С приходом пандемии COVID-19 термин «вакцина» приобрел особое значение в сознании многих. Однако, мало кто задумывался о том, какой путь проложили вакцины до наступления кризиса здравоохранения. История этих средств против инфекций оказывается захватывающим путеводителем через века медицинских открытий и научных триумфов. На первый взгляд обыденные аспекты науки о вакцинах приобретают новый смысл, когда мы погружаемся в детали их эволюции. TUK приглашает вас исследовать историю вакцин, их разработку и современные достижения.
Начать, пожалуй, стоит с того, что в 2023 году Каталина Карико и Дрю Вайсман получили Нобелевскую премию по медицине за революционный вклад в создание вакцин против Covid-19. Их открытия изменили наше понимание того, как мРНК взаимодействует с иммунной системой. Эти ученые способствовали разработке вакцин в период одного из самых серьезных вызовов для человеческого здоровья в современной истории, по мнению Нобелевской Ассамблеи Института Каролинска, сообщает sanatateinfo.md.
Вакцины до пандемии
Давайте определимся, какие функции вообще выполняет вакцина. Вакцинация стимулирует формирование иммунного ответа на определенный патоген или, проще говоря, заразитель. Это дает организму преимущество в противостоянии болезням при последующем контакте.
Много лет существуют вакцины, созданные на основе безвредных или ослабленных вирусов, таких как вакцины против полиомиелита, кори и желтой лихорадки. Одна из таких вакцин, разработанная на основе вируса желтой лихорадки, была создана в 1951 году южноафриканским вирусологом и ученым Максом Тейлором, который впоследствии был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине за вклад в разработку вакцины против желтой лихорадки.
Но благодаря открытиям в молекулярной биологии, сделанным в последние десятилетия, появилась возможность создавать вакцины, которые не используют весь вирус, а только его отдельные компоненты. Разработчики берут участки генетического кода вируса, которые обычно содержат информацию о его поверхностных белках, и используют их для создания белков. Эти белки вакцины стимулируют наш иммунитет создавая антитела, которые блокируют вирус.
Для ясности вспомним вакцины против гепатита В и папилломавируса человека (ВПЧ). Вместо введения целого вируса, исследователи используют безопасные части его генетического кода для создания вакцины.
Также существует метод, при котором определенные части генетического кода вируса встраиваются в безопасный переносчик, называемый «вектор». Этот подход используется, например, в вакцинах против вируса Эбола. При его применении вакцинные векторы помогают нашим клеткам создавать специфические белки вируса, что активизирует наш иммунитет в борьбе с Эболой.
Производство полноценных вакцин на основе вирусов, белков и векторов требует обширного использования клеточной культуры, и процесс этот довольно ресурсозатратный, он ограничивает способность быстрого создания вакцин в ответ на вирусные вспышки и пандемии. Поэтому ученые долгое время стремились разработать технологии, позволяющие создавать вакцины независимо от использования клеточных культур, но это оказалось непростой задачей.
Вакцины на основе РНК
Внутри наших клеток есть информация, которая закодирована в ДНК. Она в свою очередь передает информацию на молекулу, которую называют мессенджер-РНК (мРНК), и которая является своего рода шаблоном для производства белков.
В 1980-х годах появились новые методы создания мРНК внеклеточной среды, что ускорило прогресс в различных областях. Однако использование технологий мРНК для создания вакцин и лечения было проблематичным.
Молекула мРНК, созданная вне клеток, оказалась неустойчивой и сложной в производстве. Для ее использования требовались сложные системы, такие как липидные переносчики, чтобы обеспечить стабильность и защиту мРНК. Кроме того, мРНК, произведенная вне клеток, вызывала воспалительные реакции. В результате этих трудностей энтузиазм для развития технологии мРНК в медицинских целях был ограничен. Но эти трудности не остановили венгерского биохимика Каталин Карико, которая посвятила себя разработке методов использования мРНК в терапии. В начале 1990-х годов, будучи доцентом в Университете Пенсильвании, она оставалась верной своей идее использования мРНК в качестве терапии. Позднее ей стал коллегой иммунолог Дрю Вайсман. Его интересовали дендритные клетки, играющие важную роль в иммунном контроле и активации иммунных ответов, вызванных вакцинами. Так началось сотрудничество между этими двумя учеными.
Открытие
Карико и Вайсман заметили, что клетки иммунной системы, называемые дендритными клетками, воспринимают молекулы РНК, созданные вне организма (транскрибированные in vitro), как что-то необычное. Это приводит к активации этих клеток и высвобождению сигнальных веществ, которые инициируют воспалительный ответ.
Им стало интересно, почему молекула мРНК, созданная в лабораторных условиях, воспринималось как что-то чужеродное, в то время как мРНК из клеток млекопитающих не вызывала подобной реакции. Карико и Вайсман осознали, что различия между этими типами мРНК могут быть обусловлены некоторыми важными свойствами.
Молекула РНК состоит из четырех оснований, обозначаемых буквами A, U, G и C, что соответствует буквам A, T, G и C в ДНК-коде генов. Карико и Вайсман были в курсе того, что в молекулах РНК из клеток млекопитающих часто происходят химические изменения, в то время как мРНК, созданная in vitro (в лабораторных условиях), не подвергается этим модификациям. Их интересовал вопрос: может ли отсутствие этих изменений в мРНК, созданной in vitro, объяснить появление нежелательной воспалительной реакции?
Для проверки этой гипотезы они разработали различные варианты мРНК, каждый с уникальными химическими модификациями в своих основаниях, и предоставили их дендритным клеткам. Результаты были впечатляющими: воспалительный ответ был практически исключен, когда в состав мРНК включали модификации оснований. Это открытие стало переворотом в понимании того, как клетки распознают и реагируют на различные формы мРНК.Именно тогда Карико и Вайсман сразу осознали, что их открытие имеет важное значение для использования мРНК в медицинских целях. Эти ключевые результаты были опубликованы в 2005 году, за 15 лет до начала пандемии COVID-19.
Вакцины на основе мРНК во время пандемии COVID-19
Интерес к технологии мРНК начал расти, и к 2010 году несколько компаний уже работали над ее развитием. Изначально акцент делался на создании вакцин против вирусов Зика и MERS-CoV, последний из которых тесно связан с SARS-CoV-2. После начала пандемии COVID-19 были разработаны две вакцины на основе мРНК, модифицированные для кодирования белка SARS-CoV-2, и они были утверждены еще в декабре 2020 года.
«Впечатляющая гибкость и скорость, с которой можно разрабатывать вакцины на основе мРНК, открывают путь для использования этой новой платформы и для создания вакцин против других инфекционных заболеваний. В будущем эта технология также может быть использована для производства терапевтических белков и лечения некоторых видов рака», — отмечено в заявлении шведского Медицинского института Каролинска.
Каталин Карико родилась в 1955 году в Сольноке, Венгрия. Она защитила докторскую диссертацию в Университете Шегеда в 1982 году и проводила последипломные исследования в Венгерской академии наук до 1985 года. Затем она продолжила последипломные исследования в Темпльском университете (Филадельфия, США), и Университете здоровья ( Бетесда, США). В 1989 году она была назначена ассистентом-профессором в Университете Пенсильвании, где проработала до 2013 года. Позже она стала вице-президентом и затем старшим вице-президентом в BioNTech RNA Pharmaceuticals. С 2021 года она является профессором в Университете Шегеда и профессором-доцентом в Медицинской школе Пенсильванского университета.
Дрю Вайсман родился в 1959 году в Лексингтоне, Массачусетс, США. Он получил степени доктора медицины и доктора наук в Университете Бостона в 1987 году. Вайсман прошел клиническую подготовку в Медицинском центре Бет Исраэль Диконесс при Медицинской школе Гарварда и после продукционные исследования в Национальном институте здоровья. В 1997 году Вайсман создал свою исследовательскую группу в Медицинской школе Пенсильвании. Он является профессором в области исследований по вакцинам и директором Института Пенсильвании по инновациям в области мРНК.