Nobel z medycyny za badania, które pozwoliły opracować szczepionki mRNA przeciw COVID-19

Nagroda Nobla w dziedzinie medycyny w 2023 r. została przyznana Katalin Karikó oraz Drew Weissmanowi za odkrycia, które stały się podstawą opracowania skutecznych szczepionek mRNA przeciw koronawirusowi wywołującemu COVID-19.

Prace tegorocznych noblistów z medycyny, które zaowocowały skutecznymi szczepionkami przeciw COVID-19, pozwoliły uratować życie milionów ludzi, a u jeszcze większej liczby zapobiegły poważnemu przebiegowi choroby – ocenił 2 października Komitet Noblowski.

Badania Katalin Karikó i Drew Weissmana pozwalają tak modyfikować nukleozydy (stanowiące podstawę cząsteczek RNA i DNA), że iniekcja RNA nie wywołuje stanu zapalnego w organizmie. Pozwoliło to wykorzystać mRNA jako podstawę szczepionek przeciw koronawirusowi odpowiedzialnemu za pandemię COVID-19.

Odkrycia dokonane przez tegorocznych laureatów Nagrody Nobla zasadniczo zmieniły rozumienie interakcji mRNA z naszym układem odpornościowym. Odegrały też kluczową rolę w bezprecedensowo szybkim opracowaniu skutecznych szczepionek mRNA przeciwko COVID-19 podczas pandemii, która rozpoczęła się na początku 2020 r. i była jednym z największych zagrożeń dla zdrowia ludzkiego we współczesności.

Podanie szczepionki stymuluje powstawanie odpowiedzi immunologicznej na konkretny patogen – na przykład wirusa polio czy ospy. Znając zagrożenie, organizm przygotowuje środki zaradcze i w przypadku późniejszego narażenia ma przewagę nad patogenem.

Klasyczne, dostępne od dawna szczepionki zawierały martwe lub osłabione wirusy. Przykładem mogą być szczepionki przeciwko polio, odrze czy żółtej febrze (za opracowanie tej ostatniej Max Theiler otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny w roku 1951).

Dzięki rozwojowi biologii molekularnej w ostatnich dziesięcioleciach powstały szczepionki, które nie zawierają całych wirusów, ale ich pojedyncze składniki. Zwykle wykorzystuje się tę część kodu genetycznego wirusa, która koduje białka znajdujące się na jego powierzchni. Podanie tych białek pobudza wytwarzanie przeciwciał blokujących wirusa. Tak działają na przykład szczepionki przeciwko wirusowemu zapaleniu wątroby typu B i wirusowi brodawczaka ludzkiego (HPV). Można też przenieść części kodu genetycznego wirusa do „wektora”, czyli nieszkodliwego wirusa nośnikowego – tak działa na przykład szczepionka przeciwko wirusowi Ebola. Pod wpływem szczepionki wektorowej w komórkach wytwarzane jest wybrane białko, stymulujące odpowiedź immunologiczną przeciwko docelowemu wirusowi.

Problem w tym, że wytwarzanie szczepionek zawierających całe wirusy, białka i wektory wymaga hodowania żywych komórek na wielką skalę. To bardzo kosztowne i skomplikowane logistycznie przedsięwzięcie, co znacznie ogranicza możliwość szybkiej produkcji dużych ilości szczepionek, potrzebnych do zwalczania epidemii czy pandemii. Od dawna trwały prace nad uniezależnieniem się od hodowli komórkowych, co jednak okazało się trudnym zadaniem.

W żywej komórce informacja genetyczna zakodowana w DNA pełni rolę przechowywanej w jądrze dokumentacji, natomiast matrycą do produkcji białka jest wytwarzane na podstawie tej dokumentacji informacyjne RNA (mRNA).

W latach 80. XX wieku opracowane zostały metody wytwarzania mRNA bez hodowli komórkowej, zwane transkrypcją in vitro. To osiągnięcie przyspieszyło rozwój wielu dziedzin biologii molekularnej. Wkrótce pojawiły się także pomysły wykorzystania mRNA do celów leczniczych oraz do produkcji szczepionek, ale napotkały liczne przeszkody. Ze względu na niestabilność transkrybowanego mRNA oraz trudności z jego dostarczaniem trzeba było opracować lipidy nośnikowe, by tworzyć „kapsułki” zawierające mRNA. Co gorsza, wytwarzane in vitro mRNA powodowało reakcje zapalne.

Niezniechęcona trudnościami (także z przekonaniem fundatorów badań o znaczeniu jej projektu) węgierska biochemiczka Katalin Karikó poświęciła się opracowywaniu metod wykorzystania mRNA w terapii. Na początku lat 90., gdy była adiunktem na University of Pennsylvania, nawiązała współpracę z immunologiem Drew Weissmanem. Przedmiotem jego zainteresowania były komórki dendrytyczne, mające znaczący wpływ na układ immunologiczny i aktywację szczepionki. Łącząc siły, naukowcy skupili się na interakcji różnych typów RNA z układem odpornościowym.

Jak się okazało, komórki dendrytyczne rozpoznają mRNA transkrybowany in vitro jako obcą substancję, co prowadzi do ich aktywacji i uwolnienia cząsteczek sygnalizacyjnych stanu zapalnego. Tymczasem „naturalne” mRNA pochodzące z komórek ssaków nie dawało takiej reakcji. Najwyraźniej różne typy mRNA znacząco różnią się właściwościami.

RNA zawiera cztery zasady, w skrócie A, U, G i C, odpowiadające A, T, G i C w DNA, literach kodu genetycznego. Karikó i Weissman wiedzieli, że zasady w RNA z komórek ssaków są często modyfikowane chemicznie, podczas gdy mRNA transkrybowany in vitro – nie. Zastanawiali się, czy brak zmienionych zasad w RNA transkrybowanym in vitro może wyjaśnić niepożądaną reakcję zapalną. Aby to zbadać, wyprodukowali różne warianty mRNA, każdy z unikalnymi zmianami chemicznymi w swoich zasadach, które dostarczyli do komórek dendrytycznych. To był przełom: po modyfikacji mRNA odpowiedź zapalna została prawie zniesiona.

Karikó i Weissman natychmiast zrozumieli, że ich odkrycie ma ogromne znaczenie dla wykorzystania mRNA w terapii. Wyniki zostały opublikowane w 2005 roku, piętnaście lat przed pandemią COVID-19.

W dalszych badaniach opublikowanych w latach 2008 i 2010 wykazali, że dostarczanie mRNA z modyfikacjami zasad znacznie zwiększa produkcję białka w porównaniu z mRNA niezmodyfikowanym. Efekt był spowodowany zmniejszoną aktywacją enzymu regulującego produkcję białka. Dzięki odkryciu, że modyfikacje zasad zarówno zmniejszają reakcję zapalną, jak i zwiększają produkcję białek, Karikó i Weissman wyeliminowali krytyczne przeszkody na drodze do klinicznych zastosowań mRNA. Już w roku 2010 kilka firm pracowało nad praktycznym wykorzystaniem metody – na przykład szczepionkami przeciwko wirusowi Zika i koronawirusowi MERS-CoV, który jest ściśle powiązany z SARS-CoV-2. W związku z pandemią COVID-19 w rekordowym tempie opracowano dwie szczepionki mRNA ze zmodyfikowanymi zasadami, kodujące białko powierzchniowe SARS-CoV-2. Odnotowano efekt ochronny na poziomie około 95 proc., a obie szczepionki zostały zatwierdzone już w grudniu 2020 r.

Szybko wprowadzono także kilka innych szczepionek przeciwko SARS-CoV-2, opartych na różnych metodologiach. Łącznie na całym świecie podano ponad 13 miliardów dawek szczepionki przeciwko SARS-CoV-2. Szczepionki te uratowały życie milionom ludzi i w wielu przypadkach zapobiegły poważnym chorobom, co więcej – umożliwiły społeczeństwom otwarcie się i powrót do normalnych warunków. Fundamentalne odkrycia tegorocznych noblistów dotyczące znaczenia modyfikacji zasad w mRNA przyczyniły się do przezwyciężenia jednego z największych kryzysów zdrowotnych naszych czasów.

Dzięki elastyczności i szybkości, z jaką można opracowywać szczepionki mRNA, mogą one znaleźć zastosowanie także w przypadku innych chorób zakaźnych. W przyszłości technologia ta może znaleźć zastosowanie do dostarczania białek terapeutycznych i leczenia niektórych typów nowotworów.

Katalin Karikó urodziła w 1955 r. na Węgrzech w Szolnoku. Jej ojciec pracował jako rzeźnik. Po tym, jak została zwolniona z Uniwersytetu w Segedynie w 1985 r., opuściła Węgry i wraz z mężem oraz dwuletnią córką wyjechała do Stanów Zjednoczonych, gdzie prowadziła badania na Temple University w Filadelfii oraz na Uniwersytecie Health Science w Bethesda. W 1989 r. została mianowana adiunktem na University of Pennsylvania, gdzie pozostała do 2013 r. Następnie została wiceprezesem, a później starszym wiceprezesem w BioNTech RNA Pharmaceuticals. Od 2021 r. jest profesorem na Uniwersytecie w Szeged oraz adiunktem w Perelman School of Medicine na Uniwersytecie Pensylwanii.

Drew Weissman urodził się w 1959 r. w Lexington w stanie Massachusetts w USA. Stopień doktora medycyny i doktora uzyskał na Uniwersytecie Bostońskim w 1987 r. Odbył szkolenie kliniczne w Beth Israel Deaconess Medical Center w Harvard Medical School oraz badania podoktorskie w National Institutes of Health. W 1997 r. Weissman założył swoją grupę badawczą w Perelman School of Medicine na University of Pennsylvania. Jest profesorem w dziedzinie badań nad szczepionkami i dyrektorem Penn Institute for RNA Innovations.

Nobliści po raz pierwszy spotkali się w 1997 r. na Uniwersytecie Pensylwanii przy kserokopiarce, przy której – pracując w różnych zespołach – rywalizowali o czas, aby kserować artykuły naukowe. Ich współpraca ruszyła rok później i zaowocowała odkryciem, jak modyfikować RNA, by mogło być wykorzystane w celach terapeutycznych. Artykuł na ten temat opublikowali w 2005 r., nie zyskał on jednak wielkiej uwagi w środowisku naukowym. Później założyli start-up, którego celem miało być opracowywanie leków wykorzystujących RNA. Jednak uczelnia sprzedała prawa do ich metody firmie CellScrypt.

Z czasem ich wspólne prace zostały docenione – w 2020 r. dostali Nagrodę Rosenstiela, a w 2021 r. – Nagrodę Laskera, która jest określana jako „amerykański Nobel”, ponieważ ok. 80 jej laureatów zdobyło później medycznego Nobla.

Nagrodą Nobla, wynoszącą 11 mln koron szwedzkich (ok. 4,41 mln zł), laureaci podzielą się po połowie.