Utrka laboratorija: 115 kandidata za cjepivo protiv COVID-19. Rok je i dalje tek 2021. godina.

Većina kandidata za cjepivo dolazi iz Sjeverne Amerike (36), dok Kina, ostatak Azije (bez Kine) i Australija, te Europa imaju svaki po 18 cjepiva kandidata, piše Tamara Čačev u članku u kojem objašnjava inovativnu metodu kojom se nastoji poizvesti cjepivo protiv koronavirusa

• Naslovna fotografija: screenshot iz videa tvrtke Moderna koji objašnjava metodu proizvodnje cjepiva protiv koronavirusa

• dr. sc. Tamara Čačev viša je znanstvena suradnica u Zavodu za molekularnu medicinu Instituta Ruđer Bošković. Čačev je također članica Savjeta Ideje.hr

Ovih tjedana i mjeseci u fokusu javnosti neizmjeran je trud medicinskih djelatnika širom svijeta koji dane i noći žive za oboljele od COVID-19. Odvojeni od obitelji, na rubu su snaga, nerijetko se i sami razbolijevaju. Od njih se kao nikad dosad očekuje da učine čuda, da ne jednom nego puno puta na dan, spase nečiji život koji visi o koncu.

Druga skupina od koje se očekuje jako puno su znanstvenici koji rade na cjepivu protiv virusa SARS-CoV-2. Cjepiva su u prošlom i ovom stoljeću toliko dobro odrađivala posao da se neukom često činilo kako ih više i ne treba. U doba blagostanja u kojem su opake infektivne bolesti gotovo zaboravljene, barem u razvijenom svijetu, popularnost antivaxxera bila je u galopirajućem uzletu. Nerijetki roditelji su iz svoje laičke perspektive bili spremni ugroziti zdravlje vlastite i tuđe djece jer nisu na svojoj koži osjetili što znači ijedna od bolesti protiv kojih se djeca danas cijepe u redovitom kalendaru cijepljenja. I sada, odjednom, u samo nekoliko mjeseci, kad nam se život pretvorio u nadrealni film, sa svih strana dolazi vapaji za cjepivom protiv SARS-CoV-2. Odjednom se u popularnim medijima u detalje prenose pojedinosti različitih istraživanja, gotovo školski se drže predavanja o tome kako se proizvode cjepiva te koliko je vremena potrebno do njihove primjene na ljudima. Nemojmo se zavaravati, osim osnovne potrebe koju ovo cjepivo mora zadovoljiti, ono je i stvar prestiža pojedinih laboratorija i tvrtki koje će u tome prve i/ili najbolje uspjeti, a to se dakako reflektira i na prestiž države iz koje će prve doze takvog cjepiva doći. Hoće li to biti Kinezi, Amerikanci ili možda Europljani?

I gdje smo onda s cjepivom danas 14.4.2020. kad pišem ovaj tekst? Jesmo li blizu ili daleko? Možete dobiti kratki odgovor, a to je da nitko to još ne zna, pa čak ni oni koji su u taj proces u potpunosti uključeni.

Od stvaranja cjepiva koje djeluje do toga da bude odobreno za kliničku upotrebu prilično je dug put. Bit svega je da se napravi dobro a da se pri tome ne izazove još veće zlo koje nismo mogli predvidjeti. A ono se može dogoditi ako se cjepivo kao i svaka druga supstanca koja se koristiti kao lijek ne testira kroz rigorozno konstruirane hodograme. Naravno, danas, možda više nego ikad u novijoj povijesti postaje aktualna izreka koja se pripisuje Hipokratu a uvriježila se u anglosaksonskom izričaju: „extreme times call for extreme measures“ te će se vjerojatno i ovaj proces, koji se u „normalnim“ vremenima odvija sporo i sustavno, malo ubrzati.

Danas se to ubrzanje i može napraviti, iz nekoliko razloga. U kratkom smo vremenu došli do kompletne sekvence genoma ovog virusa koju su već 11. siječnja 2020. objavili Kinezi. Ovu brzinu možemo zahvaliti tehnologiji sekvenciranja koja je usavršena tijekom projekta humanog genoma, na sličan način kao što i rezultat istraživanja u CERN-u nije samo Higgsov bozon nego i razvoj svega što je potrebno da se ta istraživanja provedu. Smatra se da će tako i globalni interes za razvoj cjepiva potaknuti razvoj novih (bržih) pristupa u proizvodnji. To se uostalom već i pokazuje budući da je prva tvrtka, američka Moderna, već 16. ožujka ove godine započela kliničko ispitivanje svojeg cjepiva na ljudima.

Kako je moguće dobiti potencijalno cjepivo tako brzo? Sigurno ste već vidjeli nekoliko teorija zavjera i o virusu i o cjepivu koje se šire nevjerojatnom brzinom i lakoćom prihvaćanja. Nisam psiholog, no mislim da bitnu ulogu u tome imaju neznanje i strah. Kao olakotnu okolnost možemo uzeti to što se stvarno ne radi o trivijalnim stvarima koje se uče u osnovnoj školi, no i najkompliciranija se stvar može (uz pojednostavljenja) objasniti u osnovnim crtama.

Vratimo se dakle toj prvoj objavi o potencijalnom cjepivu američke tvrtke Moderna. Već iz imena može se zaključiti da je tvrtka okrenuta modernom i RNA. Tvrtka ove godine slavi destgodišnjicu postojanja. Ljudi se nekako pouzdaju u stare renomirane farmaceutske divove jer su se oni etablirali na tržištu i imaju ogromne budžete za istraživanje i razvoj. No, nije sve u veličini i novcu, stvar je i u dobroj ideji, a posebno u područjima koja su nova i gdje se nove stvari otkrivaju svakodnevno. U Moderni odlučili su se na novi pristup u razvoju bioloških lijekova temeljenih na molekuli RNA.

Zašto baš RNA a ne DNA? DNA  je nasljedni zapis koji se prenosi iz generacije u generaciju, no molekule RNA, i to posebmo one mRNA tipa, su „šljakeri“ koji svakodnevno odrađuju taj posao zapisan u molekuli DNA. Dakle DNA je nacrt a RNA je egzekucija tog nacrta. A ova tvrtka se posvetila upravo tome, kako pokušati „popraviti“ stvari ali ne na razini nacrta nego na razini izvedbe.¹

Pri tome, mora se osigurati da ciljna RNA uđe u točno određene stanice organizma gdje će izvršavati svoju zadaću a da pri tome zaobiđe naš imunološki sustav koji nastoji eliminirati sve što mu je strano, pa tako i ove molekule doživljava kao prijetnju. Ako se ova RNA uspije dovoljno prikriti da izbjegne imunološki sustav, što uostalom rade i virusi, kada uđe u stanicu mora upogoniti njene mehanizme da odrade posao zbog kojeg smo tu RNA i poslali u stanicu. A taj posao se zapravo svodi na proizvodnju točno određenog proteina na način kako je zapisano u RNA i to u količini koja je potrebna da se postigne terapeutski učinak.

Ovakav pristup može se koristiti za izradu bioloških lijekova koji nastoje na razini funkcije (a ne samog zapisa) „ispraviti“ grešku koja postoji u radu stanice. Takav je pristup zanimljiv u razvoju terapija za različite bolesti izazvane mutacijama nekog gena što je slučaj u nizu rijetkih nasljednih bolesti, zatim za tumorske bolesti ali i za razvoj cjepiva. U slučaju cjepiva ne ispravlja se postojeća greška u DNA stanicama nego se u njima nastoji proizvesti protein (antigen) koji je karakterističan za virus kako bi ga imunološki sustav prepoznao i razvio protutijela na njega prije nego se u stvarnosti s njime uistinu i susretnemo.

Iako nije tema ovog članka, postoji sličan pristup kojim se razvijaju tzv tumorska mRNA cjepiva (engl. mRNA cancer vaccines) kojim se stanice onkoloških pacijenata pokušavaju upogoniti da proizvode (neo)antigene koji su karakteristični isključivo za tumorske stanice kako bi ih imunološki sutav oboljelog prepoznao te se sam izborio s opakom bolešću. Tu se dakle otvaraju čitavi novi horizonti mogućnosti nastali zbog promjene paradigme odnosno ideje da se ne cilja molekula DNA, kao što je to bio slučaj recimo s različitim pristupima genske terapije ili u novije vrijeme tehnologijom CRISPR-Cas9, već da se cilja egzekucijska molekula mRNA.

Kako je to teklo od objave sekvence virusa SARS-Cov-2 do objave prvog kandidata za cjepivo? Vjerovali ili ne trajalo je samo dva dana. Nakon objave sekvence ovog virusa u javnoj bazi podataka, 13. siječnja 2020. američki NIH i Moderna objavili su kako imaju gotovu sekvencu nazvanu mRNA-1273 kao potencijalnog kandidata za cjepivo.

Ova mRNA je odabrana u procesu pretraživanja i in silico modeliranja potencijalnih meta za cjepivo na temelju sekvence virusa. Radi se o lipidnoj nanočestici unutar koje se nalazi mRNA koja sadrži dio sekvence koji kodira za protein S (engl. Spike) na površini virusa pomoću kojeg se on veže na receptor ACEII na našim stanicama i ulazi u njih. Ideja je da nakon što se osoba cijepi, ova mRNA u stanicama našeg imunološkog sustava potakne proizvodnju tog proteina na koji će onda druge stanice imunološkog sustava proizvesti protutijela i tako će kada se susretnemo s pravim virusom moći pravovremeno odreagirati i uništiti ga (vidi gornji video).

Niti 25 dana od objave sekvence virusa, prve „ampule“ cjepiva bile su spremne te su nakon što su prošle analitičko testiranje, 24. veljače prva cjepiva za kliničku upotrebu poslana u fazu 1 kliničle studije. Nakon desetak dana, 4. ožujka 2020. Američka FDA je odobrila da se krene s prvim kliničkim pokusima te je prvi sudionik studije cijepljen 16. ožujka.

Prva pacijentica cijepljena u kliničkom ispitivanju lijeka protiv korona-virusa. Članak i video slobodno su dostupni ovdje.

U fazi 1 ispitivanja procjenjuje se sigurnost i imunogeničnost ovog cjepiva, a u testiranje je uključeno 45 zdravih dobrovoljaca dobne skupine 18-55 te će trajati 6 tjedana. Kako se radi o molekuli RNA, smatra se da bi cjepivo moglo biti relativno sigurno budući da općenito molekule RNA nisu toksične za organizam a ne izazivaju niti jaku reakciju našeg imunološkog sustava kao što to može biti reakcija na „klasična cjepiva“ u kojima se prezentira proteinski antigen mikroorganizma.

S druge strane, naš organizam ima načine kako da razgradi tu RNA prije nego što uopće dođe u stanice, a također se postavlja pitanje, koliko će ta RNA biti imunogena. To znači zapravo koliko će se u stanicama na temelju mRNA-1273 proizvesti ciljnog antigena i hoće li on biti dovoljan da u našem organizmu izazove adekvatnu proizvodnju protutijela i imunosnu memoriju tako da kada se sretnemo sa stvarnim virusom može brže i jače odreagirati, što je temeljna ideja svih cjepiva.

Krajem ožujka (23.3.2020.) Moderna je objavila kako će komercijalna proizvodnja cjepiva započeti kroz 12 do 18 mjeseci, no kako će se pod posebnim uvjetima cijepljenje omogućiti zdravstvenim djelatnicima već u jesen 2020. Ovakva primjena također mora biti odobrena iako se radi o tzv. korištenju u slučaju hitnosti (engl. emergency use) i to na temelju podataka kliničke studije koji će do jeseni biti dostupni. Dodatni izazov je skaliranje proizvodnje na milijune doza mjesečno za što ova tvrtka intenzivno traži dodatno financiranje.²

Znanstvenici iz Moderne su prvi, no to još ne znači da će u konačnici biti i najuspješniji. U članku iz Nature Reviews Drug Discovery od prije nekoliko dana objavljeno je kako postoji 115 kandidata za cjepivo od kojih je 78 potvrđeno kao aktivno, dok za njih 37 još nema javno dostupne potvrde o aktivnosti. Radi se o različitim pristupima stvaranju cjepiva, od onih najstarijih do ovih prethodno opisanih modernih pristupa. Ipak cjepiva nastala klasičnim pristupom koji uključuje živi ali atenuirani (oslabljeni) virus ili inaktivirani tj. umrtvljeni virus su čini se u manjini. Razlog tome je što su ova cjepiva iako možda i najpotentnija ujedno potencijalno (i stvarno ali i psihološki) najrizičnija te se takvim pristupima bave obično oni laboratoriji koji imaju dugu tradiciju i dobro uhodan sustav takve proizvodnje (i mi smo nekad imali konja za utrku u ovom segmentu).

Zatim dolaze ovi tehnološki moderniji pristupi koji uključuju virusne vektore, odnosno virusne čestice npr. nekog drugog respiratornog virusa koji se može i ne mora umnažati u stanicama domaćina. Takvi virusni vektori nisu opasni za naše zdravlje ali ipak mogu u ciljnim stanicama proizvesti neke proteinske komponente ciljnog virusa kako bi naš organizam mogao na njih pravovremeno stvoriti protutijela. Sličnu ideju imaju i novije tehnologije potpuno „umjetno“ kreiranih čestica nalik na viruse. Sljedeću grupaciju predstavljaju pokušaji da se u naš organizam unesu rekombinantni proteini ili peptidi koji potiču naš imunološki odgovor. I konačno moderna cjepiva temeljena na unosu DNA ili RNA sekvence koja će posredno potaknuti imunološki odgovor (slika 1).

Slika 1. Kandidati za cjepivo protiv SARS-Cov-2 virusa. Preuzeto iz Tung Thanh L i sur. (2020) The COVID-19 vaccine development landscape. Nature Rev Discov od 9.4.2020.

Od ovih 78 cjepiva s potvrđenom aktivnošću, svega ih je nekoliko došlo do kliničke faze ispitivanja. Uz već prije opisano cjepivo tvrtke Moderna tu su i Ad5-nCoV tvrtke CanSino Biologicals, INO-4800 tvrtke Inovio, te dva cjepiva iz Kine LV-SMENP-DC i patogen-specifične aAPC Geno-Immune Medical Institute iz  Shenzhena. U slučaju Ad5-nCoV cjepiva radi se o adenoviralnom tipu vektora koji eksprimira protein S. INO-4800 je zapravo DNA plazmid (kružna molekula DNA) koja također sadrži gen za dio sekvence proteina S a ideja je da se taj plazmid unosi procesom elektroporacije. Sveučilište iz Oxforda također se tijekom travnja sprema započeti s fazom I ispitivanja ChAdOx1 nCoV-19 cjepiva koje se temelji na adenoviralnom vektoru s informacijom za sintezu proteina S. Noviji pristupi temeljeni na DNA i mRNA molekulama daju veću fleksibilnost i brzinu razvoja kao što je vidljivo na primjeru mRNA-1237. Prednost DNA pristupa je da (kao ni kod mRNA) ne koristimo čitavi virus, proizvodnja je relativno jeftina, cjepivo je termostabilno i relativno se brzo može proizvesti. S druge strane viralni vekori imaju veći potencijal u proizvodnji proteinskog antigena te su dugoročno stabilniji pa izazivaju jači imunološki odgovor. No razvijanje imunološke reakcije na sam vektor može umanjiti učinkovitost ovakvog pristupa. Treći pristup temeljen na stanicama imunološkog sustava razvijaju Kinezi. Cjepivo LV-SMENP-DC se temelji na prilično kompleksnom sustavu koji uključuje dendritičke stanice (vrsta stanica imunološkog sustava) koje su genetički modificirane lentivirusnim vektorom tako da mogu proizvoditi dijelove proteina virusa SARS-CoV2. Ova vrsta modificiranih stanica bi se davala zajedno s antigen-specifičnim citotoksičnim T-limfocitima. Iz istog izvora dolazi i drugi stanični pristup cjepivu koji uključuje patogen-specifične umjetno generirane antigen-prezentirajuće stanice (inače također stanice našeg imunološkog sustava) koje su modificirene lentivirusnim vektorom sa sekvencom za dijelove različitih proteina virusa.

Većina ovih cjepiva cilja na protein Spike (S) na površini virusa kako bi ga neutralizirala i na taj način spriječila njegovo vezanje na receptor i ulazak u stanicu (Slika 2). No, zasad se još malo zna kako različite varijante ovog proteina koje koriste pojedini laboratoriji utječu na potencijalnu uspješnost cjepiva. Interesantno je da većina tvrtki koja je izbacila potencijalna cjepiva nisu neki veliki igrači već male tvrtke koje nemaju iskustva s proizvodnjom cjepiva na velikoj skali ili uopće nikada do sada nisu proizvodili cjepiva. Također najveći broj cjepiva kandidata dolazi iz privatno financiranih tvrtki dok je manji broj iz akademskog sektora. Većina kandidata za cjepivo dolazi iz Sjeverne Amerike (36), dok Kina, ostatak Azije (bez Kine) i Australija, te Europa imaju svaki po 18 cjepiva kandidata.³

 Slika 2. Različiti pristupi razvoju cjepiva za SARS-Cov2. Preuzeto iz Amanat F i Krammer F (2020)  SARS-CoV-2 Vaccines: Status Report. Immunity. 2020 Apr 6 (u tisku).

Uz napore koji se čine na eksperimentalnom planu, uloga računalne biologije kao in silico pristupa otkrivanju potencijalnih kandidata za cjepivo, pogotovo u sferi mRNA cjepiva imala je možda i najznačajniju ulogu u prvim danima borbe s ovom bolešću. Upravo brzi pronalazak pogodne mRNA bio je moguć zahvaljujući razvijenim protokolima za analizu i modeliranje sekvenci genoma virusa.  Stoga su u borbu s ovim virusom priskočila i poduzeće poput IBM-a, HP-a, Amazona, Microsofta i Googla kako bi se stvorio konzorcij za brzo modeliranje mogućih vakcina kao i screening potencijalnih kemijskih spojeva koji bi se mogli koristiti u terapiji bolesti COVID-19.

Uza sve napore, zasad je jedino Moderna najavila cjepivo u bližoj budućnosti, početkom 2021. godine. To bi bilo svega godinu dana od sekvenciranja virusa do cjepiva, što bi ako se ostvari, bio uspjeh bez presedana, pogotovo u području cjepiva koja se razvijaju u prosjeku i do desetak godina. Na tome putu veliki iskoraci će se morati napraviti kako u području regulative, tako i u području skaliranja proizvodnih kapaciteta. Bitna stavka u ovim istraživanjima su i životinjski modeli koji uključuju različite transgenične životinje, u konačnici i primate kojih najprije i najlakše mogu nabaviti Kinezi. Također će trebati osigurati „lokalnu“ proizvodnju cjepiva kao i dovoljne količine za one regije u svijetu koje su kao i u drugim stvarima danas na rubu zbivanja pa bi ih i cjepivo moglo zaobići.  Konačno, ovo je tek jedan u nizu korona virusa s kojim se čovjek susreo a izvjesno je kako neće biti zadnji. Stoga bi idealno bilo kada bismo mogli dobiti univerzalno cjepivo koje bi djelovalo i na eventualne buduće verzije ovih virusa. Što će se od toga stvarno i dogoditi, saznat ćemo u bliskoj budućnosti.

Literatura:

1) https://www.modernatx.com/mrna-technology/science-and-fundamentals-mrna-technology

2) https://investors.modernatx.com/news-releases/news-release-details/moderna-announces-first-participant-dosed-nih-led-phase-1-study

3) Tung Thanh L i sur. (2020) The COVID-19 vaccine development landscape. Nature Rev Discov od 9.4.2020. https://www.nature.com/articles/d41573-020-00073-5?fbclid=IwAR2E1pBHGNMeXMrzvbcgPDqhBVnuhIaGrRMetMSLv_-YD_1qNr25wMD2NTo