В начале пандемии сразу несколько научных групп в России объявили о работе над мРНК-вакцинами от коронавируса SARS-CoV-2, но создать их пока не удалось. Между тем идею не забыли, ее воплощают в жизнь в научных центрах Новосибирского Академгородка и наукограда Кольцово. Ученые хотят получить универсальную технологию, которую можно в экстренном случае привести в готовность буквально за считанные недели. Корреспондент РИА Новости поговорила с участником исследования.

Вакцина, несущая инструкции

Во время пандемии COVID-19 в практику из лабораторий хлынуло множество научных открытий, ждавших своего часа десятки лет. Самый яркий пример — технологии на основе вирусного вектора и мРНК, послужившие созданию вакцин нового поколения.

В России широко используют векторный препарат "Спутник V" Центра Гамалеи — это первая в мире зарегистрированная вакцина от возбудителя COVID-19. В США лидируют мРНК-вакцины производства Pfizer и Moderna. По эффективности и безопасности они сравнимы с векторными.

РНК — природная молекула, одна из трех жизнеобразующих наряду с ДНК и белками. Она есть у всех клеточных форм жизни и внеклеточных агентов — таких как вирусы. РНК, как и ДНК, кодирует информацию о синтезе белков, представляет собой матрицу для их производства и выполняет разные регулирующие задачи для организма.

Многие вирусы для передачи наследственной информации используют РНК, таков и коронавирус SARS-CoV-2 — возбудитель COVID-19. Его геном — молекула РНК, покрытая белковой оболочкой, свернутая, помещенная в липидную капсулу (капсид). На ее поверхности выставлены белки-шипы. С их помощью вирус проникает сквозь мембрану человеческой клетки и привлекает ее ресурсы для реплицирования. Наш организм распознает белки-шипы как врага и в ответ строит защиту из антител.

При этом мРНК-вакцина отчасти имитирует поведение вируса. Только вместо целой вирусной частицы в клетку попадает фрагмент РНК — тот, что несет информацию о белке-шипе. Этот фрагмент служит своего рода матрицей для синтеза. Отсюда название — матричная, или сокращенно мРНК.

От эксперимента к технологии

В ноябре 2020-го научная группа Ларисы Карпенко из ГНЦ "Вектор" опубликовала обзор мРНК-вакцин против коронавируса. Авторы отметили, что до пандемии по этой технологии разработали вакцины-кандидаты против нескольких видов рака и вирусов. Небольшое их число, главным образом против ВИЧ, испытывали на людях, но ни один не вошел в практику.

Препараты на основе мРНК считают более безопасными — они не встраиваются в геном, не вносят в него мутации и быстро разлагаются в клетке. А во-вторых — они более эффективные, поскольку вызывают два вида иммунитета, антительный и Т-клеточный.

И мРНК-вакцины проще и дешевле производить по сравнению, например, с инактивированными, для которых нужен настоящий вирус и соответствующие условия работы. Так, уже через двое суток после публикации полного генома нового коронавируса у компания Moderna был план, как разработать мРНК-вакцину. Первую партию выпустили через 42 дня, в марте 2020-го стартовали испытания. Но главное — имелась готовая технология.

"Когда началась пандемия, буквально в считанные месяцы на российском рынке появились десятки отечественных тест-систем для выявления возбудителя COVID-19 и антител к нему. Потому что была база: этим занимались научные центры, предприятия выпускали реагенты, оборудование", — рассказывает Григорий Степанов, заведующий лабораторией геномного редактирования Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН.

По этой же причине быстро разработали вакцину в Центре Гамалеи — был хороший задел, платформа на основе аденовирусного вектора, испытанная против лихорадки Эбола. Оставалось только заменить кодирующий антиген участок генома — белок, вызывающий иммунный ответ.

А вот технологической платформы для синтеза мРНК в России нет. Ее предстоит создать.

"К нам обратились вирусологи с просьбой помочь синтезировать правильную структуру мРНК и провести совместные исследования. Мы взялись за эту задачу, потому что химия нуклеиновых кислот — наш профиль", — говорит ученый.

Технологическая платформа для мРНК — это инструментарий для синтеза молекулы, средство доставки ее в клетку, условия, специалисты, помещения для производства.

"Специалисты у нас есть, инструменты создаем, — перечисляет Степанов. — Мы разрабатываем всю технологическую базу и готовы обеспечить всех желающих необходимыми сырьевыми ресурсами".

По его словам, мРНК-вакцина очень хорошо себя проявила, поэтому в мире ожидается бум этой технологии — ее будут использовать для других вакцин и генной терапии. "Это прорыв, в который нужно встроится на старте и занять лидирующие позиции", — замечает исследователь.

Кубики для синтеза, обертка для РНК

"мРНК — это полимер, состоящий из отдельных кубиков — мономеров. Они нужны как исходные компоненты для качественного синтеза мРНК, неважно, будет ли это вакцина против инфекций или рака. Второе направление даже перспективнее", — продолжает Григорий Степанов.

Мономеры в РНК — это нуклеотиды, то есть соединения сахаров с азотистыми основаниями. Наши клетки постоянно синтезируют РНК из нуклеотидов при помощи фермента-полимеразы, которая считывает нужную последовательность с ДНК.

Нуклеотиды для РНК получают химическим или биотехнологическим способом — синтезируют в химических реакторах. В России сейчас производят не все необходимые нуклеотиды, часть закупают за рубежом. Поэтому весьма актуальна задача наладить собственное производство. Взяться за это готовы предприятия Новосибирского Академгородка.

Ферменты (биологические катализаторы) для синтеза РНК получают биотехнологическими методами. Эта технология у нас на хорошем уровне.

При наличии всех "кубиков" и ферментов синтезировать мРНК нужной последовательности несложно и недорого. Однако эта молекула очень нежная, о чем прекрасно известно всем, кто с ней работает. Если ее "голой" вколоть в мышцу, она очень быстро разрушится, не дойдя до цели. Ученым потребовался не один десяток лет, чтобы понять, как улучшить мРНК (модифицировать), но существующие решения не идеальны.

"Нужно добиться, чтобы при введении мРНК не разрушилась сразу, попала в клетки нужного типа, развернулась там, чтобы защита клетки ее не приняла за врага и не уничтожила. Тогда мРНК в цитоплазме синтезирует нужный нам белок", — поясняет исследователь.

Доставка мРНК в клетку — особая проблема, не окончательно решенная. Защитные механизмы не пускают внутрь ничего инородное. Нужно какое-то средство доставки, которое обманет внутриклеточную охрану. На эту роль испытывают разные природные полимеры, неорганические наночастицы, но сложно просчитать последствия их присутствия в организме.

"Носитель мРНК должен быть максимально безопасным, быстро деградировать в клетке, а продукты распада быстро выводиться", — обращает внимание Степанов.

Сейчас преимущество отдано липосомам, по сути, нанокаплям жира. Они заряжены положительно, а мРНК отрицательно, поэтому липосомы со всех сторон облегают молекулу. Однако таким же образом они могут взаимодействовать с белками, нуклеиновыми кислотами внутри клетки и организма, что вызывает нежелательные побочные эффекты.

Липосомы можно модифицировать, но это резко удорожает производство, к тому же их нужно хранить при очень низкой температуре, а это затрудняет логистику в случае массового применения.

В "Векторе" используют собственный носитель— составную молекулу полиглюкина со спермидином, изначально разработанную для доставки ДНК-вакцины в клетки. Оба компонента — природного происхождения, безопасны и хорошо деградируют. Ученые уже получили обнадеживающие результаты экспериментов на мышах.

Клеточные ворота для вакцины

Доставить мРНК в клетку — полдела. Сама молекула должна быть правильной, иначе внутриклеточная защита признает ее врагом и разрушит. Чтобы этого избежать, ее модифицируют еще на стадии синтеза. Прежде всего вставляют особый мономер, который сигнализирует клетке: "Эта мРНК своя, пропустите, ее можно транслировать (использовать для синтеза)".

"Мы перебираем разные мономеры, вставляем в мРНК и смотрим, какие дают лучший эффект. В теории некоторые хорошие, а проверяем в лаборатории — не то", — говорит Степанов. В мае у него вышла совместная с учеными из "Вектора" статья о модификации мРНК-вакцины против гриппа. Лучший эффект показал природный нуклеотид псевдоуридин. Именно его сейчас используют в вакцинах этого типа.

Второй компонент модификации — особая химическая структура на конце мРНК. "Прежде чем синтезировать нужный белок, мРНК проходит этапы ядерного созревания, о чем свидетельствует кэп-структура (пять-штрих-кэп). Она разрешает внутриклеточным инструментам транслировать белок с мРНК. Это то, что нам нужно. Дальше фрагменты белка предъявляют иммунитету для реагирования", — объясняет ученый.

Помимо синтеза правильной мРНК и выбора доставщика, нужно решить еще ряд проблем: обеспечить постоянный состав вакцины в каждой дозе, подобрать адекватную модель животных для исследований. При этом мРНК — очень нестабильная молекула, она реагирует на малейшее загрязнение. Для работы с ней нужны исключительные стандарты чистоты, а предприятия должны соответствовать правилам GMP — надлежащей производственной практики. Это необходимое условие для признания фармпрепаратов в ЕС.

Ученые не хотят торопиться. Лучше, опираясь на международный опыт и собственные наработки, все подготовить и испытать. И тогда в стране будет рабочая "мРНК-платформа", которую можно использовать для создания разных вакцин. В том числе поливалентных — например, сразу от нескольких штаммов гриппа и коронавируса, а также вакцин от рака и генной терапии.

По материалам сайта РИА Новости