Wyścig po odporność na koronawirusa

Wirus SARS-CoV-2, atakujący układ oddechowy, w większości przypadków powoduje łagodne objawy. Zaledwie 5 proc. chorych wymaga leczenia szpitalnego i tylko część z nich intensywnej opieki, tlenu oraz mechanicznej wentylacji. Jednak prawo wielkich liczb powoduje, że przy milionach zachorowań niewielki udział ciężkich przypadków przekłada się na setki tysięcy potrzebujących pomocy pacjentów.

Poszukiwania środka skutecznie zwalczającego chorobę na razie nie przyniosły rezultatów. Lek o nazwie Remdesivir (pierwszy lek zarejestrowany w USA do leczenia koronawirusa), w którym tak wielu pokładało nadzieję, nie okazał się wystarczająco skuteczny w przypadku Covid-19.

Kolejne doniesienia o wspaniałych lekach – świeżo wynalezionych lub już istniejących – jedno po drugim okazywały się fałszywe. Równolegle z poszukiwaniami leku trwały prace nad szczepionką. Uodpornienie populacji daje bowiem największą szansę na zatrzymanie postępu pandemii i uniknięcie kolejnych zgonów.

Rozpoznać intruza

Wiele firm farmaceutycznych, w tym gigantów na tym rynku, wystartowało w wyścigu po szczepionkę. Globalny koncern Pfizer z siedzibą w Nowym Jorku działający wspólnie z niemiecką firmą BioNTech, a także amerykańska Moderna idą łeb w łeb, pozostawiając resztę konkurentów w tyle. Niemal równocześnie oba zespoły badawcze ogłosiły wyniki swoich testów klinicznych. Szczepionka Pfizera wykazała się skutecznością 95 proc., Moderny 94,8 proc. Tak samo jak podobne są ich wyniki, tak i same szczepionki są sobie bliskie. Poza niewątpliwym sukcesem w opracowaniu skutecznego preparatu stanowią także triumf nauki i biotechnologii. Co jest w nich niezwykłego? To pierwsze szczepionki w historii, które stworzono dzięki nowym technologiom i inżynierii genetycznej.

Istotą działania każdej szczepionki jest wytworzenie odporności na dany patogen, zanim nastąpi infekcja. Odpowiednio opracowany preparat ma na celu przygotowanie układu odpornościowego na zakażenie, tak by w momencie, gdy ono nastąpi, organizm potrafił natychmiast rozpoznać intruza i wytworzyć skuteczną obronę swoistą, czyli wyprodukować przeciwciała skierowane przeciw konkretnemu zarazkowi i skutecznie go eliminujące.

Dotychczas do stworzenia szczepionki używano osłabionego lub zabitego mikroba. Tak powstawały klasyczne szczepionki, które znamy – przeciw gruźlicy, tężcowi, wirusowemu zapaleniu wątroby (WZW) i wielu innym chorobom. Jednak szczepionka przeciw SARS-CoV-2 została zrobiona zupełnie inaczej. Nie zawiera ani wirusa, ani jego części.

Szczepionki mRNA wykorzystują naturalny mechanizm występujący w ludzkich komórkach. Na podstawie DNA znajdującego się w jądrze komórki tworzone są krótkie łańcuchy RNA, zwane messenger RNA (mRNA), które trafiają do rybosomów zawieszonych w cytoplazmie, gdzie na podstawie zawartych w nich informacji są tworzone białka niezbędne do funkcjonowania komórki.

Innymi słowy szczepionka dostarcza łańcuchy mRNA zawierające zakodowaną strukturę białek wirusa stanowiących antygeny, by organizm sam je sobie wyprodukował. Po wniknięciu do komórki syntetycznego RNA na jego podstawie komórka zaczyna produkować białka S należące do otoczki wirusa. Następnie są one prezentowane na błonie komórki i w ten sposób stają się dostępne dla układu odpornościowego, który może zapoznać się z antygenem i przygotować produkcję przeciwciał. Specyficzna budowa cząsteczki białka S pozwala na to, by wirus przyczepiał się do komórki. Powstałe przeciwciała nie tylko atakują intruza, ale także, przyłączając się do białka S, blokują miejsce wiązania z komórką, w związku z czym wirus nie może dostać się do wnętrza i zakazić gospodarza.

Jak paragon przy encyklopedii

Klasyczne szczepionki wymagały wyizolowania odpowiedniego szczepu wirusa, po czym namnożenia go na zarodkach kurzych bądź na hodowlach komórkowych. Robi się tak dlatego, że wirusy jako organizmy nie posiadające własnych procesów biologicznych mnożą się wyłącznie wewnątrz innych komórek, wykorzystując do tego ich procesy życiowe.

Tymczasem nowa szczepionka jest szybsza w opracowaniu i tańsza w produkcji. Gdy 10 stycznia 2020 r. Chińczycy opublikowali sekwencję genomu koronawirusa SARS-CoV-2, była to podstawowa informacja dla naukowców, by rozpocząć prace nad szczepionką – wystarczył komputer, by zestawić nukleotydy w odpowiedniej kolejności. Zresztą cały genom koronawirusa nie jest bardzo złożony. To zaledwie 30 tys. nukleotydów, co oznacza, że mieści się na dwóch stronach maszynopisu. W porównaniu do ludzkiego genomu jest jak paragon sklepowy wobec encyklopedii. Jednak, jak widać, nawet tak prosty organizm potrafi zagrozić naszemu życiu.

Z całego zapisu genomu naukowcy wybrali fragment kodujący białka błonowe wirusa, gdyż to one są elementem widocznym dla układu odpornościowego. Znając kolejność nukleotydów, stworzono syntetyczny łańcuch RNA kodujący te białka. Jednak posiadanie właściwego łańcucha nie decyduje jeszcze o sukcesie. Taki łańcuch trzeba skutecznie „dostarczyć na miejsce", czyli wprowadzić do komórki. A to nie lada wyzwanie.

Sam pomysł wprowadzenia łańcucha kodującego obce białko do komórki narodził się w latach 90. XX wieku. Idea produkowania pożądanych białek wydawała się bardzo obiecująca. Zakładano, że można w ten sposób leczyć wiele chorób. Skłonienie organizmu do syntetyzowania brakujących enzymów pomagałoby leczyć wrodzone wady metaboliczne, cukrzycę czy chorobę Parkinsona. Czynniki wzrostu mogłyby pomóc w naprawie uszkodzonych tkanek.

Jak przeprogramować komórki

Węgierska biochemiczka Katalin Karikó zajmowała się terapią immunologiczną nowotworów, kiedy usłyszała o rzeczonym pomyśle. Uczulenie organizmu na białka komórek nowotworowych dawało perspektywę na zlikwidowanie choroby siłami samego organizmu. Niezależnie jednak od wkładanego wysiłku, eksperymenty rozbijały się o jedną przeszkodę. Po wprowadzeniu do organizmu RNA zawierającego informacje o obcych białkach układ odpornościowy natychmiast rozpoznawał intruza i bezwzględnie go atakował, błyskawicznie unicestwiając. Nawet najlepiej przygotowana matryca mRNA stawała się bezużyteczna. Kolejne eksperymenty zawodziły, jednak Katalin Karikó wspólnie z Drew Weissmanem – immunologiem z bostońskiego uniwersytetu – znaleźli na to sposób. Podmienili niektóre nukleotydy w łańcuchu na takie, które nie występowały w organizmie. Łańcuchy mRNA z syntetycznymi nukleotydami oszukiwały układ odpornościowy organizmu – zamiast włączać alert „uwaga obcy" i aktywować obronę, powodowały odmienną reakcję, sugerując, że to jakiś tajemniczy nieznajomy, ale taki, którego można zostawić w spokoju. I o to dokładnie chodziło naukowcom. Jednocześnie zmienione cząsteczki nie wpływały na produkcję białek w rybosomach.

To zadziwiające z dzisiejszej perspektywy, że ich odkrycie, choć niezwykle istotne, przeszło niemal bez echa. Dopiero Derrick Rossi, kanadyjski naukowiec zajmujący się komórkami macierzystymi na uniwersytecie Stanforda, przeczytawszy w 2005 r. ich artykuł, zrozumiał przełomowy charakter tego odkrycia. Nie bał się nawet stwierdzenia, że Karikó i Weissmann zasługują na nagrodę Nobla.

Rossi nie upatrywał jednak w ich odkryciu drogi do nowej szczepionki, tylko widział dla niego zastosowanie w swoich badaniach. Przy pomocy mRNA chciał „przeprogramować" komórki dorosłego organizmu, tak by cofnęły się do stadium płodowych komórek macierzystych, które mają potencjał rozwinięcia się w dowolną tkankę. W 2009 r. zobaczył pod mikroskopem to, czego oczekiwał. Podzielił się odkryciem ze swoim kolegą z Harvardu, który skontaktował ich z Robertem Langerem, inżynierem biomedycznym z Massachusetts Institute of Technology (MIT). Kiedy Rossi opisał Langerowi swoje prace badawcze, naukowiec z MIT zdał sobie sprawę, że jego kolega dokonał znacznie większego odkrycia, niż przypuszczał.

– Możesz w ten sposób zrobić dużo więcej – powiedział Rossiemu. – Możesz stworzyć nowe leki, nowe szczepionki, właściwie wszystko, co zechcesz.

Szczepionka w pudełku na pizzę

Derrick Rossi i Robert Langer wspólnie z libańskim biznesmenem Noubarem Afeyanem w 2010 r. powołali firmę Moderna. Jej nazwa wzięła się z połączenia słów modyfikacja i RNA.

Jednak nie tylko w Stanach Zjednoczonych zainteresowano się tym odkryciem. W niemieckim Mainz małżeństwo naukowców z tureckimi korzeniami zajmujące się immunologią założyło firmę, w której chcieli tworzyć spersonalizowane szczepionki przeciwnowotworowe. W ten sposób powstał BioNTech (skrót od Biofarmaceutical New Technologies). Ugur Sahin został prezesem firmy, a jego żona Özlem Türeci – szefem badań medycznych. BioNTech przejął licencję na technologię opracowaną przez Katalin Karikó i Drew Weissmanna, a w 2013 r. Węgierka dołączyła do zarządu firmy, by wesprzeć prace nad mRNA.

Obydwa przedsiębiorstwa, choć miały tożsamy cel, prezentowały odmienne podejście. Moderna rozrosła się i zamieniła w korporację. W 2012 r. pochwaliła się zebranymi funduszami inwestycyjnymi o wartości 40 mln dolarów, choć nadal była daleka od zaprezentowania gotowego produktu. W następnym roku brytyjski gigant farmaceutyczny AstraZeneca zapłacił jej 240 mln dolarów za prawa do tuzinów leków mRNA, które nawet nie powstały. Z kolei BioNTech wciąż pozostawał rodzinną firmą. Przez osiem lat opublikowali 150 prac naukowych. Na giełdę weszli dopiero w 2019 r.

Wybuch pandemii na początku 2020 r. postawił naukowców przed koniecznością ukierunkowania swoich projektów badawczych na poszukiwania leku na koronawirusa. Zarówno Moderna, jak i BioNTech byli gotowi sprostać wyzwaniu. Stworzenie szczepionki, którą można zaaplikować za pomocą strzykawki, wymagało jednak rozwiązania kilku problemów. Preparat musiał być przede wszystkim stabilny i możliwy do przechowywania.

Pozostał jeszcze do rozwiązania problem transportu, gdyż konieczna jest niska temperatura otoczenia, by szczepionka pozostawała skuteczna. Ta opracowana wspólnie przez Pfizera i BioNTech wymaga temperatury ok. –75 stopni Celsjusza, czyli temperatury dwutlenku węgla w postaci stałej. Firmy opracowały własne opakowania transportowe wykorzystujące suchy lód, które nazwano nieoficjalnie „pudełkami na pizzę" i zadeklarowano, że szczepionki mogą być w nich bezpiecznie przechowywane bez lodówki nawet przez kilka tygodni. Faktycznie, w odpowiednim zasobniku jest to możliwe, gdyż utrata suchego lodu ogranicza się do ok. 4 proc. na dobę.

W poszukiwaniu leku na raka

Konkurencyjna szczepionka opracowywana przez Modernę wraz z amerykańskim Narodowym Instytutem Alergii i Chorób Zakaźnych wymaga temperatury –20 stopni Celsjusza. W takich warunkach może być przetrzymywana przez sześć miesięcy, a w temperaturze od 2 do 8 stopni Celsjusza – czyli w warunkach, jakie może zapewnić jej zwykła lodówka – pozostaje stabilna przez 30 dni. W temperaturze pokojowej, zachowując swoje właściwości, może natomiast pozostawać do dwunastu godzin. Co więcej, przed podaniem pacjentowi w gabinecie nie wymaga rozpuszczania ani żadnych dodatkowych zabiegów.

Szczepionka mRNA zawiera łańcuchy, które nie są materiałem genetycznym wirusa ani nawet jego fragmentem, co oznacza, że nie zawierają materiału zakaźnego. Takie odcinki nie mogą też zostać włączone w materiał genetyczny gospodarza ani zakazić organizmu. Po wytworzeniu białek wirusa mRNA jest w drodze naturalnego procesu komórkowego rozkładane, tak samo jak własne łańcuchy mRNA organizmu.

Taka konstrukcja szczepionki oznacza, że jeśli materiał jest właściwie dobrany, odpowiedź immunologiczna powinna być właściwa przy minimalnych skutkach ubocznych. Na dodatek szczepionkę mRNA można opracować znacznie szybciej i taniej, co może być ważne w przypadku dalszych mutacji wirusa.

Nowa metoda pozwala opracować szczepionki na wirusa Ebola, Zika czy wściekliznę nawet w ciągu tygodnia, co pozwala dostatecznie szybko reagować na wybuchające ogniska tych chorób. Kolejnym zastosowaniem tej biotechnologii, od którego właściwie zaczęła się cała praca badawcza nad szczepionką mRNA, są szczepionki przeciwnowotworowe. Zarejestrowano już ponad 50 testów klinicznych, w których badano szczepionki przeciw czerniakowi (nowotworowi skóry), nowotworom krwi, glejakowi wielopostaciowemu czy nowotworom prostaty. W badaniu, które dotyczyło czerniaka, w wyniku podania szczepionek wykonanych na bazie pobranych od pacjenta komórek czerniaka 8 z 13 zaszczepionych pacjentów pozbyło się nowotworu w ciągu dwóch lat. Tworzenie preparatów dla poszczególnych pacjentów jest jednak czasochłonne i bardzo kosztowne. Prace nad ogólną szczepionką przeciwnowotworową, która byłaby specyficzna dla danego typu nowotworu, a nie dla konkretnego człowieka, wciąż trwają.