Trong nỗ lực trả lời câu hỏi sinh học kéo dài hàng thập kỷ về cách virus viêm gan B (HBV) có thể thiết lập sự lây nhiễm của tế bào gan, nghiên cứu do Trung tâm Ung thư Memorial Sloan Kettering (MSK), Weill Cornell Medicine và Đại học Rockefeller dẫn đầu đã xác định một lỗ hổng mở ra cánh cửa cho các phương pháp điều trị mới.
Nhóm nghiên cứu đã phá vỡ thành công khả năng lây nhiễm tế bào gan của virus trong phòng thí nghiệm bằng cách sử dụng một hợp chất đã được thử nghiệm lâm sàng chống lại ung thư – đặt nền móng cho các nghiên cứu mô hình động vật và phát triển thuốc tiềm năng dựa trên những hiểu biết sâu sắc của họ, theo những phát hiện được công bố ngày 20 tháng 2 trên Cell, một tạp chí khoa học đời sống hàng đầu.
Viêm gan B là một bệnh nhiễm trùng gan ảnh hưởng đến gần 5% dân số thế giới. Nó gây tổn thương lâu dài cho tế bào gan và là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây ung thư gan. Hơn 250 triệu người trên toàn thế giới bị nhiễm HBV mãn tính và virus này gây ra hơn 1 triệu ca tử vong mỗi năm, khiến nó trở thành ca nhiễm trùng tử vong thứ hai trên toàn thế giới, theo Tổ chức Y tế Thế giới.
Nghiên cứu được dẫn dắt bởi nhà sinh vật học hóa học Yael David, Tiến sĩ, tại MSK, làm việc cùng với bác sĩ gan và virus học Robert Schwartz, MD, Tiến sĩ, tại Weill Cornell Medicine và Viviana Risca, Tiến sĩ, tại Đại học Rockefeller.
Dự án này bắt đầu từ mối quan tâm cơ bản của chúng tôi về cách nhiễm sắc thể của virus có thể trông và hoạt động như thế nào và dẫn đến những khám phá bất ngờ về cách lây nhiễm virus được thiết lập trong tế bào người.
Yael David, Tiến sĩ, nhà sinh học hóa học tại MSK
Tác giả đầu tiên của nghiên cứu Nicholas Prescott, Tiến sĩ, theo đuổi nghiên cứu trong Phòng thí nghiệm David như luận án tốt nghiệp của mình. “Đây là một ví dụ tuyệt vời về cách đầu tư vào ‘khoa học cơ bản’ và điều tra các câu hỏi sinh học cơ bản có thể mở ra cánh cửa cho những tiến bộ y tế”, ông nói. “Tôi luôn nghĩ rằng tôi sẽ làm việc với những câu hỏi mà nhiều thập kỷ sau ai đó có thể trích dẫn trong một bài báo khi họ nghĩ ra phương pháp chữa trị cho một số bệnh. Chưa bao giờ trong một triệu năm tôi mong đợi sẽ dẫn dắt một dự án xác định một ứng cử viên mạnh mẽ như vậy để phát triển thuốc cho một tai họa toàn cầu như viêm gan B.”
Nghịch lý sinh học khơi dậy sự hợp tác
Nghiên cứu bắt đầu với một cuộc gặp gỡ tình cờ và một nghịch lý lâu dài.
Tiến sĩ Schwartz, phó giáo sư y khoa tại Khoa Tiêu hóa và Gan mật tại Weill Cornell Medicine, đã được giới thiệu với Tiến sĩ David khoảng sáu năm trước tại một khóa tu cho giảng viên sau đại học Sinh lý học, Vật lý sinh học và Sinh học Hệ thống Weill Cornell, nơi cả hai đều có các cuộc hẹn.
“Nhìn bề ngoài, các chương trình nghiên cứu của chúng tôi dường như không có sự trùng lặp”, Tiến sĩ David nói. “Ông ấy nghiên cứu bệnh viêm gan B, trong khi phòng thí nghiệm của tôi tập trung vào việc tìm hiểu cách biểu hiện gen được điều chỉnh thông qua một quá trình gọi là di truyền biểu sinh. Tuy nhiên, tôi đã bị cuốn hút khi phát hiện ra rằng các loại virus như viêm gan B chiếm đoạt các cơ chế biểu sinh, thậm chí sử dụng các protein đóng gói DNA của con người để điều chỉnh hoạt động của chúng.
Không lâu sau đó, Tiến sĩ Prescott, khi đó là nghiên cứu sinh tiến sĩ trong Chương trình Tiến sĩ Ba Tổ chức về Sinh học Hóa học, đang chuẩn bị cho một thời gian làm việc trong Phòng thí nghiệm David tại Viện Sloan Kettering của MSK. Tiến sĩ David nói: “Sự quan tâm của anh ấy đối với việc điều chỉnh biểu sinh trong mầm bệnh ngay lập tức khiến tôi coi HBV là một hệ thống mô hình lý tưởng để anh ấy khám phá.
Trọng tâm của bí ẩn khiến các nhà nghiên cứu tò mò là một gen virus quan trọng mã hóa cho một loại protein gọi là X. Protein này rất cần thiết cho HBV để thiết lập nhiễm trùng hiệu quả trong tế bào vật chủ và sự biểu hiện của các gen virus của nó. Tuy nhiên, bản thân gen X được mã hóa trong bộ gen của virus.
“Điều này đặt ra một câu hỏi cổ điển về gà và trứng đã khiến các nhà khoa học bối rối trong nhiều thập kỷ”, Tiến sĩ David nói. “Làm thế nào để virus sản xuất đủ protein X để thúc đẩy biểu hiện gen virus và thiết lập nhiễm trùng?”
Hơn nữa, gen mã hóa protein X được coi là gen ung thư của virus – tức là gen chịu trách nhiệm cho sự tiến triển của bệnh thành ung thư, Tiến sĩ Prescott nói thêm. Đó là bởi vì protein X làm suy giảm các protein trong vật chủ có liên quan đến việc sửa chữa DNA. Điều này không chỉ giúp vật chủ không làm im lặng hoạt động của protein X mà các tế bào bị nhiễm bệnh còn có nhiều khả năng tích lũy các lỗi DNA tích tụ trong nhiều năm và nhiều thập kỷ, dẫn đến sự phát triển của ung thư.
Những thách thức với các phương pháp điều trị viêm gan B hiện có
“Một trong những thách thức chính với việc điều trị viêm gan B là các phương pháp điều trị hiện có có thể ngăn chặn virus tạo ra các bản sao mới của chính nó, nhưng chúng không loại bỏ hoàn toàn virus khỏi các tế bào bị nhiễm bệnh, cho phép virus tồn tại trong gan và duy trì nhiễm trùng mãn tính”, Tiến sĩ Schwartz, người có phòng thí nghiệm đóng góp chuyên môn sinh học và lâm sàng về virus cho biết. cũng như các mô hình tế bào gan người được sử dụng trong nghiên cứu.
Vắc-xin viêm gan B cũng có hiệu quả, nhưng duy trì khả năng miễn dịch thường cần tiêm nhắc lại. Hơn nữa, nó không giúp ích gì cho những người đã bị nhiễm bệnh. Điều này xảy ra, ví dụ, do sự lây truyền của vi rút từ mẹ sang con, điều này rất phổ biến ở các nước đang phát triển. Khả năng tiếp cận vắc-xin và điều trị cũng bị hạn chế hơn ở một số khu vực của châu Phi và châu Á, nơi tỷ lệ lây nhiễm cao hơn.
Xây dựng nền tảng mới để nghiên cứu viêm gan B
Đào sâu vào bí ẩn của protein X là một thách thức, Tiến sĩ Prescott, người hiện là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Nhiễm sắc thể và Sinh học Tế bào tại Đại học Rockefeller giải thích. Các công cụ hiện có không có khả năng làm sáng tỏ những gì đang xảy ra trong những giờ đầu quan trọng của một bệnh nhiễm trùng.
Nghiên cứu ung thư – Sách điện tử Ấn bản thứ hai PHIÊN BẢN MỚI HIỆN RA MẮT – Tổng hợp các cuộc phỏng vấn, bài báo và tin tức hàng đầu trong năm ngoái. Tải xuống phiên bản mới nhất
Đây là nơi chuyên môn của Phòng thí nghiệm David về cách DNA được đóng gói, đọc và sửa đổi được chứng minh là cần thiết. Họ đã tạo thành công nhiễm sắc thể nhỏ HBV lần đầu tiên, sử dụng khả năng tái tạo DNA của virus phức hợp với histone của con người – là các protein đóng gói và tổ chức DNA.
Tiến sĩ David nói: “Nền tảng này đã trở thành một công cụ mạnh mẽ không chỉ để nghiên cứu sinh hóa của virus mà còn phân tích chi tiết những gì xảy ra trong những giờ đầu tiên quan trọng của nhiễm trùng.
Đối với protein X, bao bì tạo nên sự khác biệt
Nhóm nghiên cứu xác định rằng để protein X được tạo ra, DNA của virus viêm gan B cần được tổ chức thành các phức hợp DNA-histone được gọi là “nucleosome”. Nucleosome giống như các hạt trên một sợi dây – chuỗi là DNA của virus, và các hạt là các protein histone do vật chủ cung cấp, xung quanh đó DNA được quấn quanh; Nucleosome là các khối xây dựng của chromatin, vật liệu tạo nên nhiễm sắc thể.
Chính phần này của dự án đã khai thác chuyên môn của Tiến sĩ Risca từ Đại học Rockefeller. Phòng thí nghiệm Risca nghiên cứu kiến trúc 3D của bộ gen và cách đóng gói DNA giúp kiểm soát quá trình phiên mã của gen. Họ có các công cụ và chuyên môn để đảm bảo rằng những gì các nhà khoa học đang thấy trong nền tảng mới để nghiên cứu virus phù hợp với thực tế lây nhiễm ở người.
Tiến sĩ Risca nói: “Sự khôn ngoan thông thường nói rằng việc đóng gói DNA của một gen thành nucleosome sẽ ngăn chặn hoặc làm chậm khả năng của tế bào để đọc ra gen đó để tạo ra các protein chức năng, như protein X”. “Nhưng ở các sinh vật phức tạp như con người và trong các virus lây nhiễm cho chúng ta, việc điều hòa gen không phải lúc nào cũng đơn giản như vậy. Sự hiện diện và vị trí của các nucleosome trên DNA có thể quan trọng trong việc định hướng các cơ chế tế bào phiên mã một số gen. Chúng tôi nhận thấy rằng đó là trường hợp của gen HBV mã hóa protein X – sự hiện diện của nucleosome trên bộ gen của virus là cần thiết cho quá trình phiên mã RNA làm phát sinh protein X chức năng.
Xác định một ứng cử viên thuốc có triển vọng chống lại HBV
Khám phá này mở ra cánh cửa để hiểu cách gen X được điều chỉnh và cách nhiễm HBV được thiết lập. Hơn nữa, các nhà nghiên cứu rất vui mừng khi khám phá ra một cơ hội điều trị tiềm năng: Nếu một người có thể phá vỡ sự hình thành các cấu trúc nhiễm sắc này, thì người ta có thể phá vỡ khả năng bắt đầu và duy trì nhiễm trùng của virus.
Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm năm hợp chất phân tử nhỏ được biết là làm suy giảm sự hình thành nhiễm sắc. Chỉ có một loại ngăn chặn việc sản xuất protein X trong tế bào gan: một ứng cử viên thuốc chống ung thư có tên là CBL137.
Điều quan trọng là nó hoạt động ở nồng độ rất thấp – nhỏ hơn nhiều lần so với những người tham gia thử nghiệm lâm sàng ung thư và sử dụng liều chỉ ảnh hưởng đến virus, chứ không ảnh hưởng đến tế bào người.
“Điều này khiến chúng tôi rất lạc quan về khả năng phát triển phương pháp điều trị trong khi ngăn ngừa hoặc hạn chế tác dụng phụ”, Tiến sĩ David nói.
“Hơn nữa, nếu những kết quả này được xác nhận thông qua nghiên cứu bổ sung, chúng tôi lạc quan rằng phương pháp này có thể được sử dụng để điều trị nhiễm trùng mãn tính lần đầu tiên – và do đó có thể đại diện cho một phương pháp chữa trị tiềm năng”, Tiến sĩ Schwartz nói thêm.
Ngoài ra, CBL137 có thể chứng minh hữu ích tương tự để nhắm mục tiêu hoặc nghiên cứu các virus DNA nhiễm sắc khác như herpesvirus và papillomavirus, các nhà nghiên cứu lưu ý.
Các bước tiếp theo cho nghiên cứu
Để phát triển hơn nữa nghiên cứu của nhóm nghiên cứu hướng tới một thử nghiệm lâm sàng tiềm năng, bước tiếp theo sẽ là nghiên cứu tính an toàn và hiệu quả của CBL137 trong các mô hình động vật – mặc dù chúng bị hạn chế do phạm vi hẹp của các loài mà HBV có thể lây nhiễm, các nhà nghiên cứu cho biết.
Tất cả các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng nghiên cứu sẽ không thể thực hiện được nếu không có sự hợp tác chặt chẽ giữa ba tổ chức, tập hợp các chuyên môn và nguồn lực công nghệ cần thiết – từ kính hiển vi lực nguyên tử của MSK đến Trung tâm Tài nguyên Gen và Cụm máy tính hiệu suất cao tại Đại học Rockefeller.
“Tôi nghĩ đây là một ví dụ tuyệt vời về những gì làm cho Tri-I trở thành một nơi tuyệt vời để làm khoa học”, Tiến sĩ Prescott, người có nghiên cứu đã được hỗ trợ bởi khoản tài trợ F99 / K00 uy tín từ Viện Ung thư Quốc gia, tài trợ cho các nhà nghiên cứu đầy triển vọng thông qua các nghiên cứu sau đại học và đào tạo sau tiến sĩ, giúp họ thiết lập sự nghiệp độc lập. “Nếu không có sự đóng góp từ tất cả các phòng thí nghiệm, nghiên cứu này sẽ không thể thực hiện được. Khi đến lúc tìm một nơi để làm nghiên cứu sinh sau tiến sĩ, tôi đã nghĩ, ‘Tại sao tôi lại rời đi?’ “
