Потрясли до основания: Нобелевка за РНК-вакцины против ковида

Нобелевская премия по физиологии или медицине вручается с 1901 года. По состоянию на 2023 год было вручено 114 премий, причем из 227 лауреатов 214 были мужчинами, 13 — женщинами. Самым молодым лауреатом был канадец Фредерик Бантинг, удостоенный награды в 32 года за открытие инсулина. Самым возрастным — 87-летний американец Пейтон Роус, открывший онкогенные вирусы. В 2023 году награды удостоились Каталин Карико и Дрю Вайсман. Карико стала 13-й женщиной, получившей Нобелевскую премию по физиологии или медицине. Как новоиспеченные лауреаты помогли спасти мир от COVID-19 — в нашем материале.Каталин Карико из Сегедского университета (Венгрия) и Пенсильванского университета (США) и Дрю Вайсман из Пенсильванского института РНК-инноваций и Пенсильванского университета удостоились премии «за открытия о модификациях нуклеозидных оснований, позволившие разработать эффективные мРНК-вакцины от COVID-19». Это не первая Нобелевка за вакцины: так, в 1951 году ее вручили Максу Тейлеру, который изучал желтую лихорадку и разработал вакцину против нее на основе ослабленного вируса. Однако с годами вакцины все чаще стали делать более безопасным способом, используя для этого не целый патоген, пусть и менее заразный или «убитый», а лишь какие-то фрагменты его самого (например, вирусный белок, как в вакцинах против папилломавирусов или вируса гепатита B) или его генетического кода. Обычно самыми узнаваемыми становятся белки на поверхности вирусной частицы, по которым иммунитет сможет «запомнить врага в лицо». Такие фрагменты можно вставлять в безобидный вирус-носитель — вектор, который проникнет в клетки и заставит их активно синтезировать нужный белок, но при этом не наносит того же вреда, что «вирус-оригинал».Но чтобы синтезировать такие вакцины, требуется огромное количество клеток, в которых будут нарабатываться необходимые вирусы, белки или векторы. В сжатые сроки во время пандемии такое масштабное производство наладить довольно сложно.То ли дело молекулы, кодирующие генетическую информацию: двуцепочечная ДНК, в виде которой в наших клетках хранятся гены, и состоящая из одной цепи РНК, которая становится матрицей для производства белков, в этих генах зашифрованных. Эти молекулы легко менять, в них можно зашифровать любой антиген — то есть узнаваемый для иммунитета фрагмент «врага».В 1980-е годы молекулярные биологи научились производить матричную РНК вне клеток, что позволило использовать ее в более разнообразных сферах и создавать новые биотехнологии. Идея создать вакцины и лекарства на основе молекул РНК не давала ученым покоя, но РНК «из пробирки» была нестабильной, а производить ее было нелегко. Чтобы не дать молекулам РНК разрушиться сразу после синтеза, требовались липидные «переносчики», которые окружали ее и защищали от жестокого мира. Кроме того, в испытаниях на животных матричная РНК, синтезированная в лаборатории, вызывала воспалительные реакции, что внушало медикам осторожность.Но венгерский биохимик Каталин Карико не испугалась этого вызова: с начала девяностых она старалась развивать терапевтические технологии с РНК, несмотря на нехватку денег и скептицизм коллег. В Пенсильванском университете, где ученая в те годы была помощницей профессора, она познакомилась с иммунологом Дрю Вайсманом, который занимался дендритными клетками (так называют крупные лейкоциты со множеством характерных отростков-дендритов). Роль этих клеток — показывать чужеродные антигены, то есть кусочки молекул, по которым иммунная система может запомнить проникшего в организм «врага», чтобы в будущем распознавать и уничтожать его. Вайсман и Карико, захваченные идеями друг друга, стали работать вместе, чтобы разобраться, как разные типы РНК могут взаимодействовать с иммунной системой. Иммунологам было понятно, что вакцины на основе векторов, ДНК или РНК имели видимое преимущество: они не только стимулировали организм производить антитела против чужеродных белков и активировали клетки Т-хелперы, которые тоже могут запоминать антигены и умеют переключать функции других иммунных клеток. Они затрагивали и другой механизм клеточного иммунного ответа — Т-киллеры, которые контролируют еще и антигены, произведенные внутри других клеток организма. Благодаря этому Т-киллеры могут находить опухолевые или пораженные изнутри инфекцией клетки и уничтожают их. Но каким бы заманчивым ни казался этот механизм, многие ученые сомневались, что препараты и вакцины на основе ДНК или РНК будут хорошо переноситься организмом, а иммунитет от них будет достаточно длительным.Около 10 лет назад Каталин Карико даже уволили из Пенсильванского университета за преследование идей об РНК-препаратах, казавшееся коллегам пустой тратой времени. Тогда ее муж поддерживал исследовательницу и убедил устроиться в немецкий стартап BioNTech, где она проработала 9 лет, пытаясь создать персонализированные вакцины от рака. «Я своими руками проводила эксперименты, мне было 58 лет, а я сама размножала плазмиды и кормила клетки, так что это [присуждение премии] очень маловероятно. <…> Моя мама всегда слушала объявления, кто получит Нобелевскую премию, потому что говорила "На следующей неделе огласят лауреатов, может, премия достанется тебе". Знаете, я смеялась — я даже не была профессором, у меня не было своей команды — и говорила маме не слушать. А она ответила: "Да, но ты знаешь, ты очень тяжело трудишься". И я сказала, что все ученые тяжело трудятся», — вспоминает Карико.Поначалу казалось, что ДНК-вакцины будут более успешны: двуцепочечная ДНК рассчитана на долгое существование в клетке и не стремится «слипнуться» с окружающими молекулами, как более открытая к новым связям (в химическом смысле) РНК, жизнь которой в клетке часто бывает недолгой, но очень активной. Но первые успешные опыты на грызунах не воспроизводились на более крупных животных. У двуцепочечной ДНК обнаружилась проблема: ей было сложнее проникать через оболочку клетки и ядра, чтобы потом превратиться в матричную РНК, из которой будет синтезироваться белок. Гораздо удобнее было сразу использовать матричную РНК, которой достаточно было попасть внутрь клетки, чтобы начать работать, — в обнесенное двойной мембраной ядро для этого не требовалось даже заходить. Кроме того, мРНК не могла вставиться в ДНК клетки-хозяина и таким образом причинить геному вред. Поэтому производители прививок стали активнее всего использовать векторы, которые сами заботятся о том, как им попасть в клетку и создать много белка. Но у векторных вакцин были и свои минусы: так, антитела могли формироваться не только против желаемого антигена, но и против обычных белков из структуры безобидных векторов, что тормозило использование вакцин на той же основе повторно.Поэтому, несмотря на признанный успех векторных вакцин, параллельно продолжались исследования прививок на основе мРНК. Уже в начале девяностых ученые впервые продемонстрировали, что можно колоть мРНК в мышечную ткань животных и вызвать синтез нужных белков и иммунный ответ. Вместе Карико и Вайсман начали проверять, можно ли доставить синтезированную «в пробирке» мРНК в дендритные клетки, заставив их производить нужные антигены. Вайсман надеялся разработать вакцину против ВИЧ-1, который разрушает иммунитет человека и делает его уязвимым перед хроническими инфекциями. Им удалось показать, что дендритные клетки с мРНК, кодирующей Gag (структурный белок вируса иммунодефицита человека), вызвали бурную реакцию и Т-киллеров, и Т-хелперов «в пробирке». Кроме того, это стимулировало созревание и активацию дендритных клеток, что вначале показалось ученым хорошей идеей, но в итоге стало одним из ограничений для РНК-вакцин, так как это запускает сигнальные пути, повышающие цитокиновый ответ, который приводит к воспалению и может быть токсичен для организма.«20 лет мы работали вместе, бок о бок, до того, как кто-либо узнал или начал интересоваться, что это за РНК <…>. У нас у обоих нарушения сна, поэтому обычно от трех до пяти утра мы пишем друг другу на электронную почту с новыми идеями. Мы всегда говорили о науке, и это всегда было очень вдохновляюще», — рассказал об этих временах Вайсман. В 2005, 2008 и 2010 годах Вайсман и Карико опубликовали знаковые статьи, где продемонстрировали, что «отредактированная» мРНК с другими основаниями сильно повышает производство нужных белков в клетках по сравнению с обычной. Заменяя «буквы» генетического кода в цепочке РНК на похожие аналоги (например, псевдоуридин, метилцитидин и другие), они научились контролировать реакции дендритных клеток, избегать их созревания и отменять активацию там, где она не нужна. РНК, получившие измененные основания, уже не вызывали сильного ответного воспаления. Все это помогло устранить главные препятствия, мешавшие использовать технологии с мРНК в медицине.Уже в 2010 году компании начали работать над вакцинами с мРНК — в том числе против ближневосточного респираторного синдрома (MERS-CoV, близкого родственника SARS-CoV-2). Прививку против него создала компания Moderna, которая позднее будет делать РНК-вакцину от ковида. Той же задачей параллельно и стартап BioNTech, объединив усилия с гигантом Pfizer, а также компания Curevac, которая пошла по пути снижения дозировки мРНК, из-за чего созданный ими вариант в итоге оказался не таким эффективным.То, что платформа уже находилась в разработке, позволило с рекордной скоростью выпустиить две мРНК-вакцины (этим ситуация напоминает ускоренное создание «Спутника V», только он вышел быстрее, потому что та же платформа уже применялась раньше в других вакцинах, тогда как РНК-вакцины стали инновацией). В РНК зашифровали белок с поверхности оболочки коронавируса, чтобы научить наш иммунитет распознавать его. Обе вакцины были одобрены к применению уже в 2020 году. Их способность защитить от симптоматического коронавируса оценили в 94% для Pfizer/BioNTech и в 95% — для Moderna. Вместе со всеми другими типами прививок от ковида медики вкололи людям 13 миллиардов доз, чтобы как можно скорее помочь глобальной экономике, спасти жизни и отменить ненавистные локдауны.«Сегодня великий день для здравоохранения, великий день для науки и великий день для вакцин. Я адресую мои самые теплые поздравления доктору Каталин Карико и доктору Дрю Вайсману, которые сегодня были удостоены Нобелевской премии в области физиологии и медицины за их работу по развитию технологии, которая привела к мРНК-вакцинам от COVID-19», — прокомментировал решение Нобелевского комитета генеральный директор Всемирной организации здравоохранения Тедрос Аданом Гебрейесус.Всплеск интереса к медицинским применениям РНК на этом не прекратился: теперь ученые предполагают, что при помощи этой технологии можно доставлять лекарственные молекулы и бороться с некоторыми типами рака.