fbpx
ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І миттєво отримуй 9 електронних журналів Куншт у подарунок.

Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

Читати

Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

Повідомлення успішно надіслано

Для пошуку
введіть назву запису

Як працюють мРНК-вакцини? / Начитала Юлія Лактіонова

00:00
00:00
Спалах — 18.02.21
ТЕКСТ: Дарина Дмитрієвська
Ілюстрації: Каталіна Маєвська
Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
Ctrl+Enter.
Відкриття під час холери: на що здатні мРНК-вакцини

Які епітети ви могли б підібрати до 2020 року? Весь світ спостерігав швидкі та майже непідвладні осмисленню чи контролю процеси, більшість з яких були, без сумніву, негативними: зміна глобальних планів та стратегій, зростання смертності, загострення хронічних хвороб, безробіття тощо. Але подібно до будь-якої кризи, коронавірусний надзвичайний стан дав потужний поштовх для розвитку науки та медицини, і, як наслідок, ми отримали справжню наукову магію, втілену у вакцині нового мРНК типу, і саме про неї ми поговоримо.   За підтримки Міжнародного Фонду «Відродження» та Європейського Союзу в рамках гуманітарної ініціативи «Людяність і взаємодопомога», ми створюємо окрему рубрику присвячену COVID-19. Її мета – культивувати критичне мислення та стійкість до маніпуляцій в медіа щодо теми пандемії.

Де ми зараз?

Від початку епідемії минув заледве рік, проте він був настільки насиченим подіями, що попереднє життя часом здається віддаленим та забутим. Ми встигли звикнути до нових норм спілкування, бізнеси перелаштувалися, а у деяких країнах вже навіть почав відновлюватись докарантинний ритм життя. У кінці 2020 року після рекордно короткого терміну розробки одразу кілька фармацевтичних компаній презентували вакцини від ковіду, ще кілька десятків претендентів завершують основні етапи випробувань і готуються до реєстрації. Завдяки попереднім напрацюванням науковців повний цикл від виникнення нового збудника до появи надійного захисту промайнув блискавично з точки зору історії. Ми вже писали про те, як саме розробляються щеплення від інфекційних хвороб, у попередній статті, а у цій дізнаємося більше про нову технологію мРНК-вакцин, що, наче лазер, чітко та передбачено влучає в самісіньку ціль і починає революцію у світі профілактики та лікування загалом.  

 

Щеплення від компаній Pfizer та BioNTech затверджують до використання все більше країн, темпи імунізації населення зростають. Ізраїль вже відчуває перші результати цих заходів – на початку січня в країні почав знижуватись рівень захворюваності серед групи людей похилого віку, і вже невдовзі медики очікують суттєвого зменшення кількості критично важких випадків коронавірусу. Дані з усього світу додають до результатів третього етапу дослідження вакцини, і наразі її ефективність експерти оцінюють на рівні 95% після введення двох доз. Це означає, що серед щеплених повним курсом після контакту з носієм вірусу ним інфікуються лише 5% людей, та й у тих, за спостереженнями, майже не буває тяжких перебігів захворювання. Це неймовірні результати, особливо для нової вакцини від збудника, про який ще півтора року тому не було відомо нічого. А втім, їх можна пояснити абсолютно логічно та науково. Поговоримо про вихідний код та лайфхаки вчених, щоб зрозуміти механізм дії дивовижної речовини.

Людина як комп’ютер

Світ, у якому ми всі живемо, – неймовірний завдяки багатошаровості, різноманіттю, різним рівням складності та сприйняття. Незліченна кількість варіацій форм, кольорів, рухів, звуків живих створінь, до якої варто додати поведінку, надбіологічні процеси, закони, за якими живуть усі істоти – все це складає величезну систему співіснування та взаємодій, яку осягнути людським розумом непросто. І ще більше шокує те, що в основі всього цього різноманіття лежать одні й ті самі базові алгоритми та речовини, завдяки поєднанню яких ми й маємо такий різнобарвний світ.  

 

Люди, тварини, рослинний та мікроскопічний рівень життя однаково підкоряються правилам генетики. Будова нашого тіла, його вигляд закладені в ДНК – буквально в коді, що складається із символів, нуклеотидів. Ця послідовність описує кожну деталь нашого організму та міститься у всіх без винятку клітинах тіла. Це така собі інструкція, за якою побудовані білки й інші речовини, з яких ми складаємось. Віруси влаштовані загалом за схожою схемою, хоча вони значно простіші, неклітинні форми; вчені навіть сперечаються, чи варто вважати їх живими. Однак генетична інформація є і у них у вигляді ДНК (дволанцюгової стійкої молекули) або РНК (одноланцюгової, простішої структури).  

 

Відомий нам коронавірус SARS CoV-2 має інформацію про свою будову, записану якраз в РНК. Ця послідовність нуклеотидів досить нестійка, та й сам вірус дуже недовго залишається життєздатним поза клітиною. Саме тому в генетичній інформації прописані механізми швидкої передачі та поширення. Зокрема, на поверхні вірусу є специфічні spike-білки («шипи», та сама корона), які приєднуються до АСЕ2 клітин. В нормі ці клітини беруть участь у регуляції артеріального тиску, однак коронавірус захоплює їх і примушує змінити функцію. Це наче фабрика, окупована терористами, що починає замість деталей для домашньої техніки випускати зброю.

Як ковід працює?

Приєднавшись до поверхні клітини, білок вірусу «відчиняє» її, і ворожа РНК проникає всередину. Вона, наче матриця із записаною програмою, перелаштовує функцію клітини на виготовлення нових копій вірусу та виштовхування їх назовні, щоб вони інфікували наступні мішені. Таким чином, що більше вірусу потрапляє до організму пацієнта, то більше (в геометричній прогресії) клітин він вразить за короткий термін.  

 

Що ж робить наша імунна система в цей час? Можете приблизно уявити, що відбувається у місті в момент, коли на нього скоює напад цілковито новий ворог. Невідомо поки, який вигляд мають загарбники і як їх відрізнити від своїх; що за зброю вони із собою принесли та кого саме з жителів вона вражає першими; ніхто не знає, як перемогти нападників, бо місцевий спецназ (клітини та інші фактори імунітету) не навчений боротися з таким агресором. Спочатку відбувається хаос (ломота в тілі, нездужання, інтоксикація), далі керівництво проводить нараду, а поки що палить без розбору по всіх (високою температурою тіла, яка необов’язково уб’є новий вірус, але це найперший неспецифічний спосіб буквально випалити ворогів, паралельно ризикуючи нашкодити собі, адже дуже висока температура вкрай неприємна для людини).  

 

Проходить трохи часу, і клітини імунітету вчаться впізнавати чужинців; частина з них просто поглинає та перетравлює інфіковані мішені, інші водночас починають виробляти специфічні саме до цього вірусу чи бактерії антитіла. Як саме наш організм впізнає ворожих агентів? Це залежить від конкретного збудника, але кожен із них має певний антиген – той фактор, на який і реагує імунна система. Це наче ви впізнаєте людину по очах, навіть якщо вона правильно вдягла маску. У коронавірусу SARS CoV-2 таким характерним елементом є згаданий вище spike-білок, ідентифікувавши який, спецназ імунітету починає напад. В нашому організмі немає найпотужніших міністрів внутрішніх справ, тому виявлення винуватців хвороби відбувається дуже точно; однак на це потрібен час, і поки тіло не впоралося з інфекцією, пацієнт страждає від некотрольованого розбою вірусу, маючи різноманітні симптоми залежно від того, які органи той вразив. В ці дні найкраще, що може робити хвора людина, – це відпочивати і вживати багато рідини. Такі прості дії допомагають економити енергію та виводити шкідливі речовини, які утворилися внаслідок активного інфекційного процесу.

Що роблять вакцини?

Уявімо, що вірус – це токсична людина, яка псує життя тих, з ким стикається. Якщо ви не мали до цього досвіду такого спілкування, подібна особа може навіть почати з вами особисті стосунки та своєю поведінкою нашкодити психічному чи фізичному стану. Утім, якщо вам вдалося вийти із такої взаємодії, надалі ви заздалегідь помітите характерні патерни в поведінці людини і отримаєте шанс більше не прожити той самий травматичний досвід. У вас виробиться природний імунітет, як після інфекційної хвороби: якщо ви не померли, то отримаєте антитіла.   Вакцина – це консультація у психотерапевта, книга з психології, досвід близьких, який вони вам розповіли по секрету та інші джерела інформації про неетичних людей. Якщо ви добре слухали та вчились, ви впізнаєте такі тригери, навіть не проживаючи неприємний досвід особисто. В такому разі ви маєте штучний імунітет та мінімальні ризики для психічного та фізичного здоров’я.  

 

Щеплення, які ми наразі маємо у своєму арсеналі від близько 30 різних інфекцій, використовують антигени (частинки збудника, на який реагує імунітет) або значно ослаблений вірус, що не може викликати хворобу, але знайомить організм зі своїм виглядом і властивостями. Внаслідок зустрічі захисних клітин з цими антигенами система виробляє антитіла, які лишаються з нами надовго або назавжди, і у разі справжнього вторгнення вірусу чи бактерії вони швидко мобілізуються, щоб або зовсім попередити хворобу, або значно знизити її інтенсивність. Аби познайомити тіло з інфекційним агентом, ми вводимо ін’єкцією в середньому 0,5-1 мл вакцини. До її складу, крім антигенів, входять також ад’юванти – речовини, що підсилюють імунну відповідь. Вони звертають на себе увагу імунних клітин, закликаючи їх прийти до місця введення щеплення та познайомитись із характерними для збудника частинками.  

 

Чи достатньо такої малої кількості речовини, щоб стимулювати вироблення достатньої для ефективного захисту кількості антитіл? Над цим питанням постійно працюють вчені, намагаючись посилити ефективність щеплення, і при цьому очищаючи його, щоб зменшити неприємні минучі відчуття нездужання без втрати імуногенності. Для розробки вакцин застосовуються різні технології, зокрема, наприклад, вирощування вірусу на курячих ембріонах. А для масової та дієвої імунізації населення все одно треба створити великий об’єм вакцини, що часом дорого і логістично складно. Саме тому запит на максимальну ефективність при мінімальному введенні речовин в організм пацієнта вже давно був на порядку денному у вчених світу. Потрібен був дуже точний механізм, який би якісно змінив принцип формування штучного імунітету до хвороби. Тут і починається розмова про дивовижні мРНК-вакцини.

Прицільний удар

Усі знайомі нам до цього моменту щеплення можна порівняти з аналоговим телебаченням, світловою трубкою та відповідною чіткістю зображення. Це як дарувати рибу голодному: якщо даси її мало, він буде ситим недовго.   Технологія мРНК – це цифровий світ та вудочка, яка допомагає забезпечити матеріалом для формування імунітету на тривалий період. По суті, мРНК вакцина – це послідовність нуклеотидів, з яких складається будь-який генетичний код – А, С, U, G (аденін, цитозин, урацил, гуанін). Як інформація в комп’ютерах складається з бітів у байти, а далі – в кілобайти, так нуклеотиди згруповані по троє в кодони. Кожна така комбінація (а їх 64 можливих) кодує утворення в клітині певної амінокислоти, яких існує 20. З різниці в кількості неважко здогадатись, що деякі амінокислоти можуть бути закодовані кількома різними комбінаціями.  

 

Послідовність у вакцині компанії Pfizer, також відомій науковцям під назвою BNT162b2, складається з 4284 символів-нуклеотидів. Це один РНК-ланцюжок, у якому записано «рецепт» утворення антигену коронавірусу, spike-білка (а всі білки складаються з амінокислот, певним чином з’єднаних). Кожна ділянка цього коду має свою функцію та містить неймовірні лайфхаки, які роблять цю вакцину настільки ефективною та дивовижною.  

 

У чому основний сенс цього щеплення? Нам не потрібно вводити пацієнту вірус, достатньо познайомити його зі spike-протеїном для вироблення специфічного захисту. Але вчені пішли ще далі. Невелика кількість вакцини, введена в організм, завдяки спеціальним механізмам проникає в деякі клітини та за прикладом вірусу тимчасово перелаштовує їхню роботу – поки мРНК не руйнується, клітина продукує spike-білок, виштовхує його назовні, і зрештою кількості антигену стає достатньо, щоб сформувати багато антитіл до коронавірусу. Не варто хвилюватись, що після потрапляння мРНК в клітину та буде тепер зажди займатися продукцією ворожого білка – ланцюжок нуклеотидів має досить тендітну та недовговічну структуру, як оперативна пам’ять. Рибосома всередині клітини «сідає» на РНК і в кінці кожного її прочитання «відкушує» кілька останніх нуклеотидів аденіну, які туди додані якраз для цього. Щойно вони закінчуються – мРНК втрачає свою ефективність, і клітина повертається до звичної своєї функції.   Слід коротко нагадати, як саме зчитується інформація з РНК/ДНК і транслюється на утворення амінокислот і білків. Спершу органела клітини рибосома прикріплюється до початку нитки нуклеотидів. Для цього там є спеціальна ділянка 5’ (п’ять штрих), яка не кодує жодної амінокислоти, але при тому позначає місце старту читання (транскрипції). Перед нею, на самому початку також є мітка – кеп, яка, наче заголовок статті, позначає, про що ця РНК: що вона походить начебто з ядра клітини (що насправді не так, але клітина має сприйняти генетичний ланцюжок, як свій, і запустити процес транскрипції). Отож, рибосома рухається вздовж послідовності кодонів, «читає» рецепт і керує утворенням амінокислот з речовин, що є у клітині. Це триває аж до кінця, де розміщена ділянка 3’ (три штрих), яка працює як стоп, і хвіст зі 120 нуклеотидів А, доданих в якості резерву для повторної транскрипції мРНК.   Утворені амінокислоти за механізмами, також закодованими в ланцюжку, формують spike-білок, ідентичний до оригінального вірусного. Він викидається з клітини, і весь процес транскрипції і трансляції повторюється знову, тоді як антитіла до антигену ковіду вже починають формуватись. Таким чином, мРНК вакцина, використавши невелику кількість створеної із вражаючою точністю речовини, змушує наші ж клітини створювати «тренувальну базу» для сил імунітету. При цьому сам spike-протеїн є безпечним для організму і не може викликати захворювання; він працює як оперативне орієнтування на ворожих загарбників. І якщо після вакцинації ви зіштовхнетесь зі справжнім коронавірусом, специфічні антитіла швидко впізнають його та одразу ж розпочнуть своє полювання. Вітаємо, ви неперевершені!  

 

І навіть не це найкраще! Якщо ви вважаєте, що сама технологія мРНК-вакцин геніальна та ефективна, то лайфхаки, які вчені додали до вже відомої нам послідовності нуклеотидів, вражають ще більше. Основних декілька, і всі вони забезпечують високу ефективність щеплення.

Обійти «фаєрвол»

В уважного читача може виникнути запитання: яким чином десант мРНК-вакцини встигає дістатись до клітини, щоб почати в ній відтворення білків? Адже чужорідний генетичний матеріал підлягає знищенню в організмі, для цього є системи швидкого реагування, поглинання клітинами імунітету будь-якої зовнішньої речовини. А мРНК як така – ще й тонка структура, схильна до руйнування. Секрет тут в хитрощах із заміною одного з нуклеотидів, урацилу, U, на дуже подібну до нього молекулу Ψ, 1-метил-3’-псевдоуриділил. Ця невеличка ротація здатна обдурити імунну систему, а втім рибосома зчитує її все ще як звичайний урацил, і, відповідно, коректно утворює амінокислоти, закодовані таким нуклеотидом.  

 

Підсилення дії

Друга точкова маніпуляція з нуклеотидами використовує варіабельність кодування однієї й тієї ж амінокислоти кількома різними послідовностями. Вчені з’ясували, що кодони з більшою кількістю С та G забезпечують активнішу продукцію білку. Тому із можливих варіантів кодування потрібних амінокислот вони обрали ті, які містять більше названих нуклеотидів, і матрична мРНК змінила свою послідовність, при тому програмуючи утворення тих самих речовин. Це оптимізація в дії!  

 

Форма вирішує все

Є в складі вакцинної РНК ще одна ділянка, яка забезпечує правильний вигляд spike-білка. Справа в тому, що в природних умовах він прикріплений до вірусу і має шипоподібну форму. У випадку ж окремого існування ідентична натуральній послідовність кодонів утворює протеїн, який згортається неправильно; а багатий внутрішній світ людини, зокрема імунна система, зустрічає новачків за зовнішністю. І вчені змогли вирішити навіть цю косметичну проблему – в одному з місць вони змінили амінокислоту, яка там мала бути, на пролін, що є непластичною і слугує таким собі каркасом для окремого білка, тримає його у правильній формі та у всій красі презентує клітинам імунітету. Це справді елегантне рішення для таких тонких структур.

То цей винахід переверне світ?

Вище ми лише коротко обговорили деякі переваги та високотехнологічні рішення у мРНК вакцині виробництва Pfizer і BioNTech. Її унікальність – у прицільній роботі з чітко визначеним матеріалом, по суті, з інформацією. Це не стрибок віри, яким були перші вакцини; і навіть зараз розроблені за класичними, хоч і значно кращими, осучасненними технологіями щеплення після введення все одно можуть поводитись неочікувано, бо мають купу неконтрольованих факторів. А вакцина за технологією мРНК точно каже, що робити клітині, і використовує її потужності для створення тренувальних полігонів. Так набагато менша кількість матеріалу забезпечить захистом значно більшу кількість людей, а для виробництва щеплень не потрібно залучати біологічний матеріал. Є у цього типу вакцин і недоліки, зокрема вразливість мРНК до впливу зовнішніх факторів. Тому це щеплення потрібно транспортувати за дуже низьких температур, що складно для логістики, а в деяких країнах взагалі неможливо. Тому вакцини, розроблені за звичними алгоритмами, будуть актуальні ще дуже довго, і що більше їх буде виходити на ринок, то краще для людства.  

 

Але новітня технологія маніпуляцій з генетичною інформацією точно є величезним стрибком у майбутнє – не лише для профілактики інфекцій, але й для лікування багатьох важких хронічних захворювань. Недалеко вже той час, коли ми зможемо ефективно виправляти серйозні порушення функцій організму на базовому рівні, і це чи не найголовніший здобуток, який прийшов до нас завдяки ковіду. Епідемія з часом закінчиться, а у нас залишаться ключі до нової ери в медицині, і ця думка тішить зимовими карантинними вечорами.

Матеріал підготовано за підтримки Міжнародного Фонду «Відродження» та Європейського Союзу в рамках гуманітарної ініціативи «Людяність і взаємодопомога». Матеріал відображає позицію авторів і не обов’язково відображає позицію Міжнародного фонду «Відродження» та Європейського Союзу.

ТЕКСТ: Дарина Дмитрієвська
Ілюстрації: Каталіна Маєвська
Статті
Промо
Проєкт інтелект. Епізод 8: Як приміряти одяг, не заходячи до магазину

Як приміряти одяг, не заходячи до магазину?

Наука
Коли хімія стає зброєю. Уривок з книжки «Вибухова історія людства»

Людство має бойові отруйні речовини і ядерну зброю, вічне джерело енергії, яке водночас може спричинити техногенні катастрофи і радіаційне зараження. Як все це винайшли?

Ідеї
Довіряй, але перевіряй: інтерв’ю з головним редактором журналу «Скептик» Майклом Шермером

У будь-яку мить може з'явитися нова теорія змови. Як зрозуміти, що це омана, і переконати інших довіряти фактам?

Спалах
Світ – велика пробірка: як людям доведеться пристосовуватися до нових мутантів коронавірусу

З’ясовуємо, чим штам вірусу відрізняється від варіанта, як може мутувати коронавірус та як це вплине на розвиток пандемії.

Медицина
Тетрада Фало. Уривок з книжки «Сміх у кінці тунелю»

Лікарям часто доводиться стикатися з труднощами, робити складний вибір і працювати під шаленим тиском. Про свій досвід розповів анестезіолог Іван Черненко у книжці «Сміх у кінці тунелю», яка вийшла у видавництві «Віхола».

Промо
Проєкт інтелект. Епізод 7: Чи може смарт-годинник врятувати життя

Українська компанія Mawi створює смарт-годинники спеціально для вимірювання життєвих показників людини. Про неї сьогодні й поговоримо!