Humana norovirus orsakar akut gastroenterit, ett globalt hälsoproblem för vilket det inte finns några vacciner eller antivirala läkemedel. Även om de flesta friska patienter återhämtar sig helt från infektionen kan norovirus vara livshotande hos spädbarn, äldre och personer med underliggande sjukdomar. Uppskattningar tyder på att mänskliga norovirus orsakar cirka 684 miljoner sjukdomar och 212 000 dödsfall årligen.
"Humana norovirus är mycket olika", säger första författaren Dr. Wilhelm Salmen, en doktorand i Dr. B V Venkataram Prasads labb medan han arbetade med det här projektet och för närvarande en postdoktor vid University of Michigan. "Norovirus kategoriseras i tio grupper, varav grupperna GI, GII, GIV, GVIII och GIX infekterar människor. Virus i GII.4-undergruppen är de mest dominerande i mänskliga populationer."
Norovirus är också ökända för att periodvis ge upphov till nya varianter, särskilt de av GII.4 norovirus, som kan undvika det immunsvar som kroppen har utvecklat mot tidigare varianter som vissa influensavirus och coronavirus gör. Mångfalden av norovirusgrupper och den återkommande uppkomsten av nya varianter är några av faktorerna som utmanar utvecklingen av effektiva förebyggande och terapeutiska metoder för att kontrollera denna allvarliga sjukdom.
I den aktuella studien publicerad i tidskriften Nature Communications , Salmen, Prasad och deras kollegor undersökte en ny strategi för att neutralisera humana norovirus. De testade om små antikroppar producerade av lamor, kallade nanokroppar, effektivt kunde neutralisera humant norovirusinfektion i labbet.
De oväntade fynden avslöjar att nanokroppar skulle kunna utvecklas som ett terapeutiskt medel mot humant norovirus.
Lamor och besläktade djur, som kameler och alpackor, producerar antikroppar för skydd mot sjukdomar precis som människor gör. Men jämfört med människors antikroppar är lamor ungefär en tiondel av storleken på mänskliga antikroppar. Lamas nanokroppar har utvecklats mot virus som de som orsakar hepatit B, influensa, mänsklig immunbrist, polio och andra sjukdomar.
"Våra medarbetare från Argentina, Dr Marina Bok och Dr. Viviana Parreño vid Institute of Virology and Technology Innovation, hade förberett nanokroppar från lamadjur som inokulerades med humant norovirusliknande partiklar från olika stammar," sa Salmen. "Vi arbetade med en nanokropp vid namn M4, som band till den dominerande GII.4-stammen, och testade dess förmåga att neutralisera olika norovirusstammar, det vill säga förhindra dem från att infektera mänskliga celler."
Forskarna testade nanokropparnas förmåga att förhindra levande virus från att infektera mänskliga tarmorganoider eller minitarm som odlats i labbet. Mini-guts är modeller av mänskliga tarmceller, som nära representerar faktisk tunntarmsvävnad och dess funktioner, som gör det möjligt för forskare att studera hur norovirus fungerar och att testa potentiella terapier.
"Det var verkligen oväntat att se att M4 nanobody inte bara interagerade och neutraliserade den för närvarande cirkulerande pandemin GII.4-stammen utan också dess äldre varianter", säger Prasad, Alvin Romansky ordförande i biokemi och professor vid Verna och Marrs McLean Department of Biochemistry och Molecular Pharmacology och Institutionen för molekylär virologi och mikrobiologi vid Baylor.
Han är också medlem av Baylors Dan L Duncan Comprehensive Cancer Center och motsvarande författare till verket.
Forskarna använde kristallografi och andra tekniker för att titta närmare på interaktionerna mellan nanokroppar och norovirus för att försöka förstå hur M4-nanokroppen känner igen och neutraliserar en mängd olika norovirus när de förväntade sig att den bara skulle känna igen GII.4-stammen som används för att generera M4.
"Vi upptäckte att denna lilla nanobody kan känna igen en del av noroviruset som alla de olika norovirus som vi testade har gemensamt," sa Salmen.
Teamet upptäckte att M4 nanobody kände igen en dold ficka i noroviruspartiklarna som skulle exponeras först när partiklarna genomgick en strukturell förändring. "Det traditionella tänkandet är att virala partiklar är i ett mycket stabilt kompakt tillstånd, men i verkligheten "andas" dessa partiklar avsevärt," sa Salmen. "Närare studier har visat att strukturen hos noroviruspartiklar är dynamisk och växlar mellan en vilande eller kompakt konformation och en upphöjd konformation."
"Vi tror att det upphöjda tillståndet är viktigt för att viruset ska binda till celler och infektera dem," sa Prasad. "Vi tror också att när viruspartiklarna är i det upphöjda tillståndet, är den dolda fickan exponerad och tillgänglig för nanokroppen att binda till den och, fungerar som en kil, för att hålla partikeln i ett förhöjt, potentiellt instabilt tillstånd, vilket förhindrar det från att kollapsa tillbaka till det kompakta, mer stabila vilotillståndet."
"Våra fynd tyder på att fånga viruspartiklarna i ett förhöjt, instabilt tillstånd tar isär partiklarna, vilket dödar viruset. Detta skulle effektivt stoppa infektionen eftersom det blockerar överföringskedjan, vilket förhindrar viruset från att spridas från cell till cell", säger Salmen. .
"Denna studie är också anmärkningsvärd när den bekräftar att det mänskliga noroviruset måste ändra sin 3D-bekräftelse, från kompakt till uppväxt, för att infektera människor", säger medförfattaren Dr. Mary Estes, Distinguished Service Professor of Virology and Microbiology och Cullen Foundation Endowed Chair vid Baylor. Hon är också medlem i Baylors Dan L Duncan Comprehensive Cancer Center. "Det här arbetet avslöjar också vikten av att ta hänsyn till viral partikeldynamik när man utformar vacciner."
Mer information: Wilhelm Salmen et al, En enda nanokropp neutraliserar flera epokalt utvecklande mänskliga norovirus genom att modulera kapsidplasticitet, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42146-0
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Baylor College of Medicine
