Как работят ваксините срещу SARS-CoV-2 и кои са техните създатели

Константин Чипев Последна промяна на 05 декември 2020 в 00:01 33485 0

Не е изминала и една година от началото на Ковид-19 пандемията и сме на прага на масова имунизация с високо ефективни ваксини. Този бърз напредък се дължи на използването на ваксини, основани на нуклеинови киселини и произвеждани от фирмите Пфайзер/Бионтех и Модерна – с РНК; и Астра Зенека – с ДНК (подобна е и руската ваксина „Спутник V“ от И-тута Гамалея). След успешни клинични изпитания такива ваксини показват над 70-90% ефикасност.

За първи път с такива ваксини се имунизират хора. По същество това е първото широко приложение на генна терапия и профилактика. Инжектирането на генетичен материал – матрична (информационна) РНК, или на модифициран аденовирус, носещ ДНК, за да се инструктира имунният отговор на организма, не означава, че ще се променя човешкият геном. Тези ваксини приличат на флашката (мРНК), която се пъхва в компютъра (вашето тяло), но не повлиява и не променя твърдия му диск (човешкия геном). Внесената генетична информация се използва само временно, за да работи по дадена програма. „Платформите“, основани на мРНК и аденовирус, са удобни за бързо и евтино конструиране на ваксини срещу различни вируси.

Начело на Ковид-фронта още през февруари 2020 г. застава фирмата Бионтех (Майнц, Германия). Тази фирма е създадена през 2008 г. от

проф. д-р Ур Шахин и съпругата му д-р Йозлем Тюреджъ, съвместно с австрийския онколог Хубер. Първоначално разработват нови имунотерапии срещу рак чрез модификации на Т-клетки на пациенти, за да ги насочват срещу раково-специфични антигени на конкретния пациент. Но не след дълго учените превключват и прехвърлят вниманието си към грипна ваксина на базата на РНК.

Шахин и Тюреджъ се сгодяват през 2002г., като само за малко свалят белите си лабораторни престилки за церемонията. След това – упорит труд в лабораторията. Деца на турски емигранти, като малки те получават много добро образование и с последните си успехи доказват, че турските емигранти в Германия са способни и на висококвалифициран труд. В така наречената „РНК-платформа“ се използва генетична информация за част от вируса – неговите повърхностни бодли, с които той се закача за повърхността на клетката преди да влезе в нея. Вирусните бодли са белтъци и като всички белтъци се кодират от нуклеотидната последователност на мРНК. Ако тази мРНК се вкара по подходящ начин в клетки на организма, клетъчната машинария ще може да произведе полипептидната верига на бодила и да го представи на имунната система и така да я подготви за евентуална среща със самия агресивен вирус.

В основата на мРНК ваксините на Пфайзер/Бионтех и Модерна стои откритие на учени от Пенсилванския университет

д-р Дрю Вайсман и Каталин Карико се запознават, докато копират статии на kсерокса в Пенсилванския университет през 1998 г. По това време Вайсман, медик-имунолог, наскоро се е преместил от Мериленд, където е работил в Националните институти по здравеопазване при всеизвестния д-р Антъни Фаучи върху ваксина срещу вируса на СПИН. Карико споделя с него, че може да произвежда всякакви РНКи. Те започват да работят заедно и към 2005 г. имат съществен напредък. Но когато започват да инжектират опитни животни с мРНК, започват мъчителни възпаления и някои животни умират. Карико и Вайсман намират решение на този проблем: за да не предизвиква мРНК възпалителна реакция, достатъчно е да се заменят някои от нуклеотидните бази в състава им с техни аналози – например урацил с псевдоурацил. Така модифицирани, мРНКите работят нормално в клетките, без да причиняват нежелани реакции. При разработването на ваксините срещу Ковид-19 и Модерна, и Пфайзер/Бионтех използуват същия подход.

Карико работи до 1985 г. в Университета на гр. Сегед (Унгария), където синтезира РНКи. Заедно с две годишната си дъщеря и съпруга си напуска Унгария през 1985 г. за да продължи научната си кариера във Филаделфия (САЩ). Имат само 900 лири, получени от продажба на колата им на черно и скрити в плюшеното мече на детето. Годините минават в упорит труд, даже и на Нова година, даже и с пренощувания в лабораторията. Упорството е предадено и на дъщеря й Сузана, която в отбора на САЩ става два пъти носителка на златни олимпийски медали по гребане. Сега майка й, Каталин Карико, заедно с проф. Вайсман са вероятни кандидати за друг вид отличия – Нобеловите.

Сузана и проф.Каталин Карико  Проф. Дрю Вайсман

За опаковане на мРНК ваксините Вайсман избира липидни наночастици, които предпазват РНК от разграждане. Вайсман и Карико инжектират мишки и ги имунизират срещу вирусите на СПИН, Зика, грип, херпес симплекс. Ваксините на Пфайзер/Бионтех (BNT162b2) и на Модерна (mRNA-1273) са първите клинични използувания на мРНК-ваксина върху хора.

Макар че публикуват своите резултати през 2005 г., Карико и Вайсман не срещат желаната реакция и финансиране. Но канадският биолог Дерик Росси оценява тяхната статия, намира финансова подкрепа и е днес един от основателите на Модерна.

От своя страна, Шахин и Тюреджъ прозорливо оценяват важността на внедряването и своевременно създават биотехнологични фирми, изработващи ваксини за имунотерапия на ракови и вирусни заболявания. Когато в началото на 2020 г. идват новините за корона вируса и е публикуван генетичния му код, в Бионтех работят вече 1300 души. А през март компанията има вече разработени двадесет кандидата за ваксина, които започват да се изпробват. За кратко време Бионтех придобива капитал (в акции след дебюта й на американската борса) от 22 млрд долара, четири пъти повече от акциите на Луфтханза.

През 2013 г. проф. Карико се премества във фирмата Бионтех и става старши вицепрезидент и началник на отдела по РНК терапии за замяна на белтъци. Карико е убедена в качествата на мРНК като „универсална платформа“ - не само за ваксини, а и за замяна на дефектни или липсващи белтъци, както е при редица невирусни заболявания. Тя е същевременно професор в Пенсилванския университет и консултант към фирмата Модерна. Проф. Вайсман продължава да развива РНК ваксини срещу грип, херпес и СПИН. И Бионтех, и Модерна лицензират за своите ваксини технологията на Карико и Вайсман с модифицирани мРНК.

Пфайзър/Бионтех и Модерна прилагат мРНК ваксини в липозомни „опаковки“. За разлика от тях, Астра Зенека използуват модифициран аденовирус (ДНК), който трябва да премине не само клетъчната, но и ядрената мембрана, преди да заработи и да инструктира клетката как да синтезира необходимите антигени. Липидите с опакованата от тях мРНК трябва да преминат само една бариера. От друга страна мРНК ваксината е по-нестабилна и трябва да се съхранява при много ниски температури, докато аденовирусната изисква само обикновен хладилник и е по-евтина.

Принципът на мРНК ваксините

Фиг.1 а/ Линеаризиран ДНК-плазмид, носещ информация за нуклеотидните последователности (ORF), кодиращи антигена, се използуват за ин-витро транскрипция (синтеза на РНК върху ДНК). Получената мРНК носи освен ORF и 5'-шапка (cap) и 3'-опашка (UTR+ Poly(A)), които определят транслационната активност (превода от РНК в протеин) и стабилност на мРНК след влизането й в клетките.

b  | Стъпка 1: мРНК или част от нея, избегнала разграждащото въздействие от вездесъщите рибонулеази, влиза в клетката чрез ендоцитоза. Стъпка 2: мРНК се освобождава в цитоплазмата и Стъпка 3: се транслира (превежда) от белтък-синтезиращата машинария (рибозомите) на клетката. Стъпка 4: спиране на транслацията чрез разграждане на мРНК от екзонуклеази. Стъпка 5: полученият белтък се модифицира и може да се обработи в клетката-гостоприемник. Стъпка 6: белтъчният продукт се секретира извън клетката и действа по различни механизми. Стъпка 7. С цел мРНК-имунотерапия белтъчният продукт трябва да се накъса на отделни антигенни пептиди. Те се натоварват върху молекулите на главния комплекс за тъканна съвместимост (MHC), които осигуряват тяхното представяне на Т-лимфоцитите. Накъсването става в протеозоми. Оттам пептидите се прехвърлят в ендоплазматичния ретикулум, където се натоварват върху молекулите от I клас на комплекса MHC, за да бъдат представени на цитотоксични Т-лимфоцити (Т-убийци). Молекулите от клас I на комплекса MHC се произвеждат в почти всички клетки. Стъпка 8: За по-мощен и дълготраен имунен отговор от Т- клетките белтъчният продукт в представящите антигена клетки трябва да се насочи към белтъците от клас II на МНС. За целта в мРНК трябва да се закодират сигнални пептиди за износ на белтъка от клетката. Дендритни клетки поемат такива извънклетъчни антигени, обработват ги и ги товарят върху молекули от ІІ клас на МНС. Стъпка 9: Белтъчните антигенни фрагменти са разположени на клетъчната повърхност върху молекули от І и ІІ клас на МНС.

Едно елегантно развитие на РНК-платформата при създаване на ваксини е да се използват мРНКи, способни да се самоамплифицират (самонамножават), т.е. да синтезират копия на самите себе си. Така ваксината може да се инжектира в по-ниска доза.

Фиг 2. Самонамножаващи се РНК (saRNA) основана на алфавирус. РНК-векторът е позитивна РНК верига, носеща гена за алфа-вирусна РНК-репликаза (Rep) и гена, представляващ интерес (GOI), пред който има субгеномен промотор (sgPr). След като saRNA влезе в клетката (i), Rep се транслира до белтък – репликаза. Той използва saRNA като матрица върху която синтезира комплементарна негативна saRNA (-saRNA) (ii). Репликазата Rep може да използува тази негативна РНК като матрица за да произведе още saRNA (+saRNA) молекули. Така става самоамфлификацията (самонамножаването) им (iii). В допълнение Rep може да разпознае промотора sgPr в негативната верига и да синтезира позитивна субгеномната мРНК (+sgRNA). Тази sgRNA може да се транслира в белтък и да произведе големи количества от желания антиген, който ще бъде секретиран, ако е снабден с подходящите сигнални пептиди - (v). +saRNA and +sgRNA имат шапки и поли-A опашк. (Вж. и фиг.1).

Има два варианта за експресия на самоамплифициращи се РНК: или с една обща saРНК-верига за репликазата и за самия интересуващ ни ген (GOI) след вътрешния промотор sgPr; или чрез поставяне на интересуващия ни ген (GOI) след промотора sgPr в една РНК верига, а на гена за репликазата Rep в отделна верига.

Има поне три прототипа на самоамплифициращи се РНК ваксини срещу бодлите на коронавируса. Едната от тях е разработена в Лондонския Имперски колеж в сътрудничество с Пфайзер/Бионтех и е в първа фаза на клинично изпитание. (P.F. McKay, K. Hu, A.K. Blakney, K. Samnuan, J.C. Brown, R. Penn, J. Zhou, C.R. Bouton, P. Rogers, K. Polra, et al. Self-amplifying RNA SARS-CoV-2 lipid nanoparticle vaccine candidate induces high neutralizing antibody titers in mice; Nat Commun, 11 (2020), p. 3523, DOI: 10.1038/s41467-020-17409-9 )

Странични ефекти на ваксините

мРНК ваксините може да крият специфични и неизвестни засега рискове, включително местни и общи възпалителни реакции. Има скептицизъм в обществото по отношение на ваксинирането въобще. В САЩ около 50% от хората не желаят да се ваксинират. А това създава проблем, защото овладяването на пандемията изисква всеобща имунизация. Затова е важно да има широка разяснителна пропагандна дейност.

След клиничните изпитания и Пфайзер/Бионтех, и Модерна установяват при малка част от ваксинираните повишена до 39°-40°С температура (при 2% и за двете фирми), умора (при Модерна - 9.7%; Пфаизер - 3.7%), главоболие (Модерна – 4.5%; Пфайзер - 2%) и др. Тези реакции са по-силни от причиняваните от противогрипната ваксина даже и при по-високи дози. Проф. Вайсм води до ан успокоява, че страничните ефекти говорят, че ваксината работи добре и предизвиква добър имунен отговор. „Взимайте тиленол и потърпете“ - казва той. Предполага се, че споменатите странични реакции се дължат на опаковащите липидни наночастици, защото дори без мРНК вътре в тях те предизвикват същия възпалителен ефект при животни.

Предвид високата смъртност (най-малко 0.5%) при заразените с Ковид-19, страничните ефекти могат да се изтърпят, ако това ще е цената за предпазване или ликвидиране на заболяването. След клиничните данни за високата (над 95%) имуногенност на ваксините на Модерна и Пфайзер/Бионтех се засилва надеждата, че пандемията ще бъде овладяна. И това ще бъде голям триумф на биомедицината.

Източници:

Фиг. 1 Ugur Sahin, Katalin Karikó, Özlem Türeci: “mRNA-based therapeutics--developing a new class of drugs” . Nat Rev Drug Discov 2014 Oct;13(10):759-80 DOI: 10.1038/nrd4278

Фиг. 2 María Cristina Ballesteros-Briones, Noelia Silva-Pilipich, Guillermo Herrador-Cañete, Lucia Vanrell, Cristian Smerdou „A new generation of vaccines based on alphavirus self-amplifying RNA“. Current Opinion in Virology vol.44, October 2020, 145-153 https://doi.org/10.1016/j.coviro.2020.08.003

Странични ефекти на ваксините: по Meredith Wadman. “Public needs to prep for vaccine side effects”.Science 27 Nov 2020: Vol. 370, Issue 6520, pp. 1022
DOI: 10.1126/science.370.6520.1022

Авторът Константин Чипев е бивш сътрудник в Института по Молекулярна биология. От 1989 живее и работи в САЩ като молекулярен и клетъчен биолог.

Виж още за:
Най-важното
Всички новини

Още от Животът

Коментари

За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !