Szczepionki mRNA – nagroda Nobla w dziedzinie medycyny
Prof. Piotr CZAUDERNA
W 2023 roku nagrodę Nobla za odkrycia dotyczące modyfikacji zasad nukleozydowych, które umożliwiły opracowanie skutecznych szczepionek mRNA przeciwko COVID-19 otrzymali Katalin Kariko z Węger i Drew Weissman z USA. Warto zatrzymać się nad tą decyzją Komitetu Noblowskiego – pisze prof. Piotr CZAUDERNA
.Co najmniej siedem przyznanych dotąd z dziedziny medycyny i fizjologii nagród Nobla dotyczyło osiągnięć naukowych powiązanych z badaniami nad kwasami rybonukleinowymi i deoksyrybonukleinowymi (DNA i RNA). Otrzymali je w kolejności chronologicznej:
- 1959 – Arthur Kornberg (USA) i Severo Ochoa (USA/Hiszpania) – za odkrycie mechanizmów biologicznej syntezy kwasów rybonukleinowych (RNA) i deoksyrybonukleinowych (DNA).
- 1962 – Francis Crick (Wlk. Brytania) i James Watson (USA) – za odkrycie dotyczące struktury molekularnej kwasów nukleinowych i jej znaczenia w przekazywaniu informacji w substancjach ożywionych.
- 1965 – Francois Jacob, Andre Lwoff i Jacques Monod (Francja) – za odkrycia dotyczące genetycznej kontroli enzymów i syntezy wirusów, w tym transkrypcji, czyli procesu syntezy RNA na matrycy DNA przez działanie różnych enzymów, tzw. polimeraz RNA, co pozwala na przepisywanie informacji zawartej w DNA na RNA. Podczas transkrypcji polimeraza RNA buduje w ten sposób cząsteczkę RNA, łącząc zgodnie z zasadą komplementarności pojedyncze rybonukleotydy według kodu matrycowej nici DNA.
- 1968 – Robert Holley, Har Gobind Khorana i Marshall Nirenberg (USA) – za interpretację kodu genetycznego i jego funkcji w syntezie białek.
- 1969 – Max Delbruck, Alfred Hershey i Salvador Luria (USA) za odkrycia dotyczące mechanizmów replikacji i struktury genetycznej wirusów.
- 1978 – Werner Arber (Szwajcaria), Daniel Nathans i Hamilton Smith (USA) – za odkrycie enzymów restrykcyjnych i ich zastosowania w genetyce molekularnej.
Ale były też w historii Nobli nagrody za wynalezienie szczepionek:
- 1954 – Frederick Chapman Robbins – amerykański naukowiec, pediatra i wirusolog. Studiował na Uniwersytecie w Missouri. W 1954 r. został laureatem nagrody Nobla za odkrycie, że wirus polio namnaża się w tkankach zwierzęcych, co przyczyniło się do stworzenia szczepionki przeciwko chorobie Heinego-Medina. Nagrodę razem z nim otrzymali: Thomas Weller i John Enders. Szczepionkę przeciwko polio opracowali dr Jonas Sabin z USA oraz Hilary Koprowski, amerykański naukowiec polskiego pochodzenia.
W bieżącym roku nagrodę Nobla za odkrycia dotyczące modyfikacji zasad nukleozydowych, które umożliwiły opracowanie skutecznych szczepionek mRNA przeciwko COVID-19 otrzymali Katalin Kariko z Węger i Drew Weissman z USA.
.Jak powszechnie wiadomo, proces zaszczepienia się stymuluje powstawanie odpowiedzi immunologicznej na konkretny patogen. Na pomysł ten wpadł jako pierwszy brytyjski lekarz, Edward Jenner stosując szczepienie dzieci łagodnym wirusem ospy krowianki w celu zapobieżenia zachorowaniu na ospę prawdziwą. Odkrycie to oparte było na jego obserwacji, że osoby, które zaraziły się od bydła zwierzęcą postacią ospy, tzw. krowianką, nie chorują potem na ospę prawdziwą. Od niego też pochodzi angielska nazwa szczepionki „vaccine”, która pochodzi od łacińskiego określenia krowy, czyli „vacca”. Za pocżatek procesu szczepień uznaje się dzień 14 maja 1796 roku, kiedy to Edward Jenner dokonał zaszczepienia materiałem zakaźnym ospy krowianki ośmioletniego chłopca Jamesa Phippsa. Chłopiec przechorował krowiankę i następnie Jenner zaszczepił go ponownie, jednak już materiałem zakaźnym ospy prawdziwej. Chłopiec nie zachorował, ponieważ uzyskał odporność W 1800 roku Jenner w uznaniu swoich osiągnięć został nawet przedstawiony królowi angielskiemu, a do roku 1801 w Anglii zaszczepiono ponad sto tysięcy ludzi. W ciągu kolejnych 100 lat liczba zgonów Anglii i Prusach spowodowanych ospą spadła niemal do zera. W 1977 w Somalii zaobserwowano ostatni znany przypadek zachorowania na ospę prawdziwą, zaś w roku 1980 Światowa Organizacja Zdrowia, oficjalnie ogłosiła koniec ospy prawdziwej na Ziemi.
Proces szczepień pozwala uzyskać ludzkiemu organizmowi przewagę poprzez wcześniejsze wytworzenie odpornościowych przeciwciał w walce z chorobami zakaźnymi w przypadku późniejszego zakażenia. Standardem były dotąd szczepionki oparte na zabitych lub osłabionych wirusach, a ich przykładami są szczepionki przeciwko polio, odrze i żółtej febrze. Jednak dzięki postępowi biologii molekularnej, obecnie możliwe jest wytworzenie szczepionek opartych na ekspozycji na pojedyncze składniki wirusowe, a nie na całe wirusy. Do ich wytworzenia wykorzystuje się wirusowy kod genetyczny, zwykle kodujący białka znajdujące się na powierzchni wirusa, co stymuluje ludzki układ odpornościowy do tworzenia przeciwciał blokujących wirusy. Przykładami takiego podejścia są szczepionki przeciwko wirusowi zapalenia wątroby typu B i wirusowi brodawczaka ludzkiego. Alternatywnie, część kodu genetycznego wirusa można przenieść do nieszkodliwego wirusa nosiciela, tzw. „wektora”. Ta metoda była zastosowana, np. w szczepionkach przeciwko wirusowi Ebola. Po wstrzyknięciu szczepionek wektorowych w naszych komórkach produkowane jest białko, stymulujące odpowiedź immunologiczną przeciwko docelowemu wirusowi. Jednak wytwarzanie szczepionek zawierających całe wirusy, białka i wektory wymaga zastosowania hodowli komórkowych na dużą skalę, co sprawia, że jest to proces dość powolny i wymagający dużych zasobów, co ogranicza możliwości szybkiej produkcji szczepionek w odpowiedzi na epidemie i pandemie.
Z tego powodu badacze od dawna próbowali opracować technologie produkcji szczepionek niezależne od hodowli komórkowych, co okazało się jednak dużym wyzwaniem, któremu sprostały dopiero szczepionki oparte na zastosowaniu mRNA. W naszych komórkach informacja genetyczna zakodowana w DNA jest przekazywana do, tzw. informacyjnego RNA (Messenger-RNA albo inaczej mRNA), które służy jako matryca do produkcji białek. Rolą mRNA jest bowiem przenoszenie informacji genetycznej o sekwencji poszczególnych aminokwasów w białkach bezpośrednio z genów, czyli z DNA zawartego w jądrze komórki, do aparatu translacyjnego zlokalizowanego w cytoplazmie komórki. Aparat ten odczytuje sekwencję mRNA i tłumaczy informacje z genomu na tymczasowe szablony, których komórki używają do produkcji określonych białek. W latach 80-tych XX wieku pojawiły się skuteczne metody wytwarzania mRNA bez konieczności hodowli komórkowej, co nazywa się transkrypcją in vitro. W związku z tym pojawiły się pomysły wykorzystania technologii mRNA do celów szczepionkowych i terapeutycznych. Jednak jeszcze szybciej pojawiły się liczne przeszkody. Kwas mRNA powstały wskutek transkrypcji in vitro był niestabilny i trudny do dostarczenia do wnętrza komórek. Dopiero postępy w nanotechnologii oraz opracowanie wyrafinowanych systemów lipidów nośnikowych pozwoliły, aby umieszczać mRNA w lipidowych „kapsułkach” i w ten sposób skutecznie dostarczać go do wnętrza komórek. Ale w tym momencie pojawiła się kolejna przeszkoda – mRNA wytworzony in vitro powodował reakcje zapalne organizmu. Dlatego początkowy entuzjazm w zakresie rozwijania technologii mRNA do celów klinicznych był ograniczony.
.Dopiero węgierska biochemiczka, Katalin Karikó, w czasie swojej pracy na Uniwersytecie w Pensylwanii na początku lat 90-tych, wspólnie z amerykańskim immunologiem, Drew Weissmanem, który interesował się komórkami dendrytycznymi pełniącymi ważne funkcje w nadzorze immunologicznym i aktywacji odpowiedzi immunologicznych wywołanych szczepionkami, zaczęli badać interakcje różnych typów RNA z układem odpornościowym. Zauważyli oni, że komórki dendrytyczne rozpoznają mRNA (po jego transkrypcji in vitro) jako obcą substancję, co prowadzi do ich aktywacji i uwolnienia wewnątrzkomórkowych mediatorów procesu zapalnego. Zastanawiali się, dlaczego mRNA powstały in vitro jest rozpoznawany jako obcy, podczas gdy własny mRNA produkowany wewnątrz komórek nie wywołuje tej samej reakcji. Doszli wówczas do wniosku, że komórki dendrytyczne muszą posiadać zdolność rozróżniania różnych typów mRNA w oparciu o jego wewnętrzną budowę. W dużym uproszczeniu można stwierdzić, iż RNA zawiera cztery zasady, w skrócie A, U, G i C, odpowiadające zasadom A, T, G i C w DNA, co stanowi jakby litery kodu genetycznego. Naukowcy wiedzieli też, że zasady nukleozydowe RNA z komórek ssaków są często modyfikowane chemicznie podczas transkrypcji in vitro, co jednak nie dotyczyło mRNA. Doszli wówczas do wniosku, że w transkrybowanym in vitro RNA nie występują wzmiankowane podmiany zasad (prowadzące do zastąpienia urydyny przez pseudourydynę), do której dochodzi w komórkach ssaków, co mogłoby wyjaśnić niepożądane reakcje zapalne. Aby to potwierdzić, wyprodukowali oni różne warianty mRNA, każdy z unikalnymi zmianami chemicznymi w zakresie swoich zasad, które następnie dostarczane były do komórek dendrytycznych.
Wyniki były uderzające: reakcja zapalna była prawie zniesiona, gdy w transkrybowanym in vitro mRNA zastosowano modyfikacje zasad. Karikó i Weissman natychmiast zrozumieli jak ogromne znaczenie ma ich odkrycie dla wykorzystania mRNA w terapii. Te przełomowe wyniki zostały opublikowane w roku 2005, na piętnaście lat przed pandemią Covid-19. W kolejnych swoich badaniach, opublikowanych w latach 2008 – 2010, Karikó i Weissman wykazali, że dostarczanie mRNA generowanego z uwzględnieniem modyfikacji zasad znacznie zwiększa produkcję białka w porównaniu z niezmodyfikowanym mRNA. Efekt ten był spowodowany zmniejszoną aktywacją enzymu regulującego produkcję białka. A więc ich odkrycia doprowadziły nie tylko do zmniejszenia niepożądanej reakcji zapalnej, ale i bardzo pożądanego, z kolei, zwiększenia produkcji białek. Wyeliminowało to krytyczne przeszkody na drodze do zastosowań klinicznych mRNA, a zainteresowanie technologią mRNA zaczęło rosnąć.
Około roku 2010 kilka firm farmaceutycznych rozpoczęło prace nad szczepionkami opartymi na tej technologii, między innymi przeciwko wirusowi Zika i MERS-CoV. Dzięki temu, po wybuchu pandemii Covid-19 bardzo szybko opracowano dwie szczepionki mRNA przeciwko wirusowi SARS-CoV-2. Dokonały tego konsorcjum firm Pfizer i BioNTech oraz firma Moderna. Ich efekty ochronne wyniosły około 95%, a obie szczepionki zostały zatwierdzono do użytku klinicznego już w grudniu 2020 r. Imponująca elastyczność i szybkość, z jaką można opracowywać szczepionki mRNA, otworzyły drogę do wykorzystania nowej platformy technologicznej nie tylko do produkcji szczepionek skierowanych przeciwko innym chorobom zakaźnym, ale i do zastosowań terapeutycznych mających na celu dostarczanie białek terapeutycznych dla leczenia niektórych typów nowotworów.
.Podsumowując, choć wczesne lata badań nad zastosowaniami mRNA w medycynie charakteryzowały się dużym entuzjazmem dla tej technologii, to jednak wiązały się one z trudnymi wyzwaniami technicznymi, których pokonanie wymagało wielu innowacji. Należało wyeliminować reakcję zapalną towarzyszącą podaniu mRNA i zwiększyć ilość białka produkowanego w komórkach po podaniu do nich mRNA. Jednak największym wyzwaniem było to, że mRNA zostanie wchłonięte przez organizm i szybko rozłożone, zanim będzie mogło „dostarczyć” swoją wiadomość – transkrypt RNA – i doprowadzić do jego wczytania do białek w komórkach. Rozwiązanie tego problemu przyniósł dopiero postęp w nanotechnologii w postaci opracowania zastosowania kropelek tłuszczu (nanocząstek lipidowych). Pierwsze szczepionki mRNA wykorzystujące nanolipidy zostały opracowane przeciwko śmiercionośnemu wirusowi Ebola, ale ponieważ wirus ten występuje tylko w ograniczonej liczbie krajów afrykańskich, nigdy nie doczekały się one komercyjnego zastosowania.
Dopiero pandemia COVID-19 zmotywowała producentów do opracowania dziesiątek potencjalnych szczepionek przeciwko SARS-CoV-2 i przyniosła ogromny wzrost finansowania badań nad szczepionkami, co pozwoliło skutecznie je stworzyć. W niektórych z tych szczepionek zastosowano tradycyjne metody wykorzystujące adenowirusa jako system dostarczania białka kolczastego, np. w szczepionkach wektorowych firm Astra Zeneca oraz Johnson & Johnson. I choć stabilność szczepionek opartych na mRNA w procesie ich transportu i przechowywania stanowiła kolejny trudny problem, to jednak i tę barierę wielu firmom udało się pokonać, choć niekiedy wymagało to organizacji specjalnych łańcuchów dostaw.
.Dzięki dziesięcioleciom badań i innowacji, takich jak odkrycia Karikó i Weissmana, technologia szczepionek mRNA była praktycznie gotowa do użytku w momencie nadejścia pandemii Covid-19. To dlatego właśnie szczepionki przeciwko wirusowi SARS-Cov-2 udało się opracować i przetestować tak szybko, a producenci szczepionek opracowują już szczepionki mRNA chroniące przed innymi wirusami układu oddechowego, takimi jak grypa. Moderna bada z kolei potencjalne zastosowania tej technologii dla ochrony przed wirusem HIV.
