Nobelovu cenu za fyziologii a lékařství získali Karikó a Weissman za výzkum vakcín proti covidu. Jak objev probíhal?

„Objevy obou laureátů Nobelovy ceny byly klíčové pro vývoj účinných mRNA vakcín proti covidu-19 během pandemie, která začala na začátku roku 2020. Těmito převratnými objevy, které významně změnily naše chápání interakce mRNA s naším imunitním systémem, laureáti přispěli k bezprecedentnímu tempu vývoje vakcín během jedné z největších hrozeb pro lidské zdraví v moderní době,“ píše se v textu na oficiálním webu Nobelových cen.

Vakcíny a jejich vývoj v čase před pandemií

Očkování stimuluje tvorbu imunitní odpovědi na konkrétní patogen. To dává tělu náskok v boji s nemocí v případě pozdější nákazy. Vakcíny založené na usmrcených nebo oslabených virech jsou již dlouho dostupné – příkladem jsou vakcíny proti dětské obrně, spalničkám a žluté zimnici. V roce 1951 byl Max Theiler oceněn Nobelovou cenou za fyziologii a medicínu za vývoj vakcíny proti žluté zimnici.

Díky pokroku v molekulární biologii byly v posledních desetiletích vyvinuty vakcíny založené spíše na jednotlivých virových složkách než na celých virech. Části virového genetického kódu, obvykle kódující proteiny nacházející se na povrchu viru, se používají k výrobě proteinů, které stimulují tvorbu protilátek blokujících virus. 

Obrázek: Způsob výroby vakcíny před pandemií (zdroj: https://www.nobelprize.org/)

Příkladem jsou vakcíny proti viru hepatitidy B a lidskému papilomaviru. Alternativně mohou být části virového genetického kódu přesunuty do neškodného nosiče viru, „vektoru“. Tato metoda se používá ve vakcínách proti viru Ebola. Když jsou vektorové vakcíny aplikovány, je v našich buňkách produkován vybraný virový protein, který stimuluje imunitní odpověď proti cílenému viru.

Výroba vakcín na bázi celých virů, proteinů a vektorů ale vyžaduje rozsáhlou buněčnou kulturu. Tento proces je náročný na zdroje a omezuje možnosti rychlé výroby vakcín v reakci na propuknutí a pandemie. Výzkumníci se proto dlouho pokoušeli vyvinout technologie vakcín nezávislé na buněčné kultuře, ale to se ukázalo jako náročné.

Jak funguje mRNA?

V našich buňkách se genetická informace zakódovaná v DNA přenáší do messenger RNA (mRNA), která se používá jako templát (v molekulární biologii je to označení pro jednořetězcovou DNA, která je využívána jako zdroj informací při tvorbě kopií těchto nukleových kyselin, pozn. red.) pro produkci proteinů. Během 80. let 20. století byly zavedeny účinné metody produkce mRNA bez buněčné kultury, nazývané „in vitro“ transkripce. Tento rozhodující krok urychlil rozvoj aplikací molekulární biologie v několika oborech. 

„In vitro“ připravená mRNA byla ale považována za nestabilní a náročnou na dodání, což vyžadovalo vývoj sofistikovaných nosných lipidových systémů pro zapouzdření mRNA. Navíc „in vitro“ produkovaná mRNA vyvolala zánětlivé reakce. Nadšení pro vývoj technologie mRNA pro klinické účely bylo proto zpočátku omezené.

„Tyto překážky však neodradily maďarskou biochemičku Katalin Karikó, která se věnovala vývoji metod využití mRNA k terapii. Na počátku 90. let, kdy byla odbornou asistentkou na Pensylvánské univerzitě, zůstala věrná své vizi realizace mRNA jako terapeutika, přestože se potýkala s obtížemi při přesvědčování sponzorů výzkumu o významu svého projektu. Jejím novým kolegou se stal na univerzitě imunolog Drew Weissman. Zajímal se o dendritické buňky, které mají důležité funkce v imunitním dozoru a aktivaci imunitních reakcí vyvolaných vakcínou. Díky novým nápadům brzy začala plodná spolupráce mezi těmito dvěma, zaměřená na to, jak různé typy RNA interagují s imunitním systémem,“ vysvětluje tisková zpráva k ocenění.

Průlom

Karikó a Weissman si všimli, že dendritické buňky rozpoznávají „in vitro“ transkribovanou mRNA jako cizorodou látku, což vede k jejich aktivaci a uvolnění zánětlivých signálních molekul. Jaktože byla rozpoznána jako cizí, zatímco mRNA ze savčích buněk nevyvolala stejnou reakci? Karikó a Weissman si uvědomili, že některé kritické vlastnosti musí odlišovat různé typy mRNA.

RNA obsahuje čtyři báze – zkráceně A, U, G a C-, které odpovídají A, T, G a C v DNA, což jsou písmena genetického kódu. „Karikó a Weissman věděli, že báze v RNA ze savčích buněk jsou často chemicky modifikovány, zatímco „in vitro“ transkribovaná mRNA nikoli. Zajímalo je, zda nepřítomnost změněných bází v in vitro transkribované RNA může vysvětlit nežádoucí zánětlivou reakci. Aby to prozkoumali, vyrobili různé varianty mRNA, každou s jedinečnými chemickými změnami ve svých bázích, které dodali do dendritických buněk. Výsledky byly pozoruhodné: Zánětlivá reakce byla téměř zrušena, když byly do mRNA zahrnuty modifikace báze. To byla změna paradigmatu v našem chápání toho, jak buňky rozpoznávají a reagují na různé formy mRNA,“ uvádí vyprávění na webu s tím, že Karikó a Weissman okamžitě pochopili, že jejich objev měl hluboký význam pro použití mRNA jako terapie. Tyto zásadní výsledky byly zveřejněny v roce 2005, patnáct let před pandemií COVID-19.

Obrázek: mRNA obsahuje čtyři různé báze, zkráceně A, U, G a C. Laureáti Nobelovy ceny objevili, že mRNA s modifikovanou bází lze použít k blokování aktivace zánětlivých reakcí (sekrece signálních molekul) a ke zvýšení produkce proteinů, když je mRNA dodávána do buněk. (zdroj: https://www.nobelprize.org/)

V dalších studiích publikovaných v letech 2008 a 2010 Karikó a Weissman ukázali, že dodání mRNA generované s modifikacemi bází výrazně zvýšilo produkci proteinů ve srovnání s nemodifikovanou mRNA. Účinek byl způsoben sníženou aktivací enzymu, který reguluje produkci bílkovin. Díky jejich objevům, že modifikace bází nejen snižují zánětlivé reakce, ale také zvyšují produkci proteinů, Karikó a Weissman odstranili kritické překážky na cestě ke klinickým aplikacím mRNA.

První mRNA vakcíny

Zájem o technologii mRNA začal narůstat a v roce 2010 několik společností pracovalo na vývoji této metody. Byly sledovány vakcíny proti viru Zika a MERS-CoV - posledně jmenovaný úzce souvisí se SARS-CoV-2. Po vypuknutí pandemie covid-19 byly rekordně rychle vyvinuty dvě vakcíny mRNA s modifikovanou bází kódující povrchový protein SARS-CoV-2. Byly hlášeny ochranné účinky kolem 95 procent a obě vakcíny byly schváleny již v prosinci 2020.

„Působivá flexibilita a rychlost, s jakou lze mRNA vakcíny vyvíjet, dláždí cestu pro použití nové platformy také pro vakcíny proti dalším infekčním chorobám. V budoucnu může být technologie také použita k dodávání terapeutických proteinů a léčbě některých typů rakoviny,“ uvádí členové komise Nobelových cen.

Rychle bylo zavedeno také několik dalších vakcín proti SARS-CoV-2, založených na různých metodologiích, a dohromady bylo po celém světě podáno více než 13 miliard dávek vakcíny covid-19. 

„Vakcíny zachránily miliony životů a předešly také v mnoha případech dalším vážným onemocněním, což pomohlo společnosti otevřít se a vrátit se k normálnímu životu. Prostřednictvím svých zásadních objevů důležitosti modifikací bází v mRNA letošní laureáti Nobelovy ceny kriticky přispěli k tomuto transformačnímu vývoji během jedné z největších zdravotních krizí naší doby,“ uzavírá tisková zpráva.

Autorka: Pavlína Zítková

Foto: pennmedicine.org