U mRNA vakcín byla na začátku klinických studií zjištěna nestabilita volné RNA v organismu, neočekávané zánětlivé projevy a nízká imunitní odpověď. Technologické pokroky v oblasti biologie a chemie posledních let však vedly ke zlepšení stability, bezpečnosti a účinnosti vakcín připravených touto technologií [1].
V onkologii je vakcinace mRNA v rámci preklinických a klinických studií používána ke kódování nádorových antigenů stimulujících imunitní odpověď zaměřenou na odstranění nebo zmenšení maligních nádorů.
Na jakém principu mRNA vakcíny fungují?
mRNA se dá jednoduše popsat jako nosič informace s pokynem pro diferencované buňky svalové, kožní a specializované imunitní buňky (dendritické), aby vyrobily kousek tzv. spike proteinu (neboli S proteinu), který je jedinečný pro SARS-CoV-2 [2]. Protože se vyrobí jen část S proteinu, nemůže očkované osobě uškodit, ale i tato malá část S proteinu je schopna vyvolat u očkovaného nejen tvorbu protilátek proti COVID-19, ale indukovat komplexní imunitní odpověď, a tím očkovaného chránit před onemocněním COVID-19.
mRNA vakcíny neobsahují živý virus a není tedy žádné riziko, že by u očkované osoby vyvolaly onemocnění, proti kterému se očkuje.
mRNA obsažená ve vakcíně nikdy nemůže vstoupit do buněčného jádra a poškodit nebo reagovat s DNA očkované osoby, tedy nemůže měnit nebo upravovat DNA očkovaného.
Výhody mRNA vakcín
Výhody mRNA vakcín lze shrnout následovně:
- při srovnání s tradičními vakcínami neobsahuje mRNA vakcína žádnou infekční částici;
- vakcínu lze vyrobit v kratší době než tradiční vakcíny;
- mRNA technologii lze použít pro výrobu vakcín proti mnoha nemocem;
- mRNA vakcíny lze vyvíjet v laboratoři za použití vzorku DNA a snadno dostupných materiálů;
- v budoucnosti může vést technologie mRNA k vývoji jedné vakcíny proti více nemocem.
Proč mRNA vakcíny nemohou změnit váš genetický materiál?
Naše deoxyribonukleová kyselina (DNA) je vzácný zdroj. Každá z našich buněk nese kompletní instrukční sadu pro proteiny, které udržují naše tělo v chodu, a změna tohoto kódu (DNA) může někdy vést k onemocnění.
Proto je tento kód dobře chráněn uvnitř buněčného jádra ohraničeného jadernou membránou, mRNA do jádra neumí vstoupit.
Naše DNA nikdy neopustí jádro, ochrannou bublinu pokrytou membránou, která se nachází v našich buňkách. Aby se podle DNA kódu – v rámci tzv. proteosyntézy – vytvořily proteiny, enzym zvaný DNA-dependentní RNA-polymeráza rozbalí části naší dvouvláknové DNA a vytvoří kopii jednovláknové RNA, která je transportována přes jadernou membránu do buněčné cytoplazmy. Na počátek této molekuly je buněčnými enzymy nasazena tzv. čepička, a současně je k ní přidán úsek obsahující vícekrát se opakující nukleotid A, tzv. poly A sekvence. Tyto úpravy vytvoří z RNA specializovanou mediátorovou RNA neboli messenger RNA, ve zkratce mRNA (anglicky messenger = posel) a umožní její rozpoznání ribozomy.
mRNA je jako lístek s poznámkou, který používáte k opsání receptu z kuchařské knihy kamarádky; její kuchařka patří do jejího domu, ale můžete si zkopírovat její pokyny a připravit si večeři.
Tato mRNA se chová jako dobrý posel, který se dostává z jádra do zbytku buňky, kde se na ni jako korálky na nit naváží ribozomy. Ty spolu s tzv. hrubým endoplazmatickým retikulem jsou v buňkách továrnami na bílkoviny. Ribozomy si přečtou recept nesený mRNA a pomocí nástrojů buňky, celé řady dalších enzymů a specializovaných jiných jednovláknových tRNA (transportních) sestaví řetězce aminokyselin, které se nakonec stanou proteinem. Každá transferová RNA neboli tRNA (anglicky transfer = přenos) umí navázat a dopravit do prodlužujícího se řetězce proteinu pouze jeden druh aminokyseliny. Postupně tak vzniká řetězec aminokyselin, kterému, je-li dostatečně dlouhý, říkáme polypeptid.
Obrázek 1: Princip proteosyntézy. Vysvětlivky k číslům: 1. transkripce informace z DNA do mRNA, 2. posttranskripční modifikace mRNA, 3. připravená mRNA je transportována z jádra do cytoplazmy, 4. translace informace z mRNA do polypeptidového řetězce, 5. skládání polypeptidového řetězce do požadované prostorové struktury, 6. posttranslační modifikace polypeptidového řetězce. (Zdroj: By Kep17 - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=89042835)
Vakcíny mRNA proti onemocnění COVID-19 využívají výhody tohoto integrovaného (zabudovaného – built-in) buněčného systému. Aplikací vakcíny dostávají naše buňky mikroskopický balíček nesoucí speciálně navrženou sekvenci mRNA. Když se tato mRNA setká s našimi ribozomy, použijí ji k přípravě proteinu, který napodobuje virus SARS-CoV-2 – konkrétně část jeho proteinového obalu. Naše ribozomy použijí tuto novou mRNA, jako by šlo o mRNA vytvořenou z naší vlastní DNA, ale DNA uvnitř jádra buňky zůstává nedotčená. Po použití je mRNA buněčnými enzymy velmi rychle odbourána (degradována, rozložena).
Takto vytvořený S protein je následně buňkou dopraven na její povrch, kde je vystaven spolu s hlavním histokompatibilním komplexem, tzv. HLA (HLA napovídá specializovaným buňkám imunitního systému, co je tělu vlastní a co je tělu cizí). Když si přítomnosti cizorodé struktury na povrchu buněk, tedy spike proteinu SARS-CoV-2, všimnou specializované buňky imunitního systému, vidí to jako hrozbu, a zahájí likvidaci těchto buněk. To vede k indukci (nastartování) tvorby protilátek. Samotný S protein nám nemůže ublížit; není to součást replikujícího se a šířícího se viru, který ničí naše buňky tak, že onemocníme. Samotný S protein, čí dokonce jeho část, však stačí k tomu, aby přiměl buňky imunitního systému k vybudování protilátkové ochrany – a tak budou lidé po očkování chráněni před onemocněním COVID-19.
Obrázek 2: Znázornění mechanismu účinku RNA vakcíny. (Zdroj: By Jmarchn - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=97537433)
mRNA vakcíny jsou velmi zajímavé, protože nepoužívají žádný skutečně cizí virový materiál; používají vylepšené verze ingrediencí, které jsou součástí každodenních buněčných procesů. Vědci se domnívají, že by to mohlo znamenat, že tento druh vakcín vyvolá méně nežádoucích účinků než vakcíny jiného typu. Podle údajů od společností Pfizer / BioNTech a Moderna má většina lidí po očkování vedlejší účinky, jako je únava a zvýšená teplota, které ale nejsou natolik závažné, aby vakcína nebyla zpřístupněna veřejnosti.
Tyto druhy vakcín se v těle rozpadají během několika hodin, což může snížit pravděpodobnost dlouhodobých vedlejších účinků. To je také jedním z důvodů, proč vývoj mRNA vakcín trval desítky let. Vědci totiž museli přijít na to, jak přimět mRNA, aby zůstala nedotčena dostatečně dlouho v buňkách, aby účinkovala.
Teoreticky mají mRNA vakcíny také potenciál pro výrobu dalších vakcín. Díky rychlému pokroku v sekvenačních technologiích lze velmi rychle určit genetickou informaci virů – i těch zcela nových – a je tedy možné velmi rychle připravit specifickou mRNA, která je potřebná k vytvoření v nich obsažených klíčových proteinů. To znamená, že budoucí vakcíny by mohly být vyráběny stejně rychle jako vakcíny Pfizer / BioNTech a Moderna COVID-19.
Shrnutí odborných informací o mRNA vakcínách
- mRNA vakcíny nejsou genové, ani genomové.
- mRNA vakcíny jsou připraveny genetickým inženýrstvím.
- mRNA vakcíny tedy neobsahují žádné infekční agens.
- mRNA je specializovaná nukleová kyselina, která je v buňce využita pro syntézu bílkovin.
- Vyskytuje se přirozeně a nese specifické signální struktury, které znemožňují inkorporaci do jádra, mRNA zůstává v cytoplazmě, kde se stává přirozenou součástí translačního aparátu. Translační aparát je komplex molekul, který využívá mRNA jako předlohu pro tvorbu bílkovin, pořadí bází určuje pořadí aminokyselin.
- Krátce po syntéze bílkoviny dochází k přirozené degradaci mRNA
- Na základě vpravení pouhé mRNA do buněk nelze dosáhnout syntézy viru, ani změny původní genetické informace cílových buněk, lze dosáhnout pouze syntézy bílkoviny, pro kterou je mRNA matricí.
- mRNA vakcíny jsou konstruovány tak, že se mRNA inkorporuje pouze do diferencovaných buněk svalových, kožních a dendritických. Dendritické buňky jsou specializované buňky na prezentaci antigenu na svém povrchu a současně ke stimulaci komplexní buněčné odpovědi.
- Po zavedení mRNA do buněk se po omezenou dobu vytváří bílkovina, kterou daná mRNA kóduje. Většinou se jedná o takové bílkoviny, struktury viru, které vyvolávají virus neutralizační odpověď.
- Tyto bílkoviny jsou vystaveny na povrchu kožních, svalových a dendritických buněk, a to v asociaci s hlavním histokompatibilním komplexem. Tento jev se odborně nazývá prezentace antigenu. Právě prezentace cizorodého antigenu ve spojení histokompatibilním komplexem na povrchu buněk vede k rozpoznání cizí/vlastní. Tyto buňky jsou následně rozpoznány jako cizí. Právě toto je podstatou funkce mRNA vakcín.
- Rozpoznání buněk obsahujících vakcinální mRNA jako cizích vede k indukci komplexní imunitní odpovědi, vede ke stimulaci lymfocytů, specializovaných buněk bílé krevní řady. Tedy B-lymfocytů (B-buněk), které vytváří protilátky, vede ke stimulaci T-lymfocytů (T-buněk), které stimulují diferenciaci a tvorbu specializovaných B-lymfocytů a současně stimulují i buněčnou odpověď.
- Právě stimulace buněčné složky imunitní odpovědi je velkým bonusem mRNA vakcín, tato specializovaná jednotka imunitního systému v konečném důsledku zlikviduje buňky nesoucí mRNA a současně zpětně stimuluje T a B odpověď směrem k imunitní paměti.
- mRNA je přirozeně vysoce nestabilní molekula je velmi rychle degradována buněčnými enzymy. Proto je hlavním problémem při tvorbě vakcín uchránit mRNA před degradací dříve, než je inkorporována do cílových buněk. Proto se využívají další vysokomolekulární sloučeniny, které nejsou toxické a které obalují a stabilizují mRNA.
- Právě tato nestabilita je příčinou nutnosti uchovávání a transportu vakcíny při minus 70 stupních Celsia.
- Všechny dostupné informace naznačují, že mRNA vakcíny jsou ze své podstaty bezpečnější než tradičně užívané vakcíny.
- mRNA vakcíny jsou užívány především v nádorové terapii a k rychlé přípravě vakcín proti virům.
- Výroba mRNA vakcín je rychlejší a pružnější.
Obrázek 3: Fakta o mRNA vakcíně proti COVID-19 – infografika. Zdroj: Státní zdravotní ústav
Související odkazy
- Harvard Medical School, 10. 12. 2020: Why are mRNA vaccines so exciting? (odkaz vede na web health.harvard.edu)
- Yuan Huang, Chan Yang, Xin-Feng Xu, Wei Xu, Shu-Wen Liu. Structural and functional properties of SARS-CoV-2 spike protein: potential antivirus drug development for COVID-19. Acta Pharmacologica Sinica 2020; 41(9): 1141–1149.
- Jak fungují nové mRNA vakcíny a jak to jednoduše vysvětlit? Molekulárně biologické minimum pro praxi (odkaz vede na web prolekare.cz)
- Fakta o mRNA vakcíně proti COVID-19 – infografika (PDF soubor, 264 kB)