Jak fungují nové mRNA vakcíny a jak to jednoduše vysvětlit? Molekulárně biologické minimum pro praxi

Jak vakcína založená na mRNA přesně funguje?

Úkolem vakcín je vycvičit imunitní systém k tomu, aby rozpoznal část viru zodpovědnou za vznik onemocnění. Očkovací látky tradičně obsahují buď oslabený virus, nebo jeho purifikované proteiny. mRNA vakcína namísto toho obsahuje ribonukleovou kyselinu, která kóduje virový protein. Po aplikaci vakcíny potom svalové buňky použijí injikovanou mRNA jako templát („předlohu“ či „matrici“) pro syntézu části spike (S) proteinu viru SARS-CoV-2.

Imunitní odpověď organismu na přítomnost tohoto cizorodého proteinu probíhá jako u běžně používaných tradičních vakcín. Vrchol produkce proteinů nastává přibližně 24−48 hodin po aplikaci a protein se může tvořit po dobu několika dalších dnů. Cizorodá mRNA se odbourá fyziologickými buněčnými procesy.

A teď prosím trochu jednodušeji... aneb Jak to vysvětlit pacientům?

Buněčné jádro je jako knihovna, ve které jsou uloženy těžké objemné v kůži vázané knihy (chromosomy tvořené DNA) s recepty na výrobu proteinů. V každé knize je kromě receptů (geny) také spousta stránek s „nesmyslným“ textem (tzv. nekódující oblasti DNA). Protože při „vaření“ není praktické tahat s celou kuchařskou bichlí, v níž se špatně hledá a která by se kromě toho mohla ušpinit, roztrhat a poničit, je dobré si příslušný recept opsat na papírek. A to je právě mRNA – poslíček (messenger) na cestě od genetické informace k jejímu vyjádření. S tímto receptem pak jdeme do molekulární kuchyně (cytoplazma), kde se protein „ukuchtí“. Když se papírek ošoupe nebo je potřeba udělat změnu, buňka ho prostě skartuje a recept si přepíše na nový. A protože kuchařů je hodně, zatímco kuchařská kniha je jen jedna, lze tím pádem snadno vyrábět najednou víc než jednu kopii proteinu.

Z toho mimo jiné plyne následující:

• Vakcína obchází nutnost uměle vytvořit a purifikovat kus spike (S) proteinu, který bychom potom injikovali. Je to recept, aby si ho buňka svalu, kam píchneme mRNA, vytvořila sama.
• Protože je mRNA přirozeně nestabilní, za pár dní se odbourá tělu vlastními enzymy na tělu vlastní metabolity a cizorodý protein se přestane tvořit.
• Není možné, aby mRNA měnila genetický kód. Na přepis cizorodé RNA do DNA člověk nemá enzymy (to umí jen retroviry, k velké radosti všech tvůrců sci-fi seriálů, kteří pokaždé, když potřebují něco předělat, použijí retrovirus). 
• Je poněkud zavádějící nazývat vakcínu „genovou“ či „genetickou“ – použitá ribonukleová kyselina by se sice dala označit jako genetický materiál (jde o instrukci pro výrobu proteinu), ale tato informace se nemůže přenést do další generace.

Jak je možné, že se vakcína s „novou“ technologií objevila tak rychle?

Řadu lidí, včetně části zdravotníků, znepokojuje rychlost, s jakou byla vakcína vynalezena a schválena. Nicméně tato technologie a celý výrobní proces již byly známé, otestované a jednoduše přizpůsobitelné. Jediné, co nám chybělo, bylo přečíst genom viru a vybrat, který kousek bude efektivně imunizovat a lidské buňky si ho dokážou správně složit. 

Syntéza RNA je o mnoho rychlejší a relativně jednodušší než syntéza či purifikace proteinů. Všechny reakční komponenty nutné pro výrobu mRNA jsou komerčně snadno dostupné ve formě čistých chemikálií či bakteriálně produkovaných enzymů bez nutnosti využívat reagencie zvířecího původu nebo tkáňové kultury.

Jednou z překážek, kterou se podařilo překonat teprve nedávno, je inherentní nestabilita mRNA. Nukleová kyselina rychle degraduje, pokud není hluboce zmrazená nebo pokud je vystavena slunečnímu či ultrafialovému záření. Ve tkáních jsou navíc přítomné enzymy odbourávající RNA (RNázy), které znesnadňují doručení účinné látky na místo určení. Pro stabilizaci mRNA se používají liposomy (zjednodušeně řečeno, molekula RNA se nachází v kapičce tuku, kam na ni RNáza nemůže), i přes to je však nutné důsledně udržovat chladový řetězec po celou dobu od výroby až k aplikaci.

„Kus špatné zprávy“, který se stal zprávou dobrou

Virus sám o sobě je „špatná zpráva (RNA) zabalená do bílkoviny“. mRNA vakcína přináší upravený kousek této špatné zprávy, aby naučila tělo virus rozeznávat, aniž by bylo potřeba složitě vyrábět kvanta viru, zabíjet ho a izolovat z něj proteiny, jako se to dělá třeba při přípravě vakcíny proti chřipce. Takto se nám tedy podařilo obejít zdlouhavou výrobu virového proteinu ex vivo. Technologie mRNA vakcín se navíc jeví jako velmi slibná i pro případ dalších možných budoucích epidemií infekčních onemocnění.

(este)

Zdroje:
1. Pardi N., Hogan M., Porter F. et al. mRNA vaccines — a new era in vaccinology. Nat Rev Drug Discov 2018; 17: 261–279, doi: 10.1038/nrd.2017.243.
2. Mishra S. How mRNA vaccines from Pfizer and Moderna work, why they’re a breakthrough and why they need to be kept so cold. The Conversation, 2020 Nov 18. Dostupné na: https://theconversation.com/how-mrna-vaccines-from-pfizer-and-moderna-work-why-theyre-a-breakthrough-and-why-they-need-to-be-kept-so-cold-150238