Uniwersalność daje przewagę

Nie wyobrażam sobie, w jaki sposób szczepionka mRNA miałaby powodować skutki niepożądane w dłuższej perspektywie. Z całą pewnością już po miesiącu od szczepienia nie jest to z punktu widzenia nauki możliwe – mówi prof. Jacek Jemielity, kierownik Laboratorium Chemii Bioorganicznej Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego.

Prof. Jacek Jemielity

Jerzy Dziekoński: Jak długo prowadzi Pan badania nad wykorzystaniem mRNA w leczeniu i profilaktyce? Czy pamięta Pan swoje pierwsze spotkanie z tą cząsteczką w celu wykorzystania w leczeniu?

Prof. Jacek Jemielity: Minęło właśnie 20 lat odkąd zacząłem zajmować się technologią mRNA. W 2001 roku dołączyłem do zespołu prof. Edwarda Darżynkiewicza w Zakładzie Biofizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Moje pierwsze badania nie były jednak związane z wykorzystaniem terapeutycznym mRNA. Kontekst ten pierwszy raz pojawił się podczas pracy nad wydłużeniem okresu życia cząsteczki mRNA, która w swojej istocie jest bardzo nietrwała. To było w 2006 roku. Wprawdzie udało się tę cząsteczkę uodpornić na enzymy odpowiedzialne za degradację, ale utraciliśmy powinowactwo do maszynerii translacyjnej komórki. Cząsteczki mRNA pływały w komórce, ale nie dochodziło do procesu biosyntezy białka. W 2007 roku zaproponowaliśmy modyfikację, która okazała się skuteczna. Dawała ochronę przed degradacją oraz bardzo dobre efekty, jeśli chodzi o biosyntezę białka na bazie mRNA. Ta cząsteczka została opatentowana, a licencja na jej zastosowanie trafiła do firmy BioNTech. Jest teraz wykorzystywana w kilkunastu badaniach klinicznych dotyczących leczniczych szczepionek przeciwko nowotworom.

Dlaczego mimo tylu lat badań dopiero teraz pierwsze preparaty mRNA weszły do masowej produkcji?

Minęło ponad 30 lat odkąd pionierzy w tej dziedzinie rozpatrywali mRNA jako terapeutyk. Proces tworzenia leków jest długotrwały i niezwykle kosztowny. W przypadku nowatorskich terapii jest jeszcze trudniej. Wykorzystanie mRNA jest ze wszech miar rozwiązaniem nowatorskim. Konieczne było przeprowadzenie wielu badań w celu udowodnienia, że jest to metoda bezpieczna i skuteczna. Jeszcze przed pandemią prowadzono ponad 100 różnych badań klinicznych, które dotyczyły różnych obszarów zastosowania leczniczego.

Jednak gdyby nie pandemia, jeszcze długo żaden terapeutyk zbudowany na bazie mRNA nie zostałby dopuszczony do szerokiego zastosowania. A to tylko dlatego, że agencje dopuszczające leki do powszechnego stosowania są bardzo zachowawcze. Chodzi oczywiście o to, aby zapewnić pacjentom bezpieczeństwo, jednak w przypadku zupełnie nowych terapii zdawałoby się, że są przesadnie zachowawcze. Sytuacja pandemiczna spowodowała przyspieszenie badań. I trzeba powiedzieć, że nigdy na taką skalę i w takim tempie ich nie prowadzono. Po wprowadzeniu szczepień do powszechnego użycia, możemy dzisiaj powiedzieć, że żadna szczepionka nie została przebadania pod tak wieloma kątami i na tak różnych grupach osób. W zasadzie nie stwierdzono ciężkich odczynów niepożądanych po preparatach mRNA przeciwko COVID-19, które drastycznie zmieniłyby bilans korzyści i ryzyka, i spowodowały wycofanie preparatu z użytku. A przy tak ogromnej skali stosowania tych szczepionek liczba zarejestrowanych zdarzeń niepożądanych jest niemal niezauważalna. W zestawieniu z ryzykiem zachorowania na COVID-19 w ogóle nie ma o czym mówić.

Co jest najtrudniejsze w pracy z mRNA do celów leczenia i zapobiegania?

Po pierwsze, jest to zupełnie nowy rodzaj terapii, a to wymaga znacznie większej liczby dowodów niż w przypadku tradycyjnego podejścia do produkcji leków. Po drugie, mRNA jest cząsteczką nietrwałą – bo taka jest tutaj funkcja biologiczna: chwilowy przepis na konkretne białko. I to są zasadnicze problemy. Ponadto trzeba sprawić, aby mRNA nie było rozpoznawane przez nasz organizm jako obiekt obcy. Jest wiele wirusów, które używają RNA jako nośnika genetycznego. Nasze organizmy przystosowały się do rozpoznawania takiego mRNA jako obcego i niszczenia go. Dostarczając mRNA z zewnątrz w celach leczniczych lub profilaktycznych, musimy zadbać o to, aby jak najbardziej przypominał on nasze ludzkie cząsteczki. Dotyczy to swoistych, subtelnych oznaczeń, które ma mRNA człowieka. Musimy więc przekonać nasz organizm, że nie dostarczamy niczego „obcego”.

Nad czym obecnie pracuje Pan w Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego?

Po naszym sukcesie i udzieleniu licencji firmie BioNTech przez wiele lat przy różnych projektach współpracowałem z Ugurem Sahinem, Prezesem BioNTech. Od tego czasu wciąż pracuję nad nowymi rozwiązaniami. Zupełnie niedawno opracowaliśmy nową modyfikację, która – w porównaniu z naszym poprzednim wynalazkiem stosowanym w szczepionkach przeciwko SARS-CoV-2 – daje znacznie większy poziom produkcji białka w komórkach. Obecnie uzyskaliśmy 100-krotną różnicę. Na razie badania prowadzone są na myszach i oczywiście nie ma gwarancji, że w organizmie człowieka wyniki będę podobne. Dążymy obecnie do tego, aby te badania powtórzyć na ludziach. Otwiera to szereg nowych możliwości, jeśli chodzi o wykorzystanie terapeutycznego mRNA. W przypadku szczepionek przeciwko SARS-CoV-2 zmiana ta jest dosyć mało istotna, ponieważ szczepionkę podajemy tylko w kilku dawkach. Dopiero w przyszłości może się to okazać problemem, ponieważ kolejne dawki mogą być coraz gorzej tolerowane przez nasz organizm, który uczy się je rozpoznawać i może w końcu przestać dawać się oszukiwać. Może się to wiązać z niepożądanymi zdarzeniami immunologicznymi. W niektórych zastosowaniach ilość uzyskiwanego białka powinna być większa. W innych – istotne jest częstsze stosowanie. Ważne jest zatem, aby podawać jak najmniejszą skuteczną dawkę mRNA. Jeśli uzyskamy bardzo aktywne mRNA, możemy znacznie zmniejszyć dawkę. W zasadzie dotyczy to każdego terapeutyku. Im mniejsza dawka, tym mniejsze ryzyko zdarzeń niepożądanych. Są również korzyści ekonomiczne takiego rozwiązania – taki preparat powinien być tańszy.

Tym razem postanowiliśmy inaczej skomercjalizować nasz wynalazek, nie chcemy go licencjonować firmom zewnętrznym. Wraz z badaczami z Uniwersytetu Warszawskiego oraz kolegami z Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego założyliśmy spółkę spin off Uniwersytetu Warszawskiego – ExploRNA Therapeutics. To tam najnowszą technologię wykorzystujemy do opracowania własnych cząsteczek terapeutycznych. Na pierwszy ogień idą lecznicze szczepionki przeciwnowotworowe, które mają aktywować system immunologiczny do walki z rozpoznanymi już nowotworami. Uruchomiliśmy jeszcze jeden program badawczy, ale nie mogę nic o nim powiedzieć, ponieważ nie został jeszcze upubliczniony.

Jakimi obszarami onkologii jeszcze się Państwo zajmują?

Prowadzimy bardzo dużo badań dotyczących onkologii i różnego typu nowotworów. Najczęściej dotyczy to nowotworów litych, ale są również zastosowania hematologiczne. Badania kliniczne dotyczą z reguły jednego typu nowotworu. Równocześnie rozwijają się tzw. terapie spersonalizowane, w których każdy pacjent badany jest pod kątem genetycznym, porównywany jest egzom komórki zdrowej i komórki nowotworowej. Lekarze sprawdzają, jakie białka obecne są na powierzchni komórek zdrowych i nowotworowych. Jeśli uda się zidentyfikować białka charakterystyczne dla nowotworu, będzie można stworzyć szczepionkę, która nauczy system immunologiczny bardzo dokładnie rozpoznawać konkretne mutacje w danym białku. Te badania prowadzone są w oderwaniu od konkretnego typu nowotworu, bo w zasadzie tworzymy szczepionkę skrojoną na miarę, więc szukamy po prostu białka charakterystycznego dla nowotworu danego pacjenta. Ponieważ szczepionka aktywuje układ immunologiczny, potrzebna jest niewielka ilość mRNA. Nowotwory są jednak trudnymi przeciwnikami, ponieważ powstały w wyniku kaskady mutacji komórek zdrowych. Znacznie łatwiej znaleźć charakterystyczne białko wirusa niż swoistą mutację w białku komórki nowotworowej człowieka. Z drugiej strony nowotwory nauczyły się unikać obrony ludzkiego systemu immunologicznego. Każdego dnia w organizmie tworzą się ogniska nowotworowe, które nasz system bez problemu rozbraja. Natomiast, kiedy zdarzy się pewna kaskada takich zdarzeń, nasz system obronny może sobie z tym nie poradzić. Komórki nowotworowe mają swój system obronny przed naszym układem immunologicznym.

Czy są jakieś projekty spoza onkologii?

Inne zastosowania dotyczą chorób powstałych w wyniku defektów lub zbyt małej ilości białek produkowanych w komórkach. Są to choroby rzadkie. Przykładem jest rdzeniowy zanik mięśni (SMA), mukowiscydoza czy fenyloketonuria. Obecnie kilkanaście, jeśli nie kilkadziesiąt chorób tego typu bada się w kontekście terapii mRNA. W przypadku tej grupy chorób niezbędne jest jednak dostarczanie białek w określonym czasie i w dużej ilości. Cykliczne podawanie co jakiś czas mRNA musi być zatem jeszcze mniej widzialne dla naszego systemu immunologicznego.

Terapeutyki zawierające mRNA znajdują również zastosowanie w medycynie regeneracyjnej. Trwa druga faza badań klinicznych nad regeneracją mięśnia sercowego u pacjentów po zawale serca.

Jest również pomysł modyfikacji DNA poprzez wykorzystanie mRNA. Odkąd opracowano tzw. metodę nożyczek molekularnych CRISPR Cas9, które potrafią bardzo precyzyjnie wyciąć z genomu fragment DNA i wstawić inny, mamy do wykorzystania olbrzymi potencjał terapeutyczny. Ale jest to bardzo trudne. Białko Cas9 nie jest białkiem ludzkim, lecz bakteryjnym. Okazało się jednak, że najlepszym sposobem dostarczenia tego białka do naszego organizmu jest wykorzystanie mRNA.

Na Uniwersytecie Warszawskim stworzyliśmy konsorcjum w ramach Wirtualnego Instytutu Badawczego (WIB) i prowadzimy projekt, którego celem jest tworzenie technologii mRNA nowego typu. Dotychczas głównie skupialiśmy się na modyfikacji końcówki 5’ mRNA (tzw. czapeczki), teraz zajmiemy się ogonem poli(A), który też jest bardzo istotny. Chcemy również zająć się tzw. cyrkularnym mRNA, które łączy oba końce w pierścień. Na świecie toczą się już badania w tym kierunku, tyle że oparte na metodach biologicznych. My chcemy osiągnąć to samo, ale metodami chemicznymi. Ten projekt rozpoczniemy na początku 2022 roku.

Czy projektowanie cząsteczki mRNA do celów terapeutycznych i profilaktycznych różni się zasadniczo?

Piękno wykorzystania mRNA polega na tym, że jego produkcja opiera się na tym samym mechanizmie. Różni się jedynie sekwencją kodującą. Z punktu widzenia zastosowań terapeutycznych jest to olbrzymia zaleta, ponieważ sekwencję kodującą możemy łatwo wymienić. Według takiego samego schematu można wytwarzać terapeutyki do bardzo różnych zastosowań. Oczywiście, będą one nieco się różniły, bo w przypadku zastosowań w szczepionkach chcemy pobudzić układ immunologiczny, żeby w sposób swoisty odpowiadał na antygen. W przypadku innych zastosowań chcemy natomiast sprawić, aby mRNA i jego produkt były dla układu immunologicznego niewidoczne. Stąd nieznaczne różnice.

Czy szczepionki zawierające mRNA są bezpieczne?

Nie ma w historii ludzkości innej szczepionki, która w tak krótkim czasie zostałaby tak dobrze przebadana. Liczba odczynów niepożądanych, zwłaszcza tych ciężkich, jest tak niewielka, że często leki kupowane bez recepty wiążą się z większym ryzykiem. Wszystko wskazuje na to, że są to bardzo bezpieczne preparaty. Samo mRNA jest ze swej natury bardzo nietrwałe. Oprócz mRNA istotnym elementem szczepionek są otoczki tłuszczowe (nanolipidowe), które powodują, że „przepis na antygen” dostarczany jest do komórek. Niektóre jej składniki (np. glikol polietylenowy) rzeczywiście mogą powodować reakcje alergiczne u osób z uczuleniem na te związki. Te reakcje pojawiają się jednak w krótkim czasie po przyjęciu szczepionki.

Jakie są losy szczepionki mRNA w organizmie? Czy po domięśniowym podaniu szczepionki zawierającej mRNA te cząsteczki zaczynają krążyć po całym organizmie, uruchamiając produkcję antygenu w wielu narządach odległych w nieograniczonym czasie?

Jak już powiedziałem, szczepionka składa się z przepisu na białko oraz otoczki lipidowej, która sprawia, że mRNA może przeniknąć do komórek. Następnie powoli uwalniane jest z otoczki lipidowej i ulega translacji. Na bazie sekwencji nukleotydowej syntetyzowane jest białko o danej sekwencji aminokwasowej, co zapewnia jego odpowiednią strukturę i funkcję. Takie białko w komórkach dendrytycznych jest przecinane na małe fragmenty, które na powierzchni komórek są prezentowane limfocytom T. Mówiąc prościej, komórki dendrytyczne uczą limfocyty T rozpoznawać wroga, aby mogły one wynajdywać i niszczyć patogeny. mRNA bardzo szybko rozpada się do naturalnych składników – maksymalnie w ciągu 2 tygodni. Nie wyobrażam sobie, w jaki sposób szczepionka mRNA miałaby powodować skutki niepożądane w dłuższej perspektywie. Z całą pewnością już po miesiącu nie jest to z punktu widzenia nauki możliwe.

Czy cząsteczki nanolipidowe to jedyny rodzaj nośnika mRNA skutecznie wykorzystany w praktyce?

Badano różne sposoby dostarczania mRNA do komórek. W przypadku szczepionek komórki dendrytyczne są w stanie wchłonąć nawet nagie mRNA bez żadnej otoczki. Oczywiście otoczki nanolipidowe zwiększają efektywność, dlatego są aktualnie standardem w badaniach klinicznych. Testowano wiele różnych rozwiązań, ale nic nie wiem, aby którekolwiek z nich wykorzystywano aktualnie w badaniach klinicznych.

Jedni z twórców technologii mRNA, dr Katalina Kariko, biochemiczka z firmy BioNTech, oraz prof. Drew Weissman, zajmujący się badaniami nad szczepionkami w Perelman School of Medicine, byli kandydatami do tegorocznej Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny. Czy możemy powiedzieć, że pandemia COVID-19 i prace nad szczepionkami przyspieszyły rozwój technologii mRNA i pozwoliły ją docenić?

Tak, można tak powiedzieć, ponieważ wszystkie firmy, które zajmowały się mRNA, skierowały wszystkie swoje środki i możliwości na projektowanie szczepionek przeciwko COVID-19. Urzędy rejestracji leków w wielu krajach, ze względu na potrzebę chwili naszej całej cywilizacji, zgodziły się na dopuszczenie tych szczepionek do użytku u ludzi. A to w przyszłości będzie bardzo korzystne dla innych terapii wykorzystujących tę technologię. Dzięki tej lekcji o mRNA wiemy dzisiaj o wiele więcej niż przed pandemią COVID-19.

Jaka przyszłość czeka tę technologię w wakcynologii? Czy dzięki niej możemy się spodziewać szczepionek przeciwko chorobom, wobec których nie ma jeszcze skutecznych preparatów (np. HIV, HCV, RSV itp.)?

Badania nad szczepionką na HIV trwają. Nad wieloma innymi chorobami wirusowymi również. Wydaje się to najprostszym zastosowaniem technologii mRNA. Szlak został już przetarty. W przypadku HIV, który znany jest ze zmienności genetycznej, szczepionka mRNA ma szansę poradzić sobie z tym wirusem. Problemem nie jest jednak sama konstrukcja mRNA, ale zidentyfikowanie antygenu kluczowego dla ochronnej odpowiedzi immunologicznej. I to może być wąskie gardło.

Czy z czasem szczepionki mRNA zastąpią te, z których korzystamy powszechnie od wielu lat?

Przypuszczam, że nie tak szybko, ponieważ w te stosowane od dawna firmy farmaceutyczne zainwestowały duże środki. Mają zatwierdzone preparaty, przygotowane procesy związane z ich wytwarzaniem, więc pewnie nie będą chciały z tego rezygnować. Oczywiście prostota otrzymywania szczepionek opartych na mRNA oraz to, że nie trzeba stosować komórek ludzkich, a tym samym łatwiej oczyszczać mRNA, jest dużą pokusą dla innych firm do stworzenia konkurencyjnych preparatów. Ale z całą pewnością ta technologia będzie stopniowo wypierała starsze.

Jednym z projektów, które Pan planował, było opracowanie uniwersalnej szczepionki przeciwko grypie. Czy prace się już rozpoczęły?

Zamierzaliśmy złożyć projekt w konkursie Agencji Badań Medycznych (ABM) na uniwersalną szczepionkę przeciwko grypie opartą na technologii mRNA. Uniwersalność tej szczepionki miała polegać na tym, że nie byłaby ona sezonowa. Dawałaby szansę na dłuższe utrzymywanie się odporności. Nie zdecydowaliśmy się na ten krok ze względu na regulamin konkursu, który zakładał, że ABM na dowolnym etapie prac ma prawo wykupić wyniki badań. Ponieważ projekt zakłada również badania kliniczne, niezbędne jest partnerstwo. Taki zapis zaś uniemożliwiał znalezienie partnera, który zgodzi się zainwestować ogromne pieniądze. Jeśli dobrze rozumiem mechanizmy funkcjonowania rynku, to mogę przewidywać, że ten projekt ABM nie zakończy się sukcesem.

Czy technologia mRNA daje szansę na opracowanie uniwersalnej platformy do łatwej i szybkiej produkcji szczepionek, w której będzie można „jedynie” modyfikować sekwencję kodującą odpowiednie białko?

To właśnie taka uniwersalność stanowi olbrzymią przewagę technologii mRNA nad stosowanymi dotychczas metodami produkcji szczepionek. Zmiana sekwencji kodującej jest bardzo prosta, jeśli się ją dokładnie zna. To jest ćwiczenie dla studenta biologii molekularnej. Szkielet szczepionki i procesy, w których mRNA jest wytwarzane, są niemal zawsze takie same. Kluczem jest identyfikacja i określenie sekwencji antygenu istotnego w ochronnej odpowiedzi immunologicznej.

Dziękuję za rozmowę.

Prof. Jacek Jemielity od 2014 r. jest kierownikiem Laboratorium Chemii Bioorganicznej w Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego (UW). Doktorat uzyskał na Wydziale Chemii UW w 2002 r. i w tym samym roku rozpoczął pracę jako adiunkt w Zakładzie Biofizyki Instytutu Fizyki Doświadczalnej Wydziału Fizyki UW. W 2020 r. uzyskał tytuł profesora chemii. Zajmuje się badaniami nad syntezą, właściwościami oraz zastosowaniem chemicznie modyfikowanych nukleotydów. Rozwija metody syntezy ważnych biologicznie nukleotydów, tworzy narzędzia do modyfikacji kwasów nukleinowych użyteczne w badaniach ekspresji informacji genetycznej i zastosowaniach medycznych. Jest twórcą metody otrzymywania mRNA o właściwościach niezbędnych do zastosowań terapeutycznych. Opracowane przez niego modyfikacje są stosowane w kilkunastu badaniach klinicznych dotyczących immunoterapii przeciwnowotworowej. Jest autorem ponad 130 publikacji naukowych w recenzowanych czasopismach naukowych (w tym najbardziej prestiżowych w tej dziedzinie, m.in. Nucleic Acids Research, J. Am. Chem. Soc., Chemical Science, Molecular Cell, Nature Structural & Molecular Biology, Nature Communications). Jego prace cytowano ponad 2450 razy. Jest współautorem 8 patentów chroniących jego wynalazki niemal na całym świecie i 3 kolejnych zgłoszeń patentowych. Jedna z tych technologii polegająca na modyfikacji mRNA jest stosowana w badaniach klinicznych nad szczepionkami przeciwnowotworowymi przez takie firmy, jak BioNTech, Sanofi, Roche, Pfizer. Jest tegorocznym laureatem nagrody Fundacji Nauki Polskiej w kategorii nauk chemicznych i o materiałach zwanych polskim Noblem, stypendystą tygodnika „Polityka” (2008 r.) oraz laureatem nagrody gospodarczej Prezydenta RP w kategorii „badania i rozwój” (2017 r.), był także nominowany w konkursie organizowanym przez Europejski Urząd Patentowy „European Inventor Award” w 2018 r. w kategorii „Research”. W jego karierze zawsze bardzo ważna była popularyzacja nauki, w tym praca ze zdolną młodzieżą zafascynowaną badaniami naukowymi. Jest współzałożycielem i prezesem spółki ExploRNA Therapeutics, spin off UW, która zajmuje się opracowywaniem technologii modyfikacji mRNA oraz rozwijaniem innowacyjnych terapii opartych na mRNA.