11 декабря Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (U.S. Food and Drug Administration, FDA) выдало разрешение на экстренное использование вакцины Pfizer-BioNTech для лиц в возрасте 16 лет и старше. Но фармацевтический гигант сталкивается с огромной проблемой при распространении своей вакцины, которая должна храниться при −70°C, для чего требуются специальные морозильные камеры и транспортные контейнеры.
— Обычно мы не храним вакцины при такой температуре, так что это определённо вызов,
Аналогичная вакцина, разработанная компанией Moderna и Национальным институтом аллергии и инфекционных заболеваний США (U.S. National Institute of Allergy and Infectious Diseases), также требует замораживания. Но она сохраняется при температуре −20°C, поэтому её можно хранить в стандартном морозильнике. Большинство вакцин вообще не требуют замораживания, но и вакцины Pfizer, и вакцины Moderna — это новый тип вакцин, для которых низкие температуры необходимы.
С 5 декабря в России тоже началась массовая вакцинация. Российская вакцина сталкивается с похожими проблемами — она должна храниться при температуре −18°C, что затрудняет её транспортировку. Хотя, это, конечно, не пфайзеровские −70°C.
Вакцины Pfizer-BioNTech и Moderna основаны на матричной РНК (мРНК), несущей инструкции по созданию копий спайкового белка коронавируса. Молекула мРНК упаковывается в липидный пузырь, который может сливаться с плазматической мембраной клетки, позволяя молекуле проскользнуть внутрь. Клетка использует мРНК, чтобы произвести спайковые белки коронавируса, которые провоцируют иммунный ответ. В то время как спровоцированная вакцинами иммунная защита может оставаться активной месяцами или, возможно, даже годами, вакцинная мРНК разрушается в наших клетках в течение нескольких дней.
Так почему же вакцина Pfizer должна быть заморожена при субантарктической температуре, а вакцина Moderna — нет, если принцип их работы одинаковый?
Ответ на этот вопрос требует некоторых домыслов. Компании вряд ли раскроют все трюки и коммерческие секреты, которые они использовали для создания вакцин, считает Санджай Мишра (Sanjay Mishra), химик Медицинского центра университета Вандербильта (Vanderbilt University Medical Center) в Нэшвилле.
Но есть, по крайней мере, четыре вещи, способные определять то, насколько хрупка мРНК-вакцина и насколько глубоко она должна быть заморожена, чтобы оставаться свежей и эффективной.
Проблема замороженной вакцины начинается с разницы в строении РНК и её двоюродной сестры — ДНК.
Одна из причин, по которой РНК гораздо менее стабильна, чем ДНК, заключается в существенном различии сахаров, составляющих основу молекул. Основа РНК — сахар, называемый рибоза, в то время как у ДНК это дезоксирибоза. Разница: в ДНК не хватает молекулы кислорода.
— ДНК может выживать поколениями, но РНК гораздо более хрупкая,
Для работы клеткам необходимы белки, но клетки не хранят их «про запас». Им приходится каждый раз делать новые партии. Рецепт изготовления белков хранится в ДНК. Для создания белков клеткам не нужно постоянно пользоваться ДНК, вместо этого они делают РНК-копии рецепта. Эти копии и используются для производства белков.
Подобно посланию из фильма «Миссия невыполнима», которое самоуничтожается после проигрывания, многие РНК быстро разрушаются после прочтения. Быстрая утилизация РНК — это один из способов контролировать, сколько того или иного белка производится. Существует множество ферментов, предназначенных для разрушения РНК, плавающих внутри клеток. Хранение вакцин на основе РНК в мощнейшей морозильной камере мешает работе таких ферментов, которые могут быстро испортить вакцину.
Ещё один фактор стабильности молекул заключается в их архитектуре. Двойные нити ДНК закручены изящной двойной спиралью. Но РНК может принимать разные формы, например, напоминающие леденцы на палочке, булавки для волос и круговые перекрёстки. Эти «вторичные структуры» могут сделать одни РНК более хрупкими, чем другие.
Следующий момент, в котором химические различия между ДНК и РНК затрудняют работу последних, — это части молекул, содержащие ингредиенты рецепта по производству белков. Несущие информацию субъединицы молекул ДНК и РНК известны как нуклеотиды. Нуклеотиды ДНК часто обозначаются буквами A, T, C и G — для аденина, тимина, цитозина и гуанина соответственно. РНК использует те же самые A, C и G, но вместо тимина она использует урацил, или U.
— Урацил — это проблема, потому что он выступает, торчит,
Эти выступающие U могут служить сиганалами специальным протеинам иммунной системы, называющимся толл-подобными рецепторами, которые помогают обнаружить РНК вирусов, в том числе и SARS-CoV-2, и запускают процесс их уничтожения.
Все эти способы, которыми мРНК может развалиться на части или попасть под воздействие иммунной системы, создают препятствия для производителей вакцин. Компаниям необходимо обеспечить, чтобы РНК оставалась неповреждённой достаточно долго, чтобы попасть в клетки и произвести там партию требуемого белка. И Moderna, и Pfizer, вероятно, как-то возились с химией РНК, чтобы в итоге получить вакцину, способную выполнить эту работу; и обе компании сообщили, что их вакцины примерно на 95 процентов эффективны в предотвращении заболевания, согласно клиническим испытаниям. Вероятно, в процессе работы с химией РНК, которая должна была обеспечить возможность правильного считывания её в человеческой клетке, могли создаться какие-то вторичные структуры, сделавшие молекулу менее стабильной.
Проблему урацила можно решить, добавив модифицированную версию нуклеотида, которую пропускают толл-подобные рецепторы, и защитив таким образом РНК от начальной атаки иммунной системы. Так у вакцины было бы больше шансов спровоцировать производство белка, который будет активировать создание иммунной защиты от вируса. Именно тот модифицированный вариант урацила, который компании, возможно, внедрили в вакцину, также может повлиять на стабильность РНК, а, следовательно, и на температуру, при которой необходимо хранить каждую вакцину.
Наконец, сама по себе молекула РНК может остаться незамеченной клетками, потому что она слишком мала, говорит Мишра. Поэтому компании покрывают мРНК липидной эмульсией, создавая маленькие пузырьки, известные как липидные наночастицы. Эти наночастицы должны быть достаточно большими, чтобы клетки захватили их, занесли внутрь и разорвали частицу, чтобы высвободить РНК.
Некоторые типы липидов выдерживают нагрев лучше, чем другие. Липиды, которые используют производители, могут сильно повлиять на способность вакцины выдерживать тепло.
— Это как растительное масло и животный жир. Жир ещё твердый при комнатной температуре, в то время как масло жидкое. Для наночастиц то, из чего они сделаны, играет большую роль в том, будут ли они в целом достаточно стабильны, чтобы поддерживать процессы внутри,
Необходимость в ультрахолодном хранении может в конечном итоге ограничить количество людей, получающих вакцину Pfizer.
Компания Pfizer сообщила сотрудникам здравоохранения, что вакцину можно хранить в специальных транспортных контейнерах, заполняемых сухим льдом, что обеспечивает в них температурный режим −70°С±10°С в течение 15 дней, после чего ещё пять дней их можно хранить в холодильнике. Это даёт медицинским работникам 20 дней на то, чтобы применить вакцину после её изготовления. Но вакцины Moderna, Гам-КОВИД-Вак («Спутник V») и другие, которые всё ещё находятся на испытаниях, могут продержаться дольше при более высоких температурах. Если эти вакцины будут столь же или более эффективны, как вакцина компании Pfizer, мир наверняка выберет их.