Przypadkowe odkrycie przerodziło się w nieoczekiwany sukces, gdy zespół interdyscyplinarnych badaczy z BU stworzył nową, ulepszoną szczepionkę przeciwko COVID.
Wszystko zaczęło się w laboratorium. Dwóch doktorantów Uniwersytetu Bostońskiego, Joshua McGee (ENG’26) i Jack Kirsch (ENG’23), tworzyło i testowało różne typy RNA – nici rybonukleinowe kwaszbudowane z łańcuchów związków chemicznych zwanych nukleotydami, które pomagają w wykonywaniu instrukcji genetycznych w komórkach. Byli zdeterminowani, żeby sprawdzić, czy RNA sekwencje utworzone z niewielkimi zmianami w nukleotydach mogą nadal działać. Po przeprowadzeniu dziesiątek eksperymentów trafili w ślepy zaułek.
„Na początku była to porażka” – mówi McGee.
Dekady badań odkryło tajemnice RNA w żywych komórkach. Bez tego nasze komórki nie mogłyby wykonywać podstawowych zadań, takich jak konstruowanie innych komórek czy przenoszenie aminokwasy z jednej części komórki do drugiej lub narastająca odpowiedź immunologiczna na wirusy.
Jednak niedawno naukowcy odkryli, jak wykorzystać RNA do opracowania terapii mających na celu zwalczanie chorób genetycznych i raka. Nauczyli się także korzystać wytworzyć informacyjny RNA (mRNA). COVID 19 szczepionki. Eksperymenty przeprowadzane przez McGee i Kirscha mają na celu wykorzystanie RNA do dostarczania leków ratujących życie i stworzenia skuteczniejszych szczepionek niż obecnie.
Przeniesienie uwagi na samowzmacniający się RNA
Współpracując z Markiem Grinstaffem, profesorem inżynierii biomedycznej i chemii Williamem Fairfieldem Warrenem z BU, oraz Wilsonem Wongiem, profesorem nadzwyczajnym inżynierii biomedycznej w College of Engineering, zaczęli rozmawiać o tym, co dalej robić i co zrobić z pozostałymi składnikami chemicznymi z pierwszych eksperymentów. Postanowili skupić się na modyfikacji struktury chemicznej mniej znanego typu RNA, zwanego samowzmacniającym się RNA (saRNA), który jest wytwarzany w laboratorium i wielokrotnie replikuje w komórce, wytwarzając większą liczbę białek zaprogramowany do wykonania.
Nowa metoda okazała się skuteczna: zmodyfikowany saRNA replikował się na szalce Petriego.
„Naszą reakcją było wielkie podekscytowanie, ale także myśl zwykłego naukowca: «Czy zrobiliśmy to dobrze?»” – mówi McGee. „Wracaliśmy, żeby to powtórzyć. I otrzymaliśmy takie same wyniki.”
Wyniki zapoczątkowały roczny projekt badawczy, który przeniósł się z laboratorium chemicznego Grinstaffa, laboratorium inżynierii genetycznej Wonga do krajowych laboratoriów nowych chorób zakaźnych (NEIDL) BU, gdzie przetestowano zmodyfikowany saRNA jako szczepionkę przeciwko wirusowi Covid-19. wirus. Odkryli, że niższa dawka nowej szczepionki u myszy chroniła je przed chorobą tak samo dobrze, jak obecne szczepionki mRNA. Ich ustalenia zostały opublikowane w Biotechnologia Przyrody.
Ku próbom na ludziach
Zanim szczepionka zostanie zatwierdzona dla ludzi, upłyną lata dalszych testów. Chociaż istnieje jeden rodzaj szczepionki saRNA – dopuszczony do użytku w zeszłym roku w Japonii — badacze mają nadzieję, że zmodyfikowana wersja sprawi, że technologia stanie się bardziej atrakcyjna dla producentów leków, a także pokona wyzwania związane ze stosowaniem saRNA jako szczepionki.
„Wyzwanie związane ze zwykłym samowzmacniającym się RNA polega na tym, że istnieją dwa konkurencyjne procesy — RNA próbuje wytworzyć coraz więcej białka, a jednocześnie układ odpornościowy je degraduje” – mówi Grinstaff. Standardowe szczepionki mRNA przeciwko COVID instruują komórki, aby wytworzyły białko kolczaste imitujące prawdziwego wirusa. To z kolei powoduje, że układ odpornościowy włącza się i walczy z wirusem. Ale szczepionka saRNA idzie o krok dalej, powtarzając w kółko te instrukcje komórce, tworząc więcej maszynerii do tworzenia białek kolczastych. Więcej białka oznacza, że nie potrzebujesz tak dużej dawki, a układ odpornościowy pamięta, jak walczyć z wirusem przez dłuższy czas.
„Zatem pomysł jest taki, że może to zapewnić długi czas ekspresji białka, nawet przy zastosowaniu mniejszej dawki” – mówi Grinstaff.
Kolejnym wyzwaniem jest to, że saRNA może wywołać zbyt silną reakcję, która może prowadzić do niewygodnych skutków ubocznych – gorszych niż te w przypadku obecnych szczepionek przeciwko Covid-19, które zwykle powodują u niektórych osób łagodną gorączkę lub bóle.
Grinstaff, Wong i zespół ściśle współpracowali z Florianem Douamem, adiunktem wirusologii, immunologii i mikrobiologii BU Chobanian & Avedisian School of Medicine oraz głównym członkiem wydziału NEIDL. On i jego zespół przeprowadzili badanie zwane „wirusową prowokacją” – aby ocenić, czy szczepionka przeciwko COVID-19 zbudowana w technologii zmodyfikowanego saRNA może skuteczniej chronić myszy przed ciężką chorobą COVID-19 niż wcześniejsze szczepionki saRNA i mRNA.
„Aspekt wyzwania wirusowego był szczególnie ważny” – mówi Douam. „Ujawniło, że bardzo niska dawka tej nowatorskiej technologii saRNA jest w stanie znacznie skuteczniej chronić myszy przed śmiertelną chorobą niż tradycyjne szczepionki SARNA i mRNA na Covid-19 w podobnej dawce” – mówi Douam, że nowa szczepionka, która zawiera zmodyfikowane nukleotydy zwana m5C (5-metylocytydyna), również powodowała bardzo niski poziom stanu zapalnego po szczepieniu, porównywalny ze szczepionkami mRNA.
„Nadal pozostaje wiele do zrobienia, aby odkryć wszystkie zalety tej technologii w porównaniu z innymi istniejącymi podejściami do szczepionek RNA” – mówi Douam. Ale to był obiecujący początek.
Kolejne pytanie dotyczy tego, czy zmodyfikowany saRNA może zapewnić długotrwałą ochronę przed infekcją wirusową w porównaniu z istniejącymi szczepionkami na bazie RNA w podobnej dawce.
Więcej obiecujących zabiegów
Oprócz szczepionek przeciwko COVID, dobrze tolerowany saRNA opracowany przez zespół może otworzyć drzwi dla innych rodzajów terapii i terapii genowej.
„Ostatecznie jest to system produkujący białko” – mówi Wong. „System dostarczania genów”.
W przypadku zaburzenia genetycznego można zaprogramować saRNA w celu wytworzenia brakującego genu lub zastąpienia wadliwego, mówi Wong. Do leczenia raka płuc, piersi i innych nowotworów „możemy wyprodukować lek przeciwnowotworowy na chorobę wymagającą dużej dawki i wytwarzania dużej ilości białka”.
„Dlatego jesteśmy naprawdę podekscytowani naszą technologią samowzmacniającego się RNA — ponieważ uważamy, że możemy obniżyć dawkę niezbędną do umożliwienia niektórych zastosowań terapeutycznych” – mówi Wong. „Tak to sobie wyobrażamy.”
Grinstaff otrzymał niedawno inauguracyjną nagrodę Trailblazer Engineering Impact Award od National Science Foundation, która obejmuje grant w wysokości 3 milionów dolarów, na dalsze badania technologii saRNA — czegoś, co według NSF może „fundamentalnie zmienić paradygmat inżynierii genetycznej”.
„Wciąż wykonujemy obecnie mnóstwo pracy, aby lepiej zrozumieć to, co odkryliśmy” – mówi McGee, któremu współdoradzają Wong i Grinstaff. „Istnieje wiele publikacji sugerujących, że badania nad saRNA również zakończyłyby się niepowodzeniem. To uświadomiło mi, że można próbować rzeczy, które według innych mogą się nie udać, bo kto wie, mogą się mylić”.
Odniesienie: „Całkowite podstawienie zmodyfikowanymi nukleotydami w samowzmacniającym się RNA tłumi odpowiedź interferonu i zwiększa siłę działania” Joshua E. McGee, Jack R. Kirsch, Devin Kenney, Faith Cerbo, Elizabeth C. Chavez, Ting-Yu Shih, Florian Douam , Wilson W. Wong i Mark W. Grinstaff, 8 lipca 2024 r., Biotechnologia Przyrody.
DOI: 10.1038/s41587-024-02306-z
Badania te wsparła firma Narodowe Instytuty Zdrowia oraz Narodowa Fundacja Nauki.
Na podstawie artykułu pierwotnie opublikowanego przez Uniwersytet Bostoński.
