Вакцины на основе мРНК сейчас находятся в центре внимания как ключевой инструмент для борьбы с COVID-19, но изначально технология была разработана для других заболеваний, таких как рак.
Когда широкий спектр вакцин против COVID-19 проходил клинические испытания, лишь немногие эксперты ожидали, что звездой станет непроверенная технология мРНК. В течение 10 месяцев мРНК-вакцины были одобрены первыми и оказались самыми эффективными. Хотя это первые разрешенные вакцины с мРНК, история мРНК-вакцин началась более 30 лет назад, и на этом пути было много препятствий.
В 1990 году ныне покойный Джон Вольф и его коллеги из Висконсинского университета ввели мРНК мышам, в результате чего клетки мышей начали вырабатывать кодируемые белки. Во многих отношениях эта работа послужила первым шагом к созданию вакцины на основе мРНК, но впереди был долгий путь - и он все еще продолжается для многих прикладных целей.
Традиционные вакцины используют слабую или неактивную форму микроорганизма, чтобы настроить иммунную систему против заболевания. После того, как человеку делают инъекцию вакцины на основе мРНК, его клетки производят часть или весь белок, который вызывает иммунный ответ, включая выработку антител. Хотя наиболее известными примерами являются вакцины на основе мРНК компаний BioNTech-Pfizer и Moderna, направленные против коронавируса SARS-CoV-2, это лишь одна небольшая часть этого направления, и эти вакцины не были первыми, в которых использовалась мРНК.
Несмотря на многочисленные преимущества использования этой молекулы в качестве основы вакцины, ее применение сопряжено с фундаментальными проблемами: она не очень стабильна внутри клеток, и мРНК неэффективно трансформируется в белки при использовании в качестве инструмента доставки генов. Сегодня мРНК можно сконструировать для борьбы со многими заболеваниями, но не со всеми.
Преимущества мРНК
Главный врач немецкой биотехнологической компании BioNTech Озлем Туречи - врач, иммунолог и предприниматель - говорит, что "у мРНК есть несколько интересных особенностей, которые делают ее привлекательной для вакцин". Адаптивность является ключевой особенностью этой молекулы в данном применении и в других. мРНК может быть спроектирована не только для создания антигенов для вакцин, но и для кодирования антител, цитокинов и других белков, связанных с иммунной системой.
"Универсальность мРНК создает огромное пространство для дизайна",
- объясняет она.
Ученые из BioNTech потратили годы на исследования и разработку методов, позволяющих получить полную власть над мРНК, включая оптимизацию ее некодирующих частей, проектирование специфических последовательностей, разработку производственных процессов и многое другое. Результаты этих усилий Тюречи описывает так: "У нас есть разнообразный набор инструментов, и, комбинируя и сочетая модули этого набора, мы можем создавать мРНК с теми характеристиками, которые нам нужны для конкретной цели".
Она добавляет, что "это немного похоже на написание кода: овладев языком программирования, [который] богат терминами, можно дать любую команду". С помощью инструментария BioNTech ученые могут контролировать, сколько белка производится и в течение какого времени, маршрут введения мРНК, какие клетки экспрессируют белок и создает ли мРНК точную активацию или супрессию иммунной системы.
Как только ученые понимают, какую мРНК они хотят получить, процесс становится относительно простым. Для вакцин использование мРНК гораздо быстрее, чем традиционный подход, при котором вакцина выращивается в клетках или в куриных яйцах. Чтобы сделать мРНК, ученый начинает с компьютера, чтобы наметить нужную последовательность. Затем используется реакция транскрипции in vitro для создания шаблона ДНК, который может синтезировать нужную мРНК. Таким образом, этот процесс не требует культуры клеток или животного материала, при этом процесс производства остается в основном одинаковым независимо от последовательности мРНК.
Совершенствование подхода
Хотя высокая эффективность мРНК-вакцин кажется чудодейственной в борьбе с COVID-19, это далеко не вся история. Работа Вольфа в 1990-х годах вызвала интерес к использованию мРНК-вакцин, но ученые столкнулись с фундаментальной проблемой: "РНК обладает высокой воспалительной активностью", - говорит Дрю Вайсман из Медицинской школы Перельмана при Университете Пенсильвании.
В 2005 году Вайсман и его тогдашняя коллега Каталин Карико - сейчас она работает в компании BioNTech - нашли способ сделать РНК менее агрессивной. Они показали, что включение модифицированных нуклеозидов, входящих в базовую структуру РНК, приводит к резкому снижению воспалительной реакции. В этой работе изучалось использование таких нуклеозидов, как 5-метилцитидин, псевдоуридин и другие формы. С помощью этих модификаций, говорит Вайсман, "можно увеличить количество белка, которое может производить мРНК, в 10-1000 раз и сделать гораздо лучшую вакцину". Кроме того, хроматографические методы позволяют удалить загрязняющие вещества, такие как двухцепочечная мРНК, что приводит к еще меньшей воспалительной реакции.
Спустя десятилетие Ниек Сандерс - главный исследователь лаборатории генной терапии Гентского университета и научный основатель компании Ziphius Vaccines - и его коллеги нашли другую модификацию мРНК. мРНК, включающая модификацию N1-метилпсевдоуридина самостоятельно или с 5-метилцитидином, производит в 44 раза больше целевого продукта, чем мРНК с предыдущими модификациями, и это все еще приводит к снижению иммунной атаки на молекулы. "Это по-прежнему лучшая модификация, и она также используется в мРНК-вакцинах COVID-19 компаний BioNTech-Pfizer и Moderna", - говорит Сандерс.
Конструирование носителя
Химически модифицированная мРНК или нет, одно лишь введение мРНК не сработает. "Голая мРНК разрушается и не принимается клетками", - говорит микробиолог Джастин Ричнер из Медицинского колледжа Иллинойского университета в Чикаго. После введения мРНК внеклеточные рибонуклеазы разрушают ее.
Для безопасной доставки мРНК в клетки-мишени можно использовать различные варианты липидов, например, ионизируемые липидные наночастицы. Тюречи и ее коллеги оптимизировали терапию с помощью того, что она описывает как "различные липосомальные формулы, чтобы сделать РНК пригодной для соответствующих целей, таких как внутримышечная или внутривенная инъекция и нацеливание на конкретные типы клеток". BioNTech обнаружил, что, например, для противораковых вакцин на основе липосомально сформированной мРНК, антиген экспрессируется в основном в дендритных клетках в лимфатических отделах. Эти клетки специализируются на запуске антиген-специфических иммунных реакций.
В будущем ученые надеются получить гораздо больший контроль над производством белка. В сотрудничестве с биологом-синтетиком Роном Вайсом из Массачусетского технологического института и другими учеными Сандерс описал переключаемую мРНК.
"Это переключатель "вкл/выкл" для мРНК, - говорит Сандерс, - и мы доказали, что он работает на мышах".
С помощью этой формы мРНК терапию можно включать, когда это необходимо, и более точно контролировать уровень производства белка. Каждое из этих усовершенствований - отсутствие воспаления, увеличение экспрессии, защищенная доставка и контролируемое производство белка - позволяет исследователям создавать лучшие вакцины на основе мРНК.
Совершенствование вакцин против гриппа
Среди наиболее часто используемых вакцин вакцина против гриппа, пожалуй, больше всего нуждается в усовершенствовании. По оценкам, эта вакцина предотвращает десятки тысяч госпитализаций каждый год. Однако данные Центров по контролю и профилактике заболеваний США о вакцинах против сезонного гриппа за 2009-2020 годы свидетельствуют о их средней эффективности около 43%. За этот период даже самая эффективная вакцина, за 2010-2011 годы, достигла эффективности всего 60%, а в худшем случае, в 2014-2015 годах, она достигла эффективности всего 19%, защитив примерно одного из пяти человек.
Эти вакцины должны отслеживать "движущуюся цель". "Вакцины против гриппа - единственный массово распространяемый биопродукт, который регулярно меняется, - говорит Филипп Дормитцер, вице-президент и главный научный сотрудник компании Pfizer Vaccines Research and Development. "Большая проблема с гриппом заключается в том, чтобы поспевать за изменениями".
При традиционных методах создания вакцины против гриппа разработчики должны модифицировать вирус или белок. Такая модификация может потребовать изменений в производстве. Например, модифицированный вирус может вырасти несколько иначе, чем ожидалось, что может потребовать изменения рецептуры вакцины. Кроме того, производители обычно начинают делать вакцины против гриппа за шесть месяцев до их использования, поэтому к тому времени, когда люди получат вакцины, они могут не обеспечить защиту от наиболее известных штаммов гриппа в этом сезоне.
По словам Дормитцера, при подходе на основе мРНК "замена одного гена на другой с помощью мРНК очень мало меняет его свойства в процессе производства, что гораздо проще, чем изменение штамма вируса". Скорость также имеет значение и разработчики могут быстро создавать вакцины на основе мРНК. "Чем ближе вы сможете приблизить выбор штамма к сезону гриппа, тем точнее будет результат", - говорит Дормитцер. Имея возможность быстрее создавать мРНК-вакцины, производители могут выбирать штаммы гриппа, против которых они направлены, позже, чем при использовании традиционных методов, что должно повысить эффективность лечения.
Инженерные разработки, лежащие в основе вакцин с мРНК, также позволяют ученым создавать мультивалентные вакцины. "Мы можем увеличить количество экспрессируемых антигенов", - объясняет Дормитцер, - "что может повысить надежность вакцины против гриппа".
Однако получение разрешения на новую вакцину против гриппа отличается от того, как это делалось для COVID-19, у которого не было ни лечения, ни вакцины. Для гриппа существует "множество вакцин, но их эффективность могла бы быть лучше", - говорит Дормитцер. "Поэтому очень важно, чтобы вакцина против гриппа отвечала всем требованиям: эффективность, надежность, поставки, переносимость и так далее". Следовательно, фармацевтическая компания, скорее всего, выведет на рынок вакцину против гриппа на основе мРНК только тогда, когда она превзойдет существующие вакцины по нескольким параметрам.
Изучение других инфекций
COVID-19 и грипп - лишь два из многих инфекционных заболеваний, которые можно излечивать с помощью вакцин на основе мРНК. Например, говорит Вайсман, "мы работаем над созданием около 30 различных вакцин на основе мРНК, включая вакцины против гриппа, ВИЧ, гепатита С, малярии, туберкулеза и многих других заболеваний". Уже одно это показывает, насколько гибкими могут быть мРНК для создания вакцин. Как отмечает Вайсман, одна вакцина, изготовленная из мРНК и липидных наночастиц, очень похожа на другую. "Главное - найти правильный антиген", - добавляет он. "Мы тратим много времени и проводим множество экспериментов, чтобы найти лучший антиген, который заставит вакцину работать лучше всего".
При некоторых инфекциях найти хороший антиген проще, чем при других. В случае ВИЧ, говорит Вайсман, "оболочка является важным антигеном, но она быстро мутирует и покрыта сахаром, и вам нужно решить эти проблемы, чтобы создать антиген, который вызовет правильный ответ". Также могут потребоваться изменения в конструкции мРНК.
Вайсман и специалист по вирусам Харви Фридман из Университета Пенсильвании нашли целевые антигены для генитального герпеса. Используя эти антигены, ученые разработали вакцину из модифицированной нуклеозидами мРНК и липидных наночастиц. Испытания на мышах и морских свинках показали, что эта вакцина предотвращает заражение вирусом, вызывающим генитальный герпес. "Эта вакцина переходит к клиническим испытаниям", - говорит Вайсман.
Использование мРНК для создания вакцин также дает надежду в отношении ранее трудноизлечимых, но весьма распространенных инфекций, вызванных такими патогенами, как вирус денге. Вирус денге, переносимый комарами, угрожает почти половине населения мира и заражает до 400 миллионов человек в год. Поскольку лечения этой инфекции не существует, Ричнер работает над созданием вакцины.
"Денге - довольно сложная болезнь, - говорит Ричнер. Она представлена четырьмя различными вирусами, которые вызывают схожие заболевания. "Мы хотим воздействовать на все четыре", - отмечает он. Нацеливание на все четыре вируса денге необходимо, поскольку последующее заражение другим вирусом денге, как правило, протекает более тяжело вследствие усиления действия антител (antibody-mediated enhancement).
Ричнер и его коллеги начали с серотипа 1 вируса денге. Как и Вайсман, группа Ричнера использовала модифицированную нуклеозидами мРНК в липидных наночастицах. Нейтрализующих антител, вызванных вакциной, было достаточно для защиты мышей от летального исхода. Сейчас команда Ричнера работает над тем, чтобы распространить эту вакцину на серотипы 2, 3 и 4, а различия в вирусах денге требуют внесения некоторых корректировок при нацеливании на каждый из них. "Нам нужно будет оптимизировать вакцину для каждого вируса", - говорит он. Цель состоит в том, чтобы обеспечить защиту от всех четырех вирусов денге с помощью одной вакцины.
В компании CureVac данные первой фазы клинических испытаний разработанной компанией вакцины против бешенства на основе мРНК выглядят многообещающе. "Вакцинация очень низкой дозой вызвала иммунный ответ у всех испытуемых", - говорит Торстен Шюллер, вице-президент CureVac по коммуникациям. "Это впервые продемонстрировало потенциал нашей технологии мРНК".
Создание вакцин против рака
До появления COVID-19 Тюречи и ее коллеги из BioNTech работали над созданием вакцин против рака на основе мРНК. "Вы хотите представить иммунной системе пациента плакат с изображением разыскиваемого врага и обучить эффекторы иммунной системы распознавать врага и объяснить иммунной системе, что это опасно".
Тюречи говорит, что мРНК можно использовать для доставки двух типов раковых антигенов. Первый подход заключается в том, чтобы представить иммунной системе человека собственные антигены, которые обычно выключены в здоровых клетках - антигены, кодируемые эмбриональными генами, являются примером этого, но они экспрессируются при раке. В этом случае противораковая вакцина вызывает атаку на клетки, несущие эти антигены. "Для каждого вида рака мы используем компьютерные алгоритмы и машинное обучение, чтобы определить антигены, которые охватывают как можно больше пациентов". Например, для меланомы четыре антигена охватывают более 90% пациентов. Компания BioNTech создала мультивалентную вакцину на основе РНК, которая нацелена на все четыре антигена и находится в стадии клинических испытаний.
В качестве альтернативы, вакцина на основе мРНК может быть направлена на мутации рака. Однако профиль мутаций уникален для каждого пациента, и это требует индивидуального подхода.
"Это идеальная площадка для мРНК", - говорит Тюречи. Мы начинаем с профиля пациента, генерируем за четыре недели многовалентную, мультимутационную вакцину для этого пациента и лечим его ею".
"В этом методе, который проходит несколько клинических испытаний, проводимых компаниями BioNTech и Genentech/Roche, используется подход, аналогичный тому, который применялся при создании вакцины BioNTech-Pfizer против COVID-19. Тюречи описывает эту стратегию как анализ "генетической информации для создания вакцины и ее быстрого производства". Она добавляет: "Мы уже делали это сотни раз для наших онкологических пациентов", и это объясняет скорость разработки их вакцины против COVID-19 и то, почему она и ее коллеги чувствуют себя готовыми адаптироваться к вариантам вируса, если потребуется.
Для солидных опухолей атаки иммунной системы недостаточно. Микроокружение опухоли борется с иммунным ответом различными способами, в том числе подавляя действия Т-клеток. Для меланомы, говорит биофизик Лиф Хуанг из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл, "микроокружение опухоли является реальным барьером для этих вакцин". Вакцина должна сочетаться с другой терапией, которая изменяет это микроокружение, позволяя Т-клеткам, стимулированным вакциной, проникнуть в опухолевую ткань. Хуанг и его коллеги объединили вакцину с химиотерапией сунитинибом и обнаружили, что эта комбинация помогает иммунным клеткам достичь опухоли и тем самым повысить эффективность вакцины. Цитокины, такие как IL-12, также являются хорошими кандидатами для разрушения иммуносупрессивной опухолевой микросреды, по словам Сандерса, чья группа успешно объединила генную терапию IL-12 с противораковой вакциной на генной основе. Тем не менее, Хуанг говорит: "Разработка агентов, которые можно безопасно и эффективно использовать для изменения микроокружения опухоли, еще впереди".
Расширение инноваций
Во многих отношениях мРНК-вакцины только начинают развиваться. "У нас нет платформы для каждого заболевания, но огромное преимущество мРНК-вакцин в том, что мы можем быстро проверить новые гипотезы", - говорит Ричнер. "Для новых вакцин нам нужно найти, что вызывает хороший иммунный ответ, а это требует фундаментальной науки".
В течение многих лет эта область будет стимулировать развитие фундаментальной науки. В ней также будет задействовано много инженерных разработок. В BioNTech Тюречи называет ученых компании, занимающихся вакцинами, "иммунными инженерами", и она предвидит много достижений в будущем. Размышляя о будущих возможностях вакцин на основе мРНК, она говорит: "Речь идет о природе инноваций - не об одном изобретении, а о том, что можно сделать из многих вещей, объединяя их вместе".
