Структура молекулы мРНК в составе вакцин для профилактики инфекции SARS-CoV-2 – не все так просто

Пандемия SARS-CoV-2 обозначила четкую необходимость поиска путей профилактики данной инфекции, прежде всего за счет создания эффективных и безопасных вакцин, усилия в отношении чего были приложены с разной долей успеха рядом фармацевтических и биотехнологических компаний. Если классические вакцины не вызывали вопросов о механизме действия и ожидаемом профиле безопасности, то информация о разработке и появлении на рынке мРНК-содержащих вакцин стало действительно событием, поскольку это были не только первые препараты на основе мРНК, но и в целом первые зарегистрированные вакцины против SARS-CoV-2. По понятной причине это вызвало достаточное число вопросов в медицинской и научной среде о том, как работает вакцина, эффективна ли она и насколько безопасна. Первыми двумя мРНК-содержащими вакцинами стали продукты компаний Pfizer/BioNTech и Moderna, в отношении которых на текущий момент мы располагаем большим объемом клинической информации. Однако целью данной статьи будет описание структурно-функциональных характеристик ключевого компонента вакцины – самой молекулы мРНК, на примере вакцины Pfizer/BioNTech. Безусловно, информация носит исключительно научный характер, но вполне возможно, что несет некоторые ответы на вопросы, которые могут возникать у практического врача о данном типе вакцин.

Введение

Рибонуклеиновая кислота (РНК) содержит генетическую информацию и используется организмом для кодирования конкретного интересующего белка. Результаты использования специфической разновидности РНК, а именно мРНК (матричная рибонуклеиновая кислота, или messenger RNA, – особый тип клеточных РНК, который содержит копию последовательности одного гена [1]) в качестве потенциальной технологии доставки генов in vivo были опубликованы в 1990 г., когда было показано, что прямая инъекция «свободной» мРНК приводила к экспрессии кодируемого белка in vivo [2]. Тем не менее ряд проблем препятствовал немедленному использованию in vitro транскрибированной мРНК в качестве простого средства для синтеза продукта in vivo, условно говоря, в виде простой инъекции. Эта проблема связана прежде всего с нестабильностью мРНК in vivo из-за почти повсеместного присутствия РНКаз. мРНК оказалась иммуногенной, стимулируя ответы с сопутствующим снижением трансляции мРНК. Прогрессом, который привел к быстрому наращиванию усилий по использованию мРНК в качестве платформы, было открытие K. Karikó и D. Weissman того факта, что использование модифицированных нуклеозидов приводит к снижению иммуностимулирующих эффектов транскрибируемой in vitro мРНК за счет уменьшения стимуляции Toll-подобных рецепторов [3]. Разработка средств доставки, в основном липосом/липонаносом, которые помогают стабилизировать мРНК и облегчают ее доставку в клетки и высвобождение из эндосом [4] (и, вероятно, действуют как адъюванты для кодируемого белка), также играет ключевую роль. Описание различных структурных вариантов липосом вы можете найти в ряде обзоров [5, 6].

Создание вакцин против SARS-CoV-2 (Severe acute respiratory syndrome-related coronavirus 2) на основе мРНК, кодирующей спайк (spike, S)-гликопротеин вируса – ключевой компонент связывания вируса с клеткой хозяина [7], стало действительно прорывом в вакцинопрофилактике и вирусологии в целом, принимая во внимание отсутствие зарегистрированных вакцин на основе мРНК до момента появления первых двух вакцин против SARS-CoV-2, созданных компаниями Pfizer/BioNTech и Moderna [8–10]. Вакцины указанных двух компаний стали первыми, зарегистрированными в США и ЕС вакцинами против SARS-CoV-2 с начальной заявленной эффективностью на уровне примерно 95% [9–11]. Общие данные в отношении существующих типов вакцин, в т.ч. и разрабатываемых в отношении SARS-CoV-2, можно найти в ряде литературных обзоров [12, 13].

Если кратко и предельно схематично описать механизм работы вакцин на основе мРНК [14], то следует обозначить несколько основных этапов: 1) создание молекулы мРНК, кодирующей S-гликопротеин SARS-CoV-2, и помещение ее в транспортную субстанцию (в нашем случае – липосому); 2) попадание липосомы в составе вакцины в организм человека; 3) слияние липосомы с клеткой, выход мРНК в цитоплазму, синтез рибосомами S-гликопротеина; 4) презентация антигенов – белковых компонентов S-гликопротеина или его отдельных структур на поверхности инфицированной клетки или специфических антиген-презентирующих клеток; 5) активация гуморального (синтез антител) и клеточного иммунитета (Т-клетки); 6) формирование иммунной памяти и ответ иммунной системы при последующей встрече с вирусом.

Молекула мРНК, в большей степени ее стабильность, т.е. время жизни, является краеугольным камнем эффективности вакцин, однако, как показывает практика, представления не только обывателей, но и научных работников и врачей идет по пути интуитивного упрощения, когда мРНК представляется стандартной структурной единицей, описание которой можно найти в любом учебнике по биологии или в сети Интернета, например в Википедии [15]. Структура молекулы мРНК, кодирующей S-гликопротеин SARS-CoV-2, представлена на рис. 1 и вполне очевидно визуально она не демонстрирует принципиальных различий с какой-либо другой мРНК. Однако не все так просто, и для стабилизации работы мРНК компаниям пришлось осуществить отбор среди ряда претендентов, внося ряд структурных изменений и оценивая их влияние на стабильность, иммуногенность и другие свойства продукта. В данной статье мы охарактеризуем структурные особенности мРНК в составе вакцины компании Pfizer/BioNTech (BNT162b2, или Tozinameran, или Comirnaty) [16, 17]. Это стало возможным благодаря тому, что в декабре 2020 г. на сайте Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) [18] была опубликована полная расшифровка генома мРНК в составе вакцины Pfizer/BioNTech, а затем на веб-сайте ученого и антрепренера Bert Hubert, основателя компании PowerDNS [19], была сделана попытка разобрать особенности структуры мРНК в составе вакцины указанной компании, и представляется практически полезным предпринять попытку воспроизвести наиболее интересные характеристики мРНК в составе вакцины Pfizer/BioNTech, что позволит нам четко понять, что процесс создания вакцин на основе мРНК – как минимум процесс создания инкорпорируемой молекулы рибонуклеиновой кислоты помимо других этапов синтеза и финализации продукта – отнюдь непростая задача.

<...

А.В. Веселов