Potencjał aplikacyjny ukryty w mRNA. Nobel w dziedzinie fizjologii/medycyny 2023

Tegoroczną decyzją Komitetu Noblowskiego przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny dwojgu naukowcom: dr Katalin Karikó oraz prof. Drew Weissmanowi – pisze Aleksandra OBRĘPALSKA-STĘPLOWSKA

.Prace Karikó i Weissmana w znacznym stopniu przyczyniły się do wykorzystania technologii mRNA w produkcji szczepionek na bezprecedensową dotychczas skalę, stąd ich nazwiska pojawiały się już w zeszłym roku wśród potencjalnych kandydatów na laureatów tej prestiżowej nagrody. A przyznanie im Nobla w tym roku „za odkrycia związane z modyfikacjami zasad nukleozydowych, które umożliwiły rozwój szczepionek mRNA przeciw COVID-19”, dla wielu nie było dużym zaskoczeniem.

Na czym polega odkrycie?

.Na początek kilka informacji przypominających. W komórkach organizmów (zwierząt, roślin, bakterii, grzybów) białka są syntetyzowane (produkowane) dzięki informacji zakodowanej w sekwencji DNA. Jednak aby do syntezy białek doszło, cząsteczka DNA, znajdująca się w jądrze komórkowym, musi zostać przepisana na cząsteczki mRNA (tzw. informacyjny RNA, ang. messenger RNA). Cząsteczki mRNA z kolei, przeniesione do cytoplazmy, są bezpośrednimi matrycami do syntezy konkretnych białek.

Cząsteczki DNA i RNA składają się z szeregu liniowo ułożonych elementów budulcowych – nukleotydów, które z kolei są zbudowane z trzech składowych: cząsteczki pięciowęglowego cukru, zasady azotowej (razem tworzących nukleozyd) oraz kwasu fosforanowego. Wspomniane zasady azotowe występujące w nukleotydach to adenina, cytozyna, guanina i tymina w przypadku cząsteczki DNA, natomiast w cząsteczce mRNA zamiast tyminy występuje uracyl.

Aby przejść do dalszych informacji, warto również bardzo krótko i w dużym uproszczeniu przypomnieć, jakiego rodzaju szczepionki przeciwwirusowe są obecnie dostępne i jak są one produkowane.

Większość dotychczas produkowanych przeciwwirusowych szczepionek wykorzystuje inaktywowane („zabite”) lub osłabione (atenuowane) wirusy. Jest to najstarszy i przed pandemią COVID-19 najczęściej wykorzystywany sposób uzyskiwania szczepionek.

Wraz z rozwojem metod biotechnologicznych część szczepionek zaczęto wytwarzać z wykorzystaniem także tych nowszych technologii, m.in. technologii produkcji białek rekombinowanych (tzw. szczepionki rekombinowane). Szczepionki takie nie zawierają całych wirusów, lecz jedynie ich pojedyncze składniki białkowe. W taki sposób wyprodukowano np. szczepionki przeciw wirusowemu zapaleniu wątroby typu B (HBV) i ludzkiemu wirusowi brodawczaka (HPV).

Innym typem nowszych szczepionek są tzw. szczepionki wektorowe, w których wykorzystuje się platformę opartą na łagodnych wirusach, dodatkowo jeszcze pozbawionych niektórych części swojego materiału genetycznego. Niosą one zakodowany antygen dla wirusa powodującego poważne choroby i na który odporność ma uzyskać zaszczepiona osoba. Syntetyzowany jest on już w komórkach tej osoby. Takie rozwiązanie wykorzystywane jest w szczepionkach przeciw wirusowi ebola.

Produkcja szczepionek wymaga sporych nakładów pracy, czasu i zasobów, w tym wykorzystania kultur komórkowych. Dlatego naukowcy od dawna zastanawiali się nad możliwością uzyskiwania szczepionek w inny sposób. Jednym z rozważanych rozwiązań było dostarczenie do komórek osób szczepionych fragmentu materiału genetycznego wirusa (DNA lub RNA). Taka cząsteczka byłaby wystarczająca, aby z jej wykorzystaniem komórka sama podjęła się syntezy białek/podjednostek wirusów (przeciwko którym szczepionka miałaby działać), co z kolei zaindukowałoby odpowiednią odpowiedź immunologiczną przeciwko zsyntetyzowanym w komórce antygenom wirusowym.

Koncepcja takiego wykorzystywania mRNA do syntezy białek terapeutycznych lub do produkcji szczepionek pojawiła się pod koniec poprzedniego stulecia. W przypadku DNA, jak wspomniano wyżej, pierwszy etap syntezy białek odbywa się w jądrze komórkowym, a kolejny w cytoplazmie. Zatem dostarczane DNA musiałoby najpierw pokonać dwie bariery (błonę komórkową i błonę jądrową), by dostać się do jądra komórkowego, a następnie przejść przez kolejne etapy, które kończyłyby się zsyntetyzowaniem pożądanego białka. Natomiast w przypadku mRNA – bariera przy wprowadzeniu tej cząsteczki byłaby jedna (błona komórkowa), a dodatkowo mRNA jest już bezpośrednią matrycą do syntezy białka, gdy dostanie się na rybosomy.

Jednakże wykorzystanie zsyntetyzowanego w warunkach laboratoryjnych mRNA do produkcji określonych białek okazało się problematyczne. Po pierwsze ze względu na niską stabilność tej cząsteczki, a po drugie ze względu na silną reakcję zapalną organizmu, do którego ją wprowadzano.

I tu rozpoczyna się historia współpracy Karikó i Weissmana – najbardziej są widoczne korzyści z badań interdyscyplinarnych, wytrwałego dążenia do celu oraz wykorzystania wiedzy i szeregu rozwiązań zebranych wcześniej przez świat nauki. Od pewnego czasu dostępne są między innymi technologie umożliwiające syntezę w warunkach laboratoryjnych (czyli in vitro, poza organizmami) kwasów nukleinowych (zarówno RNA, jak i DNA) o zadanej sekwencji.

Karikó, biochemiczka zajmująca się RNA, oraz Weissman, immunolog i mikrobiolog badający komórki dendrytyczne i procesy zapalne, postanowili połączyć swoje siły, aby wyjaśnić, dlaczego zsyntetyzowany w warunkach laboratoryjnych mRNA powoduje bardzo silną reakcję zapalną organizmu, podczas gdy mRNA zsyntetyzowany w komórkach ssaków przez nie same – tak silnej odpowiedzi nie powoduje. Z wcześniejszych wyników badań opublikowanych przez innych naukowców Karikó i Weissman wiedzieli już, że cząsteczki RNA, występujące naturalnie w komórkach ssaków, mają zmodyfikowane na różne sposoby nukleozydy. Takich modyfikacji nie ma w zsyntetyzowanym in vitro RNA. Na podstawie tego oboje naukowcy wysnuli hipotezę, że to właśnie modyfikacje nukleozydów hamują immunostymulujący efekt RNA, i okazało się, że mieli rację. Wprowadzenie modyfikacji chemicznych nukleozydów zmniejszyło zdolność RNA do aktywacji komórek dendrytycznych. Takich modyfikacji w RNA Karikó i Weissman przeprowadzili i zbadali wiele, między innymi zastępując urydynę (czyli nukleozyd zawierający uracyl) pseudourydyną (oznaczaną symbolem Ψ). Wyniki opublikowali w czasopiśmie „Immunity” w 2005 r.

W kolejnych badaniach, testując zmodyfikowany mRNA, do którego wprowadzili wspomnianą pseudourydynę, odkryli, że zwiększyła się stabilność takiego mRNA w komórkach, a dodatkowo wzrosła znacząco wydajność produkcji białka, którego sekwencja była w nim zakodowana. Ponadto taki mRNA miał zmniejszoną immunogenność in vivo (brak silnej odpowiedzi na mRNA zawierający Ψ pozwala uniknąć wyniszczającego ogólnoustrojowego stanu zapalnego, który mógłby być niebezpieczny dla zdrowia). Karikó i Weissman podkreślili, że taki zestaw zalet może się przyczynić do wykorzystania mRNA zmodyfikowanego wprowadzeniem pseudourydyny w celach terapeutycznych (np. terapia genowa, gene replacement therapy). Wyniki opublikowali w „Molecular Therapy” w 2008 r., a następnie wyjaśnili mechanizm stojący za zmniejszoną reakcją zapalną w przypadku wykorzystania w mRNA pseudourydyny, co opublikowali w „Nucleic Acid Research” w 2010 r.

Naukowcy spodziewali się dużego zainteresowania wynikami swoich badań, które jednak w pierwszych latach po odkryciach nie nastąpiło. Wyniki zostały opublikowane w bardzo dobrych czasopismach, ale nie tych z najwyższej półki. Liczba cytowań prac Karikó i Weissmana, będąca miarą zainteresowania i wykorzystania wyników, również nie należała początkowo do wysokich. Sytuację zmieniła pandemia COVID-19. To właśnie wówczas po raz pierwszy i na tak szeroką skalę wykorzystano technologię mRNA. Szczepionki mRNA przeciw COVID-19 były najszybciej wyprodukowanymi i najszerzej dystrybuowanymi w dotychczasowej historii. W swojej decyzji Komitet Noblowski podkreślił, że odkrycia Karikó i Weissmana miały „kluczowe znaczenie dla wykorzystania technologii mRNA jako odpowiedniej do użytku klinicznego, gdy była ona najbardziej potrzebna”.

Być może najciekawsze zastosowania tej technologii są jednak jeszcze przed nami. Jak się podkreśla, rezultaty badań przeprowadzonych przez Karikó i Weissmana mogą utorować drogę do zastosowania mRNA w całym szeregu aplikacji terapeutycznych, nie tylko w produkcji szczepionek.

W technologii tej kluczowe jest to, że synteza mRNA i jego modyfikacja są stosunkowo tanimi i szybkimi procesami. Dodatkowo zakodowane w mRNA białka są syntetyzowane w krótkim czasie (nawet w ciągu minut) po wprowadzeniu mRNA do cytoplazmy. Cząsteczki mRNA mogą być dostarczane do komórki otoczone nanocząsteczkami lipidowymi, które ułatwiają przedostanie się im do cytoplazmy i chronią materiał genetyczny. „Ustabilizowane” tymi modyfikacjami cząsteczki mRNA wydają się bardzo dobrą platformą do produkcji terapeutyków dzięki możliwości bezpośredniego dostarczania do komórek. Rozważa się wykorzystanie omawianych odkryć w leczeniu innych chorób infekcyjnych, w tym malarii, a także nieinfekcyjnych, takich jak nowotwory, rzadkie choroby genetyczne czy choroby autoimmunologiczne.

.Najbliższe lata pokażą, czy uda się opracowane rozwiązania oraz odkrycia tegorocznych noblistów przekuć na większy sukces i pomoc potrzebującym.

Aleksandra Obrępalska-Stęplowska