Mēģinot atlauzt Covid-19 šifru

Lai iespējami ātri atrastu vājās vietas jaunā koronavīrusa genomā, zinātnieki no visas pasaules datubāzē Gisaid publicē savā valstī paņemto vīrusa paraugu genoma struktūras. Tas ir svarīgi vakcīnu un zāļu izstrādei, skaidro Biomedicīnas pētījumu centra zinātnieki

Parasti, lai zinātnieki savāktu datus, izanalizētu tos un sagatavotu publikācijas ar secinājumiem, va-jadzīgi vairāki mēneši vai pat gadi. Taču kopš Covid-19 pandēmijas sākuma nekas vairs nav kā parasti. Daudzu nozaru pētnieki nolikuši malā citus sāktos darbus un liek prātus kopā cīņai pret jauno koronavīrusu. Iegūtos datus publicē nekavējoties. 

Jau kopš janvāra starptautiskajā zinātniskajā platformā Nextstrain un datubāzē Gisaid pētnieki ievieto iegūto informāciju par vīrusa genoma struktūru. Pēdējo divu nedēļu laikā datu apjoms četrkāršojies, aprīļa pēdējās dienās Gisaid bija gandrīz 12 tūkstoši šī vīrusa genomu, kas dod globālu priekšstatu par mutācijām un Covid-19 izplatības gaitu.

No Baltijas valstīm vienīgais zinātniskais institūts, kas devis pētījumiem derīgus vīrusa genoma datus, ir Latvijas Biomedicīnas pētījumu un studiju centrs. Tā zinātnieki ar bioinformātikas metodēm pētīja genomu struktūru 36 vīrusiem, kas atrasti Latvijas Covid-19 pacientos. Veiksmīgi izanalizēja 17 no tiem, pārējos dažādu iemeslu dēļ neizdevās atšifrēt.

Latviešu devums ir būtisks, jo, tikai apkopojot maksimāli daudz vīrusa ģenētisko materiālu no dažādām pasaules valstīm, pētnieki var atrast likumsakarības. 

Pētot vīrusa genomu, jau secināts, ka tas ir mainīgs, bet ne tik ļoti kā gripas vīruss. Kļūst redzamas tās vietas genoma struktūrā, kur mutācijas nenotiek, un arī tā ir svarīga informācija vakcīnu izstrādātājiem. Publicējot datumus, kad vīrusi ievākti un kad veikta sekvenēšana, zinātnieki arī dod materiālu tālākiem aprēķiniem, cik ātri šis vīruss mainās cilvēka organismā. «Tam ir kritiski svarīga nozīme, lai prognozētu vakcīnas darbības efektivitāti,» saka Biomedicīnas pētījumu centra vadītājs Jānis Kloviņš. 

Pateicoties Gisaid pieejamiem datiem, visas pasaules epidemiologi var izsekot, kā vīrusa genoms mainījies, klejojot no valsts uz valsti. Tas ir svarīgi epidemioloģiskai izmeklēšanai. «Mani pārsteidza, ka mums ir divi vīrusi, kuri izskatās līdzīgi sākotnēji izolētajam vīrusam no Uhaņas. Tas nozīmē, ka vīruss Latvijā nonācis ne tikai no Eiropas, bet pa tiešo arī no Ķīnas,» saka Kloviņš.

Lai izprastu, kā notiek jaunā koronavīrusa genoma pētniecība, viņš ar jaunajiem projektā iesaistītajiem zinātniekiem ļāva tai izsekot soli pa solim.

Pētniecību sāka nekavējoties

Jau uzreiz pēc 12. marta, kad epidēmijas dēļ izsludināja ārkārtas situāciju, Jānis Kloviņš aicināja sākt vīrusa pētniecību arī Latvijā.

«Mums jau no paša sākuma bija skaidrs, ka vīrusa sekvenēšana būs viens no svarīgākajiem pasākumiem — absolūta nepieciešamība, ja gribam šo vīrusu pētīt,» paskaidro Kloviņš. Sekvenēšana ir nukleotīdu secības noteikšana genomā, tā ļauj izpētīt tā struktūru. Kloviņš zināja, ka iegūtie dati tiks nekavējoties ielikti Nextstrain. «Pašlaik datu apmaiņa ir viens no svarīgākajiem punktiem, lai zinātnieki varētu palīdzēt cīņā ar vīrusu. Nebija nekādu šaubu, ka ar datiem jādalās.»

Parasti, lai zinātnieki iegūtu Centrālās medicīnas ētikas komitejas atļauju veikt pētījumus, kuros izmanto cilvēku personiskos datus vai citu informāciju, jāgaida vismaz mēnesis. Taču šoreiz komiteja atļauju izmantot laboratoriju paraugus deva četru dienu laikā. Tagad centram ir tiesības lūgt un izmantot paraugus no visām laboratorijām, kas veic Covid-19 testus.

Līdz šim atsaucīgākā ir bijusi Gulbja laboratorija — tieši no tās pētnieki saņēmuši visus 36 vīrusa paraugus, kas līdz šim izmantoti ģenētiskai analīzei. Gēnu izpētes uzņēmuma Latvia MGI Tech tehnoloģijas ļāva vienlaikus sekvenēt 16 paraugus. «Pirmos četrus atļāvāmies sekvenēt vairāk, nekā vajag, lai būtu pilnīgi pārliecināti, ka tehnoloģija strādā. Pārējos paraugus sadalījām diviem sekvenēšanas posmiem,» stāsta Kloviņš.

Centra pētniekiem jau ir pieredze darbā ar genomiem — tajā daudzu gadu garumā tiek veidota Valsts iedzīvotāju genomu datubāze. Ir gan kāda būtiska atšķirība starp cilvēka un jaunā koronavīrusa genomu. Kā skaidro centra vadošā pētniece Vita Rovīte, mūsu genoma pamatā ir DNS jeb dezoksiribonukleīnskābes, bet Covid-19 genomu veido RNS jeb ribonukleīnskābes. Lai gan neesot lielas atšķirības — pētīt DNS vai RNS —, abas ir molekulas, tomēr vīrusu genomi esot sarežģīti no loģistikas viedokļa. 

Centra zinātniskā asistente Monta Ustinova tos sauc par «trausliem», jo apkārtējā vidē esošie enzīmi (bioloģiski aktīvi proteīni) un temperatūras svārstības tos var viegli sabojāt. «Gan paraugu loģistikā, gan apstrādē nepieciešams ievērot lielu piesardzību. Paraugus transportē sasaldētā veidā, iespēju robežās samazinot paraugu sasaldēšanas un atkausēšanas reižu skaitu,» skaidro Monta.

Vīrusu paraugu sagatavošana sekvenēšanai prasa trīs dienas, un tam tiek izmantotas trīs dažādas iekārtas. Vēl sarežģītāka ir pati sekvenēšana.

Vīruss nemitīgi mutē

«Jaunā koronavīrusa RNS sastāv no četriem nukleotīdiem: guanīna, uracila, adenīna un citozīna, kas izkārtojas garā, garā virknē,» stāsta zinātniskais asistents Kaspars Megnis. «Principā to var salīdzināt ar datorprogrammu, kur binārajā kodā ir nullītes un vieninieki, bet šeit ir četri dažādi simboli. Covid-19 vīrusa gadījumā sekvence ir gandrīz 30 000 nukleotīdu gara virkne.» Katri trīs nukleotīdi gēnu nolasīšanas rāmjos veido vienu aminoskābi, bet aminoskābes veido dažādus proteīnus. No tiem tad arī veidojas vīruss.

Tātad genoma analīzē zinātniekiem 30 000 nukleotīdu virknes ar tehnoloģiju palīdzību jāsadala mazos fragmentos. Tikai tā var apskatīties, kādi proteīni vīrusā sintezējas un vai nav ieviesušās mutācijas. Ir vai nav izmaiņas — to zinātnieki nosaka, salīdzinot konkrēto vīrusa paraugu ar tā dēvēto references vīrusu. Kas tas ir? Zinātniskais asistents Ivars Silamiķelis paskaidro, ka ASV nacionālais veselības institūts uztur datubāzi (GenBank) ar reprezentatīvajiem genomiem, to vidū ir arī Covid-19 genoms. «Tas bija viens no pirmajiem Covid-19 genomiem, kas tika sekvenēts. Ņemts no cilvēka, kas strādājis un inficējies Uhaņas zivju un jūras velšu tirgū,» saka Ivars.

Tieši ar šo genomu Biomedicīnas pētījumu centra pētnieki ir salīdzinājuši arī viņu sekvenētos Covid-19 genomus. Iegūtā informācija ir saraksts ar mutācijām, kas norāda uz atšķirībām no references genoma. Ieliekot to Gisaid, latviešu zinātnieki devuši savu ieguldījumu, lai būtu pēc iespējas pilnīgāki dati citiem pētījumiem, kuros izvērtēt, vai un kā šīs mutācijas izmaina vīrusu un ietekmē inficēto cilvēku. «Manuprāt, informācija par dažādu Covid-19 variantu izplatību valstī ļaus veiksmīgāk piemērot pretvīrusu terapiju un vakcīnas,» saka Ivars. 

Centra laborants Ņikita Zrelovs, kuram uzticēta centrā iegūto datu interpretēšana, secinājis — jaunais vīruss ir mainīgs. «Bet ir jau pamanīts, ka šis vīruss diezgan lēni mutē, un tas ir labi. Tas palielina iespējamību izstrādāt universālu vakcīnu,» saka Ņikita. Tāpat pamanīts, ka katrā norobežotā populācijā tas veido «unikālas mutācijas». Piemēram, Latvijā vīrusa celmiem ir tādas mutācijas, kādu nav Lietuvā. No paraugiem esot redzams, ka ievesti vismaz četri dažādi celmi no trim dažādām valstīm: Lielbritānijas, Vācijas, Ķīnas. «Mums jau žurnālisti ir prasījuši, vai ir iespējams, ka būs īpašais Latvijas celms. Nevajadzētu tā notikt, jo ir ievesti četri celmi, kuri paralēli evolucionē un mainīsies,» saka Ņikita. 

Skaidrojot vīrusa mutācijas procesus, zinātnieki atklāj vēl sarežģītāku ainu — katrā cilvēkā vīruss attīstās nedaudz citādi. «Evolucionāri izdzīvo tas vīruss, kurš labāk spēj pielāgoties,» stāsta Ņikita. «Bet, ja vīruss kļūs tik agresīvs, ka nogalinās cilvēkus lielos daudzumos, tad nevarēs izplatīties — tam pietrūks saimniekorganismu. Pēc virusoloģijas principiem jaunajam koronavīrusam vajadzētu evolucionēt tādā veidā, lai inficētos vairāk cilvēku, bet slimotu ar maigākām slimības izpausmēm. Tikai tā tas var izplatīties pēc iespējas vairāk un efektīvāk. Tātad mums vajadzētu darīt visu iespējamo, lai būtu pēc iespējas mazāki, lokāli infekcijas uzliesmojuma centri. Ja viens cilvēks inficējas, tad visi, kas ir kontaktā ar viņu, sēž mājās, lai vīruss neizplatās tālāk.» 

Jautāti, kā var izstrādāt vakcīnu un zāles nemitīgi mutējošam vīrusam, zinātnieki skaidro — katra vīrusa genomā var būt vietas, kur mutācijas neveidojas. «Var izstrādāt tādus medikamentus, kas iedarbojas uz proteīniem, kurus kodē tieši šīs genoma vietas,» saka Ivars. Viņa kolēģis Ņikita uzskata ka «mums ir paveicies», jo Covid-19 nav tik ļoti mainīgs kā gripa un vairums citu RNS vīrusu. «Iespējams, ja atradīs īsto vakcīnas recepti, to nevajadzēs mainīt ik pēc sezonas, kā vajag gripas epidemioloģiskai ierobežošanai,» saka Ņikita.

Viņš uzskata, ka Nextstrain ir viena no iespējām interaktīvi sekot līdzi Covid-19 mutāciju sastopamībai, vīrusa izplatībai un genomu līdzībai. «Tas patiešām ir kas nebijis, kā pandēmijas laikā visi pasaules zinātnieki strādā tik ļoti cieši,» saka Ņikita. 

Vēlas arī klīniskos pētījumus

Ieguvuši pirmo pieredzi un datus Covid-19 genoma pētniecībā, Biomedicīnas pētījumu centra zinātnieki ir gatavi turpināt pētījumus daudz lielākos apjomos. 

Ar Latvia MGI Tech atbalstu pētnieki ieguvuši iespējas strādāt ar sekvenēšanas iekārtu, kas ļauj vienā piegājienā izanalizēt nevis 16, bet simt paraugu. «Vienkārši gaidām, kad laboratorijas mums tos dos,» saka centra vadītājs Kloviņš. Izmantojot iepriekšējo sekvenēšanas metodi, kas ļāva vienlaikus apstrādāt 16 paraugus, viena analīze izmaksāja 330 eiro. «Izmantojot jauno metodi, summa būs ievērojami mazāka,» saka Kloviņš. 

Līdz šim zinātnieki jaunā koronavīrusa genomu pētījuši, izmantojot centra naudu. Turpmākajiem pētījumiem vēlētos valsts atbalstu. Valdības partijas 27. aprīlī vienojās zinātniekiem Covid-19 izpētei piešķirt papildus piecus miljonus eiro, un Biomedicīnas pētījumu centrs pretendē uz daļu no šīs naudas.

Centra pētniekiem ir vēlme ne tikai sekvenēt vīrusa genomus, bet apkopot iegūtos datus ar epidemioloģisko un klīnisko informāciju par Covid-19 pacientiem Latvijā. «Jāizveido tāda datubāze, kurā var salikt kopā jau tagad reģistrēto informāciju par Covid-19 pacientiem ar mūsu pētījumos iegūto. Tas ir viens no neatliekamajiem darbiem. Tā esam darījuši citos pētījumos, un iegūtie secinājumi uzreiz kļūst daudz interesantāki,» skaidro Kloviņš. «Bet mums vajag cilvēku piekrišanu šīs informācijas iegūšanai, vēl jo vairāk svarīgi, ka viņi paši iesaistās pētījumā. Pagaidām mēs strādājam pie tā, lai iegūtu papildu piekrišanu no pacientiem pētīt viņu vīrusu. Ja to iegūtu, kopā ar epidemiologiem varētu pētīt epidemioloģiskos mehānismus.» 

Kā precizē Vita Rovīte, tādā veidā var nonākt pie secinājumiem, kāpēc vieni ir uzņēmīgāki pret jauno koronavīrusu nekā citi — kuriem pacientiem slimība ir bijusi asimptomātiska, bet kādos gadījumos tā bijusi sevišķi smagā formā. «Iegūtā informācija būs kā ierosinājums jauniem pētniecības virzieniem,» saka Vita.

Covid-19 mīklas: līdz šim pamanītās likumsakarības

Sievietes stiprākas par vīriešiem
Jau kopš epidēmijas sākuma Ķīnā tika novērots, ka mirušo vidū vīriešu ir divreiz vairāk nekā sieviešu. Tāda pati aina tagad ir Ķīnā, ASV un Austrālijā. Kāpēc? Vai nozīme ir gēniem, hormoniem, imūnsistēmai vai uzvedībai?

Iespējams, atbilde meklējama abu dzimumu bioloģiskajā atšķirībā: sievietēm šūnu kodolā ir divas X hromosomas, bet vīriešiem — viena X un viena Y hromosoma. Ja vienā no sievietes X hromosomu gēniem ir kāds defekts, to kompensē tā paša gēna normālā versija otrajā hromosomā. Savukārt vīriešiem šādu rezervju nav, jo X hromosoma satur 1098 gēnus, turpretim Y hromosoma — tikai 78 gēnus. Tādējādi sievietēm ir vismaz par 1000 gēniem vairāk nekā vīriešiem, kas padara viņas izturīgākas pret slimībām.

Riskantākā asinsgrupa — A
Apkopojot statistiku par pacientiem Ķīnā, atklājās, ka visvairāk saslimušo jeb 38% ir ar A asinsgrupu. Viņiem seko 0 un B asingrupa — abās attiecīgi 25%, bet no visiem slimniekiem tikai 10% bija AB asinsgrupa.

Astma nav lielākais riska faktors
Apkopojot datus par kritiskā stāvoklī esošajiem Covid-19 pacientiem Ņujorkas slimnīcās, ārsti pārsteigti secināja: lai gan jaunais koronavīruss ir elpošanas ceļu infekcija, ar astmu slimojoši cilvēki nav lielākajā riska grupā. Covid-19 visvairāk kaitē cilvēkiem ar paaugstinātu asinsspiedienu, aptaukošanos, diabētu, augstu holesterīna līneni, sirds un asinsvadu slimībām un demenci.

Smēķētāji izsprūk
Kad sākotnējā statistika par mirušajiem Ķīnā uzrādīja lielāku vīriešu īpatsvaru, mediķi pieļāva, ka pie vainas ir smēķēšana, jo vīrieši smēķē biežāk nekā sievietes. Tomēr vienā no Parīzes lielākajām slimnīcām Pitié-Salpêtrière veiktais pētījums atklāj, ka smagi slimo pacientu vidū smēķētāju ir salīdzinoši maz — aptuveni 5%. Pētnieki pieļauj, ka kāda no tabakas sastāvdaļām, iespējams, nikotīns, bloķē vīrusa attīstību organismā. Tāpēc tagad sākts jauns pētījums — smagi slimiem pacientiem tiek likti nikotīna plāksteri. Tajā pašā laikā mediķi brīdina: viņu atklājums nav iemesls sākt smēķēt!

Avoti: The Guardian, Medrixv, ScieceAlert, The New York Times

Jāņa Kloviņa vadītā Biomedicīnas pētījumu centra zinātnieku komanda