Как мы уже писали, в этом году Нобелевскую премию по физиологии и медицине получили Каталин Карико (Katalin Karikó) и Дрю Вайсман (Drew Weissman) за «открытия, касающиеся модификации нуклеотидных оснований, которые позволили разработать эффективные мРНК вакцины против COVID-19» (пресс-релиз Нобелевского комитета). Давайте разберёмся, что это значит, какова история открытия и почему за него дали Нобелевскую премию.
Хотя в пресс-релизе упоминаются вакцины против COVID-19, открытие Карико и Вайсмана важнее и шире, чем эти вакцины. И наоборот, мРНК-вакцины были бы невозможны без ряда других открытий. Но произошла пандемия, и они стали прекрасной иллюстрацией того, как фундаментальное открытие применяется на практике и спасает миллионы жизней. Впрочем, возможно, Карико и Вайсман получили бы премию и без того. Но обо всём по порядку.
Открытие касается области мРНК (матричной РНК) — универсальной информационной молекулы, которая обеспечивает реализацию генетической информации. ДНК играет роль хранилища информации, а в процессе транскрипции на основе информации, записанной в ДНК, синтезируется мРНК. Затем рибосомы считывают информацию с мРНК, как с матрицы (поэтому она и называется матричной) и синтезируют белок в процессе трансляции. Сама мРНК и процесс транскрипции были открыты ещё в ходе исследований в 1947—1961 гг.
Начиная с середины 1960-х годов возникла идея синтезировать мРНК в пробирке и доставлять её в клетки снаружи, чтобы заставить клетку производить нужные белки. Однако свободная мРНК в клетки проникает плохо, и тут пригодились липосомы, полученные в 1965 году — грубо говоря, наноразмерные шарики из жира, внутрь которых можно что-то поместить, например, мРНК. Если добавить липосомы к клеткам, шарики сливаются с клеточной стенкой (которая тоже имеет липидный состав), и их содержимое проникает в клетку. Однако только к концу 1980-х удалось разработать такой состав липосом, чтобы после введения мышам у них начал вырабатываться нужный белок. До этого момента мало кто воспринимал работу с мРНК как возможность создания вакцин или лекарств — это был чисто фундаментальный интерес. С начала 1990-х постепенно разворачиваются работы по созданию вакцин на основе мРНК.
Традиционно вакцины делали на основе ослабленного или инактивированного вируса. Такой препарат вводится человеку, белки вируса вызывают иммунный ответ, который потом защищает организм при встрече с реальным вирусом. Такие вакцины непросты в производстве, требуют манипуляций с патогенными вирусами и всегда есть опасность активации вакцинного вируса. Более безопасный вариант — производить отдельные вирусные белки и вводить их в организм. Такие вакцины называются субъединичными, и они также сложны в производстве и зачастую не вызывают достаточный защитный иммунный ответ.
мРНК-вакцины отличаются принципиально. Вместо готового вирусного белка в организм доставляются инструкции по его производству. Клетка производит чужеродный белок и на него вырабатывается иммунный ответ.
На словах звучит просто, но дьявол, как всегда, в деталях. Вернёмся к истории. В течение 1990-х годов множество компаний пытались использовать описанную схему для получения работающих вакцин, но ни у кого не получалось, и энтузиазм постепенно затухал. Проблема была в стабильности мРНК и в том, что при введении в организм она вызывала воспалительную реакцию и не работала. И вот здесь на сцену выходят Карико и Вайсман. Все 1990-е годы Карико, эмигрантка из Венгрии со сложной судьбой, пыталась заставить введённую извне мРНК работать в организме мышей, но наталкивалась на проблему воспаления. Из-за того, что она не могла получить гранты на свои исследования, которые считались бесперспективными, её понизили в должности в университете Пенсильвании, где она работала, и срезали зарплату. Однако она с упорством продолжала пытаться понять в чём дело, и в 1997 году объединила усилия с иммунологом Дрю Вайсманом, и они стали работать над созданием вакцины от ВИЧ. К 2004 году стало понятно: мРНК связывается в организме с Toll-like рецепторами, которые отвечают за обнаружение чужеродных молекул.
Но разве мРНК — чужеродные? Наш организм же тоже производит их! Чем же они отличаются от искусственных? Карико и Вайсману удалось не только ответить на этот вопрос, но и предложить решение, которое легло в основу множества последующих вакцин и лекарств. Оказывается, мРНК в нашем организме подвергается различным модификациям после транскрипции. Таких модификаций теперь насчитывают более 30.
Модифицированная мРНК воспринимается как «своя», не связывается с Toll-like рецепторами и служит информацией для синтеза белка, как описано выше. А вот искусственная мРНК без дополнительных модификаций больше напоминает мРНК вирусов и бактерий, она-то и вызывает такую резкую воспалительную реакцию. В 2005 году Карико и Вайсман опубликовали ключевую работу и запатентовали способ замены одного из компонентов цепочки мРНК — уридина — на псевдоуридин. Замена всего пары атомов приводит к тому, что иммунная система перестаёт воспринимать мРНК, и синтез белка в клетке идёт гораздо эффективнее (рис. 1). Вдобавок, такая мРНК стабильнее немодифицированной.
Почему же понадобилось ещё 15 лет, прежде чем в 2020 на весь мир, в разгар пандемии, прогремели вакцины Pfizer/BioNTech и Moderna? Вначале другие исследователи, как водится, не оценили значимость открытия Карико и Вайсмана. Однако уже в 2010 году основатели компании Moderna оценили перспективность новой технологии, а в 2013 году Карико переходит в BioNTech. В том же 2013 году первая вакцина от бешенства начинает клинические исследования, за ней следуют вакцины от вируса Зика, Эболы и гриппа (последняя, пока, правда так и не принесла плодов). Но до пандемии COVID-19 мРНК-вакцины оставались нишевыми продуктами. Только пандемия вызвала необходимость производить продукт миллиардами доз и дала возможность быстро протестировать его в реальных условиях. Подход Карико и Вайсмана лёг в основу обеих одобренных мРНК-вакцин — и Pfizer/BioNTech, и Moderna. Но, как уже говорилось, одного этого было бы недостаточно — помимо принципа модификации мРНК необходимо было разработать методы синтеза мРНК, липидов для наночастиц, придумать, как их масштабировать и решить массу других исследовательских задач.
О важности модификации мРНК косвенно свидетельствует сравнение с немодифицированными вакцинами. Компания CureVac, основанная в 2000 году, решила отказаться от модификации мРНК в пользу других подходов, снижающих воспалительную реакцию. В начале пандемии она начала разработку своей вакцины, однако исследование фазы 3 показало, что её эффективность значительно уступает вакцинам Pfizer/BioNTech и Moderna (48% у CureVac против 95% у двух других). Тут могут быть и другие причины, но основная гипотеза — отсутствие модификаций.
У мРНК-вакцин есть ещё одно важное преимущество — гибкость. Для получения новой версии вакцины нужно всего лишь поменять несколько букв-оснований в генетической последовательности и провести тестирование продукта на животных и людях. В итоге получение обновлённых бустеров против COVID-19 сейчас занимает месяца три. Кроме того, нет никаких проблем в одном продукте объединить несколько вакцин (впрочем, так делают и в случае «обычных» вакцин).
Ну и, наконец, модифицированная мРНК — это не только COVID-19 и не только вакцины.
Компания Moderna и множество других разрабатывают вакцины от гриппа, респираторного синцитиального вируса, цитомегаловируса и ряда других инфекционных заболеваний. Также предпринимаются попытки создать средства лечения рака, редких генетических заболеваний и вообще болезней, где может помочь производство новых белков внутри клетки. Так, в случае рака это могут быть белки с характерными для рака мутациями, чтобы вызвать на них иммунный ответ организма. Все эти исследования в начале пути, и требуется ещё много открытий, чтобы они дали плоды в виде работающих препаратов.
Кто знает, возможно, будущие Нобелевки дадут за какие-то из этих открытий.
Комментарии на сайте отключены, обсуждение статьи — в нашем Дзен-канале.
