Приручение матричной РНК

История Нобелевских премий в области физиологии и медицины началась в 1901 году с Эмиля Адольфа фон Беринга, немецкого ученого, который изобрел «сывороточную терапию и ее применение при лечении дифтерии, что открыло новые пути в медицинской науке и дало в руки врачей победоносное оружие против болезни и смерти».

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Таким образом, первая Нобелевская премия была присуждена за открытие, которое принесло реальную практическую пользу и спасло жизни десяткам тысяч людей.

Нобелевская премия по физиологии и медицине в 2023 году была присуждена биохимику Каталин Карико и иммунологу Дрю Вайсману за открытия, которые позволили разработать вакцины на основе матричной РНК (мРНК) против COVID-19. Карико и Вайсман разработали способ получения стабильных и не вызывающих иммунный ответ мРНК в клетках живых организмов путем замены одного компонента молекулы мРНК, уридина, в генетическом материале на аналогичный — псевдоуридин.

В отношении лауреатов 2023 года принесенную ими пользу человечеству уже сейчас можно сравнить с той, которую принесли открытие и труды Эмиля Беринга. Потому что противокоронавирусными вакцинами на основе матричных РНК были привиты миллиарды людей во всем мире, что спасло жизни миллионам. Причем это только в отношении нынешней коронавирусной пандемии. А ведь дело в том, что вакцины на основе мРНК можно делать против практически любой инфекции. Так, разработанная на этом же принципе компанией Moderna вакцина против респираторно-синцитиального вируса (РСВ) проходит сейчас клинические испытания 3-й фазы в США, причем ее эффективность будет проверяться в сравнении с субъединичными вакцинами против РСВ компаний Pfizer и GlaxoSmithKline. Между тем этот вирус по вызываемой им смертности сравним и с вирусами гриппа, и с нынешним коронавирусом.

Но начнем по порядку. Лежавшая на поверхности идея разработки вакцин на основе матричных РНК (мРНК), то есть клеточных РНК, на матрице которых синтезируются соответствующие белки, возникла еще в 1980-е годы. Но тогда же быстро выявились и большие проблемы с практическим воплощением этой идеи, которые сходу решить не удалось. Дело, во-первых, в том, что мРНК в клетке имеет небольшое время жизни. Во-вторых, известная тогда процедура ее введения в клетки работала на культуре клеток, но на организменном уровне была трудноосуществима. В-третьих, большие количества вводимых в организм мРНК вызывали весьма нежелательную иммунную реакцию организма. Поэтому от данной идеи надолго отказались, и только время от времени возвращались к ней, пробуя разные варианты преодоления этих проблем.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Каталин Карико, венгерка по происхождению, загорелась такой идеей через несколько лет после окончания университета. Она глубоко поняла основную проблему в использовании мРНК в качестве вакцины. Как же так, в клетке мРНК, синтезированная в ядре, не вызывает никаких иммунных реакций, а введенная в организм извне вызывает, и еще какую?! Она пыталась решить эту проблему одна, но у нее ничего не получалось, а ее начальство в университете Пенсильвании сочло молодую ученую бесперспективной и уволило. Ей пришлось искать работу, и она ее нашла в никому тогда не известной немецкой компании BioNTech, которая занималась этой темой. В это же время она, молекулярный биолог, познакомилась с иммунологом Дрю Вайсманом, которому эта тема оказалась близкой.

И вот Карико и Вайсман заметили, что именно дендритные клетки иммунной системы распознают транскрибируемую мРНК in vitro как чужеродное вещество, что приводит к их активации и высвобождению воспалительных сигнальных молекул. Они задались вопросом, почему транскрибируемая in vitro мРНК была распознана как чужеродная, в то время как мРНК, образующаяся в норме в клетках млекопитающих, не вызывала такой же реакции. И тут Карико и Вайсман поняли, что разные типы мРНК должны различаться по некоторым критическим свойствам.

РНК содержит четыре азотистых основания (A, U, G и C), соответствующие A, T, G и C в ДНК, буквам генетического кода. Карико и Вайсман, как и все ученые-биологи, знали, что основания в мРНК из клеток млекопитающих часто химически модифицируются, тогда как мРНК, транскрибируемые в пробирке, не модифицируются. Они задались вопросом, может ли отсутствие измененных оснований в транскрибируемой in vitro РНК объяснить нежелательную воспалительную реакцию. Чтобы подтвердить или опровергнуть это, они получили различные варианты мРНК, каждый с уникальными химическими изменениями в основаниях, которые они доставили в дендритные клетки и проверили реакцию клеток на них.

Вариантов таких были десятки, и для некоторых результаты были удивительными: воспалительная реакция практически исчезла, когда в мРНК были включены определенные модификации оснований. Это было изменением парадигмы в понимании того, как клетки распознают различные формы мРНК и реагируют на них. Карико и Вайсман сразу поняли, что их открытие имеет огромное значение для использования мРНК в качестве главного компонента вакцины. Их многообещающие результаты были опубликованы в 2005 году, за пятнадцать лет до пандемии ковида.

В дальнейших исследованиях, опубликованных в 2008 и 2010 годах, Карико и Вайсман показали, что доставка мРНК, синтезированной с модифицированными нуклеотидами, заметно увеличивает выработку белка по сравнению с немодифицированной мРНК. Эффект был обусловлен снижением степени деградации мРНК. Благодаря открытию того, что базовые модификации одновременно уменьшают воспалительные реакции и увеличивают выработку белка, Карико и Вайсман устранили самые серьезные препятствия на пути к клиническому применению мРНК.

В связи с их публикациями интерес разработчиков к технологии мРНК-иммунизации начал возрастать, и в 2010 году несколько компаний, включая американскую компанию Moderna и германскую BioNTech, куда перешла работать Каталин Карико, начали разработку таких вакцин. Проблемы с доставкой еще оставались, да и масштабирование такой технологии потребовало незаурядных усилий, но стало ясно, как на основе работ этих ученых решать главные проблемы. В результате компания Moderna еще до 2020 года разработала кандидатные вакцины против вирусов Зика, БВРС-коронавируса, разных вариантов вирусов гриппа, респираторно-синцитиального вируса (РСВ) и других.

На основе этих прорывов после начала пандемии ковида с рекордной скоростью были разработаны две мРНК-вакцины с модифицированными основаниями, кодирующие поверхностный белок SARS-CoV-2. И в первых же клинических испытаниях 3-й фазы защитный эффект составил около 95%. Обе противокоронавирусные вакцины были одобрены для массового применения в США еще в декабре 2020 года.

Потрясающие скорость и универсальность такого подхода открывают пути к использованию новой платформенной технологии и для вакцин против других инфекционных заболеваний, что сейчас демонстрируется на вакцине против РСВ. В будущем эту технологию, помимо разработки вакцин, также можно будет использовать для доставки в организмы мРНК для терапевтических белков и, вследствие этого, для лечения по крайней мере некоторых типов рака.

Сергей Нетесов, академик РАН, доктор биологических наук, профессор, Новосибирский государственный университет