Pharmindex - lider wiedzy o lekach

Następne zastosowanie związane z informacyjnym RNA może być bardziej spektakularne niż w przypadku szczepionki przeciw Covid-19.

Szczepionki przeciw Covid-19 oparte na informacyjnym RNA bazują na technologii, która  może zmienić medycynę.
Następne w kolejce: anemia sierpowata i HIV.

W ramach akcji zachęcającej do szczepień przeciwko Covid-19, 23 grudnia University of Pennsylvania opublikował nagranie ze szczepienia dwóch naukowców, Katalin Karikó i Drew Weissmana, którzy w swoich badaniach zajmowali się mRNA.
W szczepionkach, będących połączeniem cząsteczek lipidów i instrukcji genetycznej, została wykorzystana nowa technologia oparta na informacyjnym RNA. Szczepionki zostały opracowane i przetestowane w niespełna rok, dzięki odkryciom, których para dokonała 20 lat wcześniej.

W niemym klipie promocyjnym nikt nie mówi ani się nie uśmiecha, gdy pielęgniarka podaje zastrzyk podskórny w ramię. Zapytałem później Weissmana, lekarza, który pracuje naukowo od 1987 roku, o czym myślał w tamtym momencie. Odpowiedział:
- Zawsze chciałem opracować coś, co pomaga ludziom. Kiedy wbili mi igłę w ramię, powiedziałem: W końcu to zrobiłem.

Infekcja zabiła ponad 2 miliony ludzi na całym świecie, w tym kilku przyjaciół Weissmana z dzieciństwa. Do tej pory kampania na rzecz szczepień w USA opierała się wyłącznie na szczepionkach opracowanych przez Moderna Therapeutics of Cambridge, Massachusetts, and BioNTech in Mainz, Germany, we współpracy z Pfizer. Obie firmy wykorzystują odkrycia Weissmana. Laboratorium Weissmana otrzymuje fundusze od BioNTech, a Karikó pracuje teraz w firmie.

W przeciwieństwie do tradycyjnych szczepionek, które wykorzystują żywe lub martwe wirusy, aby wywołać odpowiedź odpornościową, nowe szczepionki powstały w oparciu o informacyjny RNA - nietrwałą cząsteczkę, która przekazuje kopie informacji genetycznej. Na podstawie mRNA w komórce gospodarza syntetyzowane jest białko S.

Szczepionka zawiera mRNA kodujący białko S (kolca) wirusa, które służy wirusowi do wnikania do komórek gospodarza. Samo białko nie może spowodować choroby, ale wywołuje silną odpowiedź immunologiczną. Badania na szeroką skalę, zakończone w grudniu wykazały, że skuteczność szczepionki wynosi ok. 95%.

Prace Drew Weissmana nad informacyjnym RNA doprowadziły do opracowania szczepionki przeciwko Covid-19.

Oprócz możliwości potencjalnego zakończenia pandemii, przełom w dziedzinie szczepionek wskazuje, w jaki sposób informacyjny RNA może wpłynąć na nowe podejście do tworzenia leków.

Naukowcy są przekonani, że w niedalekiej przyszłości metoda oparta na mRNA, może doprowadzić do opracowania szczepionek przeciwko opryszczce i malarii, lepszych szczepionek przeciw grypie, a jeśli koronawirus będzie cały czas mutował do kolejnych wersji szczepionki przeciw Covid-19.

Naukowcy widzą także przyszłość daleko wykraczającą poza szczepionki. Myślą, że technologia pozwoli na opracowanie tanich terapii genowych w odniesieniu do raka, anemii sierpowatej, a może nawet HIV.

Dla Weissmana sukces szczepionek przeciwko wirusowi nie jest niespodzianką, ale potwierdzeniem jego życiowej pracy. - Pracowaliśmy nad tym od ponad 20 lat – powiedział. - Zawsze wiedzieliśmy, że RNA będzie znaczącym narzędziem terapeutycznym.

Perfekcyjne wyczucie czasu

Jednak pomimo dwóch dekad badań, informacyjny RNA nigdy nie był zastosowany w żadnym leku dopuszczonym do obrotu do ubiegłego roku.

Dyrektor generalny firmy Moderna, której nowatorska szczepionka przeciwko Covid-19 została dopuszczona do obrotu, zastanawia się, jak wyprodukować wystarczającą ilość leku.

W grudniu 2019 roku, z Wuhan w Chinach pojawiły się pierwsze doniesienia o bardzo zakaźnym zapaleniu płuc, najprawdopodobniej wirusem nietoperza. Chińscy, rządowi cenzorzy początkowo starali się ukryć epidemię, ale 10 stycznia 2020 r. naukowiec z Szanghaju opublikował kod genetyczny wirusa w internecie, kontaktując się z Australią. Wirus rozprzestrzeniał się szybko, poprzez podróże samolotami, pojawił się w Hongkongu i Tajlandii, ale informacja o kodzie genetycznym wirusa  rozprzestrzeniała się szybciej. Dotarła do Mainz, do siedziby BioNTech, oraz do Cambridge (Moderna), gdzie niektórzy badacze otrzymali ją w postaci pliku Microsoft Word.

Naukowcom z Moderny, firmy biotechnologicznej specjalizującej się w informacyjnym RNA, udało się zaprojektować szczepionkę na papierze w ciągu 48 godzin, 11 dni przed pierwszym zarejestrowanym przypadkiem w USA. W ciągu sześciu tygodni Moderna miała zamrożone dawki gotowe do testów na zwierzętach.

W przeciwieństwie do większości leków biotechnologicznych, RNA nie jest wytwarzane w fermentorach ani w żywych komórkach, ale w plastikowych pojemnikach zawierających odczynniki chemiczne i enzymy.

Kiedy w grudniu rozmawiałem z dyrektorem generalnym Moderny, Stéphane'em Bancelem, tuż przed zatwierdzeniem przez Amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków szczepionki jego firmy, nie martwił się o szczepionkę, ale o to, czy  wyprodukują ją w wystarczających ilościach. Moderna obiecała uzupełnić dostawy do miliarda dawek w 2021 roku. - Wyobraź sobie - powiedział S. Bancel. - Henry Ford sprowadzał pierwszy Model T z linii produkcyjnej, gdy się dowiedział, że świat potrzebuje miliarda.

Bancel nazywa chwilę, w której pojawił się Covid-19 i jednocześnie była gotowa  technologia oparta na informacyjnym RNA „aberracją historii”.

Innymi słowy, mieliśmy szczęście.

Ludzkie bioreaktory

Pierwsza próba wykorzystania syntetycznego informacyjnego RNA do produkcji białka przez zwierzę miała miejsce w 1990 r. Udało się, ale wkrótce pojawił się duży problem. - Zastrzyki wywoływały u myszy choroby. Futro myszy stawało się skłębione, zwierzęta traciły na wadze, przestawały biegać – mówi Weissman. - Jeśli podamy im dużą dawkę, umrą w ciągu kilku godzin. Szybko zdaliśmy sobie sprawę, że informacyjnego RNA nie da się wykorzystać  – mówi.
Winowajcą był stan zapalny. W ciągu kilku miliardów lat bakterie, rośliny i ssaki ewoluowały, aby wykrywać materiał genetyczny wirusów i reagować na niego. Następnym krokiem Drew Weissmana i Kataliny Karikó, krokiem który „zajął lata”, jak mówi, było zidentyfikowanie w jaki sposób komórki rozpoznają obce RNA.
Jak odkryli, komórki są wypełnione cząsteczkami wyczuwającymi, które odróżniają własne RNA od RNA wirusa. Jeśli te cząsteczki widzą geny wirusowe, uruchamiają burzę cząsteczek odpornościowych zwanych cytokinami, które trzymają wirusa na dystans, podczas gdy organizm uczy się radzić sobie z nim. - Potrzeba tygodnia, aby wytworzyć odpowiedź immunologiczną; to, co utrzymuje organizm przy życiu przez te siedem dni, to właśnie te czujniki - mówi Weissman. Ale zbyt silny napływ cytokin może być dla organizmu zabójczy.

Moment przełomowy nastąpił, gdy Weissman i Karikó ustalili, że można uniknąć reakcji immunologicznej, używając chemicznie modyfikowanego RNA. Zadziałało. Wkrótce potem w Cambridge grupa przedsiębiorców zaczęła zakładać firmę Moderna Therapeutics, aby wykorzystać spostrzeżenia Weissmana.

Szczepionki nie były ich celem. Podczas zakładania firmy w 2010 r. jej liderzy wyobrażali sobie, że będą w stanie wykorzystać RNA do zastąpienia wstrzykiwanych białek, które stanowią większość farmakopei biotechnologicznej, zasadniczo produkując leki wewnątrz komórek pacjenta na podstawie schematu RNA.
- Zadawaliśmy sobie pytanie, czy możemy zamienić człowieka w bioreaktor - mówi Noubar Afeyan, współzałożyciel firmy Moderna, a także założyciel i dyrektor generalny Flagship Pioneering, firmy zajmującej się zakładaniem firm biotechnologicznych, wspierającej  rozwój przedsięwzięć naukowych.

Biorąc pod uwagę powyższe, firma Moderna mogłaby z łatwością wymienić 20, 30, a nawet 40 leków, które warto byłoby tak zmodyfikować. Ale Moderna zmagała się z problemem, jak dostarczyć informacyjny RNA do właściwych komórek organizmu, bez zbyt wielu skutków ubocznych. Naukowcy dowiedzieli się również, że podawanie powtarzanych dawek, które byłyby konieczne do zastąpienia biotechnologicznych „hitów”, takich jak np. czynnik krzepnięcia podawany co miesiąc, będzie problemem. - Okazało się, że za pierwszym razem działało, za drugim już mniej, a za trzecim razem jeszcze mniej. To był problem -  mówi Afeyan.

Moderna zmieniła kierunek. Jaki rodzaj leku można podać raz i nadal mieć dużą efektywność? W końcu odpowiedź stała się oczywista - szczepionka. W przypadku szczepionki początkowa podaż białka wystarczyłaby do wyszkolenia układu odpornościowego w sposób, który może trwać lata lub całe życie.

Drugie ważne pytanie dotyczyło sposobu umieszczenia i zabezpieczenia delikatnych cząsteczek RNA, które wytrzymują tylko kilka minut, jeśli zostaną wystawione na działanie promieni słonecznych. Weissman mówi, że wypróbował 40 różnych nośników, w tym kropelki wody, cukier i białka z nasienia łososia. To było tak, jakby Edison szukał odpowiedniego żarnika do stworzenia lampy elektrycznej.
- Próbowaliśmy prawie wszystkiego, co ludzie publikowali  – mówi. Najbardziej obiecujące były nanocząsteczki lipidowe. Jednak były to tajne wynalazki handlowe i nadal są podstawą sporów patentowych. Weissman dostał je w swoje ręce dopiero w 2014 roku, po pół dekadzie prób. Kiedy w końcu się udało, pokochał to co zobaczył.  
- Były lepsze niż cokolwiek innego, czego próbowaliśmy - mówi. Uzyskał to, czego chciał od leku: duża skuteczność, brak zdarzeń niepożądanych.

Do 2017 roku laboratorium Weissmana pokazało, jak szczepić myszy i małpy przeciwko wirusowi Zika przy użyciu informacyjnego RNA. Ta technologia wkrótce zdobyła dofinansowanie od BioNTech. Moderna szła do przodu. Szybko opublikowano wyniki wczesnych testów na ludziach nowej szczepionki mRNA  przeciw grypie i zapoczątkowano dużą serię badań klinicznych obejmujących choroby, takie jak Zika.

Ukierunkowanie na szczepionki miało jednak wadę. Andrew Lo, profesor z MIT’s Laboratory for Financial Engineering mówi, że większość szczepionek przynosi straty. Powodem jest to, że wiele z nich sprzedaje się za ułamek ich wartości ekonomicznej. Rządy płacą 100 000 dolarów za lek przeciwnowotworowy, który przedłuży życie pacjenta o jeden miesiąc, ale chcą zapłacić tylko 5 dolarów za szczepionkę, która może długoterminowo chronić przed chorobą zakaźną. Lo obliczył, że programy szczepień na pojawiające się zagrożenia, takie jak Zika czy Ebola, gdzie epidemie pojawiają się i znikają, przyniosłyby średnio -66% zwrotu. - Model ekonomiczny szczepionek jest zepsuty – mówi Lo.

Z drugiej jednak strony szczepionki są bardziej przewidywalne. Kiedy zespół Lo przeanalizował tysiące badań klinicznych, odkrył że programy szczepień często kończą się powodzeniem. Około 40%  kandydatów na szczepionki w testach skuteczności, zwanych badaniami klinicznymi fazy 2, odniosło sukces, czyli 10 razy częściej niż w przypadku leków przeciwnowotworowych.

Zwiększenie szans powodzenia szczepionek mRNA było szczęśliwym przełomem. Wstrzyknięte w ramię nanocząsteczki zawierające krytyczne instrukcje zdawały się docierać do komórek dendrytycznych, komórek których zadaniem jest szkolenie układu odpornościowego do rozpoznawania wirusa. Co więcej, coś w tych cząsteczkach stawiało układ odpornościowy w stan gotowości. Nie było to planowane, ale działały jak adiuwant szczepionkowy. - Nie mogliśmy uwierzyć w efekt - mówi Weissman.

Szczepionki dały dyrektorowi generalnemu firmy Moderna – Bancelowi, szansę na rozwinięcie szeregu nowych produktów. Ponieważ każda szczepionka używałaby tego samego nośnika nanocząstek, można je było szybko przeprogramować, jakby były oprogramowaniem komputerowym (Moderna zarejestrowała nawet nazwę "mRNA OS", oznaczającą system operacyjny). - Sposób wytwarzania mRNA dla jednej szczepionki jest dokładnie taki sam jak dla innej - mówi. - Ponieważ mRNA jest cząsteczką informacyjną, różnica między naszą szczepionką przeciwko chorobie Covid-19, szczepionką przeciwko chorobie Zika i szczepionką przeciwko grypie polega jedynie na kolejności nukleotydów.

95% skuteczności

Jeszcze w marcu 2020 roku, gdy ruszały programy szczepionkowe, sceptycy twierdzili, że informacyjny RNA nadal jest nieudowodnioną technologią. Nawet magazyn MIT Technology Review twierdził, że opracowanie szczepionki zajmie co najmniej 18 miesięcy. Prognoza okazała się błędna o całe dziewięć miesięcy.  - Czasami coś zajmuje dużo czasu tylko dlatego, że ludzie tak myślą - mówi Afeyan. - To obciąża nas jako zespół naukowy. Ludzie mówią: „Nie przyspieszajcie!".

Skuteczność szczepionek od firm Moderna i BioNTech potwierdzono do grudnia 2020 roku i w tym miesiącu zostały one zatwierdzone w USA. Jednak rekordowa prędkość nie wynikała tylko z nowatorskiej technologii, powodem było rozpowszechnienie infekcji (wiele osób chorowało na Covid-19), co wpłynęło na szybkie zgromadzenie potrzebnych danych.

Czy szczepionka mRNA naprawdę jest lepszą szczepionką? Wydaje się, że odpowiedź brzmi tak. Istnieją pewne skutki uboczne, ale obie szczepionki (zarówno firmy Moderna, jak i firmy BioNTech/Pfizer) są skuteczne w około 95% (to znaczy uodparniają 95 na 100 przypadków), co jest rekordem nieporównywalnym z innymi szczepionkami przeciwko Covid-19 i znacznie lepszymi niż skuteczność szczepionek przeciw grypie. Kolejna szczepionka, wykonana przez firmę AstraZeneca przy użyciu zmodyfikowanego wirusa grypy, jest skuteczna w około 75%. Szczepionka opracowana w Chinach przy użyciu dezaktywowanego wirusa Covid-19 chroni tylko połowę osób, które ją otrzymały.

- To może zmienić sposób wytwarzania szczepionek - mówi Ron Renaud, dyrektor generalny Translate Bio, firmy pracującej nad tą technologią.

Siła szczepionek i łatwość, z jaką można je przeprogramować sprawiają, że naukowcy już przygotowują się do zwalczania HIV, opryszczki, wirusa układu oddechowego niemowląt (wirusa RSV - syncytialny wirus oddechowy) i malarii - wszystkich chorób, na które nie ma skutecznej szczepionki. Również pod uwagę jest wzięta „uniwersalna” szczepionka przeciw grypie i to, co Weissman nazywa „pan-koronawirus”, szczepionka oferująca podstawową ochronę przed tysiącami patogenów z kategorii koronawirusów, które doprowadziły nie tylko do powstania pandemii Covid-19, ale wcześniej do infekcji SARS i prawdopodobnie wywołujących inne podobne pandemie w historii.

- Musimy być przygotowani, że  epidemii będziemy mieć więcej - mówi Weissman.
- Więc zamiast zamykać świat na rok, podczas gdy powstaje nowa szczepionka, będziemy już mieć szczepionkę gotową do działania.

Zeszłej wiosny Bancel zwrócił się do rządu o finansowanie rozległych centrów produkcyjnych wytwarzających informacyjne RNA. Wyobraził sobie megafabrykę, z której firmy mogłyby korzystać „w czasie pokoju" (braku epidemii), ale którą można by szybko przeorientować tak, by produkowała szczepionki w czasie następnej pandemii. To mogłoby być zabezpieczeniem przed koszmarnym scenariuszem patogenu, który rozprzestrzenia się tak szybko jak Covid, ale ma 50% wskaźnik śmiertelności Eboli. - Jeśli rządy wydają miliardy na broń nuklearną, której mają nadzieję nigdy nie użyć, to powinniśmy wyposażyć się tak, aby taka pandemia się już nigdy nie powtórzyła - argumentował Bancel w kwietniu.

Jeszcze w tym samym miesiącu, w ramach operacji Warp Speed - amerykańskich wysiłków na rzecz produkcji szczepionek, Moderna została wybrana jako narodowy lider do budowy takich ośrodków. Rząd przekazał jej prawie 500 milionów dolarów na rozwój szczepionki i rozszerzenie produkcji.

Poza szczepionkami

Niektórzy badacze spodziewają się, że po wprowadzeniu szczepionek na Covid-19 firmy Moderna i BioNTech powrócą do swoich pierwotnych planów związanych z technologią, takich jak leczenie bardziej konwencjonalnych dolegliwości, jak  zawał serca, rak czy rzadkie choroby dziedziczne. Ale nie ma gwarancji sukcesu na tej arenie.

- Chociaż w zasadzie istnieje wiele potencjalnych zastosowań terapeutycznych dla syntetycznego mRNA, w praktyce problem dostarczenia wystarczającej ilości mRNA do właściwego miejsca w organizmie będzie ogromnym i w większości przypadków niemożliwym do pokonania wyzwaniem - mówi Luigi Warren, przedsiębiorca biotechnologiczny, którego badania prowadzone jako postdoc stanowiły zalążek firmy Moderna.

Oprócz szczepionek istnieje jednak jedno zastosowanie, w którym krótka ekspozycja na mRNA może mieć skutki trwające lata, a nawet całe życie.

Pod koniec 2019 roku, przed pandemią Covid-19, Amerykański Narodowy Instytut Zdrowia (NIH) oraz Fundacja Billa i Melindy Gatesów ogłosiły, że wydadzą 200 milionów dolarów na rozwój przystępnych cenowo terapii genowych do stosowania w Afryce Subsaharyjskiej. Główne cele to HIV i choroba sierpowatokomórkowa, które są tam szeroko rozpowszechnione. Nie powiedzieli jednak, jak sprawią, że tak nowoczesne metody leczenia będą tanie i łatwe w użyciu, ale Weissman sugeruje, że plan może polegać na wykorzystaniu mRNA w technologiach inżynierii genetycznej, takich jak CRISPR, wprowadzając trwałe zmiany w genomie. - Pomyślmy o masowych kampaniach szczepień - mówi Weissman. - Tyle że z edycją genów w celu skorygowania odziedziczonej choroby.

W tej chwili terapia genowa jest skomplikowana i kosztowna. Od 2017 r. w USA i Europie zatwierdzono kilka jej rodzajów. Jeden z nich, leczenie ślepoty, w którym wirusy przenoszą nowy gen do siatkówki, kosztuje 425 000 dolarów za oko.

Start-up o nazwie Intellia Therapeutics testuje terapię, z użyciem CRISPR, mRNA i nanocząsteczek, za pomocą której ma nadzieję wyleczyć bolesną dziedziczną chorobę wątroby. Celem jest sprawienie, by nożyczki genowe pojawiły się w komórkach danej osoby, wycięły problematyczny gen, a następnie zniknęły. Firma przetestowała lek na pacjencie po raz pierwszy w 2020 r.

To nie przypadek, że Intellia leczy chorobę wątroby. Po podaniu do krwiobiegu nanocząsteczek lipidów z CRISP i mRNA, zwykle trafiają one do wątroby - organu służącego do oczyszczania organizmu. - Jeśli chcesz leczyć chorobę wątroby, świetnie; cokolwiek innego, masz problem - mówi Weissman.

Ale Weissman twierdzi, że odkrył, jak ukierunkować nanocząsteczki tak, by trafiały do szpiku kostnego, który nieustannie produkuje wszystkie czerwone krwinki i komórki odpornościowe. Byłoby to niezwykle rozwiązanie - tak cenne, że Weissman nie chce obecnie powiedzieć, jak to robi. - To tajemnica – mówi. - Dopóki nie złożymy patentów.

Zamierza użyć tej technologii, aby spróbować wyleczyć anemię sierpowatą, wysyłając nowe instrukcje do szpiku kostnego. Współpracuje również z naukowcami, którzy są gotowi przetestować na małpach, czy komórki odpornościowe zwane limfocytami T można tak zaprojektować, aby wyruszyły w misję „szukaj i niszcz” po HIV i wyleczyć tę infekcję raz na zawsze.

Wszystko to oznacza, że lipdowe cząsteczki informacyjnego RNA mogą stać się sposobem na edycję genomów na masową skalę, i to tanio. Lek w kroplówce, który pozwala na inżynierię układu krwionośnego, może stać się dobrodziejstwem dla zdrowia publicznego równie ważnym jak szczepionki. Ciężar choroby sierpowatej, dziedzicznej choroby, która skraca życie o dziesięciolecia (lub w biednych regionach zabija w dzieciństwie), dotyka najbardziej czarnoskórych mieszkańców Afryki równikowej, Brazylii i USA. HIV również stał się trwałą plagą: około dwie trzecie ludzi żyjących z wirusem lub umierających z jego powodu mieszka w Afryce.

Moderna i BioNTech sprzedają swoje szczepionki na Covid-19 w cenie od 20 do 40 dolarów za dawkę. Co by było, gdyby taki był również koszt modyfikacji genetycznej? - Moglibyśmy skorygować sierpowatą komórkę za pomocą jednego strzału - mówi Weissman. - Uważamy, że to przełomowa nowa terapia.

Na technologii mRNA można zbić fantastyczne fortuny. Przynajmniej pięć osób związanych z firmami Moderna i BioNTech jest obecnie miliarderami, w tym Bancel. Weissman nie jest jednym z nich, choć ma szansę na tantiemy patentowe. Mówi, że woli środowisko akademickie, gdzie ludzie rzadziej mówią mu, co ma badać - lub, co jest równie ważne, czego nie ma robić. Zawsze szuka kolejnego wielkiego wyzwania naukowego. Informacyjny RNA, jak twierdzi, "ma niesamowitą przyszłość".

Artykuł na podstawie:
MIT Technology Review