Брой 3/2021
Проф. д-р Х. Одисеев, д.м.н.
Пандемията от коронавирусната болест 2019 (COVID-19), която обхвана целия свят, създаде сериозни проблеми не само в здравеопазването, но и във всички сфери на световното общество: икономика, образование, култура, туризъм, международни връзки. С две думи – парализира света.
Първият случай на болестта бе регистриран в град Ухан, провинция Хубей, Китай, през декември 2019 г., която много бързо прогресира и за няколко месеца се превърна в глобална пандемия. Причинителят на болестта бе бързо идентифициран, оказа се че е коронавирус, Severe Acute Respiratory Syndrome – Corona Virus = SARS-CoV. И понеже причинява епидемия за втори път (първият – епидемията от 2002 г) му бе поставена цифрата 2: SARS-CoV2. А на причинената болест Corona Virus Infectious Disease – COVID-19 (последните цифри на годината на появата на първия болен). Някой преписват неправилно инициалите на болестта COVID-19 и на вируса.
Въпреки широко предприетите предпазни мерки: маски, пространствено отдалечаване, карантина на болни и контактни, изолация на определени региони: квартали, градове , села, дори и държави, се оказаха безсилни да ограничат разпространението на инфекцията. И стана ясно, че единственият начин да се спре и ликвидира епидемията е само създаването на повсеместно ефективен имунитет чрез получаване и приложение на безопасни и ефективни ваксини. Веднага започнаха трескави усилия за тяхното създаване. Първо трябваше да се реши каква ваксина да бъде произведена. Ако е на базата на атенюиране на щама, ще са необходими минимум 1-2 години, когато епидемията ще е вече отзвучала. Ако е убита, съставена от пълноценен вирус или негови субединици, създаденият имунитет ще бъде непълноценен и кратък.
Затова изследователите избраха неизползвани досега генетичните методи: информационната РНК (messеnger RNA-mRNA) и векторния.
На този фон Американското министерство на здравеопазването и социалните грижи стартира операцията Warp Speed – партньорство между правителството и индустрията за съставяне на 300 милиона дози безопасна и ефективна ваксина до януари 2021 г. Този амбициозен план първоначално бе фокусиран върху 125 фармацевтични фирми, потенциални кандидати за създаване на ваксини, но бързо бе стеснен през май 2020 г. на 14, а през юни- на 5: Ваксините на фирмите : Moderna, базирана в Масачузетската компания за биотехнологии; на американската BioNtech/Fosun Pharma/ Pfizer/ ; на Merck Sharpe /International AIDS Vaccine Intiativе; на Johnson & Johson/ Janssen Pharmaceuticals и ваксината на Astra Zеneka/University of Oxford. И петте ваксини бяха утвърдени от Агенцията за контрол на храните и медикаментите в САЩ.
Едновременно с опитите в САЩ, за получаване на ваксини срещу епидемията COVID-19, започнаха подобни проучвания и в други страни. В Китай държавната корпорация China National Biotech Grup създаде ваксина (подробности за нея не се изнасят) и оповести, че до средата на ноември са имунизирани над 1,000,000 души. В Русия, с използване на вектор аденовирус, е създадена ваксината Спутник. Френската компания Sanofi, британската Glaxo Smithklin, германската Cure-Vac и с участието на изследователи от института Paul Ehrlich работят също за получаване на ваксина.
Всички ваксини имат обща цел: индуциране на антитела, насочени срещу рецепто-свързващия пункт на вируса, протеин S, разположен по повърхността на шиповете на SARS-CoV-2. Протеинът S е единствен от четирите протеина на вируса, който има функционално съответствие с рецепторите АСЕ2, разположени по повърхността на алвеолните клетки на белия дроб. Другите са структурни, участват в изграждането на вируса.
Механизми за създаването на ваксините
Както споменахме за създаване на ваксините са използвани два подхода: методът информационна РНК –иРНК (messenger RNA- mRNA) (в статията ще използваме българския превод) и векторният метод. Оттам и наименованието на ваксините: информационни и векторни. По-долу ще опишем накратко двете технологии.
Информационни РНК-ваксини
Първо ще отбележим, че опитите за добиване ex-vivo на иРНК започнаха още в началото на 70-те години на миналото столетие. Първите продукти бяха извлечени от бактериофаги. През1989 г. излезе първото съобщение за използването на иРНК за лечение на някой видове злокачествени тумори. През 1993 г., с използването на иРНК бе получен in-vivo грипен нуклеопротеин, с намерението да бъде използван за противогрипна ваксина. Но при тогавашното ниво на генното инженерство не можеше да се получи голямо количество иРНК и проектът бе изоставен. При сегашното ниво на генетиката, изследователите преодоляха това препятствие и само за няколко месеца успяха да разработят технология за получаване на иРНК в количества, необходими за създаването на ваксини срещу SARS-CoV2.
По същество този механизъм се покрива с нормалната функция на човешката клетка за производство на собствените си протеини. Да я опишем накратко. В генома на клетката съществува ген, който непрекъснато кодира иРНК вериги. След създаването им,те се отправят към рибозомите и се вмъкват в съществуващия в тях канал. иРНК са 20 вида, съответстващи на 20-те аминокиселини, градивните елементи на протеините. Всяка рибозома може да конструира само един вид протеин, различен от другите, в зависимост от структурата на влязлата в нея иРНК. Освен иРНК, клетъчният геном кодира и 20 вида къси нуклеинови верижки, наречени транспортни РНК ( тРНК), които също са 20 вида, всеки съответстващ на отделна аминокиселина.
Тяхната роля е да хващат и завеждат аминокиселините до рибозомите и да ги предават на вмъкнатите в тях иРНК, които ще ги свързват в изграждането на протеините. През цялото време те циркулират свободно в протоплазмата на клетката, докато бъдат информирани по електронен път от иРНК от кои аминокиселини се нуждае и по-какъв ред да ги транспортират до рибозомите, за да изградят съответния протеин. Затова тези малки молекули знаят два “езика“: на иРНК и на аминокиселините. Информирани, те залавят съответстващите им аминокиселини и ги привличат до рибозомите и когато им дойде реда, използвайки водородни връзки, поставят аминокиселината на съответно за нея място в иРНК. От своя страна иРНК свързва новопостъпилата аминокиселина с предходната. И така, в единия край на рибозомата влизат аминокиселините, от другия излизат създадените протеини.
При естествената инфекция, когато коронавирусът се доближи до алвеолната клетка, протеинът S, по същество антиген, се свързва с рецептора АСЕ2 на алвеолната клетка, връзката се стопява и се отваря вратичка, през която коронавирусът влиза в клетката. Важно е да от бележим че вирусът, преди да се гмурне в цитоплазмата на клетката, съблича обвивката на генома си (РНК) и влиза гол в клетката. Веднъж влязъл, голият геном блокира генома на клетката и използвайки собствен ензим започва да се размножава.
В процеса на размножението си той създава иРНКови вериги , които отиват в рибозомите , за да създават облекла на голото потомство вируси. Новите голи вируси отиват в ретикулома на цитоплазмата, където пристига и изработеното облекло, обличат се и се превръщат в оформени вирусни телца. Както вече отбелязахме само три протеина – структурните, участват в обличането на произведените вирусни РНК. Четвъртата, протеин S в ролята си на антиген, влиза в контакт с имунните структури на клетката и в резултат на взаимодействието с тях, се създава имунен отговор. Размножението и създаването на новите вируси продължава докато се изчерпи напълно клетъчното съдържание. Клетката умира и новосъздаденото потомство, около стотина на брой, се втурва към здравите алвеоли, за да се вмъкнат в тях и да продължат размножението. И така, унищожавайки алвеолите, те сриват дихателната система на организма.
Именно описаните процеси пораждат идеята у изследователите да създадат ваксина, съдържаща само иРНК-ови вериги, а не цели вируси. Внедрени в човешката клетка, те ще се вмъкват в рибозомите и ще нареждат на клетъчните тРНК да ги снабдяват с необходимите аминокиселини и ще изграждат протеини S. Уникалното е в това, че се създава имунен отговор без въвеждането на целите вируси. Следва да допълним, че иРНК веригите не се размножават, а отиват направо в рибозомата. Затова всяка доза ваксина трябва да съдържа голям брой иРНК вериги.
В условията на съвременната генетика идеята се оказа осъществима, въпреки трудното й изпълнение. Но в процеса на процедурата се появява нова трудност – иРНК веригите са нестабилни и внедрени в тялото, свободно циркулиращите рибонуклази в в организма ги разграждат. Трябваше да се намери защитна обвивка на информационните РНК. След дълго търсене накрая се намери изход: обвиването им с липиди. Следователно всяка доза от ваксината съдържа голям брой наночстици от коронавирусни иРНК, обвити в липиди и напълно безвредни. (Колко броя, само фирмата производител на ваксината знае). Приложена в тялото, ваксината дава имунен отговор до 95%.
От утвърдените 5 ваксини, тези на Moderna и Pfizer са иРНК –ови ваксини.
Векторни вирусни ваксини
Векторният метод е познат отдавна , но е използван главно за терапията на редица видове рак и хронични и генетични болести и за пренасяне на ензими.
Векторните вирусни ваксини се основават на концепцията, че са живи ваксини, които притежават способността за репликация (размножение). При използването им за създаване на вирусни ваксини, уникалното при тях е че не се използва целия вирус, а само оная част от неговата нуклеинова верига (гена), който кодира нужния протеин. С молекулярна „ножица“ се изрязва и се „пришива“ към нуклеиновата верига на друг вирус, непатогенен за човека. Този рекомбиниран вирус, внедрен в тялото, навлиза в клетките, започва да се да се размножава и да създава непрекъснато иРНК, които носят и гена на желания протеин.
В нашите случаи се изрязва оная част от РНК на RASR-CoV2, която кодира протеин S, който, както вече споменахме има антигенни свойства и се пришива към генома на вектора. Векторът е жив вирус, който, внедрен в тялото се размножава, кодира непрекъснато иРНК-ови частици, които отиват в рибозомите, съобщават на клетъчните тРНК да започнат доставката на необходимите аминокиселини за производство на собствени за вируса протеини. Но в иРНК на вектора съществува и поредицата нуклеотиди, които кодират протеин S на RASR-CoV2, затова тя изгражда и него. След като излезе от рибозомата, протеин S се отправя към имунната система на клетката, влиза в контакт с нейните структури и предизвиква имунен отговор срещу коронавируса.
Най-новият пример за успешно създаване на векторна вирусна ваксина е тази срещу болестта Ебола, създадена миналата година от корпорацията Merck Sharp & Dohme. За получаването на ваксината се изрязва гена, който кодира повърхностния протеин – антигена Еr на вируса Ебола и се пришива в генома на жив везикуларен стоматитен вирус, който се преименува в Рекомбинантен Везикуларен Стоматитен Вирус (rVSV). Този вирус циркулира в устата и гърлото на човека, но не причинява заболяване и е безвреден. Получената ваксина срещу Ебола, съдържаща rVSV, фактически е жива. Инжектирана в тялото, rVSV се размножава, създава собствени протеини и протеина на ебола вируса, който ще влезе в контакт със структурите на имунната система и ще създаде имунен отговор срещу болестта.
Насърчени от успеха с ваксината срещу Ебола, Merck Sharp&Dohme се партнира с корпорацията Международна инициатива за ваксини срещу СПИН и използвайки rVSV-вектор, в чийто геном е пришит гена на протеин S, взет от SARS-CoV-2, получават собствена ваксина срещу COVID-19.
Останалите 2 ваксини, на компанията Johnson§Johnons Novax в САЩ и на консорциума Астра-Зенека, в сътрудничество с университета в Оксфорд, Англия също са векторни, но за вектори използват безвредни аденовируси. Ние вече знаем, че аденовирусите са около стотина вида, но само 3-са патогенни за човека и шимпазетата и причиняват леки капкови инфекции. Останалите са безвредни. Компанията използва безвреден аденовирус, изолиран от шимпанзе, а консорциумът – безвредния човешки аденовирус 26.
От интернет се информирахме, че Европейския Съюз е заявил, че ще използва и 5-те ваксини. Навярно те ще бъдат приложени и в България.
Заключение
Пандемията на COVID-19, причиняваща (и продължава да причинява) големи здравни и икономически вреди в световен мащаб, провокира учените да създадат в кратък срок ваксини, немислими до преди една година. Досегашното приложения на описаните ваксини показват, че те са леко поносими, без сериозни странични ефекти и създават имунитет до 95% от ваксинираните. Но крайните резултати за тяхната ефективността престои да научим в бъдеще.
Получените ваксини по новата технология поставят началото на нова ера във ваксинологията на вирусините инфекции.
REFERENCES
1.Cutler D. How will COVID-19 affect the health care economy? JAMA.
2020;323(22):2237-2238
2.Graham BS. Rapid COVID-19 vaccine development Science. 2020;368(6494):945-6.
3.Fact sheet: explaining Operation Warp Speed. US Department of Health & Human
Services. Published June 16, 2020. Accessed June19,2020.
https://www.hhs.gov/about/news/2020/06/16/fact-sheet-explaining-operation-warp- speed.html
4.Weiland N, Sanger DE. Trump administration selects five coronavirus vaccine candidates as finalists. New York Times. Updated June 15, 2020. Accessed June 19, 2020. https://www.nytimes.com/2020/06/03/us/politics/coronavirus-vaccine-trump-moderna.html
5.Pardi N, Hogan MJ, Porter FW, Weissman D. mRNA vaccines: a new era in vaccinology. Nat Rev Drug Discov. 2018;17(4):261-279.
6.Сonfirmation study to evaluate the safety, reactogenicity, and immunogenicity of mRNA-1273 COVID-19 vaccine in adults aged 18 years and older. ClinicalTrials.gov website. Updated June 18, 2020. Accessed June 19, 2020. https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT04405076
7.Study to describe the safety, tolerability, immunogenicity, and potential efficacy of RNA vaccine candidates against COVID-19 in healthy adults. ClinicalTrials.gov website. Updated June 5, 2020. Accessed June 19, 2020. https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT04368728
8.Cohen J. Merck, one of Big Pharma’s biggest players, reveals its COVID-19 vaccine and therapy plans. Science. Published May 26, 2020. Accessed June 19, 2020. https://www.sciencemag.org/news/2020/05/merck-one-big-pharma-s-biggest-players-reveals-its-covid-19-vaccine-and-therapy-plans
9.Johnson & Johnson announces acceleration of its COVID-19 vaccine candidate; phase 1/2a clinical trial to begin in second half of July. Johnson & Johnson website. Published June 10, 2020. Accessed June 19, 2020. https://www.jnj.com/johnson-johnson-announces-acceleration-of-its-covid-19-vaccine-candidate-phase-1-2a-clinical-trial-to-begin-in-second-half-of-july
10.A study of a candidate COVID-19 vaccine (COV001). ClinicalTrials.gov website. Published March 27, 2020. Updated May 27, 2020. Accessed June 19, 2020. https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT04324606
11. Kevin P.O’Callaghan, Allison M. Blatz, Paul A. Offit. Developing SARS-Cov 2 at warp speed. JAMA,2020,324,5, 437-438.
12. Thomas Schlake,* Andreas Thess, Mariola Fotin-Mleczek, and Karl-Josef Kallen Developing m RHA vaccine technologie RNA Biol, 2012, nov.1, 9 (11), 1319-30
