To straszliwe mRNA. Czy szczepionka przeciw COVID-19 może zmienić nam genom? Wyjaśniamy

Ze szczepionkami jesteśmy oswojeni. Niewielkie białka lub wręcz nieaktywne cząstki wirusa czy martwe komórki bakterii wstrzykiwane w mikroskopijnych dawkach uczą nasz układ odpornościowy rozpoznawać groźne antygeny. Dzięki temu, w razie infekcji, nasz układ odpornościowy reaguje błyskawicznie, nie tracąc dni czy tygodni, by nauczyć się rozpoznawać nowe zagrożenie i zacząć produkować przeciwciała i limfocyty T, specyficznie walczące z wirusem czy bakterią. Szczepionki są chyba najbardziej naturalnym sposobem na walkę z chorobami zakaźnymi – zamiast stosować potencjalnie niebezpieczne antybiotyki, całą robotę wykonują nasze własne komórki.

Nic więc dziwnego, że kiedy naukowcy i naukowczynie zorientowali się z początkiem 2020 roku, że całemu światu grozi niebezpieczna pandemia, momentalnie przystąpili do prób wytworzenia skutecznej szczepionki.

Co to jest mRNA i dlaczego szczepionki mRNA są skuteczne?

Z wizytą w kuchni

Każda nasza komórka przypomina trochę gigantyczną kuchnię, w której całe mnóstwo kucharzy uwija się przygotowując dziesiątki tysięcy różnych potraw. Te “potrawy” to białka, główny składnik naszych komórek (a także cząstek wirusa). Niektórych dań potrzeba bardzo wiele, więc muszą się nimi zajmować dziesiątki kucharzy; inne potrzebne są rzadko i w małych ilościach. Kucharze mają jednak słabą pamięć i za każdym razem muszą przeczytać odpowiedni przepis kucharski.

Niestety, wszystkie przepisy zebrane są w jednej kopii, w grubej książce chronionej w specjalnym skarbcu. Przepisy te – sekwencje kodujące białka – to DNA, bezpiecznie chronione przed resztą komórki podwójną błoną białkowo-lipidową otaczającą nasze jądra komórkowe. Nie sposób, by wielu kucharzy na raz mogło korzystać z tej samej książki, a na dodatek nie wolno wchodzić im do skarbca. DNA nie jest wykorzystywane do syntezy białek; informacja zawarta w nim jest chroniona, a błędy korygowane. Oprócz tego, każdy z nas ma w swoich komórkach dwie kopie tej “książki kucharskiej”, jedną po mamie, drugą po tacie. W ten sposób nawet, jeśli niektóre strony zostaną uszkodzone, zawsze jest jeszcze ta druga kopia.

Żeby kuchnia mogła pracować, w skarbcu specjalnie oddelegowani do tego zadania podkuchenni wykonują nieustannie tysiące kopii przepisów kucharskich. Kopie te to specjalna odmiana RNA, spokrewnionego z DNA związku chemicznego, podobnie jak DNA zdolnego do przenoszenia informacji.

Odmianę tę właśnie nazywa się “mRNA”. mRNA nie jest bardzo trwałą substancją, i podobnie jak zapisany na wyrwanej z notatnika kartce przepis trzymany stale w kuchni, stosunkowo szybko się niszczy.

Kontrola SANEPiD-u

Fajnie, ale co to wszystko ma wspólnego ze szczepieniami i wirusami? Kontynuując naszą kucharską metaforę, wirusy to intruzi podrzucający naszym dzielnym kucharzom fałszywe receptury na dania, których nie ma w karcie. Wirus taki jak Sars-Cov-2 po wtargnięciu do komórki uwalnia swoje własne RNA (nieco bardziej skomplikowane od zwykłego mRNA), które zostaje użyte do syntezy białek wirusowych, a w efekcie do powstania nowych cząstek wirusa, zdolnych zainfekować kolejne komórki.

Gdyby na tym sprawa się kończyła, bylibyśmy bezbronni w obliczu każdej infekcji wirusowej. Na szczęście ewolucja wymyśliła sposób na radzenie sobie z takimi intruzami. Wszystkie dania, które powstają w naszej kuchni, wynoszone są na zewnątrz, gdzie czekają zastępy inspektorów SANEPiDu – limfocyty T cytotoksyczne, znane również pod nazwą “limfocyty T zabójcy” (killer T cells). Jak sama nazwa wskazuje, im nie wystarczy czasowe zamknięcie kuchni z powodu braków w higienie; podejrzana kuchnia otrzymuje nakaz całkowitego demontażu (nad losem kucharzy lepiej tu nie będę się rozpisywał).

Limfocyty T rozpoznawszy obcy antygen – czyli białko wirusa – wysyłają komórce sygnał, który wyzwala proces apoptozy, czyli regulowanej śmierci komórki. Oprócz tego limfocyty T podnoszą alarm i robią jeszcze mnóstwo innych rzeczy, m.in. prowadzących do powstania pamięci immunologicznej. Co więcej, pozostałe po zainfekowanej komórce fragmenty są następnie wchłaniane przez inne komórki układu odpornościowego, zdolne do wyzwolenia kolejnych fal obrony przed wirusem.

https://www.youtube.com/watch?v=ckkI1e38Xsw&t=15s

Trudna droga do szczepionek mRNA

Od razu widać, jak w ten schemat wpisuje się szczepionka mRNA. Fałszywa kulinarna receptura utworzona przez naukowców dostaje się do komórki podobnie jak RNA wirusa, jednak koduje zaledwie jedno z dziesięciu białek Sars-Cov-2, tak zwane białko kolca (nazywane też “białkiem S” od angielskiego słowa “spike”). To oczywiście nie wystarcza do stworzenia wirusa zdolnego do infekowania innych komórek, ale poza tym sytuacja jest identyczna jak przy infekcji prawdziwym wirusem.

Po kilku godzinach mRNA zużywa się – jak każde mRNA – i szczepionka znika bez śladu, pozostawiając po sobie tylko nieco zsyntetyzowanego białka i zaktywowany układ odpornościowy.

Szczepionki mRNA zaproponowano jeszcze pod koniec lat 80’ XX w. jako możliwą alternatywę do “zwykłych” szczepionek. Teoretycznie szczepionki mRNA mają mnóstwo zalet w porównaniu do zwykłych.

• Po pierwsze, białko syntetyzowane przez nasze własne komórki będzie często o wiele bardziej przypominało białko wirusa niż białko, które możemy zsyntetyzować w laboratorium.
• Po drugie, mRNA bardzo łatwo zsyntetyzować – nawet w dużych ilościach – i zmodyfikować, jeśli zajdzie taka potrzeba.
• Po trzecie, technologia szczepionek mRNA umożliwia znaczne przyspieszenie procesu tworzenia samej szczepionki. Każde białko jest inne i ma inne właściwości, więc w przypadku każdego białka droga do uzyskania działającej szczepionki jest najeżona nowymi, nieznanymi wcześniej trudnościami. Tymczasem mRNA to mRNA, ma podobne właściwości niezależnie od tego, jakie białko koduje.

Te trzy cechy uczyniły szczepionki mRNA bardzo atrakcyjnym celem badań… w leczeniu raka.

Nasz układ odpornościowy często nie potrafi rozpoznać komórek nowotworowych, bo zbyt przypominają nasze zdrowe komórki. Zazwyczaj różnice dotyczą paru białek. Co gorsza, te same rodzaje nowotworów mogą być wywoływane przez zupełnie różne mutacje – a więc białka komórki rakowej nie wyglądają zawsze tak samo, i de facto należałoby tworzyć oddzielną szczepionkę dla każdego pacjenta (a w każdym razie – każdej grupy mutacji). Bez technologii szczepionek mRNA (albo spokrewnionej, opartej na adenowirusach – podobnie jak szczepionka na covid naukowców z Oksfordu, produkowana przez firmę AstraZeneca) jest to nie do zrobienia.

Chociaż sam pomysł wydaje się prosty, na drodze do stworzenia skutecznych, ale bezpiecznych szczepionek trzeba było rozwiązać wiele problemów technicznych. Na przykład wiele czasu zajęło rozwiązanie kwestii takiego opakowania mRNA, żeby wraz z zawartym w nim mRNA przyłączało się do powierzchni komórek, bo cząstki mRNA są zbyt duże, by swobodnie przenikać przez podwójną błonę białkowo-lipidową otaczającą nasze komórki. Niektóre z tych “opakowań” wywoływały niepożądane skutki uboczne.

Obecnie wydaje się, że najskuteczniej działa opakowanie mRNA w cząsteczki specjalnych tłuszczy. Należało też uniknąć zbyt silnej aktywacji nieswoistego układu odpornościowego, który nie prowadzi do powstania pamięci immunologicznej. Zwykłe mRNA okazało się też za mało stabilne, żeby doszło do syntezy wystarczającej ilości białka (wirusy rozwiązują to inaczej, bo potrafią się namnażać wewnątrz komórki – kopiują swoją recepturę, zaprzęgając do pracy coraz więcej kucharzy), trzeba było też dokonać modyfikacji, które przyspieszają syntezę białek. Ponad dziesięć lat temu większość tych problemów została już rozwiązana i pod koniec lat 2000 rozpoczęto pierwsze testy kliniczne.

To wszystko brzmi bardzo optymistycznie, jednak wiele osób stawia pytanie: czy takie szczepionki nie są bardziej niebezpieczne od zwykłych? A co jeśli mRNA szczepionki wbuduje się nam do genomu? Czy coś takiego jest możliwe, a jeśli tak, to jakie będą tego skutki?

Szczepionką pod prąd

Podstawowa obawa przed szczepionkami mRNA związana jest z podobieństwem mRNA do naszego DNA. Gdyby zakodowana na mRNA szczepionki “receptura” na tworzenie białka wirusowego trafiła do naszego DNA, moglibyśmy się znaleźć w tarapatach. Po pierwsze, mogłaby uszkodzić inne znajdujące się na DNA geny (tego typu mutacje mogą prowadzić do nowotworów). Po drugie, nasze komórki mogłyby stale produkować białko S, w znacznych ilościach – a to mogłoby wywołać niepożądane reakcje naszego organizmu.

Częściowo ta obawa wynika z mylnego wyobrażenia o skali tych wszystkich procesów, być może trochę zainspirowanego uproszczonymi dydaktycznymi schematami, na których pomija się wiele szczegółów i które najczęściej nie oddają skali różnych elementów. W porównaniu do wielkości komórki, tłuszczowe pęcherzyki zawierające mRNA wyglądają jak Ziemia przy Słońcu: maleńkie kropki na powierzchni giganta. Gigant ten zawiera olbrzymie ilości białek, mRNA i przeróżnych złożonych struktur. Ilość mRNA w jednej szczepionce (o ile mogę wierzyć swoim obliczeniom) powinna wystarczyć na co najwyżej kilkadziesiąt, może kilkaset molekuł mRNA szczepionki dla każdej komórki (zakładając, że tylko jeden cm³ naszego ciała zetknie się ze szczepionką).

Tymczasem każda nasza komórka zawiera o rzędy wielkości więcej własnych molekuł mRNA – kilkaset tysięcy, a czasem kilka milionów. mRNA szczepionki w najlepszym wypadku będzie stanowić nikłą część całego mRNA, które już znajduje się w komórce. Gdyby mRNA mogło przeniknąć do jądra i w jakiś sposób dostać się do naszego DNA, o wiele częściej trafiałoby na nasze własne mRNA niż na mRNA szczepionki.

Jest też drugi powód do obaw. W szkole uczyliśmy się, że informacja płynie jedynie od DNA do mRNA, nigdy zaś na odwrót: raz skopiowane kuchenne przepisy nie wracają do skarbca, tylko zużywają się w trakcie gotowania, a książka kucharska pozostaje niezmieniona. Nie jest to prawda, a w każdym razie – bywają wyjątki.

Rzeczywiście, w miażdżącej większości wypadków tak się dzieje. Zwykłe mRNA w naszych komórkach nie może nawet przeniknąć do jądra komórkowego. A chociaż początkowo powstaje w jądrze komórkowym, gdy raz je opuści, nie może do niego wrócić – nie przeniknie błony jądra (bo jest za duże), wymagałoby w tym celu przyłączenia specjalnych białek transportujących, które nie chwytają byle czego. Innymi słowy, do przedostania się do jądra komórkowego mRNA potrzebowałoby specjalnego “paszportu”.

Oprócz tego, o ile do odpisywania przepisu z książki (czyli przepisywania genu z DNA na RNA) służą powszechnie występujące w przyrodzie enzymy, o tyle enzymy potrzebne do odwrotnego procesu są bardzo rzadkie. Nazywamy je “odwrotnymi transkryptazami” – transkrypcja to proces przepisywania informacji z DNA na RNA. Ludzkie komórki w normalnych warunkach nie zawierają odwrotnej transkryptazy zdolnej do przepisania kodu z mRNA do DNA. W normalnych warunkach? – spytają nasze podejrzliwe natury. A co, gdy są nienormalne?

Odwrotne transkryptazy są kodowane przez niektóre wirusy nazywane retrowirusami – jest zaledwie parę takich wirusów u ludzi, najsłynniejszy i najbardziej powszechny to HIV – oraz wirusy z grupy hepadnowirusów, do których należy wirus zapalenia wątroby typu B (HBV). To jeszcze nic. W naszych ludzkich genach są kodowane odwrotne transkryptazy! Zaledwie mała część naszego DNA to różne rodzaje potrzebnych nam genów, takich jak te, które kodują nasze białka – za te ostatnie odpowiada zaledwie jedna pięćdziesiąta ludzkiego DNA. Większość DNA koduje setki tysięcy powtórzeń tych samych fragmentów.

Nasze genomy to więc nie elegancka książka kucharska, ale wielotomowa biblioteka, w której krótkie, przydatne przepisy rozdzielone są rozdziałami napisanymi chyba przez bohatera filmu Stanleya Kubricka, “Lśnienie”. Dla przypomnienia – w kultowej scenie filmu okazuje się, że setki stron manuskryptu, nad którym od wiele tygodni pracowała postać grana przez Jacka Nicholsona są wypełnione różnie sformatowanym, często pełnym błędów, ale zawsze tym samym tekstem “All work and no play makes Jack a dull boy” (tłumaczone na polski jako "Tylko praca, brak zabawy, Jacka nudzą takie sprawy"). Także w naszej książce kucharskiej wiele z rozdziałów – ponad połowa – to pozostałości po retrowirusach albo tak zwanych transpozonach: fragmentach DNA, które kodują niewielkie białka umożliwiające im kopiowanie się i przenoszenie w obrębie genomów. Jedna piąta naszego genomu zawiera sekwencje LINE, które kodują m.in. odwrotną transkryptazę.

Wróg na naszym łonie

Czy w takim razie odwrotne transkryptazy wirusów albo – co gorsza – elementów naszego genomu takich jak LINE mogłyby przepisać mRNA szczepionki na DNA i włączyć je do naszego genomu? Na szczęście dla nas, nie wystarczy, by w naszej komórce był gdzieś kod jakiejś odwrotnej transkryptazy. Większość pozostałości po transpozonach i retrowirusach w naszym DNA jest uszkodzona; część naukowców sądzi, że taka jest w ogóle funkcja tych gigantycznych obszarów DNA, które najwyraźniej nie kodują niczego pożytecznego: oferować miejsce, gdzie różne szkodliwe wirusy czy transpozony mogą się włączyć, minimalizujące skutki takiego włączenia.

Jeśli w po naszej kuchni biega wariat, który czasem wkleja w przypadkowe miejsce książki kucharskiej (naszego DNA) swoje szkodliwe teksty, lepiej żeby szansa na to, że zniszczy przy okazji prawdziwą i potrzebną recepturę była mała. Z czasem ta wklejona kopia przestanie działać – nie jest potrzebna do funkcjonowania całej kuchni i nikt nie zauważy, gdy wkradną się w nią błędy.

Są jednak i działające elementy LINE. Jest ich w naszym genomie kilkadziesiąt (dla porównania, uszkodzonych elementów jest kilka tysięcy, a mniejszych lub większych fragmentów – nawet 100 tys.). One w pewnych warunkach mogą prowadzić do syntezy działającej odwrotnej transkryptazy. Zazwyczaj geny LINE i im podobne są całkowicie wyciszone i nie dochodzi do ich aktywacji. Dzieje się tak niezmiernie rzadko, ale nawet jeśli w pewnych warunkach (bez wchodzenia w szczegóły dodam, że nie dzieje się tak w zwykłych komórkach) do takiej aktywacji dojdzie to i tak nie zda się to na wiele. Odwrotne transkryptazy czy to wirusów, czy retrowirusów nie interesują się byle jakim mRNA (czy to naszym własnym, czy takim ze szczepionki). Specyficznie rozpoznają tylko własne mRNA, które zawiera odpowiednie “tajne hasła”. Tylko RNA z takimi hasłami zostanie rozpoznane przez odwrotną tranksryptazę lub towarzyszące jej białka, chyłkiem przetransportowane do jądra i zamienione w DNA.

Na koniec – wszystkie te rozważania są teoretyczne. Komórki, w których znalazła się szczepionka mRNA, zostają przecież wychwycone przez nasz układ odpornościowy: a to oznacza, że ich los może być tylko jeden – apoptoza, czyli śmierć. W przypadku prawdziwej infekcji retrowirusem (np. HIV) może być inaczej, gdyż układ odpornościowy może nie nadążać za postępującą wykładniczo infekcją. Ale ponieważ w szczepieniu stosuje się tylko fragment kodujący jedno białko wirusa, liczba komórek w których znajdzie się mRNA szczepionki jest z góry ograniczona ilością mRNA w jednej dawce szczepionki.

Szczepionki mRNA, czyli rewolucja i nadzieja

Jest wiele powodów, dla których w ostatnich latach rozwój szczepionek był zaskakująco wolny. Po pierwsze, firmom farmaceutycznym nie opłaca się ich produkować. Wbrew pozorom, z małymi wyjątkami (takimi jak szczepionka na grypę, HPV czy zapalenie płuc) rozwój i produkcja szczepionek nie przynosi dużych zysków, zyski czerpie się z leczenia chronicznych chorób u najbogatszych. Czyli, mówiąc wprost, z leczenia raka, chorób układu krążenia i cukrzycy. Większość szczepionek wystarczy podać raz, by człowiek na całe życie był chroniony przed chorobą. W dodatku choroby zakaźne są znacznie mniejszym problemem w bogatych państwach takich jak Stany Zjednoczone, Niemcy czy Polska.

Po drugie, technologia szczepień mRNA jest olbrzymią nadzieją w walce z rakiem – szybkie i tanie syntetyzowanie spersonalizowanych szczepionek które wystawiłoby komórki rakowe na zmasowany atak naszego własnego układu odpornościowego jest wielką nadzieją immunoterapii.

Pandemia wywołana przez Sars-Cov-2 zabiła do tej pory dwa miliony osób na całym świecie. Miejmy nadzieję, że skuteczna szczepionka mRNA zatrzyma nie tylko ją, ale i następne – które bez wątpienia, prędzej czy później nas czekają.

Źródła:

O elementach LINE i innych.

O działaniu szczepionek mRNA.

O działaniu szczepionek mRNA(2).

O Big Pharma i nieopłacalności badań nad szczepionkami (i antybiotykami) pisałem tutaj.