Потрясли до основания: Нобелевка за РНК-вакцины против ковида

Каталин Карико из Сегедского университета (Венгрия) и Пенсильванского университета (США) и Дрю Вайсман из Пенсильванского института РНК-инноваций и Пенсильванского университета удостоились премии «за открытия о модификациях нуклеозидных оснований, позволившие разработать эффективные мРНК-вакцины от COVID-19». Это не первая «нобелевка» за вакцины: так, в 1951 году ее вручили Максу Тейлеру, который изучал желтую лихорадку и разработал вакцину против нее на основе ослабленного вируса. Однако с годами вакцины все чаще стали делать более безопасным способом, используя для этого не целый патоген, пусть и менее заразный или «убитый», а лишь какие-то фрагменты его самого (например, вирусный белок, как в вакцинах против папилломавирусов или вируса гепатита B) или его генетического кода. Обычно самыми узнаваемыми становятся белки на поверхности вирусной частицы, по которым иммунитет сможет «запомнить врага в лицо». Такие фрагменты можно вставлять в безобидный вирус-носитель — вектор, который проникнет в клетки и заставит их активно синтезировать нужный белок, но при этом не наносит того же вреда, что «вирус-оригинал».

Но чтобы синтезировать такие вакцины, требуется огромное количество клеток, в которых будут нарабатываться необходимые вирусы, белки или векторы. В сжатые сроки во время пандемии такое масштабное производство наладить довольно сложно.

То ли дело молекулы, кодирующие генетическую информацию: двуцепочечная ДНК, в виде которой в наших клетках хранятся гены, и состоящая из одной цепи РНК, которая становится матрицей для производства белков, в этих генах зашифрованных. Эти молекулы легко менять, в них можно зашифровать любой антиген — то есть узнаваемый для иммунитета фрагмент «врага».

В 1980-е годы молекулярные биологи научились производить матричную РНК вне клеток, что позволило использовать ее в более разнообразных сферах и создавать новые биотехнологии. Идея создать вакцины и лекарства на основе молекул РНК не давала ученым покоя, но РНК «из пробирки» была нестабильной, а производить ее было нелегко. Чтобы не дать молекулам РНК разрушиться сразу после синтеза, требовались липидные «переносчики», которые окружали ее и защищали от жестокого мира. Кроме того, в испытаниях на животных матричная РНК, синтезированная в лаборатории, вызывала воспалительные реакции, что внушало медикам осторожность.

Но венгерский биохимик Каталин Карико не испугалась этого вызова: с начала девяностых она старалась развивать терапевтические технологии с РНК, несмотря на нехватку денег и скептицизм коллег. В Пенсильванском университете, где ученая в те годы была помощником профессора, она познакомилась с иммунологом Дрю Вайсманом, который занимался дендритными клетками (так называют крупные лейкоциты со множеством характерных отростков-дендритов). Роль этих клеток — показывать чужеродные антигены, то есть кусочки молекул, по которым иммунная система может запомнить проникшего в организм «врага», чтобы в будущем распознавать и уничтожать его. Вайссман и Карико, захваченные идеями друг друга, стали работать вместе, чтобы разобраться, как разные типы РНК могут взаимодействовать с иммунной системой.

Иммунологам было понятно, что вакцины на основе векторов, ДНК или РНК имели видимое преимущество: они не только стимулировали организм производить антитела против чужеродных белков и активировали клетки Т-хелперы, которые тоже могут запоминать антигены и умеют переключать функции других иммунных клеток. Они затрагивали и другой механизм клеточного иммунного ответа — Т-киллеры, которые контролируют еще и антигены, произведенные внутри других клеток организма. Благодаря этому Т-киллеры могут находить опухолевые или пораженные изнутри инфекцией клетки и уничтожают их. Но каким бы заманчивым ни казался этот механизм, многие ученые сомневались, что препараты и вакцины на основе ДНК или РНК будут хорошо переноситься организмом, а иммунитет от них будет достаточно длительным.

Поначалу казалось, что ДНК-вакцины будут более успешны: двуцепочечная ДНК рассчитана на долгое существование в клетке и не стремится «слипнуться» с окружающими молекулами, как более открытая к новым связям (в химическом смысле) РНК, жизнь которой в клетке часто бывает недолгой, но очень активной. Но первые успешные опыты на грызунах не воспроизводились на более крупных животных. У двуцепочечной ДНК обнаружилась проблема: ей было сложнее проникать через оболочку клетки и ядра, чтобы потом превратиться в матричную РНК, из которой будет синтезироваться белок. Гораздо удобнее было сразу использовать матричную РНК, которой достаточно было попасть внутрь клетки, чтобы начать работать — в обнесенное двойной мембраной ядро для этого не требовалось даже заходить. Кроме того, мРНК не могла вставиться в ДНК клетки-хозяина и таким образом причинить геному вред. Поэтому производители прививок стали активнее всего использовать векторы, которые сами заботятся о том, как им попасть в клетку и создать много белка. Но у векторных вакцин были и свои минусы: так, антитела могли формироваться не только против желаемого антигена, но и против обычных белков из структуры безобидных векторов, что тормозило использование вакцин на той же основе повторно.

Поэтому, несмотря на признанный успех векторных вакцин, параллельно продолжались исследования прививок на основе мРНК. Уже в начале девяностых ученые впервые продемонстрировали, что можно колоть мРНК в мышечную ткань животных и вызвать синтез нужных белков и иммунный ответ.

Вместе Карико и Вайсман начали проверять, можно ли доставить синтезированную «в пробирке» мРНК в дендритные клетки, заставив их производить нужные антигены. Вайсман надеялся разработать вакцину против ВИЧ-1, который разрушает иммунитет человека и делает его уязвимым перед хроническими инфекциями. Им удалось показать, что дендритные клетки с мРНК, кодирующей Gag (структурный белок вируса иммунодефицита человека), вызвали бурную реакцию и Т-киллеров, и Т-хелперов «в пробирке». Кроме того, это стимулировало созревание и активацию дендритных клеток, что вначале показалось ученым хорошей идеей, но в итоге стало одним из ограничений для РНК-вакцин, так как это запускает сигнальные пути, повышающие цитокиновый ответ, который приводит к воспалению и может быть токсичен для организма.

В 2005, 2008 и 2010 годах Вайсман и Карико опубликовали знаковые статьи, где продемонстрировали, что «отредактированная» мРНК с другими основаниями сильно повышает производство нужных белков в клетках по сравнению с обычной. Заменяя «буквы» генетического кода в цепочке РНК на похожие аналоги (например, псевдоуридин, метилцитидин и другие), они научились контролировать реакции дендритных клеток, избегать их созревания и отменять активацию там, где она не нужна. РНК, получившие измененные основания, уже не вызывали сильного ответного воспаления. Все это помогло устранить главные препятствия, мешавшие использовать технологии с мРНК в медицине.

Уже в 2010 году компании начали работать над вакцинами с мРНК — в том числе против ближневосточного респираторного синдрома (MERS-CoV, близкого родственника SARS-CoV-2). То, что платформа уже находилась в разработке, позволило с рекордной скоростью создать две мРНК-вакцины (этим ситуация напоминает ускоренное создание Спутника V, только он вышел быстрее, потому что та же платформа уже применялась раньше в других вакцинах, тогда как РНК-вакцины стали инновацией). В РНК зашифровали белок с поверхности оболочки коронавируса, чтобы научить наш иммунитет распознавать его. Обе вакцины были одобрены к применению уже в 2020 году, а их защитный эффект оценили в 95%. Вместе со всеми другими типами прививок от ковида медики вкололи людям 13 миллиардов доз, чтобы как можно скорее помочь глобальной экономике, спасти жизни и отменить ненавистные локдауны.

Всплеск интереса к медицинским применениям РНК на этом не прекратился: теперь ученые предполагают, что при помощи этой технологии можно доставлять лекарственные молекулы и бороться с некоторыми типами рака.