Szczepionki mRNA na Covid-19 zdobywają Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny 2023 | Magazyn Quanta

Komitet Noblowski przyznał Nagrodę Nobla 2023 w dziedzinie fizjologii lub medycyny za Katalin Kariko i Drew Weissmana za pionierską pracę nad rozwojem technologii szczepionek mRNA, która umożliwiła terminową reakcję szczepionkową na pandemię Covid-19. Szczepionkom przeciwko wirusowi SARS-CoV-2 przypisuje się pomoc w ograniczeniu rozprzestrzeniania się pandemii i oszczędność między 14.4 miliona i 19.8 miliona istnień ludzkich już w pierwszym roku ich stosowania; Szczepionki mRNA odegrały główną rolę w tym osiągnięciu.

Przez dziesięciolecia naukowcy z całego świata poszukiwali zastosowania mRNA (messenger RNA) w medycynie. Komórki naturalnie wykorzystują mRNA, oparty na genetycznym DNA, jako instrukcje do wytwarzania białek. Celem badaczy było opracowanie narzędzi umożliwiających tworzenie w laboratorium nowych sekwencji mRNA — na przykład kodujących białka wirusowe, a następnie wprowadzanie tych cząsteczek mRNA do komórek. Komórki następnie przetłumaczą te sekwencje mRNA na białka wirusowe, ostrzegając w ten sposób układ odpornościowy, aby przygotował obronę przed wirusem. W efekcie szczepionka mRNA zamienia komórki w fabryki białek wirusowych w ramach strategii zwalczania atakujących wirusów.

Jednak pierwsze próby wykorzystania mRNA do wywołania odpowiedzi immunologicznej nie powiodły się, ponieważ komórki zbyt łatwo rozpoznały wprowadzone cząsteczki mRNA jako najeźdźców i je zniszczyły.

W 2005 roku, podczas wspólnej pracy na Uniwersytecie Pensylwanii, Karikó i Weissman odkryty sposób na nieznaczne zmodyfikowanie sekwencji nukleotydów cząsteczek mRNA, tak aby mogły przemknąć się przez nadzór odporności komórkowej i uniknąć wywołania masowej reakcji zapalnej. Dalej się pojawiali 2008 i 2010 że zmodyfikowane cząsteczki mRNA mogą wytwarzać wysoki poziom białek. Te przełomowe odkrycia umożliwiły wykorzystanie technologii mRNA do tworzenia bezpiecznych i skutecznych szczepionek.

W ciągu 15 lat metody sprawdziły się na arenie międzynarodowej. Na początku 2021 r., zaledwie rok po tym, jak pandemia Covid-19 po raz pierwszy wybuchła na świecie, wiele firm farmaceutycznych wykorzystało narzędzia mRNA Karikó i Weissmana do opracowania szczepionek przeciwko wirusowi. Pandemia posłużyła jako dowód koncepcji szczepionek, a ich sukces pomógł wyciągnąć świat z najbardziej śmiercionośnej fazy pandemii.

Odkrycia Karikó i Weissmana „zasadniczo zmieniły nasze rozumienie interakcji mRNA z naszym układem odpornościowym i miały ogromny wpływ na nasze społeczeństwo podczas niedawnej pandemii Covid-19” – powiedział Rickard Sandberg, członek Komitetu Nobla, podczas dzisiejszego porannego ogłoszenia. Szczepionki, zarówno konwencjonalne, jak i mRNA, „uratowały miliony istnień ludzkich, zapobiegły ciężkiemu wirusowi Covid-19, zmniejszyły ogólne obciążenie chorobami i umożliwiły społeczeństwom ponowne otwarcie się”.

Co to jest mRNA?

Komunikator RNA to pojedyncza nić kodu genetycznego, którą komórka wykorzystuje jako instrukcje do wytwarzania białek. Te cząsteczki mRNA są rodzime dla komórek i stanowią kluczową część codziennych funkcji komórkowych: są przekaźnikami przenoszącymi transkrybowane sekwencje DNA z chronionego jądra do cytoplazmy komórki, gdzie mogą zostać przetłumaczone na białka przez organelle zwane rybosomami. Rybosom odczytuje nić, przekształcając grupy liter genetycznych w sekwencje aminokwasów. Powstały długi ciąg aminokwasów składa się następnie w odpowiednie białko.

Jak działają szczepionki mRNA Covid-19?

Naukowcy nauczyli się pisać kod mRNA, tworząc nowe białka — w tym białka, które mogą pomóc komórkom rozpoznać wirusy, których nigdy nie widziały. Technologia mRNA opracowana przez laureatów Nagrody Nobla wykorzystuje mechanizmy wytwarzające białka w komórkach, pobudzając komórki do produkcji białek wirusowych, które przygotowują układ odpornościowy do rozpoznania danego wirusa, jeśli zetkną się z nim później.

Elementy mRNA przemycone do komórek wewnątrz kapsułek z nanocząsteczkami lipidów dostarczają przepisu na wytwarzanie białka „kolca” SARS-CoV-2, które znajduje się na zewnętrznej powierzchni wirusa. Komórki następnie wykorzystują te instrukcje do wytworzenia białka kolczastego, tak jakby zostały zakażone prawdziwym wirusem. To jak runda ćwiczeń odporności: mRNA przygotowuje układ odpornościowy do rozpoznania rzeczywistego białka szczytowego SARS-CoV-2, dzięki czemu jeśli dana osoba zostanie później narażona na kontakt z wirusem, układ odpornościowy szybko „przypomni sobie”, jak wywołać atak odpowiedź, żeby z tym walczyć.

Jaki przełom doprowadził do sukcesu szczepionek?

Na początku XXI wieku główną przeszkodą w technologii mRNA było to, że wywoływała ona poważną reakcję zapalną w komórkach. Komórki rozpoznały wprowadzony mRNA jako obcy materiał i próbowały się go pozbyć, powodując nadmierne obciążenie systemów obronnych komórek. Po uświadomieniu sobie, że komórki często modyfikują swój własny natywny mRNA, Karikó i Weissman postanowili zobaczyć, co by się stało, gdyby dodatkowo nieznacznie zmodyfikowali kod genetyczny wprowadzanego mRNA.

W przełomowym odkryciu opublikowanym w 2005 roku donieśli, że reakcja zapalna prawie zniknęła. W następnych latach wykazali, że takie ulepszenia mogą również znacznie zwiększyć liczbę białek, które komórki mogą wytwarzać na podstawie sekwencji mRNA.

Czy przed pandemią stosowano szczepionki mRNA w walce z chorobami?

Przed pandemią wiele firm i badaczy testowało skuteczność szczepionek mRNA w walce z wirusami takimi jak Zika i MERS-CoV, które są podobne do SARS-CoV-2. Jednak żadna ze szczepionek nie została dopuszczona do użytku publicznego od 2020 r., kiedy wybuchła pandemia Covid-19. Pomyślne wdrożenie szczepionek mRNA podczas pandemii potwierdziło koncepcję tej technologii i stało się odskocznią do zachęcania do jej stosowania w zapobieganiu innym dolegliwościom lub leczeniu ich.

Jaka jest przewaga szczepionek mRNA nad bardziej tradycyjnymi?

Obietnica szczepionek mRNA polega na tym, że można je łatwo i szybko opracować. Stworzenie i przetestowanie tradycyjnych szczepionek, które często są osłabioną lub zdenaturowaną wersją prawdziwego wirusa, zajmuje naukowcom zazwyczaj więcej czasu – w skali lat. Nawet po opracowaniu tradycyjnej szczepionki naukowcy muszą pokonać drugą przeszkodę — nauczyć się hodować w laboratorium duże ilości wirusa lub białka — zanim będą mogli wyprodukować szczepionkę na masową skalę niezbędną do uodpornienia milionów lub miliardów ludzi.

W 2020 r., gdy tylko naukowcy opublikowali strukturę i kod genetyczny białka kolczastego SARS-CoV-2, badacze zabrali się do pracy. W ciągu kilku miesięcy giganci farmaceutyczni Pfizer i Moderna wykorzystali technologię mRNA do opracowania szczepionek uodporniających przeciwko wirusowi. Udało im się szybko wyprodukować masową szczepionkę mRNA, przeprowadzić badania kliniczne mające wykazać, że szczepionki są bezpieczne i skuteczne, a następnie podać społeczeństwu pierwsze szczepionki do wiosny 2021 r. Było to możliwe, ponieważ narzędzia mRNA można wykorzystać do wygenerowania szerokiego spektrum różnorodnych białek bez konieczności opracowywania nowych metod hodowli wirusów na masową skalę.

Jak będą teraz stosowane szczepionki mRNA?

Jak zauważył Sandberg w swoich uwagach podczas ogłoszenia Nagrody Nobla: „Skuteczne szczepionki mRNA przeciwko Covid-19 wywarły ogromny wpływ na zainteresowanie technologiami opartymi na mRNA”. Technologie mRNA są obecnie wykorzystywane do opracowywania terapeutycznych systemów dostarczania białek i metod leczenia raka, a także szczepionek przeciwko innym chorobom zakaźnym.