o uprednostňovaní drog

Účinný vývoj liekov musí zefektívniť počet kandidátnych liekov, ktoré sa dostanú do cyklu, aby sa znížili náklady a čas postupu. Nedávne štúdie odporúčajú integrovať rôzne techniky na vývoj potrubí pre výskum a vývoj (R&D) a používať genetické údaje na identifikáciu najpravdepodobnejších úspešných nových liekov. Proteomika a transkriptomika patria v tomto smere k najcennejším oblastiam.

V súčasnosti existuje viac ako 150 klinických štúdií testujúcich lieky, o ktorých sa predpokladá, že môžu byť účinné pri zvyšovaní prežitia a zlepšovaní zotavenia pacientov s COVID-19. Patria sem hydroxychlorochin, chlorochín, a baricitinib.

Ďalšou cestou zhromažďovania dôkazov o potenciálne užitočných liekoch proti COVID-19 je nájdenie hostiteľských proteínov, ktoré uľahčujú vstup vírusu a infekciu, a preskúmaním možnosti opätovného použitia predchádzajúcich cieľov v oblasti drog v SARS-CoV na boj proti súčasnému vírusu, závažný akútny respiračný syndróm koronavírus 2 (SARS-CoV-2).

Nový koronavírus SARS-CoV-2 kolorizovaný skenovací elektrónový mikrofotografia apoptotickej bunky (zelená) silne infikovaná časticami vírusu SARS-COV-2 (žltá), izolované zo vzorky pacienta. Snímka zachytená v Integrovanom výskumnom zariadení NIAID (IRF) vo Fort Detrick, Maryland. Kredit:NIAID

Užitočnosť tohto prístupu

Nedávna štúdia zistila viac ako 330 ľudských hostiteľských bielkovín, ktoré sú nevyhnutné na to, aby vírus infikoval ľudí. Tieto interagujú s 26 vírusovými proteínmi. To by mohlo pomôcť napredovať vo výskume a vývoji na prvej trase.

Druhú metódu použilo niekoľko štúdií, ktoré poskytli 59 myších génov, ktoré sú spojené so skoršou infekciou SARS-CoV. Medzi týmito, v ľudskom genóme je 44 ekvivalentov. Blokovaním interakcií vírusových a ľudských bielkovín môže byť možné účinnejšie zacieliť na mechanizmy vírusovej infekcie s nižšou pravdepodobnosťou rezistencie na liečivá, v porovnaní s priamym zacielením na vírus.

Primárnym problémom tohto prístupu je nebezpečenstvo neúmyselného vyvolania ďalších účinkov, ktoré by mohli zložité chorobné stavy zhoršiť - alebo im dokonca prospieť. Táto štúdia je zameraná na vyhodnotenie toho, ako by tieto ciele liekov mohli ovplyvniť fungovanie ľudského tela, založené na porozumení základnej genetiky.

Skutočná štúdia?

Vedci použili protokol na stanovenie priorít drog, ktoré predtým úspešne vyvinuli, na testovanie 353 cieľov liečiv, ktoré môžu interagovať s vírusom. Chceli sledovať, ako tieto lieky spôsobujú ďalšie zvonka rozpoznateľné účinky infekcie, ako aj to, ako dosiahli zamýšľané aj nechcené účinky na komplexné choroby.

Najprv zostrojili atlas chorôb zobrazujúci ľudské proteíny a gény, ktoré sa podieľajú na vstupe do vírusu. Stalo sa to prostredníctvom mendelovských randomizačných štúdií, poskytuje viac ako 372, 000 unikátnych predpovedí toho, ako liek ovplyvňuje chorobu. Toto bolo založené na plazmatickej proteomike a tkanivovo špecifickej transkriptomike.

Ako výsledok, dokázali vyhodnotiť, ako by týchto 353 potenciálnych liekov mohlo pôsobiť v 49 fenotypoch vírusovej infekcie, ako môžu ovplyvniť viac ako 500 komplexných chorôb, a zmeniť 72 fenotypov choroby. Tieto výsledky boli vyhodnotené s ohľadom na údaje z pokusov s liekmi, ako aj zdrogovateľný genóm, identifikovať najlepšie lieky s najvyššou možnosťou opakovaného použitia, a najmenej vedľajších účinkov.

Vytvorili online platformu s otvoreným prístupom, ktorá obsahuje výsledky všetkých testov, tak, aby ktokoľvek mohol rýchlo preskúmať výsledky akýchkoľvek liekov.

Čo ukázala štúdia?

Atlas interakcií lieku s cieľovým ochorením poskytuje viac ako 370, 000 asociácií cieľovej choroby v 11 tkanivách, ktoré sú relevantné v scenári COVID-19. Z nich, 833 malo silné dôkazy z MR zobrazovania 11 tkanív. 726 z nich tiež vykazovalo silnú kolokalizáciu, pre pravdepodobnosť kolokalizácie viac ako 70%. Toto boli najsilnejšie zistenia štúdie.

Dôležitosť zisťovania takýchto asociácií je schopnosť vykonávať analýzy toho, ako expresia určitých cieľov ovplyvňuje konkrétne choroby, v závislosti od tkaniva. Napríklad účinky cieľov lieku na Crohnovu chorobu, hypertenzia, atopické poruchy, a dá sa posúdiť cukrovka. Kdekoľvek z 11-17 cieľových génov malo asociáciu s týmito štyrmi chorobami, na základe ktorého sa skúmalo tkanivo.

Za druhé, ciele liečiva sa analyzovali na asociáciu so 49 fenotypmi vírusovej infekcie. Existovali dve silné asociácie, totiž gén NEU1 s chronickou hepatitídou a gén DPY19L1 s vírusovou enteritídou. Existovali aj tri menej silné, ale sugestívne asociácie, ako gén JAK2 s chronickou hepatitídou.

Po tretie, štúdia ukázala 45 potenciálnych spôsobov, ktorými by proteíny mohli ovplyvniť znaky choroby, a 430 podobných asociácií s expresiou mRNA. Medzi týmito, bolo 95 cieľov spojených so 105 chorobami alebo prejavmi chorôb. Gén JAK2, napríklad je spojená s deviatimi fenotypmi chorôb, od atopie po obezitu, čo naznačuje potenciálne pleiotropné akcie pre tento gén.

Nakoniec, zistili 249 asociácií, kde cieľ liečiva ovplyvňoval fenotyp choroby odlišne v závislosti od analyzovaného tkaniva. Medzi nimi bolo 52 jedinečných génov exprimovaných v 7 tkanivách, ktoré postihli 47 jedinečných chorôb.

Existuje 29 silne asociovaných tkanivovo závislých účinkov cieľa lieku na chorobu vo viac ako jednom tkanive, z ktorých iba dve nepreukázali rovnaký smer účinku pri expresii v krvi, ako aj v rade ďalších tkanív.

Napríklad gén DHODH ovplyvňuje lipoproteínový cholesterol s nízkou hustotou (LDL). Liek uvádzaný na trh proti vysokému LDL, nazývaný Leflunomide, funguje tak, že inhibuje tento gén. Leflunomid sa tiež považuje za liečbu COVID-19.

Analýza ukázala, že tento liek je exprimovaný iba vo vzťahu k LDL bez mnohých ďalších rôznych akcií, v širokom spektre tkanív od pľúc do hrubého čreva.

Uprednostnenie drogových cieľov

Vedci zaznamenali 726 asociácií nájdených MR medzi cieľom a chorobou, použitím údajov z klinických skúšok a predpokladaných dôkazov, že spôsobili rôzne fenotypové efekty v celom rade tkanív, prísť s tými najdrogovejšími asociáciami. 499 z nich bolo unikátnych párov cieľa a choroby, pričom ostatné sú pozorované vo viac ako jednom tkanive.

Zriadili štyri bodovacie triedy, napríklad skóre omics, Skúšobné skóre, skóre drogovateľnosti, a skóre infekcie. Každé skóre bolo škálované od 1 do 100. Vysoké skóre bolo pre 2 zo 499 asociácií v 3 zo 4 tried, čo z nich urobilo ciele s najvyššou prioritou rozvoja. 77 bodovalo vysoko v dvoch triedach a 97 v jednej. Zostávajúcich 323 malo všeobecne nízke skóre, a preto sú považované za ciele drog s najnižšou prioritou.

Niektoré ciele zahŕňajú gén ITGB5, na ktorý sa zameriava liek Cilengitide, ktorý bol určený pre glioblastómy a podobné nádory. Jeho vysoké skóre a genetický profil naznačujú, že má potenciál znížiť vysoký krvný tlak. Medzi top 5, všetkým chýbali silné asociácie s podmienkami, ako sú srdcové arytmie, čo by mohlo ovplyvniť ich použitie pri COVID-19.

Na druhej strane, gén TLR9, ktorý je zameraný na liečivo hydroxychlorochin, má vysoké skóre v dvoch kategóriách, ale nízke skóre v ostatných dvoch. Zatiaľ neexistujú žiadne klinické dôkazy o antivírusovom alebo klinickom prínose kombinácie tohto lieku s azitromycínom. Navyše, tento gén môže zvýšiť riziko embolickej mozgovej príhody, astma, a určité imunitné stavy.

Výhody tohto prístupu

Štúdia dokázala podporiť stanovovanie priorít drogových cieľov tromi spôsobmi:skúmaním bezpečnostných problémov, ktoré môžu vzniknúť pri opakovanom použití liekov na liečbu COVID-19; identifikácia sľubných drogových cieľov; a zistenie, ako cieľ liečiva ovplyvňuje ľudský fenóm v rôznych tkanivách.

Použitím tohto prístupu, potenciálny liek, Baricitinib, sa testuje na svoju účinnosť na COVID-19. Predpokladá sa, že inhibuje proteín JAK2, a tým zmierniť systémový zápal. Avšak, súčasná štúdia navrhla, že by mohla spôsobiť aj chronickú hepatitídu. V skutočnosti, literatúra naznačuje, že hepatitída B sa reaktivuje po liečbe inhibítorom JAK 2 ruxolitinibom.

Medzi tri lieky s vysokým potenciálom z tejto štúdie patrí imunosupresívum Leflunomide, používa sa pri reumatoidnej artritíde, okrem iných podmienok, a Cilengitide. Prvý z nich má antivírusovú aktivitu proti viacerým vírusom, a súčasná štúdia tiež naznačuje, že má vlastnosti znižujúce lipidy, aj keď má antihypertenzívny účinok, prípadne.

Nakoniec, niektoré z týchto cieľov sú exprimované vo viacerých tkanivách, aby vytvorili rovnaký fenotyp, ale iné vykazujú meniaci sa výraz špecifický pre tkanivo.

Aj keď existujú určité obmedzenia, Štúdia poskytuje postup pre štatistickú genetickú štúdiu a platformu s otvoreným prístupom na usporiadanie cieľov v oblasti drog proti COVID-19 v poradí podľa priority. Celosvetové asociačné štúdie (GWAS) by mohli ďalej zlepšiť kvalitu údajov, čím je ešte užitočnejší pri hľadaní sľubných drogových cieľov medzi potenciálne repurovanými liekmi.

*Dôležitá poznámka

medRxiv vydáva predbežné vedecké správy, ktoré nie sú predmetom vzájomného hodnotenia, a preto, by nemali byť považované za presvedčivé, viesť klinickú prax/správanie súvisiace so zdravím, alebo sa s nimi zaobchádza ako so zavedenými informáciami.

• Vedci hľadajú alternatívne metódy na predpovedanie šírenia COVID-19
• Očkovanie proti rotavírusom vedie k zníženiu počtu hospitalizácií a úmrtí detí