Что необходимо знать о мРНК-вакцинах: 5 позиций
В результате беспрецедентной скорости в разработке новых вакцин, миру были представлены первые клинически одобренные мРНК-вакцины
В результате беспрецедентной скорости в разработке новых вакцин, миру были представлены первые клинически одобренные мРНК-вакцины для борьбы с пандемией Covid-19 – одна из них произведена Pfizer и BioNTech, другая – компанией Moderna. Испытания показали эффективность этих вакцин на уровне не менее чем 94%.
1. Технология мРНК вакцин не так молода, как кажется
Классический механизм работы вакцин (например, против полиомиелита и гриппа) заключается в презентации иммунной системе инактивированных частиц вируса. Другие вакцины (например, против гепатита B) используют отдельно взятый белок, являющийся частью инфекционного агента, чтобы вызвать схожий иммунный ответ.
мРНК-вакцины работают по другому принципу, «обманывая» иммунную систему таким образом, что РНК (в основном матричная мРНК) кодирует белок, который продуцируется в клетке путем трансляции и представляется иммунной системе; он действует как антиген. Иммунная система учится избирательно бороться с клетками, экспрессирующими такие антигены, такими как клетки-хозяева, инфицированные вирусами, или опухолевые клетки.
Хотя вакцины от Pfizer/BioNTech и Moderna – первые препараты, одобренные в клинической практике, сама технология мРНК-вакцин существует относительно давно. Первые испытания в онкологии с использованием схожих технологий берут свое начало еще в 2011 году.
2. мРНК-вакцины не изменяют ДНК
Существуют абсолютно необоснованные опасения, что мРНК-вакцины способны изменять ДНК. На самом же деле мРНК не входит в ядро клетки, а после своего введения биодеградирует в течение нескольких дней. Именно поэтому для формирования полноценного иммунного ответа необходимо 2 инъекции препарата.
3. мРНК-вакцины имеют высокую специфичность
Вирус SARS-CoV-2 имеет достаточно сложную структуру и его различные части стимулируют иммунную систему на образование нейтрализующих антител, которые не всегда способны эффективно элиминировать инфекцию. мРНК-вакцины стимулируют иммунный ответ к спайк-белку вируса, являющегося только частью вирусной мембраны.
4. Разработчики и эксперты не «срезали углы» во время клинических испытаний
Испытания вакцин начались с доклинической фазы, проводимой на животных, а затем постепенно переходили на 1-ую, 2-ую и 3-ю фазы. Например, 3-я фаза вакцины от Pfizer/BioNTech включает более 40 000 человек, исследования эффективности и безопасности будут продлжаться следующие 2 года.
Основные проблемы, связанные с использованием вакцины, обычно возникают в первые 2 месяца. Тем не менее, не исключены редкие побочные эффекты на больших выборках в миллионы людей, поэтому за вакцинированными необходимо пристальное наблюдение, особенно с учетом инновационной природы технологии.
5. Вакцина запускает воспалительные реакции
Частично вакцина работает путем индуцирования локальных иммунных реакций, поэтому воспалительные признаки в месте инъекции и небольшой дискомфорт в первые дни – вполне нормальное явление.
О чем вы много думали, но боялись узнать #2 — мРНК вакцина, выработка иммунитета, S-белок
как и прежде я постараюсь максимально точно раскрыть тему и ответить на интересующие вопросы;
в первую очередь я пишу о том, что мне наиболее инетересно и что я сам хочу глубже узнать, однако, если у вас есть интересные вопросы, то можете предлагать их мне для следующих частей;
прошу отнестись с пониманием, что я физически не могу отвечать на все вопросы в комментариях в малейших деталях;
я не привожу ссылок на источники (за исключением отдельных), так как все приведенные в моей статье сведения могут быть элементарно проверены;
в комментариях я также стараюсь не приводить ссылки, так как если человек интересуется, то найдет, а если он просто хочет докопаться, то его мои ссылки не устроят.
Начать я бы хотел с разъяснения некоторых основ биологии, которые помогут в понимании как мРНК вакцин, так и аденовирусных векторных вакцин, о которых я рассказывал раньше. Также меня резонно упрекнули в слишком сильном упрощении ДНК-РНК мира, и первой частью своего рассказа я исправляю данную неточность.
В начале 1950-х Фрэнсис Крик сформулировал центральную догму молекулярной биологии, которая и по сей день остается актуальной, но с некоторыми оговорками. Мы не будем вдаваться в частные случаи, которые не соответствуют центральной догме, а перейдем к общему описанию умозаключений Ф. Крика. Итак, в основе всей жизни на земле лежит информационный поток от ДНК к РНК (транскрипция) и от РНК к белку (трансляция) (Рисунок 1a). Частным случаем является обратная транскрипция, при которой информация передается от РНК к ДНК. В эукариотах (к которым относятся животные и растения) обратная транскрипция наблюдается крайне редко и связана прежде всего с ретротранспозонами (генетическое наследие вирусов) и теломеразой (специальный фермент). Зато вирусы используют этот механизм для внедрения своего генетического кода в человеческую ДНК; но это относится никак не к аденовирусам, а к ретровирусам, самым известным представителем которых является ВИЧ. После трансляции белок еще не представлен в своей окончательной форме, а проходит ряд модификаций (одна из которых фолдинг), чтобы принять свою законченную форму. Также, белки часто представлены не отдельной структурой, а составляют целые комплексы со множеством взаимодействующих белков.
Рисунок 2. Разнообразие ДНК и РНК в человеческом организме
мРНК вакцина
А теперь зная о том, как же все-таки появляются белки, давайте посмотрим свежим взглядом на аденовирусные векторные вакцины, где с ДНК вируса считывается сначала РНК, кодирующая шип белок, а потом по шаблону этой РНК создается множество копий S-белка.
Рисунок 3. Действие мРНК вакцины
Липидные наночастицы должны быть стабильны до того момента, пока не проникнут внутрь клетки.
Внутри клетки наоборот они должны эффективно освобождать мРНК.
Липидные наночастицы должны быть устойчивы как к окислительным агентам и действию ферментов (нуклеазы).
мРНК должны быть стабильны при длительном хранении
мРНК должны произвести большое количество S-белка, прежде чем быть уничтожены внутри клетки.
Произведенный S-белок должен эффективно взаимодействовать с иммунной системой, предоставляя иммуной системе для запоминания «правильные» эпитопы (об этом будет дальше).
Выработка иммунитета
Так зачем же нужны две дозы вакцины, если клетки способны запоминать патогены? Особенность иммунной системы в том, что некоторые патогены наша иммунная система запоминает отлично, а вот другие плохо. Для того, чтобы усилить «иммунную память» и необходима вторая доза вакцины через определенный промежуток времени. При повторном попадании такого же или похожего патагена в организм (Рисунок 4.5) происходит активация уже существующих Т-хелперов памяти, Т-киллеров памяти и В-клеток памяти. При этом дополнительное усиление Т-хелперами памяти Т-киллеров и В-клеток. Таким образом, вызывается усиливающий каскад в иммунной системе, который мгновенно рекрутирует иммунную систему на противодействие (именно поэтому часто после второго укола наблюдается повышенная температура, головная боль и т.д.). При этом формируются более устойчивые клетки памяти.
S-белок
Рисунок 6. Взаимодействие антитела и эпитопа S-белка
Так вот коронавирус использует S-белок для связывания с рецептором клетки и проникновения внутрь; без него вирус просто не сможет проникнуть внутрь клетки. И одной из важнейших компонентой этого механизма является RBD-домен, который распознает АСЕ2 рецептор и инициирует процесс проникновения внутрь клетки. Если заблокировать данный домен антителами, которые вырабатывают упомянутые выше плазматические клетки, то вирус перестанет распространяться. Чтобы понять, как работает блокирование S-белка антителами давайте обратимся к Рисунку 6. На нем изображен тримерный S-белок и антитела, которые к нему прикрепились. Нейтрализующие антитела содежат два конца, которыми они могут прикрепляться к патогену и блокировать его. Участок, который находится на патогене и опознается антителами называется эпитоп; участки на концах антитела, которые опознают патоген называются паратопами. Если мы идем в микромир клеток и белков, то очевидные нам явления и обычная житейская логика перестают существовать. Этот мир подчиняется законам, где даже слабые водородные и электростатические силы начинают играть роль. Кстати, а хотите статью, в которой бы рассказывалось об особенностях существования микромира клетки?
В статье Effects of common mutations in the SARS-CoV-2 Spike RBD domain and its ligand the human ACE2 receptor on binding affinity and kinetics было определено, что мутации в RBD-домене N501Y и S477N повышают трансмиссивность вируса, мутации K417N/T в том же домене усиливают способность избегать иммуную систему, а мутация E484K приводит и к тому и к другому. В той же статье была оценена способность вируса заражать клетки. При оценке способности вируса заражать клетки оценивается возможность S-белка взаимодействовать с АСЕ2 рецептором, которая определяется константой диссоциации. Константа диссоциации (Kd) в биохимии это специфическая константа равновесия, которая определяет возможность крупного объекта разделиться (обратимо) на более мелкие объекты. Так вот, для немутировавшего RBD-домена Kd = 74.4 нМ (наномолей), для мутации N501Y Kd = 7.0 нМ, т.е. при такой мутации RBD-домен S-белка в 10.5 раз сильнее связывается с АСЕ2 рецептором. Для бразильского штамма (E484K/N501Y) эта константа составляет 5.1 нМ, т.е. в 14.5 раза сильнее. В то время как мутация K417N увеличивает константу диссоциации до 364 нМ.
Универсальная вакцина
Так все же, мы теперь будем вынуждены вечно колоть себе вакцину от возникающих новых штаммов, когда провалим вакцинацию всего населения Земли? У меня есть надежда, что нет. Еще в 2017 году ученые начали разработку универсальной вакцины от коронавирусов (да-да, не одного а многих), но из-за нехватики финансирования работы шли медленно. И вот глобальная пандемия помогла толкнуть эти разработки но новый уровень. На данный момент прорабатываются многие варианты для борьбы с коронавирусами.
Одной из многообещающих вакцин является вакцина, содержащая S-белки с разными RBD-доменами (как мы помним NTD-домены не подходят на эту роль из-за их мутационной изменчивости) к наиболее опасным/новым штаммам вируса, а также к другим представителям семейства коронавирусов (MERS-CoV и SARS-CoV-1). Полагаю, что развитие компьютерного моделирования взаимодействия между S-белком и АСЕ2 рецептором поможет предугадать и предсказать новые потенциально опасные мутации RBD-домена. И можно будет действовать на опережение. Опять же разные S-белки в вакцине смогут помочь выработать иммунитет к мутациям коронавируса. мРНК вакцины отлично подходят для такого применения из-за их сравнительно нетрудозатрадной перестройке под другую мРНК.
Очень обещающей может быть вакцина с одним универсальным эпитопом или RBD-доменом, которая покроет целое семейство коронавирусов. Разработки в этой области идут и, возможно, через какое-то время свет увидит пан-коронавирусная вакцина, которая защитит не только от SARS-CoV-2, но и от MERS-CoV и SARS-CoV-1.
До сих пор не было создано никакого специфического лечения от коронавирусной инфекции, а все медицинские манипуляции сводились только к поддерживающей терапии. Однако, потенциальным лечением (хоть и дорогим пока что) является лечение нейтрализующими антителами. Да, такими же точно антителами, которые производят наши плазматические клетки. Все отличие заключается в том, что можно заранее создать достаточный объем нейтрализующих антител (которые спроектированы для блокирования S-белка коронавируса) и доставить их в организм для борьбы с коронавирусом, а не ждать пока иммунная система распознает патоген и начнет производить собственные. На данный момент было показано, что применение нейтрализующих антител на ранних стадиях развития заболевания приводит к более легкому течению болезни, в то время как применение антител на поздних стадиях заболевания не принесло сколь бы то ни было статистически значимого улучшения. Нейтрализующие антитела также можно спроектировать для определения заранее заданного RBD-домена.
Это продолжение моего рассказа, в котором я вас знакомлю с вакцинами против коронавируса и их механизмами действия. В ней я погружаюсь глубже в недра молекулярной биологии, чтобы познакомить вас с центральной догмой, а также со структурой S-белка и его взаимодействием с антителами. Ну и напоследок мы немного пофантазируем на тему создания универсальной вакцины.
Векторные, матричные, белковые: краткий гид по главным вакцинам от коронавируса
Массовая вакцинация от коронавируса началась в России в середине января 2021 года. По данным сайта Gogov.ru на 28 июля, полностью привито 16,18% населения страны, хотя бы одну дозу получили 24,33% жителей. Сейчас россиянам доступно четыре отечественные вакцины: «Спутник V» («Гам-Ковид-Вак»), «Спутник Лайт», «ЭпиВакКорона» и «КовиВак». Помимо них есть ещё ряд зарубежных препаратов, но пока они не зарегистрированы в России, а следовательно, ввозить их запрещено. Рассказываем, чем отличаются вакцины разных производителей и принцип их действия.
«Спутник V» («Гам-Ковид-Вак»)
Препарат разработан научным центром им. Н.Ф. Гамалеи. Это векторная вакцина. В обезвреженный аденовирус, который давно изучен, встраивают ген с кодом «шипа» коронавируса. Этот «шип» – белок – также безопасен для человека. С его помощью иммунитет «запоминает» инфекцию и учится бороться с ней.
«Спутник V» – двухкомпонентная вакцина, то есть нужно вколоть две дозы. Первая помогает организму выработать иммунитет, а вторая продлевает устойчивость к коронавирусу. оптимальный интервал между инъекциями составляет 21 день, но в некоторых случаях может быть увеличен до 3 месяцев.
Препарат рекомендован для людей от 18 до 60 лет, его эффективность составляет 91,6%.
Среди противопоказаний к вакцине – сверхчувствительность к её компонентам, тяжёлые аллергические реакции в анамнезе, острые заболевания и обострение хронических.
Побочные эффекты: озноб, общая слабость, температура, боль в мышцах и суставах; реже — тошнота, несварение желудка, потеря аппетита, увеличение лимфоузлов. Риск серьёзных побочных эффектов один из самых низких — 0,27%.
«Спутник Лайт»
Вакцина разработана научным центром им. Н.Ф. Гамалеи, она тоже векторная, но уже однокомпонентная. По составу это первый компонент «Спутника V», поэтому и принцип действия у него такой же. Отличие в том, что невакцинированным «Спутник Лайт» будет давать только кратковременный иммунитет. А вот при вакцинации уже переболевших или ранее вакцинированных эффект будет оптимальным. Разработали препарат для того, чтобы оперативно прививать население в пиковые моменты пандемии. Минздрав РФ также отмечает, что эта версия «Спутника» может подойти для вакцинации молодёжи.
Возрастные ограничения – от 18 до 60 лет, эффективность 79,5%. По утверждениям разработчиков, вакцина эффективна против новых штаммов коронавируса.
Противопоказания такие же, как и у «Спутника V»: сверхчувствительность к компонентам вакцины, тяжёлые аллергические реакции в анамнезе, острые заболевания и обострение хронических.
Побочные эффекты тоже совпадают: озноб, общая слабость, температура, боль в мышцах и суставах; реже — тошнота, несварение желудка, потеря аппетита, увеличение лимфоузлов.
«ЭпиВакКорона»
Вакцина разработана научным центром «Вектор». Препарат основан на искусственных белках коронавируса – пептидах. В вакцине используется три вида таких белков, белки-носители и вспомогательные вещества. Иммунитет распознаёт пептиды и начинает вырабатывать антитела. Столкнувшись с «настоящим» коронавирусом, иммунная система узнает его именно по пептидам.
Вакцина «ЭпиВакКорона» двухкомпонентная с интервалом 14–21 день, рекомендована людям в возрасте от 18 лет. Верхнего порога в 60 лет, как у «Спутника», здесь нет. Эффективность препарата по итогам клинических испытаний составила 100%.
Противопоказаний у этой вакцины больше: сверхчувствительность к компонентам, тяжёлые формы аллергических заболеваний, острые заболевания и обострение хронических, беременность и период лактации, первичный иммунодефицит, онкология.
Среди побочных эффектов выделяют только кратковременное повышение температуры и боль в месте инъекции.
«ЭпиВакКорона-Н»
Препарат также разработан научным центром «Вектор». Действующие вещества здесь такие же, как и в «ЭпиВакКороне», единственное отличие заключается в технологических особенностях производства. В новом варианте вакцины два пептида объединены в один для удобства синтеза.
Вакцина «ЭпиВакКорона-Н» трёхкратная. Интервал между введением первой и второй доз составляет 21 день, между второй и третьей – 60 дней.
«КовиВак»
Вакцина разработана научным центром им. М.П. Чумакова. Она цельновирионная, то есть содержит целый вирус, но деактивированный. Это классическая технология, по ней созданы все российские вакцины из Национального календаря прививок.
Вакцина двухкомпонентная, дозы вводятся с интервалом в 14 дней. Однако пожилым людям может потребоваться и третий укол, так как у них снижен иммунный ответ. Рекомендуемый возраст для вакцинации – от 18 лет.
Эффективность вакцины после введения второго компонента составляет 70%, а через 21 день – до 90%.
К противопоказаниям относят тяжёлые аллергические реакции на вакцины в прошлом, беременность и период лактации, острые заболевания и обострение хронических.
Среди побочных эффектов – боль в месте инъекции, повышение температуры, головная боль.
Pfizer
Вакцина разработана немецкой компанией BioNTech совместно с американской Pfizer и китайской Fosun Pharma. Её официальное название – Тозинамеран или BNT162b2. Главный компонент препарата – молекула матричной РНК. В ней закодирован ген белка коронавируса. При попадании в организм клетки человека начинают синтезировать этот белок, что вызывает иммунный ответ.
Полный курс вакцинации состоит из двух доз, интервал между ними – три недели. В отличие от других препаратов прививку можно делать с 16 лет, а экстренное применение разрешено уже с 12 лет.
По данным производителя, эффективность вакцины после первой дозы составляет 95%.
Среди побочных эффектов могут быть тяжёлые аллергические реакции: затруднённое дыхание, отёк лица и горла, учащённое сердцебиение, обильная сыпь по всему телу, головокружение и слабость. Однако, как утверждает производитель, их вероятность незначительна, а проявляются они в интервале от нескольких минут до одного часа после введения вакцины. Также к побочным эффектам относят миокардит, перикардит, боль в месте инъекции, утомляемость, головные боли, мышечные боли, озноб, боль в суставах, температура, припухлость и покраснение в месте инъекции, тошнота, общее недомогание, увеличение лимфоузлов, понос, рвота, боль в руке.
К противопоказаниям относятся любые имеющиеся аллергии, перенесённый миокардит или перикардит, повышенная температура, нарушение свёртываемости крови или приём антикоагулянтов, ослабленный иммунитет или приём лекарств, влияющих на иммунную систему, текущая или запланированная беременность, грудное вскармливание, прививки другой вакциной от COVID-19, случаи обмороков, связанных с уколом.
Moderna
Препарат разработан американской компанией Moderna и по составу очень похож на вакцину от Pfizer. Он также основан на матричной РНК. Официальное название вакцины – mRNA-1273.
Вакцинация также проходит в два этапа с интервалом в 28 дней. При необходимости он может быть увеличен до 42 дней. Препарат рекомендован для вакцинации людям от 18 лет. Эффективность вакцины оценивается в 94%.
К противопоказаниям относят тяжёлые аллергические реакции на первую дозу препарата или любые компоненты вакцины.
Среди побочных эффектов отмечают реакции в месте инъекции (боль, болезненность и увеличение лимфатических узлов в руке, в которую производилась инъекция, отёк и покраснение), а также утомляемость, головную и мышечную боль, боль в суставах, озноб, тошноту и рвоту, повышение температуры. Также есть незначительная вероятность возникновения тяжёлых аллергических реакций: затруднённое дыхание, отёк лица и горла, учащённое сердцебиение, обильная сыпь по всему телу, головокружение и слабость.
AstraZeneca
Вакцина разработана шведско-британской компанией AstraZeneca совместно с Оксфордским университетом. Её официальное название AZD1222. Как и «Спутник V», это векторная вакцина. В её основе лежит аденовирус шимпанзе с встроенным геном белка коронавируса. Аденовирус шимпанзе, по мнению исследователей, позволит снизить риск аллергических реакций и побочных эффектов.
Препарат от AstraZeneca рекомендован для вакцинации от 18 лет, в том числе и старше 65. Полный курс состоит из двух доз с интервалом в 4–12 недель. ВОЗ рекомендует выдерживать интервал в 8–12 недель. Эффективность препарата составляет 79%.
К противопоказаниям относят анафилактические реакции на компоненты или первую дозу вакцины, повышенную температуру, симптомы заболевания коронавирусом, лечение от коронавируса антителами или плазмой крови выздоровевшего человека.
По данным ВОЗ, большинство побочных реакций были слабыми и проходили за несколько дней. К ним относятся болезненность, боль, теплота, отёк, покраснение, зуд или синяк в месте инъекции, усталость, озноб, головная боль, тошнота, рвота, боль в мышцах или суставах, жар, снижение аппетита, головокружение, боли в области живота, усиленное потоотделение, кожный зуд, сыпь.
CoronaVac
Препарат разработан китайской компанией Sinovac Biotech. Это инактивированная вакцина. Её главный компонент – нежизнеспособные частицы вируса. Они не могут вызывать заболевание, но провоцируют иммунную реакцию.
Полный курс вакцинации состоит из двух доз с интервалом 2–4 недели. Данные об эффективности препарата сильно разнятся в разных странах – от 50% до 91%. Вакцина рекомендована людям от 18 лет.
В противопоказаниях к вакцинации ВОЗ указывает анафилактические реакции на компоненты препарата, подтверждённое заболевание коронавирусом и повышенную температуру.
Среди побочных эффектов, согласно исследованиям в Индонезии, самым серьёзным оказалась лихорадка, которая проходила через несколько дней.
Johnson&Johnson
Официальное название препарата от американской компании Johnson&Johnson Janssen Ad26.COV2.S. Это векторная вакцина, для курса достаточно одной дозы. Эффективность составляет 66%. Рекомендована лицам от 18 лет.
Среди побочных эффектов были зарегистрированы тромбозы, из-за чего в США вакцинацию препаратом приостановили, а Дания отказалась от его использования. Также были случаи появления сыпи, которая быстро распространилась по всему телу, а кожа начала облазить. 10 апреля начались повторные проверки вакцины на побочные реакции.
К противопоказаниям относят анафилактическую реакцию на компоненты вакцины в анамнезе и повышенная температура.
NovaVax
Препарат разработан американской компанией NovaVax, его официальное название NVX-CoV2373. Это белковая вакцина, её главный компонент – спайк-протеин коронавируса, который выращивают в клетках насекомых. Также в препарате использован адъювант – вещество, которое усиливает иммунный ответ.
Вакцина предназначена для людей от 18 лет. Её эффективность, по данным последних исследований, составила 96,4%. Полный курс вакцинации состоит из двух доз.
Как утверждает производитель, все выявленные побочные эффекты были лёгкими и скоротечными и были равномерно распределены между группой плацебо и теми, кто получил настоящую вакцину.