Более семидесяти лет назад, в 1953 году, Д. Уотсон и Ф. Крик открыли структуру ДНК, что стало одним из самых значимых открытий в биологии. Это открытие не только изменило наше понимание генетики, но и проложило путь к разработке новых технологий и методов лечения. В наши дни вакцины, созданные на основе нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), играют ключевую роль в борьбе с инфекционными заболеваниями.
Инновационные препараты, например, мРНК-вакцины против COVID-19, демонстрируют высокую эффективность и способность быстро адаптироваться к новым штаммам вирусов. Они открывают новые горизонты в медицине и дают надежду на создание эффективных средств защиты от будущих угроз.
Чем вакцины на основе нуклеиновых кислот отличаются от классических: новый подход к вакцинации
Чтобы понять, чем вакцины на основе ДНК и РНК отличаются от обычных вакцин, мы должны обратиться к принципу профилактической вакцинации.
Суть метода заключается в том, чтобы ввести в организм небольшие количества болезнетворного агента (вируса или бактерии) или его частиц. Это делается для того, чтобы активировать иммунную систему и подготовить её к борьбе с будущими инфекциями.
На этом принципе основаны все современные вакцины:
- аттенуированные вакцины, содержащие живой возбудитель, вирулентность которого снижена;
- инактивированные вакцины, основанные на убитых целых возбудителях;
- вакцины «субъединичные», основанные на использовании фрагментов очищенных патогенных микроорганизмов;
- агенты или вакцины, полученные в результате генной инженерии, когда используемый фрагмент инфекционного агента производится клетками, культивируемыми в лаборатории, а не из очищенных микробов.
Таким образом, в случае ДНК- и РНК-вакцин предполагается лабораторное производство фрагментов инфекционных агентов, способных стимулировать иммунный ответ непосредственно клетками пациента.
В отличие от вакцин, использующих рекомбинантные бактерии или вирусы, генетические вакцины состоят исключительно из ДНК (в форме плазмид) или РНК (в форме мРНК), которая поглощается клетками и транслируется в белок.
Идея состоит в том, чтобы ввести пациенту молекулы ДНК или РНК, соответствующие белкам возбудителя, против которого мы хотим его иммунизировать. Эти белки выбираются на основе их способности провоцировать иммунный ответ или «иммуногенности».
После инъекции соответствующей ДНК (или РНК) клетки вакцинируемого человека сами будут продуцировать указанные белки.
Если ДНК, носитель генетической информации, представляет собой достаточно знакомую сегодня молекулу, то РНК менее известна. Химически близкая к ДНК, но менее стабильная, РНК играет в клетках различные роли, но, в частности, является важным промежуточным продуктом в производстве белков.
Например, в вакцине Pfizer и BioNtech и подобных им используется информационная РНК, кодирующая белок Spike коронавируса SARS-CoV-2 (префузионный спайковый гликопротеин — P2S), «ключ», который она использует для проникновения в заражаемые клетки.
Преимущества и недостатки ДНК- и РНК-вакцин
Более простые в производстве, благодаря стандартизированному методу производства, недорогие, чрезвычайно четко определенные с молекулярной точки зрения, ДНК- и РНК-вакцины имеют значительный потенциал развития и могут защищать от инфекционных заболеваний (профилактические вакцины) и бороться с раковыми патологиями (профилактические и лечебные вакцины).
Такие вакцины проще контролировать. В них нет целых вирусов, как в традиционных. Живые ослабленные, инактивированные или рекомбинантные вирусы, а также адъюванты не используются. Вместо этого применяются молекулы нуклеиновых кислот — ДНК или РНК.
Вакцины с ДНК в форме двойной спирали могут храниться при комнатной температуре. Эта молекула настолько устойчива, что ее используют для датировки древних объектов, например, мумий. Поэтому соблюдение холодовой цепи для таких вакцин не требуется.
Из минусов: вакцины на основе информационной РНК устроены иначе. Их одноцепочечная структура чувствительна к РНКазам — ферментам, которые разрушают РНК. Чтобы защитить эти вакцины от разложения, их нужно транспортировать и хранить при температуре -70°C. Это можно считать основным недостатком РНК-вакцин.
Важный вопрос: как доставить вакцину в нужное место и обеспечить ее эффективность
Эукариотические клетки (клетки всех живых существ, кроме бактерий и архебактерий) имеют ядро, содержащее их ДНК, молекулу поддержки генов. Именно здесь начинается производство белка. Сначала часть молекулы ДНК, соответствующая вырабатываемому белку, копируется в форме РНК. Эта молекула РНК затем покидает ядро: она переходит в цитоплазму клетки, где будет использоваться в качестве «руководства по сборке» белка.
Этот новый метод вакцинации гораздо более эффективный и позволяет чрезвычайно быстро производить вакцины, что позволит реагировать на угрозы инфекций, связанных с новыми инфекционными агентами, или развивать новые методы лечения рака. Эти преимущества объясняют рост исследований этого нового типа вакцинации за последние тридцать лет и позволяют рассматривать ДНК- и РНК-вакцины как вакцины будущего.
Однако остаются трудности с полным обеспечением эффективности вакцин на основе нуклеиновых кислот. Одно из главных препятствий состоит в том, чтобы успешно доставить молекулы ДНК или РНК в нужное место в клетке: в ядре для первых и в цитоплазме для вторых. Для этого необходимо пересечь клеточные мембраны, одна из ролей которых как раз и состоит в том, чтобы служить барьером для захватчиков и избегать деградации клеточными ферментами.
Для достижения этой цели возможно несколько решений:
- можно использовать модифицированный вирус в качестве «средства транспорта» нуклеиновой кислоты, которую мы хотим ввести в клетки;
- изготовить с нуля искусственную оболочку, своего рода синтетического вируса.
Именно этот путь выбрали компании Pfizer и BioNtech, которые использовали нанолипидные частицы для транспортировки вакцинной РНК.
Сейчас разработано несколько особенных транспортных средств, основанных на звездообразных полимерах или липидах, полученных из природных сахаров. Они могут либо напрямую пересекать мембрану, неся с собой ДНК или РНК, предназначенные для вакцинации, либо проникать в клетку по путям, естественным образом используемым веществами, «разрешенными» для проникновения.
Эти два способа проникновения в клетку будут играть решающую роль в активации иммунной системы. Фактически они приведут в состояние боевой готовности систему надзора за клетками, запуская выработку молекул, участвующих в иммунном ответе. Это будет способствовать повышению иммуногенности и, следовательно, эффективности ДНК- или РНК-вакцины.
Нужно ли бояться вакцинации новыми вакцинами?
В интернете до сих пор обсуждают вакцины от COVID-19, но ученые утверждают: они не меняют наш геном, клинические испытания прошли успешно, а их быстрое создание не должно вызывать подозрений.
Инновационные вакцины стали результатом многолетних исследований в области использования мРНК. Эти исследования начались еще в 1970-х годах, а не только с началом пандемии COVID-19, как многие думают.
Первое применение РНК в медицине произошло в 2001 году. Тогда пациенту сначала брали клетки, вводили в них РНК вне организма (ex vivo), а затем возвращали эти клетки обратно. В 2009 году РНК впервые ввели напрямую в организм, в лимфатические узлы.
На сегодняшний день опубликовано сотни научных работ, подтверждающих эффективность и безопасность технологии мРНК в медицине.
Будущее за новыми вакцинами
До пандемии Covid-19 в Европе уже применяли четыре ДНК-вакцины для животных. Их использовали для защиты лосося от инфекционного гематопоэтического некроза и болезней поджелудочной железы, цыплят — от птичьего гриппа, а также для лечения собак с меланомой полости рта.
Однако многообещающие результаты на животных не всегда удавалось повторить на людях. Иммуногенность этих вакцин часто оказывалась недостаточной для эффективной защиты от целевых патогенов, и разрешение на их продажу откладывалось.
Сейчас вакцины на основе нуклеиновых кислот прошли множество доклинических и клинических испытаний против различных инфекционных заболеваний и онкологических патологий. Все эти исследования показали, что такой тип вакцин хорошо переносится.
Теперь, с появлением новых вакцин на основе нуклеиновых кислот, ситуация изменится. Положительные результаты ускорят исследования в этой области и откроют новые возможности для борьбы с инфекционными заболеваниями и онкологическими патологиями. Такие вакцины обладают потенциалом для создания универсальных решений, которые могут адаптироваться к различным угрозам.
Например, ДНК-вакцины могут быть модифицированы для защиты от множества патогенов одновременно, что особенно важно в условиях растущей устойчивости бактерий и вирусов к препаратам. Кроме того, они могут использоваться для профилактики и лечения заболеваний, которые ранее считались неизлечимыми.
Важный аспект: возможность персонализированного подхода к вакцинации. Генетические особенности каждого пациента могут быть учтены при разработке индивидуальных схем иммунизации, что повысит эффективность и безопасность вакцинации.
Таким образом, появление новых вакцин на основе нуклеиновых кислот — важный шаг в медицине, открывающий новые горизонты для здравоохранения и улучшающий качество жизни миллионов людей.
