[IBS 코로나19 리포트 시즌2] Как мРНК была разработана в качестве вакцины и что еще можно сделать: Dong-A Science

От мРНК, вакцины COVID-19 к генной терапии

Первая мРНК-вакцина, разработанная человечеством

Незнакомое вещество под названием «вакцина мРНК (матричная РНК)» первым преодолело финишную черту самой жесткой конкуренции вакцин в истории человечества. BNT162b2, совместно разработанный Bioentech из Германии и Pfizer из США в ноябре 2020 года, и мРНК-1273, совместно разработанный Моденой из США и Национальным институтом аллергии и инфекционных заболеваний (NIAID) в декабре, получили одобрение FDA. В результате два типа мРНК-вакцин превзошли традиционные вакцины и продвинулись по скорости разработки. Вакцина с мРНК – это также технология, которая может реагировать, делая новую вакцину самой быстрой, даже если появляется другой мутантный вирус.

Corona 19 была первым случаем, когда мРНК использовалась в качестве вакцины. Но как он добился такого замечательного успеха? В этом отчете мы более подробно рассмотрим определение мРНК-вакцины, принцип индукции иммунитета, метод производства, преимущества и недостатки, а также перспективы на будущее.

Эффективная скорость вакцины COVID-19 на основе мРНК, разработанной BioEntech и Modena.  В отличие от увеличивающегося числа инфекций в группе плацебо, обе вакцины начинают проявлять явный профилактический эффект в течение двух недель после первой дозы.  Предоставлено IBS (Источник Тополь, 2020)

Эффективная скорость вакцины COVID-19 на основе мРНК, разработанной BioEntech и Modena. В отличие от увеличивающегося числа инфекций в группе плацебо, обе вакцины начинают проявлять явный профилактический эффект в течение двух недель после первой дозы. Предоставлено IBS (Источник Тополь, 2020)

Сравнение применяемой в настоящее время мРНК вакцины Covid19.  IBS предоставил

Сравнение применяемой в настоящее время мРНК вакцины Covid19. IBS предоставил

Процесс, посредством которого вакцины с мРНК вызывают иммунные явления

мРНК – это сокращение от матричная рибонуклеиновая кислота (матричная РНК). Он содержит генетическую информацию, которая может синтезировать белки, и действует как посланник для их доставки. мРНК имеет длинноцепочечную структуру, в которой от сотен до тысяч единиц соединены подобно бусинкам. Есть 4 типа единиц (A, G, C, U), и различная генетическая информация содержится в зависимости от того, как расположены эти 4 типа единиц.

Вакцина мРНК состоит из молекулы мРНК и окружающего ее липидного слоя (рис. 2). МРНК – это вещество, которое содержит информацию, а липидный слой – это движущееся устройство, которое защищает и помещает мессенджер (мРНК) в клетку. В случае вакцины на основе мРНК Саскоронавируса-2 она содержит генетическую информацию, которая вызывает образование шипов белка на поверхности вируса. Другими словами, когда эта мРНК попадает в клетку человека, образуется спайковый белок. Спайковые белки, продуцируемые вакцинами, действуют как «антигены», индуцирующие образование антител.

Как работает мРНК-вакцина.  МРНК, содержащая генетическую информацию о спайковом белке Саскоронавируса-2, проникает в клетку человека и производит спайковый белок.  Человеческое тело, ошибочно принятое за вирусную инвазию, вырабатывает антитела против шипового белка.  Вакцина с мРНК вызывает приобретенный иммунный ответ.  Предоставлено IBS (Материал Тополь, 2020)

Как работает мРНК-вакцина. МРНК, содержащая генетическую информацию о спайковом белке Саскоронавируса-2, проникает в клетку человека и производит спайковый белок. Человеческое тело, ошибочно принятое за вирусную инвазию, вырабатывает антитела против шипового белка. Вакцина с мРНК вызывает приобретенный иммунный ответ. Предоставлено IBS (Источник Тополь, 2020)

Иммунные клетки человеческого тела совершают ошибку, будучи инфицированными вирусом из-за искусственно созданного белка, и вырабатывают антитела против спайкового белка. Активируются не только В-иммунные клетки, вырабатывающие антитела, но и Т-иммунные клетки, которые им помогают. Эта реакция называется «приобретенный иммунитет». Другими словами, благодаря «косвенному опыту» человеческий организм приобретает иммунитет против вирусов. После этого, даже если сам вирус попадает в организм, антитело может обернуться вокруг вируса, чтобы предотвратить заражение. Кроме того, когда клетки инфицированы вирусом и производят спайковые белки, иммунные клетки распознают эти клетки, атакуют их и убивают, предотвращая рост вируса.

Условия для успешной вакцины против мРНК

МРНК, используемая в вакцинах, представляет собой искусственную РНК, созданную путем имитации естественной мРНК. Для успешной работы мРНК-вакцины важны две вещи. Во-первых, она похожа на природную мРНК. Потому что он должен хорошо производить белки и уметь обманывать клетки, как если бы они были настоящими вирусными мРНК. Во-вторых, врожденный иммунный ответ не должен проявляться чрезмерно. Когда клетки распознают саму мРНК вакцины как захватчика, и возникает чрезмерный иммунный ответ, производство белков, действующих как антигены, нарушается. Это означает, что иммунитет «продвинутое обучение» невозможно.

READ  Итальянские врачи помнят ночь, которая положила начало первой в Европе изоляции от COVID-19 | Мировые новости

Давайте посмотрим на структуру мРНК (рисунок 3). Кодирующая последовательность, содержащая информацию о белке, является ядром мРНК. В случае вакцины мРНК кодирующая последовательность содержит информацию, которая создает антиген, который запускает иммунный ответ (спайковый белок в случае вакцины Corona 19). Нетранслируемая область (UTR), окружающая кодирующую последовательность, помогает продукции белка.

С другой стороны, конец, на котором начинается РНК, называется 5′-концом, и есть важная структура, называемая «шапкой». Колпачок способствует производству белка и предотвращает разрушение мРНК. Он также предотвращает чрезмерный врожденный иммунный ответ мРНК. Другой конец называется 3-м концом. Здесь есть важная структура, которая называется «поли (А) хвост». Он помогает в производстве белка и играет роль в стабильном поддержании мРНК.

Описанные выше структуры изначально присутствуют в природной мРНК. В случае вакцин на основе мРНК можно избежать чрезмерных иммунных реакций, а белки заменены искусственными производными, такими как псевдоуридин, N1-метил-псевдоуридин и метилцитозин (5mC). Дизайн, обеспечивающий хорошее производство.

  Структура и способ изготовления мРНК-вакцины.  МРНК состоит из кодирующей последовательности, содержащей информацию о белке, нетранслируемой последовательности, которая помогает продуцированию белка, кэпа, предотвращающего разрушение мРНК, и хвоста полиА, который стабильно удерживает мРНК.  Чтобы доставить РНК в клетки, липиды и полиэтиленгликоль смешиваются с образованием наночастиц. [Verbeke et al., 2019; Linares-Fernández et al., 2019]

Структура и способ изготовления мРНК-вакцины. МРНК состоит из кодирующей последовательности, содержащей информацию о белке, нетранслируемой последовательности, которая помогает продуцированию белка, кэпа, предотвращающего разрушение мРНК, и хвоста полиА, который стабильно удерживает мРНК. Чтобы доставить РНК в клетки, липиды и полиэтиленгликоль смешиваются с образованием наночастиц. Предоставлено IBS (Источник Verbeke et al., 2019; Linares-Fernandez et al., 2019)

Метод приготовления мРНК вакцины

мРНК-вакцины производятся посредством нескольких ферментативных реакций (рис. 3). Прежде всего, чтобы создать РНК, вам нужно создать ДНК, которая действует как матрица (шаблон). РНК-полимераза, единицы РНК и кэп-аналоги добавляются к ДНК и реагируют с образованием мРНК. В этом процессе создается полиА-хвост и встраивается производное уридина для увеличения стабильности мРНК. В некоторых случаях после синтеза РНК прикрепляют кэп и вносят соответствующие модификации. После этого ДНК и побочные продукты разлагаются, а примеси удаляются. Если оставить без внимания двухцепочечную РНК, которая образуется в качестве примеси в процессе синтеза, могут возникнуть чрезмерные реакции врожденного иммунитета, что может стать проблемой.

МРНК должна войти в клетку, прежде чем она сможет произвести белок. Однако РНК заряжена и имеет большую молекулярную массу, поэтому она не может пройти через клеточную мембрану и проникнуть в клетку. Защитные устройства также необходимы для предотвращения разложения ферментами, разрушающими РНК, в нашем организме. По этой причине в течение длительного периода времени предпринимались попытки разработать технологии, которые защищают РНК и доставляют ее в клетки. В настоящее время наиболее широко используется технология жидких наночастиц.

Липидные наночастицы получают путем смешивания нескольких типов веществ. Фосфолипиды и ионизируемые липиды (ионизируемые липиды) являются основными составляющими частиц и сливаются с клеточными мембранами для доставки РНК. Холестерин поддерживает форму частиц и способствует перемещению РНК в цитоплазму. Полиэтиленгликоль (ПЭГ) увеличивает гидрофильность частиц и помогает липидным наночастицам оставаться в организме в течение длительного времени. Липидные наночастицы, полученные таким образом, обычно имеют диаметр около 100 нм (нанометр · 1 нм составляет 1 миллиардную часть метра) и аналогичны по размеру вирусным частицам.

Преимущества и ограничения РНК-вакцин

Как видно на примере вакцины COVID-19, преимущество мРНК-вакцины заключается, прежде всего, в ее скорости и гибкости. Зная генетическую информацию патогена, его можно быстро разработать и произвести. После того, как 10 января 2020 года была опубликована генетическая информация о саскоронавирусе-2, Модене потребовалось всего 25 дней, чтобы изготовить вакцину, необходимую для клинического испытания фазы 1 (из-за других проблем, фактическое клиническое испытание состоялось 16 марта. . Запустил).

Более того, этот период может быть сокращен еще больше, если платформа разработки вакцины будет пересмотрена. Независимо от того, какие новые патогены появляются, они могут сделать вакцину и начать клинические испытания в течение месяца, имея только генетическую информацию. Поскольку время и затраты на первоначальную разработку невелики, его можно подготовить к инфекционным заболеваниям с относительно небольшим количеством пациентов. Кроме того, по сравнению с существующими лекарствами (белками или низкомолекулярными соединениями) его можно производить в небольших масштабах. В зависимости от конструкции производственного конвейера, объем производства может гибко регулироваться от малого до большого. Также возможно производить несколько типов мРНК, смешивать и вводить.

READ  «Незначительное снижение» ... Health объявляет заявление о травмах и смертях от Corona за день

Стабильность – тоже большая сила. Поскольку мРНК – это вещество в нашем организме, она сама по себе не токсична. В процессе производства вместо клеток используются очищенные ферменты, поэтому риск внесения опасных примесей практически отсутствует. Вот почему она считается более безопасной, чем любой другой тип вакцины, использовавшийся ранее. Однако существует вероятность того, что полиэтиленгликоль, компонент липидных наночастиц, переносящий мРНК, вызывает побочные эффекты. Однако с повсеместной оценкой и валидацией вакцины Corona 19 опасения по поводу безопасности скоро исчезнут.

Недостаток – термостойкость. Другие вакцины можно хранить при 4 ° C или комнатной температуре. Тем не менее, моддеры или вакцины должны храниться в морозильной камере, а вакцины Pfizer должны распространяться при криогенных температурах (-70 ° C). Сама очищенная мРНК является очень стабильным материалом, но предполагается, что липидные наночастицы нестабильны и требуют хранения при низкой температуре. Ключ в том, чтобы улучшить липидные наночастицы или разработать альтернативные технологии.

Также есть много возможностей для улучшения дизайна мРНК. Изучая каждый из компонентов РНК, нам нужно выяснить, как заставить РНК оставаться в клетке дольше и производить больше белка. Также необходимо найти лучшее решение, которое может вызвать соответствующий иммунный ответ, избегая при этом гипериммунитета. Если количество используемой РНК может быть уменьшено, ожидается, что вакцина будет доставлена ​​большему количеству людей быстрее и безопаснее по более низким ценам. Действительно, в случае мРНК-вакцины Curevac в Германии, которая в настоящее время проходит 2-ю фазу клинических испытаний, известно, что она эффективна даже при дозе 12 мкг и может распространяться в холодильнике.

Рисунок 4.  После более чем полувека исследований мРНК зарекомендовала себя как мощный инструмент для спасения человечества от кризиса инфекционных заболеваний.  Предоставлено Викимедиа (cc)

Рисунок 4. После более чем полувека исследований мРНК зарекомендовала себя как мощный инструмент для спасения человечества от кризиса инфекционных заболеваний. Предоставлено Викимедиа (cc)

Медицинский потенциал и влияние мРНК

мРНК стала мощным инструментом для спасения человечества от кризиса инфекционных заболеваний после более чем полувековых исследований с момента ее открытия в 1961 году. Поскольку безопасность и эффективность мРНК была доказана во время вспышки коронавируса 19, очевидно, что вакцины с мРНК будут широко использоваться в будущем для предотвращения инфекционных заболеваний. Поскольку Саскоронавирус-2 мутирует и будет продолжать поражать людей, мРНК-вакцины могут оказаться большим подспорьем в борьбе с мутантными вирусами. Конечно, нет гарантии, что вакцины с мРНК будут работать против всех патогенов. Однако с большой вероятностью повысится способность реагировать на новые патогены. Это может помочь решить локализованную инфекцию в слаборазвитых странах, которой пренебрегли без принятия мер. Клинические испытания мРНК-вакцин против вируса Зика, гриппа и малярии уже продолжаются.

Помимо вакцин для предотвращения инфекционных заболеваний, он также с большой вероятностью может использоваться в качестве вакцины против рака. Раковые клетки производят аномальные белки в отличие от нормальных клеток. Когда специфический для рака белок продуцируется в организме путем введения противораковой вакцины на основе мРНК, иммунные клетки могут распознавать раковый белок и избирательно уничтожать только раковые клетки. Белки раковых клеток могут варьироваться от пациента к пациенту, поэтому желательно разработать персонализированные противораковые вакцины. Разработать мРНК относительно легко, что позволяет производить персонализированные противораковые вакцины. Фактически, основной целью мРНК-вакцин до вспышки коронавируса был рак, и в настоящее время проводится ряд клинических испытаний.

READ  FDA одобрило распространяемое правительством лечение антителами, которое не широко используется для лечения COVID-19

Помимо вакцин, мРНК будет иметь широкое и глубокое влияние на медицину и биотехнологию как «носитель генов». мРНК теоретически может передать в наш организм любой ген. Можно «генерировать терапию», вводя ген, которого недостаточно в нашем организме, используя мРНК. мРНК легко и быстро разработать и произвести. Поэтому, если платформа хорошо оборудована, она может справиться с различными заболеваниями в течение нескольких месяцев. Другими словами, если идентифицирована только генетическая причина заболевания, относительно легко разработать вакцину и терапевтический агент, реагирующий на нее, а первоначальная стоимость разработки невысока. Соответственно, мы можем надеяться на появление лекарств от редких заболеваний, которые было трудно разработать из-за небольшого размера рынка. Это революционное изменение по сравнению с затратами более десяти лет и сотнями миллиардов вон на разработку существующих лекарств.

Сделать возможности мРНК реальностью

Эти радужные мечты сбываются не сами по себе. Чтобы реализовать потенциал мРНК, необходимы дополнительные исследования, и предстоит еще многое сделать.

Прежде всего, необходимы дополнительные исследования самой РНК. Нам необходимо убедиться, что РНК остается в нашем организме в течение длительного времени и хорошо вырабатывает белки, в то же время не вызывая чрезмерных иммунных реакций. Это требует более глубокого понимания РНК на более высоком уровне, чем сейчас. Во-вторых, следует усовершенствовать технологию доставки РНК. Чтобы доставить достаточное количество мРНК в любую точку нашего тела, необходимы эффективные технологии для отправки РНК в определенные органы и клетки. Также ключевым моментом является разработка более безопасного носителя с высокой термостойкостью. В-третьих, нужно точно знать генетическую причину заболевания. Только тогда вы сможете узнать, какие гены передать. Следовательно, необходимо предварительно провести молекулярно-генетические исследования причины заболевания. Наконец, необходимы человеческие сети и материальные инфраструктуры, которые могут органично связать эти междисциплинарные исследования. Должна быть система, которая способствует развитию профессиональных кадров и помогает базовым лабораториям, больницам, фармацевтической промышленности и правительству тесно сотрудничать.

Конечно, это непросто. Однако, поскольку вакцина Corona 19 была разработана быстро и успешно, маловероятно, что эта мечта осуществится слишком долго. В ближайшем будущем мы познакомимся с технологией РНК, которая напрямую связывает генетическую информацию с терапевтическими агентами. Возможно, это величайший дар науки 21 века человечеству.

※Рекомендации

Verbeke et al., Nano Today, 28: 1 (2019), Три десятилетия разработки вакцины на основе матричной РНК

Linares-Fernández et al., Trends in Molecular Medicine, 26: 311 (2019), Tailoring mRNA вакцины для баланса врожденного / адаптивного иммунного ответа.

Topol, Cell, (2021), Вакцины с матричной РНК против SARS-CoV-2.

Джексон и др., NPJ Vaccines 11: 1 (2020), Перспективы мРНК-вакцин: биотехнологические и промышленные перспективы.

Polack et al., NEJM 383: 2603 (2020), Безопасность и эффективность вакцины Covid-19 мРНК BNT162b2.

Jackson et al., NEJM 383: 1920 (2020), Вакцина с мРНК против SARS-CoV-2 – Предварительный отчет.

Битнаэри Ким, директор Исследовательского центра РНК Института фундаментальных наук (IBS), профессор кафедры естественных наук (биология РНК) Сеульского национального университета

※ Источник оригинального текста: Институт фундаментальных наук.

Институт фундаментальных наук (IBS) публикует серию «Корона 19 Научный отчет 2», чтобы найти научное понимание SARS-CoV-2 и способов его преодоления, после прошлого года. В этой серии мы сосредоточимся на тенденциях и проблемах исследований, связанных с разработкой вакцин и методов лечения, а также на вирусных мутациях, которые недавно вызвали интерес во всем мире. Мы надеемся, что передовые знания и информация, предоставленная учеными IBS и отечественными экспертами, помогут положить конец коронавирусной инфекции-19 (COVID-19, далее COVID-19).

https://www.ibs.re.kr/cop/bbs/BBSMSTR_000000001003/selectBoardArticle.do?nttId=19602&pageIndex=1&searchCnd=&searchWrd=

.

Leave a Comment