МРНК-вакцини від Covid-19 отримали Нобелівську премію з медицини 2023 | Журнал Quanta

Нобелівський комітет присудив Нобелівську премію з фізіології та медицини 2023 року Каталін Каріко та Дрю Вайсман за новаторську роботу в розробці технології мРНК-вакцини, яка уможливила своєчасну відповідь вакцини на пандемію Covid-19. Вакцинам проти вірусу SARS-CoV-2 приписують допомогу в стримуванні поширення пандемії та збереження між 14.4 мільйона і 19.8 мільйона життів лише за перший рік їх використання; МРНК-вакцини зіграли важливу роль у цьому досягненні.

Десятиліттями вчені з усього світу намагалися використовувати мРНК (інформаційну РНК) у медицині. Клітини природно використовують мРНК, засновану на генетичній ДНК, як інструкції для створення білків. Дослідники мали на меті розробити інструменти для створення нових послідовностей мРНК — таких, які кодують, наприклад, вірусні білки — в лабораторії, а потім вводити ці молекули мРНК у клітини. Потім клітини транслюватимуть ці послідовності мРНК у вірусні білки, тим самим сповіщаючи імунну систему, щоб вона створила захист від вірусу. По суті, мРНК-вакцина перетворює клітини на фабрики вірусних білків як стратегію боротьби з вірусними нападниками.

Проте перші спроби використати мРНК для створення імунної відповіді зазнали невдачі, оскільки клітини надто легко розпізнали введені молекули мРНК як загарбників і знищили їх.

У 2005 році під час спільної роботи в Університеті Пенсільванії Каріко та Вайсман відкритий спосіб трохи підправити нуклеотидну послідовність молекул мРНК, щоб вони могли пройти повз клітинний імунний нагляд і уникнути масової запальної реакції. Вони пішли показувати 2008 та 2010 що модифіковані молекули мРНК можуть продукувати високі рівні білків. Ці прориви зробили технологію мРНК придатною для створення безпечних і ефективних вакцин.

Протягом 15 років методи були доведені на світовій арені. До початку 2021 року, лише через рік після того, як у світі вперше спалахнула пандемія Covid-19, кілька фармацевтичних компаній використовували інструменти мРНК Каріко та Вайсмана для випуску вакцин проти вірусу. Пандемія послужила доказом концепції вакцин, а їхній успіх допоміг вивести світ із найсмертоноснішої фази пандемії.

Відкриття Каріко та Вайсмана «фундаментально змінили наше розуміння того, як мРНК взаємодіє з нашою імунною системою, і мали великий вплив на наше суспільство під час недавньої пандемії Covid-19», — сказав Рікард Сендберг, член Нобелівського комітету, під час сьогоднішнього ранкового оголошення. Вакцини, як звичайні, так і мРНК, «врятували мільйони життів, запобігли важкій формі Covid-19, зменшили загальний тягар хвороби та дозволили суспільствам знову відкритися».

Що таке мРНК?

Месенджер РНК — це один ланцюг генетичного коду, який клітина використовує як інструкції для створення білків. Ці молекули мРНК є рідними для клітин і є ключовими частинами повсякденних клітинних функцій: вони є месенджерами, які переносять транскрибовані послідовності ДНК із захищеного ядра в цитоплазму клітини, де вони можуть бути перетворені в білки за допомогою органел, які називаються рибосомами. Рибосома зчитує ланцюг, перетворюючи групи генетичних букв у послідовності амінокислот. Отриманий довгий ряд амінокислот згортається у відповідний білок.

Як працюють мРНК вакцини від Covid-19?

Вчені навчилися писати код мРНК для створення нових білків — у тому числі білків, які можуть допомогти клітинам розпізнавати віруси, яких вони ніколи не бачили. Технологія мРНК, розроблена лауреатами Нобелівської премії, запозичує клітинний механізм виробництва білка, спонукаючи клітини виробляти вірусні білки, які примушують імунну систему розпізнавати певний вірус, якщо вони зустрінуться з ним пізніше.

При контрабандному потраплянні в клітини всередині капсул ліпідних наночастинок елементи мРНК забезпечують рецепт створення білка «шипа» SARS-CoV-2, який знаходиться на зовнішній поверхні вірусу. Потім клітини використовують ці інструкції для виробництва спайкового білка, як якщо б вони були заражені справжнім вірусом. Це схоже на тренування імунітету: мРНК налаштовує імунну систему на розпізнавання справжнього спайкового білка SARS-CoV-2, тож якщо людина пізніше зазнає впливу вірусу, імунна система швидко «запам’ятає», як підняти вірус. відповідь, щоб боротися з нею.

Який прорив призвів до успіху вакцин?

На початку 2000-х головною перешкодою для технології мРНК було те, що вона викликала серйозну запальну реакцію в клітинах. Клітини розпізнали введену мРНК як чужорідний матеріал і намагалися позбутися його, приводячи клітинні захисні системи в перевантажений режим. Зрозумівши, що клітини часто модифікують власну нативну мРНК, Каріко та Вайсман вирішили подивитися, що станеться, якщо вони також трохи змінять генетичний код мРНК, яку вони вводять.

У революційному відкритті, опублікованому в 2005 році, вони повідомили, що запальна реакція майже зникла. У наступні роки вони показали, що такі зміни також можуть значно збільшити кількість білків, які можуть виробляти клітини на основі послідовності мРНК.

Чи використовувалися мРНК-вакцини для боротьби з хворобами до пандемії?

Низка компаній і дослідників перевірили перспективність мРНК-вакцин ще до пандемії для боротьби з вірусами, такими як Зіка та MERS-CoV, який схожий на SARS-CoV-2. Але жодна з вакцин не була схвалена для громадського використання станом на 2020 рік, коли спалахнула пандемія Covid-19. Успішне впровадження мРНК-вакцин під час пандемії підтвердило концепцію технології та стало плацдармом для заохочення її використання для запобігання або лікування інших захворювань.

Які переваги мРНК-вакцин перед більш традиційними?

Обіцянка мРНК-вакцин полягає в тому, що їх можна легко та швидко розробити. Зазвичай вченим потрібно більше часу — на шкалі років — для створення та випробування традиційних вакцин, які часто є ослабленою або денатурованою версією справжнього вірусу. І навіть після розробки традиційної вакцини вчені повинні подолати другу перешкоду — навчитися вирощувати великі обсяги вірусу чи білка в лабораторії — перш ніж вони зможуть виробляти вакцину в масовому масштабі, необхідному для імунізації мільйонів або мільярдів людей.

У 2020 році, щойно дослідники опублікували структуру та генетичний код спайкового білка SARS-CoV-2, дослідники взялися до роботи. Протягом кількох місяців фармацевтичні гіганти Pfizer і Moderna використали технологію мРНК для розробки вакцин проти вірусу. Їм вдалося швидко масово виготовити мРНК-вакцину, провести клінічні випробування, щоб довести, що вакцини безпечні та ефективні, а потім провести перші ін’єкції для населення до весни 2021 року. Це стало можливим, оскільки інструменти мРНК можна використовувати для створення широкого спектру різноманітність білків без необхідності культивувати нові методи вирощування вірусів у масовому масштабі.

Як тепер використовуватимуть мРНК-вакцини?

Як зазначив Сендберг у своєму виступі під час оголошення Нобелівської премії, «успішні мРНК-вакцини проти Covid-19 мали величезний вплив на інтерес до технологій на основі мРНК». Технології мРНК зараз використовуються для розробки терапевтичних систем доставки білка та лікування раку, а також вакцин проти інших інфекційних захворювань.