Нобелевская премия по физиологии и медицине за открытия, касающиеся модификаций нуклеозидных оснований, которые позволили разработать эффективные мРНК-вакцины против COVID-19.
Совместная работа нобелевских лауреатов по изучению иммуностимулирующего эффекта молекул РНК заложила фундамент в технологию получения мРНК-вакцин. Сначала ученые последовательно изучали структурные свойства разных типов РНК и анализировали их последовательность. Уже на следующем этапе научная группа под руководством Дрю Вайсманна обнаружила, что именно РНК с наименьшим количеством модифицированных нуклеозидов активнее всего активируют иммунные клетки. Это наблюдение подтолкнуло исследователей сделать предположение, что нуклеозидная модификация снижает иммуностимулирующий эффект РНК. Из приблизительно сотни возможных модификаций, Корико и Вайсманну удалось выделить наиболее значимую – они установили, что замена в мРНК основания уридин на N1-метилпсевдоуридин (M1ψ) позволяет избежать побочных воспалительных реакций [1].
Предпосылки и будущее применение
В 1993 году ученые впервые протестировали мРНК против вируса Гриппа на мышиной модели. Через 4 года уже будет предложена первая концепция противораковых мРНК-вакцин: выделять иммунные клетки из крови человека, чтобы вводить в них синтетическую мРНК, кодирующую опухолевые белки. После такой манипуляции клетки будут введены обратно в организм, где они смогут настроить иммунную систему на атаку скрытых опухолей. Такой подход теперь относится к методам иммунотерапии. Спустя два десятилетия ученые продолжают расширять спектр применения мРНК-вакцин, но цель терапии остается прежней: заставить клетки при помощи синтетических молекул мРНК синтезировать терапевтические белки, например антитела.
Совместная работа Каталины Корико и Дрю Вайсманна стала переломным событием: до 2005 года многочисленные попытки научных групп и биотех-компаний не приводили к желаемому результату: молекула мРНК вместо защиты иммунной системы от болезни, наоборот, провоцировала ответ иммунитета на саму себя. То есть, воспринималась организмом, как чужеродный агент. Таким образом, несмотря на разработку системы эффективной адресной доставки с помощью липидных наночастиц, мРНК-вакцина как терапевтический агент не оправдала свое применение. Первые неудачи подтолкнули биотех-компании изменить свою стратегию – начать разработку вакцин на основе ДНК.
Коллаборация Корико и Вайсманна – это исследование биохимических свойств мРНК молекул и изучение потенциального иммунного ответа на них. Именно модификации нуклезиодов в составе последовательности мРНК стали ответом на вопрос: “Каким образом избежать реакции врожденного иммунитета при введении мРНК-вакцины?”. Ученые уже знали, что синтетическая мРНК активирует ряд иммунных сенсоров, известных как Toll-подобные рецепторы, которые первыми реагируют на сигналы опасности, исходящие от патогенов. Корико и Вайсманн доказали, что перестройка химических связей на одном из нуклеотидов мРНК, уридине, с целью создания аналога, называемого псевдоуридином, не позволяет клеткам иммунной системы распознать мРНК как антиген. Однако терапевтическая ценность этих модифицированных нуклеотидов вызывало сомнения. Конкуренты считали, что для мРНК-вакцины важны только ее качество и степень очистки. Таким образом, немодифицированная мРНК также могла бы стать эффективной вакциной, если в нее добавить правильные структуры элементы и убрать все примеси. Среди первых ученых, кто распознал потенциал модифицированной мРНК, был Деррик Росси, специалист в области биологии стволовых клеток. Он предположил, что мРНК без иммунногенных свойств возможно использовать для трансформации клеток кожи сначала в стволовые клетки, а затем в сокращающуюся мышечную ткань. Идея Росси привлекла еще больше внимания к работе Корико и Вайсманн. Что возможно подтолкнуло первооткрывателей запустить стартап RNARx и привлечь первые инвестиции. Впоследствии Росси стал соучредителем конкурентного проекта - стартапа Moderna в Кембридже [2].
Перспективы применения мРНК-вакцин в будущем
Каталин Корико продолжает участвовать в проектах по терапии на основе мРНК. На основе их работы в мире проходят пять клинических испытаний: это генная терапия против серповидно-клеточной анемии, мРНК вакцина против малярии, лептоспироза в южной Азии, первая в мире противоаллергенная вакцина и вакцина против рака.
Благодаря достижениям Корико и Вайсманна сам рынок производителей вакцин начинает трансформироваться. Биотех-компании привлекает перспектива доступного и масштабного производства инновационных препаратов на основе мРНК. Так технология получения синтетических мРНК позволяет в короткие сроки и без использования клеточных культур выпускать на рынок профилактические и терапевтические вакцины. Простой процесс разработки основан на транскрипции in vitro последовательностей, кодирующих антиген, или иммунотерапии в виде синтетических транскриптов РНК, которые затем формируют комплекс с липидными наночастицами для адресной доставки.
Более того, по поводу разработки мРНК-вакцин до сих пор ведутся споры о правах на интеллектуальную собственность, что потенциально указывает на еще большую доступность этой технологии. Исходные патенты Карико-Вайсмана были зарегистрированы в 2006 году, и их срок истекает в ближайшие четыре года. Предполагается, что разработчикам мРНК-вакцин будет сложнее патентовать общие заявления о способе доставке мРНК в липидных наночастицах. Но фармкомпании продолжать патентовать отдельные последовательности мРНК — как, например, форму шипового белка — или регистрировать липидные составы наночастиц.
Как отдельный вектор развития стоит выделить разработку самореплицирующихся мРНК-вакцин. Терапевтический эффект вакцин против ковида напрямую зависел от количества молекул мРНК в одной дозе препарата. На дозу вакцины Moderna, приблизительно, приходится 43 тысячи миллиардов копий транскрипта мРНК. Чтобы снизить количество копий мРНК в препарате вакцины, возможно ввести вирусные элементы. Вирусные элементы способны поддерживать себя в организме за счет саморепликации системных элементов своих РНК. Интеграция вирусных репликонов в состав последовательности мРНК может значительно усилить терапевтический эффект вакцины [3].
Сейчас технически каждый способен получить синтетическую мРНК с заданной последовательностью. В арсенале ученых есть коммерческие наборы, с помощью которых уже сейчас научные коллективы синтезируют последовательности РНК, которые, в теории, могли бы стать вакцинами. Как в случае вакцин против COVID-19, именно правильная последовательность, кодирующая спайк-белок вируса, позволила вакцине стать эффективной в борьбе против респираторных заболеваний. Таким образом, какой смысл внесут исследователи в последовательность букв молекулы РНК, такой и эффект они получат. Поэтому применение РНК в биомедицине не ограничивается разработкой вакцин. Антисмысловые РНК или РНК-аптамеры также служат методом борьбы с онкозаболеваниями. В Передовой инженерной школе ИТМО (ПИШ ИТМО) группа под руководством Ахмеда Эль-Диба ведет разработку РНК-аптамеров. В отличие от мРНК, в чей последовательности закодирован нужный белок, РНК-аптамеры выполняют структурную функцию. Образовавшийся трехмерный комплекс способен связываться с ДНК-мишенями. В случае терапии против рака РНК-аптамеры связываются с онкогенами, чтобы запустить в потенциальных раковых клетках программируемую клеточную гибель – апоптоз. Параллельно, группа Эль-диба ведет разработку ДНК-машин. Это синтетическая молекула ДНК, которая упаковывается в трехмерных комплекс с прогнозируемой структурой. Такие ДНК-машины способны выполнять функцию молекулярного сенсора – распознавать в клетки определенные молекулы-мишени [4].
Список литературы
- Karikó K, Buckstein M, Ni H, Weissman D. Suppression of RNA recognition by Toll-like receptors: the impact of nucleoside modification and the evolutionary origin of RNA. Immunity. 2005;23(2):165-175
- Elie Dolgin. The tangled history of mRNA vaccines. Nature, 597, 2021
- Bloom, K., van den Berg, F. & Arbuthnot, P. Self-amplifying RNA vaccines for infectious diseases. Gene Ther 28, 117–129 (2021)
- A. G. Gomes de Oliveira, M. V. Dubovichenko, A. A. ElDeeb, J. Wanjohi, S. Zablotskaya, D. M. Kolpashchikov, ChemBioChem 2021, 22, 1750.
