Niezwykła cząsteczka mRNA i jej możliwe zastosowania
Co to jest mRNA i jaka jest jego rola w naszym organizmie?
MRNA, czyli matrycowy RNA (albo informacyjny RNA) to cząsteczka, która jest przepisem na białko w organizmie. W klasycznym schemacie ekspresji genów z DNA powstaje mRNA, z którego potem w procesie translacji powstaje białko. Oznacza to, że mRNA jest cząsteczką pośredniczącą pomiędzy DNA a białkiem. Z racji swej roli jest krótkotrwała i pojawia się w organizmie tylko wtedy, kiedy jest zapotrzebowanie na obecność konkretnego białka. Te naturalne właściwości od lat bardzo intrygowały naukowców w kontekście zastosowania terapeutycznego. MRNA wydaje się tu być cząsteczką „idealną”. Jest podawany z zewnątrz, jednak przebywa w organizmie tylko przez chwilę. Nie integruje z naszym genomem, a więc nie zmienia genomu komórek. A jednocześnie białko na matrycy mRNA jest wytwarzane przez nasze własne komórki, czyli jest traktowane przez organizm jako własne – i to jest największa potencjalna zaleta mRNA.
Czym różni się mRNA występujący w naszym organizmie od terapeutycznego mRNA?
Staramy się, żeby mRNA, który stosujemy jako lek, jak najbardziej przypominał ten naturalny. Naturalne mRNA ma kilka elementów strukturalnych. W ich opisie posługujemy się numeracją: 5’ (prim) i 3’ (prim) – to dwa końce mRNA. Na końcu 5’ występuje „czapeczka”, która chroni mRNA przed degradacją, a dodatkowo umożliwia zainicjowanie syntezy białek. Dalej mamy sekwencję RNA, w której jest zapisany przepis na białko, są również sekwencje regulatorowe. I wreszcie na drugim końcu – 3’ – mamy tzw. ogon poliadenylanowy, czyli sekwencję od kilkudziesięciu do kilkuset adenin.
W podobny sposób konstruujemy terapeutyczny RNA - tylko oczywiście wprowadzamy przepis na takie białko, na którym nam zależy. Ponadto mRNA modyfikujemy w taki sposób, by nie wywoływał silnej odpowiedzi przeciwwirusowej w komórce. Wiadomo bowiem, że wprowadzenie do naszych komórek mRNA pochodzącego z zewnątrz bardzo przypomina zakażenie wirusowe. Nasz własny mRNA nie wywołuje takiej reakcji, dlatego, że powstaje w jądrze komórkowym, więc nie musi pokonywać błony komórkowej. Wracając do mRNA pochodzącego z zewnątrz – trzeba je tak przygotować, aby nie przypominało RNA wirusowego. W jaki sposób? Za odpowiedź na to pytanie Katalin Karikό i Drew Weissman otrzymali w ubiegłym roku Nagrodę Nobla. Odkryli, że aby mRNA jak najmniej przypominał RNA wirusowe, należy zmodyfikować nukleotydy. Naukowcy udowodnili, że wprowadzanie do struktury RNA modyfikowanych urydyn sprawia, że RNA wchodząc do komórki przez błonę komórkową jest w mniejszym stopniu rozpoznawalne jako RNA wirusowe, a więc jest mniej reaktogenne. Oznacza to, że w mniejszym stopniu indukuje wytwarzanie przez komórki cytokin (niektórzy autorzy używają do określania reaktogenności niepoprawnego terminu „immunogenność”).
Czy taki zmodyfikowany mRNA jest już kompletnym lekiem?
Nie. Ze względu na to, że RNA jest dosyć długim kwasem nukleinowym nie należy do związków, które swobodnie przenikają przez błonę komórki. A zatem musi być do tej komórki „wtłoczony”. W tym celu pakowany jest w lipidy. Tworzymy tzw. nanocząsteczkę lipidową i to dopiero jest kompletny lek, który tafia do komórki. Dzieje się to drogą endocytozy, tzn. że komórka pobiera lipidy wraz z mRNA tak jak inne substancje z zewnątrz. Następnie mRNA „wydostaje” się z endosomu do cytoplazmy i następuje synteza białka. Zatem ważną częścią mRNA jako leku są lipidy.
Warto tu przypomnieć, że terapeutyczny RNA po raz pierwszy podano człowiekowi w 2004 roku (16 lat przed szczepionką przeciw COVID-19). I wówczas podawano go w kompleksach z białkiem – protaminą. W tej chwili standardem są lipidy.
W jaki sposób produkuje się terapeutyczny mRNA – czy to bardzo skomplikowany proces?
Przeciwnie, produkcja terapeutycznego RNA jest bardzo prosta. Bierzemy naczynie laboratoryjne, dodajemy matrycę – to jest ten kawałek DNA, który odzwierciedla dokładnie strukturę naszego terapeutycznego mRNA, dodajemy nukleotydy, „czapeczkę”, enzym i… samo się robi. To jest bardzo prosta procedura i prosty mechanizm syntezy. Następnie gotowy mRNA pakujemy w lipidy i lek jest gotowy do podania.
A co się dzieje, kiedy taki terapeutyczny RNA trafia do naszego organizmu?
Wiemy z badań, które były robione m.in. w naszym zespole, że głównymi komórkami, które pobierają mRNA zapakowany w stosowane dziś lipidy są makrofagi i w mniejszym stopniu komórki dendrytyczne. Makrofagi występują w każdej tkance – w mięśniach, wątrobie, śledzionie, mózgu itd. Są to komórki układu odpornościowego – „sprzątacze” komórkowi. W zależności od tego, gdzie podamy lek, to makrofagi z tego miejsca będą go pobierały oraz wytwarzały białko, które jest zapisane w RNA. W przypadku szczepionek mRNA przeciwko COVID-19 będą to makrofagi z mięśnia, bo szczepionkę podajemy domięśniowo. Natomiast jeżeli podamy mRNA dożylnie, a tak próbuje się robić w onkologii - to wówczas będą go wychwytywały makrofagi w wątrobie i śledzionie. Są też dane, które pokazują, że mRNA mogą pobierać hepatocyty – komórki miąższu wątroby.
Trzeba jednak przyznać, że na razie technologia mRNA świetnie sprawdza się jedynie w wypadku szczepionek. W innych zastosowaniach jest już nieco gorzej. Niewiele jest takich chorób, w których wychwytywanie mRNA przez hepatocyty czy makrofagi i wytwarzanie białka do krwi wystarcza. Najczęściej do leczenia potrzebujemy białka wewnątrzkomórkowo w konkretnych lokalizacjach. Dlatego teraz największym wyzwaniem jest opracowanie takich sposobów pakowania RNA, żeby można było go dostarczyć dokładnie tam gdzie chcemy, a nie tylko do makrofagów czy hepatocytów.
Dlaczego ta technologia tak dobrze sprawdza się w szczepionkach?
Dla RNA szczepionkowego, fakt, że trafia ono do makrofagów i komórek dendrytycznych - to jest wygrany los na loterii. Właśnie do tych komórek musi trafić, żeby doszło do rozwoju odpowiedzi immunologicznej. Warto przy tym podkreślić, że szczepionki mRNA są unikatowe. Dzięki nim rozwijają się oba ramiona odporności, czyli zarówno odporność zależna od przeciwciał (tzw. humoralna), jak i odporność komórkowa, czyli limfocyty T, które niszczą komórki zakażone wirusem. To jest naprawdę wyjątkowe, bo większość szczepionek, które mieliśmy do tej pory, indukowała przede wszystkim odpowiedź humoralną.
Szczepionki mRNA przeciw COVID-19 zostały wprowadzone do użytku w warunkach pandemii, warto jednak podkreślić, że w tej chwili są już w 100 procentach zarejestrowane, to znaczy przeszły wszystkie fazy pełnej rejestracji leku.
Czy technologia mRNA może być wykorzystana w leczeniu nowotworów?
Pierwsze próby zastosowania mRNA to były właśnie szczepionki, które miały leczyć chorych z nowotworami. Leczenie miałoby polegać na tym, żeby przy pomocy mRNA wprowadzić do organizmu antygen nowotworowy i w ten sposób aktywować układ odpornościowy chorego, aby traktował nowotwór jak „intruza” i niszczył jego komórki. Niestety, póki co te szczepionki nie działają. Nowotwór jest zbyt złożoną chorobą. Nie wszystkie jego komórki u danego chorego są identyczne, istnieje wiele ich różnych klonów, to bardzo skomplikowany układ, który hamuje rozwój odpowiedzi immunologicznej. Dlatego mimo, że prace nad szczepionkami przeciwnowotworowymi trwają już ponad 50 lat – niestety nie ma spektakularnego sukcesu.
A czy w chorobach zapalnych mRNA ma jakieś zastosowanie?
W schorzeniach takich jak: reumatoidalne zapalenie stawów, choroba Leśniowskiego – Crohna, czy wrzodziejące zapalenie jelita grubego mamy spektakularne terapie z wykorzystaniem przeciwciał monoklonalnych, które usuwają czynnik martwicy nowotworu alfa (przeciwciała anty-TNF alfa). Mają zatem silne działanie przeciwzapalne. Teraz chcemy osiągnąć takie samo działanie terapeutyczne z wykorzystaniem mRNA. Są próby, żeby zamiast przeciwciała monoklonalnego, czyli białka przygotowanego poza organizmem, podawać choremu mRNA dla tego przeciwciała. Wówczas organizm chorego będzie sobie sam potrzebne przeciwciało wytwarzał. Jaka jest przewaga takiego postępowania? Chory wytwarza potrzebne przeciwciało jako własne. To ma kluczowe znaczenie. Z wieloletnich obserwacji pacjentów z RZS leczonych przeciwciałami monoklonalnymi, wiemy, że po latach w organizmie może rozwinąć się odpowiedź immunologiczna przeciwko tym przeciwciałom i terapia staje się mniej skuteczna. Liczymy na to, że jeżeli przeciwciała będziemy dostarczać jako mRNA i chory będzie je wytwarzał jako własne – to ta odpowiedź immunologiczna się nie rozwinie.
W jakich jeszcze dziedzinach medycyny można wykorzystać mRNA?
Prowadzone są badania dotyczące zastosowania mRNA w terapiach substytucyjnych. Wówczas wprowadzamy mRNA dla białka, którego w organizmie brakuje. Potrzebne białko zaczyna być wytwarzane przez własne komórki chorego i w efekcie człowiek zdrowieje lub nie ma objawów choroby. W „Nature” niedawno ukazały się wyniki badania klinicznego fazy I/II, w którym podano chorym na kwasicę propionową mRNA dla brakujących enzymów. Uzyskano w miarę dobrą tolerancję mRNA, doszło również do wytwarzania potrzebnego białka, które jest lekiem.
Powiedziała pani o trzech obszarach, w których bada się możliwość zastosowania terapeutycznego mRNA (w szczepionkach przeciwnowotworowych, jako przepisu na przeciwciała monoklonalne, w terapiach substytucyjnych). W którym z nich najszybciej możemy liczyć na sukces?
Mam się pobawić we wróżkę? Wydaje mi się, że największe szanse na powodzenie ma zastosowanie mRNA jako przepisu na przeciwciała monoklonalne. To jest bardzo dobry pomysł i mamy właściwie wszystko, żeby go zrealizować. Mamy odpowiednią konstrukcję RNA. Znamy też sposób dostarczania, który jest wystarczający, żeby ta technologia działała, czyli podajemy mRNA do krwi, jest ono wychwytywane przez komórki wątroby, które z „przepisu” wytwarzają przeciwciała do krwi. Z takiej terapii mogliby skorzystać przede wszystkim chorzy na choroby autoimmunizacyjne, o których wcześniej wspomniałam, ale również osoby z nowotworami, bo u nich również podajemy przeciwciała monoklonalne.
Natomiast w terapii substytucyjnej, żeby zadziałała, musimy mieć lepszy sposób dostarczania celowanego. A jeśli chodzi o szczepionki przeciwnowotworowe – konieczne jest lepsze poznanie biologii nowotworu.
Czy na naszej uczelni prowadzone są aktualnie badania na temat możliwości terapeutycznego wykorzystania mRNA?
Warszawski Uniwersytet Medyczny uczestniczy w konsorcjum, które zajmuje się rozwojem terapeutycznego mRNA w onkologii. Jest to projekt realizowany w ramach WIB (Wirtualnego Instytutu Badawczego) finansowany przez PORT (Polski Ośrodek Rozwoju Technologii). Grant to prawie 70 mln zł na 5 lat badań. Liderem projektu jest Międzynarodowy Instytut Biologii Molekularnej i Komórkowej z prof. Andrzejem Dziembowskim, który jest jednym z bardziej rozpoznawanych na świecie naukowców jeśli chodzi o biologię RNA. Kolejnym konsorcjantem jest Uniwersytet Warszawski, zespół prof. Jacka Jemielitego i dr hab. Joanny Kowalskiej (który od lat z wielkim powodzeniem zajmuje się modyfikacjami chemicznymi RNA). W skład konsorcjum wchodzi także zespół prof. Roberta Hołysta z Instytut Chemii Fizycznej PAN. Natomiast WUM reprezentuje prof. Jakub Gołąb i ja – nasze niezależne zespoły badają RNA biologicznie. Udział w tym konsorcjum jest ogromnym sukcesem naszej uczelni. Ten projekt to jak na razie jedyny WIB, który działa. W kolejnych dwóch konkursach żadnemu zespołowi nie przyznano finansowania, co też pokazuje, że bardzo wysoko oceniono jakość naukową naszego konsorcjum. Mamy już zgłoszenia patentowe i pierwszą wspólną publikację wysłaną do recenzji. Na razie nie mogę o niej za wiele mówić, ale mam nadzieję, że jeśli zostanie przyjęta do druku, zobaczą państwo, jak ciekawe i ważne badania prowadzimy w naszym konsorcjum.
Rozmawiała Iwona Kołakowska
Zdjęcia Michał Teperek
Biuro Komunikacji i Promocji Uczelni