Szanowni Państwo,

Medycyna Praktyczna wykorzystuje w swoich serwisach pliki cookies i inne pokrewne technologie. Używamy cookies w celu dostosowania naszych serwisów do Państwa potrzeb oraz do celów analitycznych i marketingowych. Korzystamy z cookies własnych oraz innych podmiotów – naszych partnerów biznesowych.

Ustawienia dotyczące cookies mogą Państwo zmienić samodzielnie, modyfikując ustawienia przeglądarki internetowej. Informacje dotyczące zmiany ustawień oraz szczegóły dotyczące wykorzystania wspomnianych technologii zawarte są w naszej Polityce Prywatności.

Korzystając z naszych serwisów bez zmiany ustawień przeglądarki internetowej wyrażacie Państwo zgodę na stosowanie plików cookies i podobnych technologii, opisanych w Polityce Prywatności.

Państwa zgoda jest dobrowolna, jednak jej brak może wpłynąć na komfort korzystania z naszych serwisów. Udzieloną zgodę mogą Państwo wycofać w każdej chwili, co jednak pozostanie bez wpływu na zgodność z prawem przetwarzania dokonanego wcześniej na podstawie tej zgody.

Klikając przycisk Potwierdzam, wyrażacie Państwo zgodę na stosowanie wyżej wymienionych technologii oraz potwierdzacie, że ustawienia przeglądarki są zgodne z Państwa preferencjami.

Szczepionka przeciwko SARS-CoV-2, czyli nadzieja w inżynierii genetycznej

10.08.2020
Jerzy Dziekoński

- Podstawową zaletą szczepionek genetycznych jest szybkość ich opracowania, przez co mogą stanowić odpowiedź na nagłe wybuchy epidemii nowych wirusów – mówi dr n. biol. Alicja Chmielewska, adiunkt w Zakładzie Biologii Molekularnej Wirusów Uniwersytetu Gdańskiego i Gdańskiego Uniwersytetu Medycznego.


Dr n. biol. Alicja Chmielewska

Jerzy Dziekoński: W marcu br. media obiegła informacja, że Moderna, biotechnologiczna firma z Bostonu, jako pierwsza, bo po 6 tygodniach od rozpoczęcia prac, przekazała do badań klinicznych eksperymentalną szczepionkę przeciwko SARS-CoV-2. Jak to możliwe, że niespełna pół roku po wybuchu epidemii w Chinach, w grudniu 2019 roku, ruszyły badania kliniczne szczepionki?

Dr n. biol. Alicja Chmielewska: Składa się na to kilka elementów. Ostatnie lata przyniosły olbrzymi postęp w biotechnologii – mam na myśli metody klonowania molekularnego oraz sekwencjonowania. Dzisiaj możemy bardzo szybko zsekwencjonować materiał genetyczny. I tak się stało w przypadku nowego koronawirusa, którego materiał genetyczny zsekwencjonowano i podano do publicznej wiadomości zaledwie w ciągu 2 tygodni. Dla porównania powiem, że sekwencjonowanie wirusa SARS z 2002 zajęło kilka miesięcy.

Po pierwsze, podanie do wiadomości naukowców sekwencji genetycznej pozwoliło od razu rozpocząć projektowanie szczepionek. Po drugie, szczepionki genetyczne są w tej chwili najszybsze do wyprodukowania. Po trzecie, istotne jest rozpoczęcie badań klinicznych bez wcześniejszych prób na zwierzętach. Tzn. próby na zwierzętach też są prowadzone, ale równolegle z pierwszymi próbami klinicznymi. Zarzucono dotychczasowy tryb, w którym najpierw testy przeprowadzano na zwierzętach, aby sprawdzić bezpieczeństwo oraz wydajność wzbudzania odporności, aby dopiero w kolejnym etapie przejść do badań na ludziach (p. także Wyścig po szczepionkę przeciwko SARS-CoV-2 – aktualizacja. Wielkie nadzieje i wielkie znaki zapytania – przyp. red.). Taka decyzja wynika z ogromnego zapotrzebowania na tę szczepionkę.

Jakie jeszcze informacje o samym wirusie były potrzebne naukowcom?

W przypadku szczepionek genetycznych do rozpoczęcia prac potrzebna jest sekwencja genetyczna. Naukowcy nie muszą w ogóle pracować z wirusem. Dodatkowo, bardzo pomocna jest wiedza na temat sekwencji genetycznych innych podobnych wirusów. Dzięki temu, że możemy porównać sekwencje różnych koronawirusów, możemy również określić, która część sekwencji koduje które białko. Dzięki temu, że mamy już badania nad immunogennością różnych testowanych szczepionek przeciwko wirusowi SARS (odpowiedzialnego za epidemię w 2002 r. – przyp. red.), poprzez porównanie naukowcy mogli wytypować odpowiednie antygenty wirusa SARS-CoV-2.

Zatem, które antygeny są kluczowe w indukcji odporności przeciwko SARS-CoV-2?

Większość prób dotyczących zaprojektowania szczepionki skupia się na białku S, czyli białku powierzchniowym wirusa (p. także Wyścig po szczepionkę przeciwko SARS-CoV-2 – aktualizacja. Wielkie nadzieje i wielkie znaki zapytania – przyp. red.). Jako że znajduje się na powierzchni, jest w bezpośrednim kontakcie z układem immunologicznym człowieka, jest więc głównym celem wiązania się przeciwciał. Białko S wiąże się z receptorem komórkowym, co umożliwia wnikanie wirusa do komórek. Jeżeli pobudzimy dobrą odpowiedź przeciwko temu białku, czyli na przykład przeciwciała, wiążąc się z białkiem S, zablokują wiązanie do receptorów komórkowych, wirus nie będzie mógł wniknąć do komórki i tym samym zostanie zneutralizowany. O to chodzi w szczepionce. Niewykluczone jednak, że inne antygeny wirusa mogą być również dobrymi kandydatami do wykorzystania w tworzeniu szczepionki.

Pierwszą eksperymentalną szczepionkę przeciwko SARS-CoV-2, którą zakwalifikowano do badań klinicznych, nazwano „mRNA-1273”. Co właściwie kryje się pod nazwą „mRNA” i co dokładnie zawiera ta szczepionka?

Nasz genom to dwuniciowy, składający się z nukleotydów łańcuch DNA. W momencie, kiedy komórka ma wyprodukować dane białko, na początku materiał musi zostać przepisany na mRNA (matrycowe RNA – przyp. red.), jednoniciową cząsteczkę RNA, która wydostaje się z jądra do cytoplazmy, gdzie następuje produkcja poliprotein, czyli łańcuchów białkowych. mRNA jest bezpośrednią matrycą do syntezy białek. Koronawirusy mają genom w postaci RNA, który również, po wniknięciu do komórki, może bezpośrednio służyć do produkcji białek.

Szczepionka zawiera fragment mRNA, który koduje wspomniane wcześniej białko S wirusa SARS-CoV-2. Jako że samo mRNA jest bardzo wrażliwe na degradację i nie wnikałoby wydajnie do komórek, należało pomyśleć o „opakowaniu”. Tę rolę pełni pęcherzyk zbudowany z lipidowej nanocząsteczki. Chronione w ten sposób mRNA może być wydajnie dostarczone do ludzkiej komórki, ponieważ lipidy nanocząsteczek łączą się z błoną komórkową.

Czyli mechanizm działania szczepionek opartych na kwasach nukleinowych, w tym przypadku na mRNA, różni się od „tradycyjnych” szczepionek zawierających na przykład antygeny białkowe wirusa lub cały wirion (atenuowany lub inaktywowany)?

(…) cząsteczki oparte na materiale genetycznym RNA, DNA czy na cząsteczkach wektorowych same w sobie szczepionką nie są. Są informacją na temat szczepionki, która dopiero powstanie w naszym organizmie.

Tak, różni się. Tradycyjne szczepionki zawierają atenuowane albo inaktywowane wirusy bądź fragmenty wirusów – mówimy wtedy o szczepionkach podjednostkowych. Ich zadaniem jest naśladowanie cząstki wirusowej. Zawierając w sobie antygeny wirusa, same w sobie są czynnikiem wzbudzającym odporność. Natomiast cząsteczki oparte na materiale genetycznym RNA, DNA czy na cząsteczkach wektorowych same w sobie szczepionką nie są. Są informacją na temat szczepionki, która dopiero powstanie w naszym organizmie. Informacja jest dostarczana do komórek, które stają się fabrykami produkującymi szczepionkę. To nasze komórki prezentują fragmenty antygenów wirusowych układowi immunologicznemu.

Czy to nie grozi niekontrolowaną replikacją wirusa po wstrzyknięciu? Które komórki wychwytują mRNA ze szczepionki, gdzie zachodzi synteza białka wirusowego, a które komórki są kluczowe w odpowiedzi immunologicznej?

Jak wspomniałam wcześniej, we wstrzyknięciu podajemy mRNA w lipidowej nanocząsteczce (lipid nano particles [LNP] – przyp. red.). mRNA, dostając się do komórki, jest wykorzystany jako bezpośrednia matryca do produkcji białek wirusowych. Te z kolei są przez komórkę prezentowane w formie krótkich fragmentów, tzw. epitopów, na powierzchni tejże komórki przez cząstki MHC. Na tę prezentację odpowiadają komórki układu immunologicznego.

Gdybyśmy dostarczyli do komórek mRNA, które zawierałoby cały genom wirusa, to w rzeczywistości moglibyśmy uzyskać infekcyjnego wirusa, ponieważ na podstawie tej informacji nasza komórka byłaby w stanie odtworzyć wszystkie białka wirusowe, zreplikować materiał genetyczny i złożyć aktywną infekcyjną cząstkę wirusową. Taką metodę stosujemy w laboratorium. Namnażamy w ten sposób wirusy, korzystając z samego materiału genetycznego. W przypadku szczepionek mamy do czynienia jedynie z fragmentem mRNA, który nie koduje całego wirusa, lecz pojedyncze białko. Zatem tylko to białko może być wyprodukowane. Nie ma takiej możliwości, aby doszło do infekcji.

Z materiałów, jakie udało mi się znaleźć na stronie Moderny, a które dotyczyły testów szczepionki mRNA przeciwko innej chorobie, wynika, że szczepionka wnikała do komórek zarówno w miejscu wstrzyknięcia, jak i do komórek układu immunologicznego w gruczołach limfatycznych. To bardzo dobra wiadomość, bo taka lokalizacja pozwala na lepszą prezentację epitopów, czyli wytworzonych fragmentów białkowych. Jak wspomniałam, dotyczy to innej szczepionki, trzeba więc jeszcze poczekać na zbadanie, do których komórek będzie wnikać szczepionka przeciwko SARS-CoV-2.

(…) mamy do czynienia jedynie z fragmentem mRNA, który nie koduje całego wirusa, lecz pojedyncze białko. Zatem tylko to białko może zostać wyprodukowane. Nie ma takiej możliwości, żeby doszło do infekcji.

Jeśli chodzi o wirusy, kluczowe znaczenie w odpowiedzi immunologicznej mają limfocyty. Limfocyty B produkują przeciwciała, które prowadzą do neutralizacji wirusa, wiążąc się w miejscu, które blokuje interakcję z receptorem. Wówczas wirus nie może wniknąć do komórki. Mamy także odpowiedź komórkową, która działa poprzez limfocyty T i niszczy zakażone komórki. W przypadku SARS-CoV-2 jest jeszcze zbyt wcześnie, żeby mówić, na ile poszczególne odpowiedzi są istotne w zwalczaniu wirusa. Potrzeba więcej badań.

Do badań klinicznych zakwalifikowano również szczepionki przeciwko SARS-CoV-2 oparte na „wektorze wirusowym niezdolnym do replikacji”. Na czym w uproszczeniu polega ta technologia opracowywania szczepionek?

W uproszczeniu wykorzystujemy jednego wirusa, żeby przenieść geny innego. Jest to również szczepionka genetyczna, ponieważ polega na wprowadzeniu materiału genetycznego. Różni się „opakowaniem”. W przypadku szczepionki mRNA wykorzystywana jest nanocząstka lipidowa, tutaj – inny wirus. Wykorzystujemy naturalną zdolność niektórych wirusów do wnikania do naszych komórek i przenoszenia materiału genetycznego. Dzięki temu możliwe jest bardzo wydajne dostarczenie materiału genetycznego. Za to, że wektor wirusowy jest niezdolny do replikacji, odpowiada delecja genu bądź genów przeprowadzona metodami inżynierii genetycznej. W ten sposób wirus staje się jedynie transporterem.

Czy wektorem musi być wirus o jakiś konkretnych cechach? Dlaczego zdecydowano się wykorzystać adenowirusa?

Tak, wirus musi mieć odpowiednie cechy. Posiada je właśnie adenowirus. Chodzi przede wszystkim o bezpieczeństwo. W przypadku adenowirusa możemy zastosować wektory replikacyjnie defektywne, czyli takie, które tylko przeniosą materiał genetyczny i nie będą się namnażać. Adenowektory są od wielu lat testowane na wielu etapach prób klinicznych. Przeciwnowotworowe wektory adenowirusowe są już dopuszczone do użytku, ale na razie tylko w Chinach.

Na pewno nie możemy użyć wektora, którego materiał genetyczny po infekcji integruje się z naszym. Byłoby to bardzo niebezpieczne ze względu na możliwość mutagenezy w naszych komórkach. Materiał genetyczny adenowirusa nie integruje się z materiałem ludzkim.

Na pewno nie możemy użyć wektora, którego materiał genetyczny po infekcji integruje się z naszym. Byłoby to bardzo niebezpieczne ze względu na możliwość mutagenezy w naszych komórkach. Materiał genetyczny adenowirusa nie integruje się z materiałem ludzkim.

Poza tym musi to być wektor, z którym łatwo się pracuje. Adenowirusy takie są. Dość łatwo można je modyfikować, przeprowadzać mutagenezę, wprowadzać i wycinać geny. Istotne jest również to, że adenowirusy rosną do bardzo dużych mian w hodowlach komórkowych w warunkach laboratoryjnych. I bardzo wydajnie stymulują odpowiedź immunologiczną.

Dlaczego do opracowania szczepionki przeciwko SARS-CoV-2 wybrano technologie oparte na kwasach nukleinowych lub na „wektorach wirusowych”, a nie „tradycyjnej” technologii? Czy wynika to z budowy, właściwości tego konkretnego wirusa, swoistej odpowiedzi immunologicznej?

Nie powiedziałabym, że wybrano. Odbywa się to na takiej zasadzie, że każde laboratorium robi to, co umie najlepiej. Te dwie technologie najszybciej weszły do badań klinicznych, ponieważ są najprostsze. Testowane są wszystkie rodzaje szczepionek, tyle że szczepionki oparte na wirusach inaktywowanych i atenuowanych są na wcześniejszych etapach prób (p. także Wyścig po szczepionkę przeciwko SARS-CoV-2 – aktualizacja. Wielkie nadzieje i wielkie znaki zapytania – przyp. red.).

Nie wyobrażam sobie, że szczepionka oparta na atenuowanym wirusie mogłaby wejść do prób klinicznych bez prób na zwierzętach, bez gruntownego przetestowania bezpieczeństwa. To nie jest wybór, lecz fakt, że szczepionki genetyczne najszybciej mogły wejść w etap prób klinicznych.

Czy mogłaby Pani wskazać zalety i wady szczepionek opartych na kwasach nukleinowych i wektorach wirusowych?

Podstawową zaletą szczepionek genetycznych jest szybkość ich opracowania, przez co mogą stanowić odpowiedź na nagłe wybuchy epidemii nowych wirusów. Technologia jest prostsza i można ją wykorzystywać w laboratoriach, które nie muszą spełniać najbardziej wyśrubowanych wymogów bezpieczeństwa. W przypadku pracy nad aktywnym wirusem SARS-CoV-2 w laboratorium niezbędne jest zachowanie najwyższych standardów w tym zakresie. W przypadku adenowirusów nie musimy już pracować w laboratorium klasy BSL-3 (klasy bezpieczeństwa biologicznego [Biosafety level – BSL] określają standard laboratoriów mikrobiologicznych dostosowanych do pracy z różnymi patogenami; wyróżnia się cztery klasy bezpieczeństwa biologicznego – przyp. red.). Wystarczy laboratorium klasę niższe, czyli BSL-2. Praca z materiałem mRNA jest dla naukowców zupełnie bezpieczna. Bardziej musimy dbać o to, żeby nie zanieczyścić materiału, nad którym pracujemy, niż obawiać się o własne zdrowie.

Praca nad materiałem genetycznym daje też o wiele większe możliwości modyfikacji niż w przypadku całych wirusów. Teoretycznie, wprowadzając materiał genetyczny do komórek i sprawiając, że same zaczynają produkować szczepionkę, naśladujemy naturalny cykl wirusowy, co może zainicjować skuteczniejszą odpowiedź niż w przypadku szczepionek tradycyjnych. Ale to wymaga sprawdzenia dla każdej proponowanej szczepionki. I tu dochodzimy do wad tej metody, ponieważ projektowanie szczepionek opartych na mRNA jest wciąż metodą pionierską. Mamy już w badaniach klinicznych cząstki mRNA przeciwko innym wirusom, ale są to dopiero próby kliniczne pierwszej fazy. Cały czas jest to nowość i nie znamy wydajności tego rodzaju szczepionek. Poza tym mRNA jest materiałem wrażliwym na degradację. Jeżeli taka szczepionka wejdzie do użytku, na pewno będzie musiała być przechowywana w niskiej temperaturze, co w niektórych krajach może stanowić problem.

Podstawową zaletą szczepionek genetycznych jest szybkość ich opracowania, przez co mogą stanowić odpowiedź na nagłe wybuchy epidemii nowych wirusów.

W przypadku szczepionki adenowirusowej mamy jeszcze inny ciekawy problem. Adenowirusy występują powszechnie, najczęściej infekcja manifestuje się lekkimi, grypopodobnymi objawami. Jeżeli oprzemy szczepionkę na adenowirusie, z którym mieliśmy już styczność, to poprzez wykształconą pamięć immunologiczną w momencie podania szczepienia nasz układ odpornościowy zostanie natychmiast wzbudzony i wektor zostanie dezaktywowany zanim zdąży dotrzeć do komórki. W związku z tym mniej optymistycznie patrzę na próby oparte na adenowirusie 5, który jest rozpowszechniony w naszej populacji na tyle, że kilkadziesiąt procent ludzi ma przeciwciała swoiste dla tego wirusa. Żeby ominąć tę przeszkodę, naukowcy stosują rzadkie serotypy oraz adenowirusy pochodzące od zwierząt, głównie od ssaków naczelnych. Szczepionka, nad którą prace są najbardziej zaawansowane, opiera się na adenowirusie szympansim.

Czy te technologie są zupełnie nowe, czy wykorzystywano je już w pracach nad innymi szczepionkami?

Szczepionka mRNA to zupełna nowość. Natomiast adenowirusy są badane dosyć długo, bo od ponad 20 lat. Pierwsza próba kliniczna z adenowirusami odbyła się w 1999 roku – była to próba terapii genowej. Wówczas okazało się, że adenowirusy bardziej nadają się do szczepionek niż do terapii genowych. Mimo to, jak wspomniałam wcześniej, mamy już dwa leki oparte na adenowirusach, które są dopuszczone do stosowania w Chinach, natomiast prac nad szczepionkami na razie nie ukończono.

Warto przy tym wspomnieć, że szczepionka przeciwko wirusowi ebola jest w III fazie prób klinicznych. Wzbudza ona odpowiedź immunologiczną podobnie skutecznie jak szczepionka, która weszła już do użycia i jest oparta na innym wektorze, czyli na wirusie pęcherzykowatego zapalenia jamy ustnej występującego u zwierząt (preparat Ervebo zarejestrowano do stosowania w listopadzie 2019 r. – przyp. red.).

To, że technologia ta nie weszła jeszcze powszechnie do użytku, może być związane z dość częstym występowaniem adenowirusów w populacji. Problem dotyczy również kilkukrotnego podawania tej samej szczepionki, bo jak wiemy, czasem żeby uzyskać odporność, dany preparat należy podać kilka razy. Przy każdym kolejnym podaniu nasza odpowiedź immunologiczna może być wobec tego samego wektora większa, co oznacza, że każde kolejne szczepienie będzie mniej efektywne. Dlatego testuje się szczepienia typu prime boost, w których w kolejnych szczepieniach wykorzystuje się inne wirusy jako wektory.

To może na koniec pytanie, które zadaje sobie teraz wiele osób. Która szczepionka, oparta na jakiej technologii, ma największą szansę wkrótce wejść do stosowania w praktyce i kiedy to może nastąpić?

Równie dobrze może to nastąpić za 1,5 roku albo nigdy. Mamy szereg wirusów, dla których nie udało się do dzisiaj opracować skutecznego i bezpiecznego szczepienia, mimo że intensywne prace trwają od lat. Świetnie byłoby, gdyby w końcu weszła do użycia szczepionka adenowirusowa. Nie podejmuję się jednak określenia, czy nastąpi to za pół roku, rok, czy może za 2 lata.

Dziękuję za rozmowę.

Dr n. biol. Alicja Chmielewska, adiunkt w Zakładzie Biologii Molekularnej Wirusów Międzyuczelnianego Wydziału Biotechnologii Wydziału Biotechnologii Uniwersytetu Gdańskiego i Gdańskiego Uniwersytetu Medycznego. Uczestniczyła w opracowaniu i badaniach przedklinicznych potencjalnych genetycznych szczepionek przeciwko wirusowi HCV na Uniwersytecie Gdańskim oraz w instytucie CEINGE we Włoszech. Obecnie prowadzi badania dotyczące działania białek komórkowych o aktywności przeciwwirusowej.

Reklama

Napisz do nas

Zadaj pytanie ekspertowi, przyślij ciekawy przypadek, zgłoś absurd, zaproponuj temat dziennikarzom.
Pomóż redagować portal.
Pomóż usprawnić system ochrony zdrowia.

Przegląd badań