Η πανδημία του 2020, οφειλόμενη σε ένα νέο στέλεχος κορωνοϊού(SARS-CoV-2), κινητοποίησε την παγκόσμια επιστημονική κοινότητα να δράσει με αναπάντεχη ταχύτητα προκειμένου να εφευρεθεί ένα αποτελεσματικό εμβόλιο.

Βιοτεχνολογικές εταιρείες όπως οι Moderna, Pfizer&BioNTech, CureVacκαι Arcturus, ανακοίνωσαν στα τέλη του 2020 την σύνθεση τέτοιων εμβολίων, που όλα όμως έχουν ένα κοινό χαρακτηριστικό: είναι mRNAεμβόλια.

Τι είναι όμως ένα εμβόλιο, τι είναι το mRNA και πώς ο συνδυασμός τους αποτελεί μια καινοτόμο προσέγγιση του εμβολιασμού όπου η βασική και εφαρμοσμένη έρευνα συνδυάζονται;

Στις αρχές του 20^ου αιώνα, ανακαλύφθηκε ότι παθογόνοι μικροοργανισμοί είναι ικανοί να προκαλούν μεταδοτικές ασθένειες στον άνθρωπο. Αντίστοιχα, η συνεχώς επεκτεινόμενη γνώση γύρω από το ανοσοποιητικό σύστημα, δηλαδή την ομάδα των ανθρώπινων κυττάρων που έχουν την ικανότητα να αναγνωρίζουν και να εξαλείφουν παθογόνους εισβολείς, συνδυάστηκε με την ανάγκη επινόησης θεραπευτικών μεθόδων. Έτσι, δεκαετίες μετά, γνωρίζουμε λεπτομερώς πώς μια, π.χ. ιική μόλυνση αναπτύσσεται και καταπολεμάται στον ανθρώπινο οργανισμό.

Η είσοδος ενός ιού, όπως ο κορωνοϊός SARS-CoV-2, στο ανθρώπινο κύτταρο (βλ. αντίστοιχο άρθρο— Μοριακό hacking: πώς ο κορωνοϊός καταστρατηγεί το ανθρώπινο κύτταρο) οδηγεί στην δημιουργία νέων ιών αλλά επίσης προκαλεί μια κυτταρική αντίδραση συναγερμού. Η αντίδραση αυτή ξεκινάει με την λήψη πρωτεϊνών του ιού από το ανθρώπινο κύτταρο. Στη συνέχεια, το κύτταρο παρουσιάζει τις πρωτεΐνες αυτές στην εξωτερική του μεμβράνη. Αυτό λειτουργεί σαν σήμα που προειδοποιεί το ανοσοποιητικό σύστημα ότι υπάρχει μόλυνση από ιό. Τα περιπλανώμενα κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος, που ταξιδεύουν σε όλο το σώμα μέσω της κυκλοφορίας του αίματος, είναι ικανά να αναγνωρίσουν τα εκτεθειμένα «ξένα» ιικά μόρια στις κυτταρικές μεμβράνες των μολυσμένων κυττάρων και να ενεργοποιηθούν.

Η ενεργοποίηση περιλαμβάνει τη δημιουργία κυτταροτοξικών κυττάρων (ικανών να σκοτώνουν μολυσμένα κύτταρα), παραγωγή αντισωμάτων (ικανών να στοχεύουν και να εξαλείφουν τους ιούς) και παραγωγή κυττάρων μνήμης (ικανά να «θυμούνται» τον εισβολέα σε πιθανή μελλοντική μόλυνση). Αυτά αναζητούν το συγκεκριμένο εισβολέα σε όλο το σώμα και συλλογικά αποτελούν την ανοσολογική απόκριση του οργανισμού.

Εικόνα 1. Τύποι εμβολίων. Τα εμβόλια κατατάσσονται σε τρεις κατηγορίες, ανάλογα με την σύσταση και τον τρόπο δράσης τους.

Βάσει του παραπάνω μηχανισμού, θα περίμενε κανείς ότι ανοσία επιτυγχάνεται μόνο μετά από μόλυνση με τον ιό. Όμως, μόλυνση με αποδυναμωμένο ή απενεργοποιημένο ιόή τμημάτων αυτού είναι επίσης ικανή να προκαλέσει ανοσολογική απόκριση (Εικόνα 1). Με άλλα λόγια, η ύπαρξη και μόνο του ιού ή τμημάτων του στο ανθρώπινο σώμα είναι ικανή να ενεργοποιήσει το ανοσοποιητικό σύστημα χωρίς την εμφάνιση συμπτωμάτων της ασθένειας. Αυτή είναι και η γενική ιδέα του εμβολίου. Έτσι, μέσω της ανοσολογικής απόκρισης και της δημιουργίας κυττάρων μνήμης, ο ανθρώπινος οργανισμός είναι ικανός να αναγνωρίσει και να καταστρέψει τον ιό σε μελλοντική πραγματική μόλυνση.

Σύμφωνα με την μοριακή τους σύσταση, τα εμβόλια κατατάσσονται σε τρεις κατηγορίες (Εικόνα 1). Η πρώτη περιλαμβάνει την έγχυση στον οργανισμό αποδυναμωμένων ιών ή τμημάτων αυτών τα οποία δεν είναι ικανά να προκαλέσουν ασθένειες αλλά διεγείρουν το ανοσοποιητικό σύστημα. Η δεύτερη κατηγορία περιλαμβάνει την έγχυση μεμονωμένων ιικών πρωτεϊνών που αναγνωρίζονται από το ανοσοποιητικό σύστημα ως ξένες και το ενεργοποιούν. Η τρίτη κατηγορία περιλαμβάνει την έγχυση τμήματος γενετικού υλικού του ιού. Η πλέον σύγχρονη προσέγγιση αυτής της κατηγορίας είναι τα λεγόμενα mRNAεμβόλια και το πρώτο εμβόλιο αυτού του τύπου που λαμβάνει έγκριση για ευρεία χρήση είναι το εμβόλιο κατά του νέου κορωνοϊού SARS-CoV-2.

Τι είναι όμως το mRNAκαι πώς η βιολογία του χρησιμοποιήθηκε στην ανάπτυξη εμβολίων κατά του κορωνοϊού;

Το mRNA(σύντμηση του messengerRNA, αγγελιαφόρου RNA) είναι το ενδιάμεσο γραμμικό μόριοπου μεσολαβεί μεταξύ των γονιδίων, δηλαδή του DNAπου αποθηκεύει τις πληροφορίες για τα χαρακτηριστικά ενός οργανισμού, και των πρωτεϊνών, δηλαδή των τελικών μορίων που σχηματίζουν τα χαρακτηριστικά του (Εικόνα 2). Κάθε γονίδιο που πρέπει να εκφραστεί σε έναν οργανισμό είναι γραμμένο και αποθηκευμένο στη χημική μορφή του DNA. Προκειμένου να εκφραστεί, πρέπει να μεταγραφεί σε μια νέα μορφή, αυτή του mRNA.

Φανταστείτε το σαν ένα βιβλίο συνταγών που βρίσκεται σε μια βιβλιοθήκη. Αντί να πάρετε όλο το βιβλίο μαζί σας που περιέχει όλες τις συνταγές (στην περίπτωσή μας, όλα τα γονίδια ενός οργανισμού), βγάζετε φωτοτυπία μια συγκεκριμένη συνταγή που σας ενδιαφέρει (στην περίπτωσή μας, τοmRNA)την οποία εκτελείτε.

Η φωτοτυπία είναι αντίγραφο της συνταγής στο βιβλίο όπως το mRNA είναι αντίγραφο του γονιδίουστο DNA.  Έτσι, σε κάθε οργανισμό, κάθε γονίδιο που χρειάζεται να εκφραστεί, μεταγράφεται πρώτα σε mRNA (Εικόνα 2). Το mRNAστη συνέχεια διαβάζεται από τα εργοστάσια παραγωγής πρωτεϊνών στα κύτταρα, τα οποία ακολουθούν τις πληροφορίες αυτές για να συνθέσουν την σωστή πρωτεΐνη (Εικόνα 2). Η πρωτεΐνη αυτή στη συνέχεια επιτελεί την λειτουργία της στον οργανισμό. Η λειτουργική αυτή αλληλουχία (DNAàmRNAàπρωτεΐνες) ονομάζεται Κεντρικό Δόγμα της Μοριακής Βιολογίας, αντανακλώντας ακριβώς τη σχεδόν καθολική του ύπαρξη σε όλους τους οργανισμούς. Αντίστοιχα, ένας ιός επίσης χρησιμοποιεί mRNAπροκειμένου να συνθέσει τις ιικές πρωτεϊνες που θα σχηματίσουν νέους ιούς.

Η επιστημονική κοινότητα πλέον έχει αποκρυπτογραφήσει τη βιολογία του mRNA, η οποία επιστρατεύεται, μεταξύ άλλων, και στην ανάπτυξη εμβολίων.

Συγκεκριμένα, το εμβόλιο mRNAμιμείται τις μοριακές διαδικασίες συναγερμού που συμβαίνουν σε μια μόλυνση από ιό, παρακάμπτοντας τα συμπτώματα της ασθένειας (Εικόνα 2).

Βιοτεχνολογικές εταιρείες έχουν δημιουργήσει mRNAτο οποίο περιέχει πληροφορίες για την σύνθεση μιας εκ των σημαντικών πρωτεϊνών του νέου κορωνοϊού, ονόματι πρωτεΐνη ακίδα (spikeprotein— Εικόνα 2). Το mRNAαυτό ενθυλακώνεται σε νανοσωματίδια (κυρίως λιπιδικής φύσης) τα οποία προστατεύουν το mRNAαπό αποδόμηση και διευκολύνουν την λήψη του από τα ανθρώπινα κύτταρα (Εικόνα 2). Με τον εμβολιασμό, τα νανοσωματίδια εισέρχονται στην κυκλοφορία του αίματος και λαμβάνονται στοχευμένα από εξειδικευμένα κύτταρα.

Η είσοδος του mRNAστο ανθρώπινο κύτταρο θα οδηγήσει στην σύνθεση της πρωτεΐνης ακίδας, η οποία στη συνέχεια θα φορτωθεί στους ειδικούς υποδοχείς MHC (Εικόνα 2).

Στη συνέχεια, οι υποδοχείς αυτοί θα παρουσιάσουν την ιική πρωτεΐνη στα κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος, για να ενεργοποιηθεί η ανοσολογική απόκριση (Εικόνα 2). Επομένως, η μοναδική αυτή πρωτεϊνη ακίδα (και όχι ολόκληρος ο ιός) μπορεί να ενεργοποιήσει ανοσολογική απόκριση χωρίς τα συμπτώματα μιας πραγματικής μόλυνσης, αφού δεν συντίθενται πλήρως λειτουργικοί ιοί.

Τα mRNAεμβόλια περιλαμβάνουν αρκετές βελτιώσεις σε σχέση με τις δυο πρώτες κατηγορίες εμβολίων.

Για παράδειγμα, η έγχυση αποδυναμωμένου ιού δεν αποκλείει την εμφάνιση συμπτωμάτων ή παρενεργειών. Επιπλέον, η έγχυση μεμονωμένων πρωτεϊνών του ιού στην κυκλοφορία του αίματοςσυχνά ακολουθείται από γρήγορη αποδόμηση των πρωτεϊνών αυτών, με αποτέλεσμα μια μικρής διάρκειας και ισχύος ανοσολογική απόκριση. Τα εμβόλιαmRNAπου έχουν κατασκευαστεί είναι σταθερά μέσα και έξω από το ανθρώπινο κύτταρο (λόγω της ενωμάτωσής τους σε νανοσωματίδια) και οδηγούν σε συνεχή δημιουργία ιικών πρωτεϊνών. Έτσι, επιτυγχάνεται μεγάλης ισχύος και διάρκειας ανοσολογική απόκριση. Επιπλέον, το mRNAαποτελεί ένα φυσιολογικό μόριο στα ανθρώπινα κύτταρα. Ελαχιστοποιείται λοιπόν η πιθανότητα παθογονικότητας του ίδιου του mRNAκαι εμφάνισης παρενεργειών στον άνθρωπο ή το περιβάλλον. Τέλος, σύγχρονες μοριακές τεχνικές καθιστούν την παρασκευή του γρήγορη, εύκολη και με σχετικά χαμηλό κόστος. Στα αρνητικά συγκαταλέγεται η δυσκολία αποθήκευσης και μεταφοράς των συγκεκριμένων εμβολίων, λόγω της ευαίσθητης χημικής φύσης τουmRNA.

Η ταχεία ανάπτυξη των εμβολίων mRNAέχει εγείρει αντιδράσεις σχετικά με τον επαρκή έλεγχο της ασφάλειάς τους. Οι βιοτεχνολογικές εταιρείες που είναι υπεύθυνες για τα εμβόλια αυτά ακολουθούν αυστηρά πρωτόκολλα ελέγχου και κλινικών δοκιμών που δύσκολα μπορούν να παρακαμφθούν. Κύριοι λόγοι της ταχείας ανάπτυξης των εμβολίων είναι η παγκόσμια κινητοποίηση της επιστημονικής κοινότητας, οι επιστημονικές συνεργασίες και φυσικά η ήδη υπάρχουσα γνώση πάνω στο mRNAκαι τους κορωνοϊούς.

Επομένως, στις μέρες μας η σύνθεση mRNAκαι η κλινική του δοκιμή επιταχύνονται.

Τα mRNAεμβόλια, συνδυάζοντας την βασική έρευνα της βιολογίας του mRNAκαι τις βιοτεχνολικές πλατφόρμες παραγωγής, αποδεικνύονται πολλά υποσχόμενα στην καταπολέμηση μιας πληθώρας λοιμωδών ασθενειών και τύπων καρκίνου.

Εικόνα 2. Ο ρόλος του mRNAσε φυσιολογικά κύτταρα (αριστερά), στη ιική μόλυνση (κέντρο) και ως εμβόλιο (δεξιά).Αριστερά, ο φυσιολογικός ρόλος του mRNAως ενδιάμεσο μόριο μεταξύ DNAκαι πρωτεϊνών. Στο κέντρο, ο ρόλος του ιικού mRNAστη σύνθεση των ιικών πρωτεϊνών (κόκκινο) και την δημιουργία νέων ιών κατά τη μόλυνση. Δεξιά, η λειτουργία του mRNAως εμβολίου και η αναγνώρισή του από κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος (μωβ).

Πηγές:

1. Kramps T. &Elbers K. (2017) RNA Vaccines: Methods and Protocols, Methods in Molecular Biology
2. Pardi N., Hogan M. J., Porter F. W. &Weissman D. (2018) mRNA vaccines – a new era in vaccinology, Nat Rev Drug Discovery, 17:261-279.
3. Nature Milestones in Vaccines, nature.com