Szczepionki DNA i mRNA – czym są?

Większość tradycyjnych leków to małocząsteczkowe związki chemiczne, które oddziałują z różnymi białkami, wpływając na ich aktywność. Jednak wiele chorób, np. nowotwory, choroby genetyczne, niektóre choroby wirusowe, bardzo trudno leczyć tradycyjnymi lekami. Rozwiązaniem tego problemu może być użycie terapii genowej, w której informacja o terapeutycznym białku dostarczana jest do komórek w postaci przepisu genetycznego.

Jak czytamy w białej księdze „Szczepienia przeciw COVID-19. Innowacyjne technologie i efektywność”, terapię genową można realizować na dwa sposoby: dostarczając DNA lub mRNA kodujące dane białko. W tym pierwszym przypadku, aby nastąpiła ekspresja materiału genetycznego w postaci DNA (czyli wywarzanie na jego podstawie mRNA, a potem białka), musi on zostać zintegrowany z materiałem genetycznym pacjenta. Szczepionka DNA wprowadza bezpośrednio do odpowiednich tkanek plazmid zawierający sekwencję DNA kodującą antygen, na który poszukiwana jest odpowiedź immunologiczna. Proces ten jest jednak mało efektywny i trudny do kontrolowania.

Z tego powodu zainteresowanie naukowców przeniosło się na szczepionki mRNA, którego ekspresja zachodzi w cytoplazmie. Tego typu terapia polega na dostarczeniu do komórek pacjenta mRNA kodującego terapeutyczne białko. Może to być białko, które u danego pacjenta nie działa prawidłowo lub powstaje w zbyt małej ilości z powodu choroby, ale również białko charakterystyczne dla jakiegoś patogenu, tak jak ma to miejsce w przypadku wirusa SARS-CoV-2. Zadaniem wprowadzonego do organizmu białka jest aktywacja układu immunologicznego przeciwko patogenowi.

Jedną z zalet tej technologii jest to, że sposób otrzymywania i oczyszczania mRNA o dowolnej sekwencji jest zawsze taki sam, a zatem zmieniając wyłącznie sekwencję nukleotydową w raz opracowanym terapeutycznym mRNA, możemy otrzymać niemal dowolne białko. mRNA otrzymuje się w probówce na drodze reakcji biochemicznej. Oznacza to, że łatwo można zwiększać skalę jego produkcji, a opracowanie terapeutyku przeciwko jednej chorobie pozwala na opracowanie kolejnych preparatów przeciwko innym chorobom w znacznie prostszy, tańszy i szybszy sposób.

Zaletą szczepionek mRNA jest również to, że można je podawać wieloma drogami, w tym tradycyjnymi wstrzyknięciami dożylnymi, podczas gdy szczepionki DNA muszą być podawane za pomocą specjalnych urządzeń, takich jak elektroporacja lub pistolet genowy.

Historia badań nad terapią genową

Pomysł zastąpienia wadliwego DNA u osób cierpiących na defekty genetyczne pojawił się po raz pierwszy w 1970 roku. Natomiast pierwsze zatwierdzone badania kliniczne nad terapią genową odbyły się w Stanach Zjednoczonych w 1990 roku. W National Institutes of Health (NIH), pod kierownictwem Williama Frencha Andersona czteroletnia Ashanti DeSilva została poddana leczeniu z powodu wady genetycznej, która spowodowała u niej zespół SCID, czyli poważny niedobór układu odpornościowego. Wadliwy gen komórek krwi pacjentki został zastąpiony wariantem funkcjonalnym pochodzącym ze źródła zewnętrznego. Dzięki terapii system odpornościowy Ashanti został częściowo przywrócony. Produkcja brakującego enzymu została tymczasowo pobudzona, ale nowe komórki z funkcjonalnymi genami nie zostały wygenerowane. Dziewczynka prowadziła normalne życie tylko dzięki regularnym zastrzykom wykonywanym co dwa miesiące. Efekty były zatem udane, ale tymczasowe.

Do końca dekady przeprowadzono jeszcze kilka terapii genowych, jednak nie wszystkie z nich zakończyły się sukcesem. W 1999 roku badania na Uniwersytecie w Pensylwanii doprowadziły do śmierci 18-letniego mężczyzny cztery dni po rozpoczęciu leczenia. Dochodzenie wykazało, że przyczyną zgonu była niewydolność wielu narządów, a sama śmierć została wywołana ostrą odpowiedzią immunologiczną na nosiciela adenowirusa. Z kolei w 2003 roku u dziecka leczonego za pomocą terapii genowej we Francji rozwinął się stan podobny do białaczki. W tych okolicznościach amerykańska Agencja Żywności i Leków (FDA) tymczasowo wstrzymała wszystkie próby terapii genowej z wykorzystaniem wektorów retrowirusowych w komórkach macierzystych krwi.

Od początku nowego milenium coraz większe zainteresowanie naukowców zaczęło wzbudzać również wykorzystanie mRNA. Pierwsze badanie kliniczne z wykorzystaniem mRNA zostało przeprowadzone w 2001 roku. Do bezpośredniego podania mRNA pacjentowi udało się doprowadzić w 2009 roku. W białej księdze „Szczepienia przeciw COVID-19. Innowacyjne technologie i efektywność” czytamy, że w wielu firmach od ponad dekady trwają badania kliniczne nad mRNA leczącym rzadkie choroby genetyczne, a także nad szczepionkami mRNA przeciw nowotworom i różnego rodzaju wirusom. Jednak do wirusów tych nie należy ani koronawirus SARS-CoV (którego epidemia miała miejsce w latach 2002-2004), ani koronawirus MERS-CoV (którego pierwsze przypadki odnotowano w 2012 roku).

W obu przypadkach pojawiły się natomiast próby opracowania szczepionki DNA, która uodparniałaby na wspomniane patogeny. Jeśli chodzi o wirusa SARS, wykazano, że tylko jedna szczepionka (oparta na białku S) wywołuje efekt ochronny. Badania pierwszej fazy wykazały, że szczepionka była dobrze tolerowana i wykształcała neutralizujące przeciwciała u wszystkich pacjentów, którzy ją przyjęli (w badaniu wzięło udział 10 osób).

Również badania nad szczepionkami DNA przeciwko wirusowi MERS dawały optymistyczne wyniki. Pierwsza faza testów szczepionki GLS-5300 wykazała, że preparat jest dobrze tolerowany i nie powoduje poważnych działań niepożądanych, a samo szczepienie wywołuje trwałą odpowiedź immunologiczną u 85 proc. uczestników po przyjęciu dwóch dawek. Szczepionka GLS-5300 jest nadal rozwijana, a obecnie schemat jej działania służy także za wzór przy opracowywaniu szczepionki DNA przeciwko wirusowi SARS-CoV-2 o nazwie INO-4800. W grudniu 2020 roku poinformowano, że zakończona została pierwsza faza testów preparatu, w której udział wzięło 38 osób. Jak czytamy w raporcie z badań, szczepionka wykazała „doskonałe bezpieczeństwo i tolerancję” oraz wywołała reakcję immunologiczną u 100 proc. uczestników.

Badania nad wirusami SARS i MERS okazały się również bardzo pomocne w procesie prac nad szczepionką Moderny. Naukowcy z amerykańskiego Narodowego Instytutu Alergii i Chorób Zakaźnych (US National Institute of Allergy and Infectious Diseases), którzy współpracowali z Moderną, wykorzystali np. zdobytą wiedzę na temat odpowiedniego dostosowania platformy RNA, aby w rezultacie można było wytworzyć jak najbardziej stabilne przeciwciała.

Wnioski z prac nad konwencjonalnymi szczepionkami na SARS i MERS były także wykorzystane w badaniach nad szczepionką na COVID-19 autorstwa firmy AstraZeneca.