Три кроки до мРНК у світі

І чи є сподівання на перші кроки в Україні?

Лауреатами Нобелівської премії 2023 року в галузі фізіології та медицини стали Каталін Каріко і Дрю Вайсман — за «їхні відкриття щодо модифікацій нуклеозидних основ, які дали змогу розробити ефективні мРНК-вакцини проти COVID-19».

У Нобелівському комітеті пояснили свій вибір тим, що досягнення лауреатів змінили розуміння вчених щодо того, як мРНК взаємодіє з імунною системою, а їхній внесок допоміг створити вакцини, що врятували мільйони людей і відвернули від людства загрозу здоров’ю і життю.

Коронавірус SARS-CoV-2, який викликає захворювання COVID-19, мутуючи та створюючи нові варіанти штамів, залишається з нами й сьогодні. Але він уже не такий смертельний, як у перші місяці пандемії. Тепер проти нього є зброя, яка налаштовує організм на боротьбу, на імунну відповідь проти вірусу. Це — вакцини. Згадаймо, що вони з’явилися вже через кілька місяців після появи вірусу та оголошення пандемії, і серед них — принципово нові, створені не традиційно з використання ослабленого вірусу чи його протеїнових часток, а завдяки новим дослідженням і відкриттям. І відбулося це, як на перший погляд, просто блискавично. Чи справді це так? І чому саме такий вибір зробив Нобелівський комітет, називаючи лауреатів-2023?

З цим та іншими запитаннями ми звернулися до академіка-секретаря Відділення біохімії, фізіології і молекулярної біології академіка НАН України Сергія КОМІСАРЕНКА.

Крок перший. Інформація для протеїнів

— Сергію Васильовичу, чи очікували ви, що саме таким буде вибір Нобелівського комітету нинішнього року?

— Взагалі — так, цього можна було очікувати. У Массачусетському технологічному інституті щороку випускають бюлетень, у якому розповідають про найвидатніші наукові досягнення року. І ще у 2021-му було написано, що Каталін Каріко і Дрю Вайсман можуть отримати Нобелівську премію за внесок у створення мРНК-вакцини.

— Як сталося, що вакцини проти COVID-19 з’явилися так швидко? І який внесок нинішніх лауреатів у їхній появі?

— Насправді, не так швидко, як здається. Можна сказати, що від початку шляху до створення вакцини мРНК було зроблено щонайменше три надзвичайно важливі, я б сказав, революційні кроки. Але між цими кроками минало подекуди десятиліття.

І якщо вже казати про історію створення мРНК-вакцин, мені приємно, що фундаментальні дослідження у цьому напрямі були зроблені також людьми, з якими я особисто був знайомий.

Це, звичайно, легендарні імена: Френсіс Крік, якого я вважаю найбільш видатним науковцем сучасної біології, Джеймс Ватсон… Обидва отримали Нобелівську премію за те, що відкрили модель організації подвійної спіралі ДНК. Френсіс Крік запропонував і так звану «центральну догму біології» — про те, що генетична інформація передається від ДНК до РНК і до протеїну (і ніколи — навпаки — від протеїну до ДНК), хоча у схемі передачі, яку він намалював, РНК ще так не називалась.

— А чим такі важливі протеїни, що вони включені в «генетичний ланцюжок»?

— Протеїни — найголовніші молекули у клітині, які здійснюють величезну кількість функцій. Вони складаються з амінокислот, а послідовність амінокислот закодована в генах ДНК. Але ДНК міститься в ядрі, а протеїни синтезуються в цитоплазмі. І оскільки гени ДНК не потрапляють у цитоплазму, щось повинно передавати туди інформацію. Це «щось» — РНК. Вона схожа за своєю структурою на ДНК, комплементарна структурним генам ДНК, хоч і має певні відмінності. Така РНК і є молекулою-посередником між ДНК і протеїном. Водночас відбувається так звана транскрипція ДНК, коли інформація про майбутню структуру протеїну передається в послідовність основ у структурі РНК, яка переноситься у цитоплазму, і з неї на рибосомах (за допомогою транспортної — тРНК) зчитується (транслюється) інформація під час синтезу відповідного протеїну. У такому випадку — це кодувальна структура протеїну РНК, і її називають матричною (або інформаційною) РНК.

Існування мРНК, яка переносить генетичну інформацію від ДНК з ядра клітини до цитоплазми, довели своїми дослідженнями в Інституті Пастера французькі вчені Жак Моно та Франсуа Жакоб, які стали Нобелівськими лауреатами разом з Андре Львовим у 1965 році. Я познайомився з ними у 1974–1975 роках, коли був стажистом (нині ми б сказали «постдоком» — я був кандидатом наук) в Інституті Пастера в Парижі.

Інститут Пастера — це величезний комплекс, який складається з багатьох інститутів, що називаються відділеннями, і які зазвичай займають окремі будинки. Жак Моно на той час очолював Інститут Пастера (коли вони працювали над дослідженням, що принесло їм Нобелівську премію, він був завлабораторії клітинної біології), а Франсуа Жакоб завідував лабораторією у Відділенні молекулярної біології. Я працював у цьому ж відділенні й був щасливий спілкуватися з цими видатними вченими.

Не можу не згадати ще одного видатного біолога — Сідні Бреннера, який зробив значний внесок у розкриття триплетного коду трансляції білка. А разом з Френсісом Кріком вони відкрили так звані «мутації зсуву рамки», що допомогло розкриттю генетичного коду. Тобто, над майбутніми досягненнями в порятунку людства від коронавірусу працювали сотні вчених, розкриваючи таємниці генетичного коду і заглиблюючись у пізнання молекулярної організації живого.

…Отже, матрична РНК є носієм інформації для створення протеїнів. Якщо ввести її в клітину, то вона «навчить» її синтезувати потрібний протеїн. І це один з перших постулатів для створення мРНК-вакцини.

Крок другий. Ліпосоми для мРНК

— Нобелівському комітету, мабуть, не просто було зупинитися на кандидатах у лауреати. Але, хоч видатних дослідників багато, в цій номінації лауреатів тільки двоє…

— Як на мене, тут теж могла б бути третя особа. Бар’єрів на шляху до вакцини було багато. Наприклад, як мРНК потрапити у клітину живого організму, щоб запустити потрібну програму синтезу протеїну? Зробити це довго не вдавалося. Молодий учений, аспірант Інституту біологічних досліджень Солка в Ла-Хойя (Каліфорнія) Роберт Мелоун продемонстрував, що це можливо. Наприкінці 1987 року він змішав нитки мРНК із крапельками жиру, суміш проникла в клітини, де почався синтез протеїну, кодованого уведеною мРНК. Тоді вперше було використано жирові краплі, щоб полегшити проходження мРНК у живі клітини. Дослідник зробив кілька нотаток про експеримент, підписав, поставив дату. Записи про це залишив і його колега-свідок, який був при цьому присутній. У січні 1988 року Мелоун записав, що якби клітини могли створювати білки з доставленої в них мРНК, можна було б приймати «РНК як ліки». Мелоун, який називає себе «винахідником мРНК-вакцин», вважає, що його недооцінили. «Мене викреслили з історії», — сказав він кореспонденту Nature.

Я не член Нобелівського комітету, але, як на мене, Роберт Мелоун заслужив на те, щоб стати третім лауреатом. Адже цей експеримент значно просунув учених до створення двох найважливіших вакцин в історії.

— Це ж той Роберт Мелоун, який в коронавірусні роки активно боровся з мРНКовими вакцинами, розповідаючи, що вони шкідливі для здоров’я, особливо для дітей? А його колеги стверджують, що технологію з ліпосомами використовували й раніше — не у випадку вакцин, і взагалі за останні десятиліття так багато вчених внесли щось своє у досягнення наукового прориву, що уже важко сказати, хто зробив більше.

— В історії з вакцинами це справді так. Але завжди є хтось перший, хто зробить новий крок, а інші продовжують.

Щоправда, перші матричні РНКові вакцини викликали дуже сильну імунну відповідь, з великим запаленням. До того ж матрична РНК дуже нестабільна, у всіх живих організмах існують ензими (рибонуклеази — РНКази), які її швидко шматують, і вона тоді не може стати джерелом інформації. Для синтезу протеїну необхідно, щоб вона залишалася нативною.

Над цією проблемою працювали десятки академічних лабораторій і компаній, намагаючись знайти правильну формулу жирів і нуклеїнових кислот — будівельних блоків мРНК-вакцин. На якомусь етапі навіть почала превалювати думка, що мРНК взагалі не підходить для вакцин…

Крок третій. Каріко і Вайсман

— Цікаво, чи лауреатка Нобелівської премії Каталін Каріко читала запис Роберта Мелоуна, що якби клітини могли створювати білки, керуючись інформацією від екзогенної мРНК, можна було б приймати «РНК як ліки»? Це ж її мрія — створювати ліки, а не вакцини.

— Так, у неї була логічна ідея використати мРНК для лікування онкологічних захворювань. Їй довго не таланило: інвестори не вірили в мРНК і не хотіли давати їй гранти на дослідження. І так тривало досить довго. Фактично, аж поки не стався ковід.

Каріко і Вайсман різними шляхами опинилися у Філадельфії, у медичній школі Перельмана Пенсільванського університету, де було проведено основні дослідження. Каріко приїхала з Угорщини, вона — біохімік, докторка філософії. Дрю Вайсман — американець, доктор медицини й доктор філософії, імунолог.

У 1997 році Каріко почала працювати з Вайсманом, який саме тоді відкрив лабораторію в університеті Пенсільванії. І як імунолог, він, звичайно, більше схилявся до вакцин. Разом вони планували розробити вакцину проти ВІЛ/СНІД на основі мРНК.

Але оскільки проблеми з мРНК-вакциною тривали: вона все так само викликала сильну запальну реакцію і була нестабільною, Каріко вирішила перебудувати хімічні зв’язки на одному з нуклеотидів мРНК — замінити урацил на псевдоурацил (псевдоуридін). У його структурі — цукор, прив’язаний до так званої основи внаслідок зв’язку з першим вуглецем основи. А головне, там зв’язок не C-N, тобто не вуглець-азот, а C-C, вуглець до вуглецю. Цей зв’язок значно стабільніший. Додатково прив’язується ще один водень. Матрична РНК, у структурі якої урацили замінені на псевдоурацили, має більшу біологічну активність і, що цікаво, практично не викликає імунної реакції. У 2005 році дослідники опублікували обнадійливу новину, що така зміна частини коду мРНК допомагає синтетичній мРНК пройти повз імунний захист клітини. Це була їхня перша публікація на цю тему в Nature у 2005 році, потім були статті у 2008-му, потім у 2011-му і т. д. У 2013 році Каріко почала співпрацювати з BioNTech. Дослідниця не покидала думки створити на базі мРНК платформу для ліків та вакцини проти злоякісного росту. Але прорив стався тільки тоді, коли з’явився коронавірус. Утім, як і у «Модерни».

— Що найголовніше треба було знати розробникам вакцини, коли з’явився коронавірус?

— Найголовніше — треба було знати структуру РНК цього вірусу — послідовність нуклеозидів РНК, яка кодує цей вірус, який тоді був лише у Китаї. Китайці оприлюднили геном вірусу 10 січня 2020 року. Треба було взяти й зібрати цю структуру РНК. Головними світовими лідерами у створенні й широкій комерціалізації мРНКової вакцини стали американські компанії «Пфайзер» (Pfizer). і «Модерна» (Moderna), які працювали й досягли успіху практично паралельно і подібно. BioNTech, яка тоді була ще маловідомою та малопотужною, об’єднала свої знання з фармгігантом «Пфайзером», а «Модерна» співпрацювала з ученими NIH — з Інституту алергії та інфекційних захворювань у Бетесді, США. Наприклад, вчені компанії «Модерна» створили структуру мРНК-вакцини в комп’ютері за тиждень, використовуючи ще й штучний інтелект.

А потім за 42 дні «Модерна» зробила синтез мРНК-вакцини й провела її доклінічні випробування на тваринах. Вакцина працювала!

Далі були клінічні випробування, що тривали декілька місяців, адже вони мають кілька стадій. Остаточна — третя — потребує десятків тисяч людей, на яких випробовується вакцина (це тисячі добровольців різного віку, статі, раси, з різними захворюваннями тощо). «Пфайзер» провела клінічні випробування навіть швидше, оскільки мала для цього більше фінансових можливостей. І вже в листопаді 2020 року отримала дозвіл на впровадження. За ними — «Модерна». У грудні 2020 року вже були люди, провакциновані мРНКовою вакциною.

Менше ніж за рік була створена і масово впроваджена ефективна мРНК-вакцина проти коронавірусу, який охопив практично усі країни світу! А наступного року, десь у червні, така вакцина з’явилася в Україні.

Чимало експертів з мРНК відкриття Каріко та Вайсмана вважають одним із ключових внесків у розроблення вакцин.

Інша важлива інновація — це спосіб і технологія проникнення у клітину модифікованої мРНК. Від часу експерименту Мелоуна також багато чого змінилося — тепер використовуються крихітні бульбашки жиру, відомі як ліпідні наночастинки, які переміщують мРНК у клітини. Технологію розробили в лабораторії канадця Пітера Калліса. Нанорозмірні капсули захищають матричну РНК вакцини, роблять її стабільнішою і дають змогу краще проникати у клітини, де відбувається синтез шипоподібного протеїну оболонки коронавірусу (S-протеїну), проти якого формується захисна імунна відповідь.

Коли Україна робитиме мРНК-вакцини?

— Чи можемо ми сказати, як розгортатиметься історія наших мРНК-вакцин? Адже амбітне прагнення створити їх теж озвучувалося в Україні?

— Скажу тільки, що історія наших мРНК-вакцин неодмінно має бути. Я пригадую, як ще задовго до 2020 року, в Оксфорді, напевне, у 1995 році, відбувалася перша конференція, присвячена використанню нуклеїнових кислот для створення вакцин. Я тоді був послом у Великій Британії, але, дізнавшись про конференцію, взяв у ній участь і відчув, що починається нова ера у вакцинації. Хоча тоді це були більше здогадки (ДНК чи РНК?) і перспективні плани без конкретики. Але тепер, звичайно, необхідно, щоб технологія створення мРНК-вакцин не обійшла нашу державу.

Я спробував переконати Бориса Євгеновича Патона, що нам також треба працювати над створенням мРНК-вакцин. Були розмови і з заступником міністра, а нині — міністром охорони здоров’я України паном Ляшком. Вів переговори у Всесвітній організації охорони здоров’я в Женеві. Зустрічався з заступником генерального директора ВООЗ, а торік у Нью-Йорку познайомився з генеральним директором. Я йому розповів, що треба допомогти Україні створити мРНК-вакцини.

Адже є спеціальна світова програма ВООЗ підтримки для мало- і середньозабезпечених країн. Наприклад, ВООЗ допоміг створити мРНКову вакцину у Південній Африці. (Угоду про співробітництво тоді підписали президенти Франції та Південно-Африканської республіки й Генеральний директор ВООЗ). Я був присутній на вебінарах з Південної Африки, познайомився з людьми, які там це робили. Це був 2020 рік.

Вони зібрали близько 60 мільйонів доларів з різних джерел, аби запровадити виробництво. Але робили це не на порожньому місці, у них вже був сучасний біотехнологічний центр.

І тут треба згадати наш так і не створений Національний біотехнологічний центр. Ще у 2009 році я наче переконав і Патона, і Президента Ющенка, що його треба створити, і таке рішення було записано у рішенні РНБО України з питань біобезпеки у лютому 2009 року і затверджено Указом Президента України 6 квітня 2009 року. За Академією наук був би консультативний нагляд. Адже в наших інститутах — дуже багато розробок для медицини, але вони залишаються на полицях. От у мене й зараз є три препарати, з яких два з половиною впроваджені, і є ще штук десять важливих для нашої медицини, які треба впровадити. А нещодавно перед повідомленням про Нобелівську премію прочитав, що Вайсман і група вчених з Пенсільванського університету поїхали у Таїланд допомагати створювати мРНК-вакцини. І допомогли. Таїланд забезпечив свою країну та ще й сусідам допоміг.

— А самі ми можемо створити мРНК-вакцину?

— Теоретично можемо. Але є кілька важливих моментів: потрібні досить великі кошти для устаткування та реагентів; існують деякі ноу-хау для створення мРНК з псевдоуридіном та наноліпідних капсул. Тобто потрібні дозволи (або кошти) на використання наявних патентів. Але головне — потрібна державна воля, державна політика підтримки інноваційних проєктів, чого в Україні немає. Як немає і соціального запиту на мРНК-вакцини, за що відповідає МОЗ України. Створення мРНК-вакцин — вкрай важливий і стратегічний (так, стратегічний!) вибір у сфері профілактичних і лікувальних засобів боротьби з інфекційними та злоякісними захворюваннями. І не тільки з ними. Адже, що таке мРНК вакцина? Це готовий прототип будь-якої вакцини — треба лише змінити послідовність основ у структурі мРНК. Він дає змогу створювати вакцини від багатьох хвороб. І це вже робиться: від Епштейна-Барр, туберкульозу, гепатиту С, лептоспірозу, вірусу ЗІКа, від рідкісних захворювань типу мукополісахаридозу тощо. Тобто, розкриваються величезні можливості.

Чи проти всіх патогенів діє мРНК вакцини? Ні, на сучасному етапі — не проти всіх. Проти імунодефіциту людини поки що не виходить. А проти раку — є досить позитивний результат. І проти вірусу грипу — також. Наприклад, «Модерна» створила універсальну вакцину проти вірусу грипу 20 типів. «Пфайзер» над цим також працює, але йде іншим шляхом. Він хоче створити пан-вакцину — взагалі проти усіх вірусів грипу. Тобто, треба вибрати такі частини вірусу, які не змінюються рік від року. Так само і під час коронавірусного захворювання є найбільш консервативні частини, які не мутують. Якщо зібрати в мРНК, можна зробити вакцину універсальною. Звичайно, це не просто. Треба розглянути величезну кількість варіантів, щоб підібрати такі, що викликають потужну і специфічну імунну відповідь.

Наша проблема в тому, що в Україні немає інноваційної політики. У нас є досить потужні фармацевтичні кампанії, як-от «Дарниця», «Фармак», «Борщагівка», «Біофарма», є «Юрія-Фарм». І ми могли б розробляти й упроваджувати те, що для нас важливо. Але немає соціального замовлення: що потрібно для нашої країни, скільки, коли саме? Замовлення має зробити держава в особі МОЗ. На додаток хочу поскаржитися, що в Україні мало уваги надається (вони вкрай слабо фінансуються) фундаментальним наукам (зокрема, «наукам про життя» ― на відміну від загальносвітових тенденцій), що є в основі інноваційної діяльності.

Моя особиста стратегія для вітчизняної медицини така: треба створювати все, що потрібно нашій медицині й що ми можемо зробити не гірше, ніж за кордоном. Як це робилося свого часу в Японії, Китаї, Малайзії, інших країнах. Конкуренцію можна виграти завдяки якості й вартості. Купуватимуть, якщо якість краща, або — якщо якість така сама, але дешевше. І це елементарно здоровий глузд, який у нас часто-густо не працює.

Я дуже сподіваюся, що наш Інститут біохімії у співпраці з компанією «Юрія-Фарм», точніше, ми разом, зробимо дуже важливі ліки на основі рекомбінантного протеїну. Я поки це тримаю, ну, скажімо, при собі, але… Ця компанія не така багата і не така потужна, як «Дарниця» чи «Фармак», зате завжди готова до нового, до розвитку. Зокрема, сьогодні вони намагаються робити рекомбінантні (генно-інженерні) протеїни. Поки що в нашій країні успішно робиться тільки один такий протеїн — на ПрАТ «Індар». І це інсулін, досить простий і невеликий протеїн, який експресується в «Індарі» у бактеріях.

Для синтезу великих і глікозильованих протеїнів потрібні значно складніші (і дорожчі) культури евкаріотичних клітин.

До речі, НАН України підписала угоду про співпрацю з компанією «Індар» щодо створення мРНК-вакцини. Це стратегічне завдання, але побачимо, що з цього вийде, і яку ми отримаємо допомогу для реалізації такого співробітництва.

Розпитувала Лариса ОСТРОЛУЦЬКА

Фото: EPA/UPG, lb.ua

Читайте також: