Miliardy ludzi na całym świecie otrzymały szczepionki przeciwko Covid-19 firmy Pfizer lub Moderna. Szybki rozwój tych szczepionek zmienił przebieg pandemii, zapewniając ochronę przed wirusem SARS-CoV-2.
Ale te szczepionki nie byłyby możliwe, gdyby nie pionierska praca tegorocznych laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii czy medycyny, którą rozpoczęli kilkadziesiąt lat wcześniej.
Doktor Katalina Karikó i dr Drew Weissman, badacze z Uniwersytetu Pensylwanii, otrzymali prestiżową nagrodę za odkrycia dotyczące biologii mRNA. Para jako pierwsza odkryła sposób modyfikacji mRNA, który umożliwił jego skuteczne dostarczanie do komórek i ich replikację.
Ich odkrycie było nie tylko integralną częścią opracowania szczepionki na Covid-19, ale może również prowadzić do opracowania wielu innych terapii, takich jak szczepionki przeciwnowotworowe.
Dzieło życia
Karikó jest węgierską biochemiczką, a Weissman – amerykańskim naukowcem i lekarzem. Rozpoczęli współpracę w 1985 roku, kiedy Karikó była pracownikiem naukowym ze stopniem doktora na Uniwersytecie Pensylwanii. Poznała tam Weissmana, który pracował na uniwersytecie jako immunolog. Łączyło ich wspólne zainteresowanie możliwością wykorzystania mRNA do opracowania nowych terapii.
Komunikator RNA (lepiej znany jako mRNA) jest cząsteczką niezbędną do życia. Jest wytwarzany w organizmie z naszego własnego DNA w procesie zwanym translacją. DNA to nasz specjalnie zakodowany podręcznik zawierający instrukcje dotyczące wytwarzania białek, które stanowią budulec materiału w organizmie.
Nasze mRNA kopiuje i przenosi te instrukcje genetyczne z naszego DNA do naszych komórek. Następnie komórki wytwarzają dowolne białko, na przykład hemoglobinę, która pomaga czerwonym krwinkom przenosić tlen w organizmie.
Karikó i Weissman uważali, że gdyby można było sterować tym procesem, mRNA można by wykorzystać do poinstruowania komórek, aby zasadniczo wytwarzały własne leki. Jednak kiedy rozpoczęli współpracę, próby innych badaczy, aby to zrobić, zakończyły się niepowodzeniem.
Rozpoczynając pracę, badacze stanęli przed dwoma głównymi wyzwaniami. Pierwszym z nich była możliwość uniemożliwienia pacjentowi wywołania odpowiedzi immunologicznej przeciwko zmodyfikowanemu mRNA. Drugim była możliwość bezpiecznego dostarczenia mRNA do pacjenta bez jego degradacji.
Aby zrozumieć, w jaki sposób pokonali pierwszą barierę, ważne jest zrozumienie struktury mRNA. Zwykle cząsteczki mRNA zawierają cztery rodzaje mniejszych cząsteczek zwanych zasadami (nukleozydami): A (adenina), U (urydyna), G (guanina) i C (cytozyna). Różne sekwencje tych zasad można ze sobą połączyć, tworząc podstawę cząsteczki mRNA.
We wczesnych eksperymentach Karikó i Weismann odkryli, że wstrzyknięcie myszom normalnych cząsteczek mRNA prowadzi do odpowiedzi immunologicznej. Oznaczało to, że układ odpornościowy myszy postrzegał nowy mRNA jako atakujący patogen, a komórki odpornościowe zamiast go replikować, zniszczyłyby go.
Dlatego naukowcy zmodyfikowali nukleozyd U, tworząc pseudourydynę, związek chemiczny stabilizujący strukturę RNA. Kiedy powtórzyli eksperyment ze zmodyfikowanym mRNA, myszy nie wykazywały żadnej odpowiedzi immunologicznej .
Jednak Karikó i Weismann stanęli przed drugim wyzwaniem, jakim była możliwość dostarczenia dostosowanego mRNA bez jego degradacji.
Do jego dostarczenia postanowili użyć lipidów (nanocząstek). Te tłuszczowe związki chemiczne stanowią istotną część błony komórkowej, kontrolując to, co wchodzi i wychodzi z komórki. Specjalnie stworzone lipidy umożliwiły dostarczenie cząsteczek mRNA bez ich degradacji lub rozkładu przez układ odpornościowy.
Badania Karikó i Weissmana z powodzeniem wyeliminowały przeszkody, które wcześniej stawały na drodze do klinicznego wykorzystania mRNA. Możliwość poinstruowania organizmu, aby replikował praktycznie każde nieszkodliwe białko, może potencjalnie leczyć szereg chorób, a nawet chronić przed infekcjami wirusowymi.
Covid
Kiedy ich badania zostały po raz pierwszy opublikowane, nie wzbudziły większego zainteresowania. Jednak w 2011 roku dwie firmy biotechnologiczne – Moderna i BioNTech – zwróciły na to uwagę i rozpoczęły badania nad lekami mRNA.
Nic dziwnego. Tradycyjne metody produkcji szczepionek są czasochłonne, drogie i nie sprawdzają się w przypadku każdej szczepionki. Jednak prace Karikó i Weissmana pokazały, że syntetyczne mRNA można wytworzyć na dużą skalę.
Naukowcy pracowali nad opracowaniem szczepionek mRNA już przed pandemią, np. szczepionki przeciwko wirusowi Ebola , która nie spotkała się z dużym zainteresowaniem komercyjnym. Jednak w 2020 r., kiedy wirus Covid-19 zaczął rozprzestrzeniać się na całym świecie, konieczne było szybkie wprowadzenie szczepionek, aby zapewnić ochronę.
Korzystając z podstawowych prac Karikó i Weissmana, naukowcy opracowali specjalną sekwencję mRNA, która naśladuje białko kolca (umożliwiającego wirusowi przedostanie się do naszych komórek). W ten sposób wytworzyła się nieszkodliwa cząsteczka wirusa, którą nasze komórki następnie replikowały, umożliwiając organizmowi ochronę przed poważnymi infekcjami wywołanymi przez wirusa, gdy zetknął się z prawdziwym wirusem.
Odkrycia Karikó i Weissmana sprzed wielu lat odegrały kluczową rolę w umożliwieniu opracowania szczepionek mRNA na Covid-19. Ale to nie jedyne sposoby, w jakie można zastosować ich pracę.
Naukowcy mają obecnie nadzieję na opracowanie szczepionek mRNA przeciwko chorobom takim jak wirus HIV i Zika. Badania wykazały również, że szczepionki mRNA mogą być przydatne w leczeniu niektórych typów nowotworów.
