Πώς δουλεύουν τα εμβόλια mRNA; Πώς μπαίνουν στα κύτταρα, και πώς εκπαιδεύουν το ανοσοποιητικό μας σύστημα εναντίον του ιού; Ελάτε να δούμε λίγα βασικά πράγματα για τη βιοχημεία των εμβολίων mRNA- εύχομαι να είναι το πρώτο βήμα για μια νέα χρονιά με περισσότερη υγεία και αισιοδοξία. Μετάφραση στα Ελληνικά από την Νεφέλη Μπόνη-Καζαντζίδου. 

Η βιοχημεία των εμβολίων mRNA- για τι πράγμα μιλάμε, σε επίπεδο μορίων; Πώς φτιάχνονται; Πώς λειτουργούν; Και, για να απαντήσουμε και την ερώτηση του μπαμπά μου- γιατί χρειάζεται να αποθηκεύονται σε τόσο πιο χαμηλή θερμοκρασία από τα «παραδοσιακά» εμβόλια;

Δεν γίνεται να ανοίξει κανείς τις ειδήσεις ή το Twitter χωρίς να ακούσει για τα εμβόλια κατά του SARS-CoV-2, του νέου κορωνοϊού που προκαλεί την ασθένεια COVID-19. Ειδικά από τότε που οι εταιρείες-οδηγοί της κούρσας των εμβολίων ανακοίνωσαν τα πολύ ενθαρρυντικά δεδομένα των κλινικών μελετών. Το άρθρο αυτό δεν είναι σαν αυτά τα ειδησεογραφικά άρθρα- δεν θα προσπαθήσω να κάνω προβλέψεις για το πότε τα εμβόλια θα είναι ευρέως διαθέσιμα (πέρα απ’το να πω «όχι αρκετά γρήγορα, ειδικά για όσους ζουν στις φτωχότερες χώρες του πλανήτη). Δεν θα προσπαθήσω καν να «ξεζουμίσω» και την τελευταία σταγόνα πληροφορίας από τις ανακοινώσεις τις Pfizer και της Moderna. Αν ψάχνετε κάτι τέτοιο, δεν θα δυσκολευτείτε καθόλου να το βρείτε. Αλλά είναι λίγο πιο δύσκολο να βρει κανείς πληροφορίες πάνω στη βιοχημεία των εμβολίων, που είναι και ο σκοπός αυτό του άρθρου.

Η «περίληψη»: Για να αποκριθεί στη μόλυνση από έναν ιό, το ανοσοποιητικό σύστημα φτιάχνει μικρές πρωτεΐνες που ονομάζονται αντισώματα οι οποίες προσδένονται ειδικά σε τμήματα του ιού και καλούν σε βοήθεια για την καταπολέμηση του εισβολέα. Στη συνέχεια, κάποια από αυτά τα αντισώματα μένουν πίσω για να «φυλάνε σκοπιά» σε περίπτωση που ο ιός ξαναπροσπαθήσει να εισβάλει. Ο στόχος ενός εμβολίου είναι να βοηθήσει τον οργανισμό να φτιάξει τέτοια αντισώματα «φύλακες» χωρίς να χρειαστεί να μολυνθεί από τον ιό. Τα παραδοσιακά εμβόλια πετυχαίνουν αυτό το στόχο χρησιμοποιώντας «αδρανοποιημένες» («νεκρές») ή εξασθενημένες (ζώσες εξασθενημένες) εκδοχές του ιού- στις περιπτώσεις αυτές το σώμα βλέπει «προκατασκευασμένα» τμήματα του ιού. Μια άλλη στρατηγική είναι να εισάγουμε στο σώμα ιικές πρωτεΐνες που έχουν παρασκευαστεί και καθαριστεί στο εργαστήριο («ανασυνδυασμένες πρωτεΐνες»). Η ιδέα πίσω από τα εμβόλια mRNA είναι ότι, αντί να εισάγουμε προκατασκευασένα τμήματα του ιού, εισάγουμε στον οργανισμό τις γενετικές «οδηγίες» για την κατασκευή κάποιων πρωτεΐνών του ιού ( οι οποίες είναι εντελώς αβλαβείς από μόνες τους), ώστε το σώμα του ατόμου που εμβολιάστηκε να τις φτιάξει μόνο του.

Αυτό που συμβαίνει είναι το εξής: Παίρνουμε μόρια αγγελιαφόρου RNA (messenger RNA, mRNA), τα οποία είναι αντίγραφα της «συνταγής» για την κατασκευή μιας πρωτεΐνης-σκεφτείτε τα κάπως σαν φωτοτυπίες από τη σελίδα του βιβλίου-DNA που αντιστοιχεί στην πρωτεΐνη αυτή(στην περίπτωση του SARS-Cov-2, οι συνταγές είναι για την πρωτεΐνη Spike)- και τα εισάγουμε στα κύτταρα (συχνά «καμουφλάροντάς» τα με ένα λιπιδικό περίβλημα). Αυτά τα μόρια mRNA στη συνέχεια χρησιμοποιούνται (ξανά και ξανά) από τα ριβοσώματα του κυττάρου (τα σύμπλοκα παραγωγής πρωτεϊνών), για να φτιάξουν πολλά αντίγραφα της πρωτεΐνης Spike. Η πρωτεΐνη Spike στη συνέχεια εκτίθεται στο ανοσοποιητικό σύστημα, το οποίο εκπαιδεύεται έτσι να την αναγνωρίζει ως ξένη και μαθαίνει να παράγει την ανοσοποιητική απόκριση εναντίον της.

Ο SARS-Cov-2 είναι ένας ιός μονόκλωνου RNA- αποθηκεύει όλη του την γενετική πληροφορία, μαζί με τις οδηγίες κατασκευής των ιικών πρωτεϊνών, σε μία αλυσίδα RNA. Όταν ο ιός ταξιδεύει, περιβάλλει το RNA του με πρωτεΐνες ένα λιπιδικό (ελαιώδες) περίβλημα. Σε αυτό το περίβλημα είναι ενσωματωμένες πρωτεΐνες όπως η πρωτεΐνη Spike, S, η οποία προεξέχει από την επιφάνεια και προσδένεται στους υποδοχείς ACE2 των κυττάρων, και στη συνέχεια «μεταμορφώνεται» και προκαλεί την ενσωμάτωση της μεμβράνης του ιού με τη μεμβράνη του κυττάρου, ώστε ο ιός να εισάγει το RNA του στα κύτταρά μας. https://bit.ly/coronavirusspike

Αφού ο γενετικός κώδικας είναι καθολικός, τα κύτταρά μας μπορούν να διαβάσουν τις οδηγίες του RNA του ιού και να φτιάξουν ιικές πρωτεΐνες. Οι ιοί το «ξέρουν» αυτό, κι έτσι καταφέρνουν να χρησιμοποιούν τα κύτταρά μας για τους δικούς τους σκοπούς, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής των πρωτεϊνών τους. Αλλά- μήπως μπορούμε να τους νικήσουμε στο ίδιο τους το παιχνίδι; Αν μπορούσαμε να εισάγουμε τις «συνταγές» παραγωγής των ιικών πρωτεϊνών (γονίδια) στο σώμα μας, τα κύτταρά μας θα μπορούσαν να τις φτιάξουν- αλλά εφόσον τους δίνουμε μόνο τμήματα του «βιβλίου συνταγών» του ιού, δεν θα φτιαχτεί ενεργός ιός.

Είναι κάπως σαν να φτιάχνουμε ένα μόνο ανταλλακτικό τμήμα για ένα αυτοκίνητο. Είναι αρκετό για να το αναγνωρίσει κανείς ως τμήμα αυτοκινήτου, αλλά δε φτάνει για το οδηγήσεις. Με τον τρόπο αυτό, αφού τα ίδια μας τα κύτταρα κάνουν όλη τη σκληρή δουλειά, η παραγωγή του αντιγόνου του εμβολίου μπορεί να γίνει πιο εύκολα- και, σε αντίθεση με άλλες στρατηγικές εμβολίων που αποτελούνται από προκατασκευασμένες, καθαρισμένες πρωτεΐνες που φτιάχνονται μέσω «ανασυνδυασμού», οι πρωτε3ΐνες που φτιάχνουν τα κύτταρά μας είναι «τέλειες»- ακριβώς όπως οι πραγματικές! Όλες οι «μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις» όπως η γλυκοζυλίωση (προσθήκη ομάδων σακχάρων) προστίθενται όπου χρειάζεται- κάτι πολύ σημαντικό αφού η πρωτεΐνη S είναι αρκετά «ζαχαρωμένη» (πρόκειται για γλυκοπρωτεΐνη).

Συναγερμός ορολογίας 1: με τον όρο «μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις» εννοούμε «διακοσμητικά στοιχεία» που προστίθενται σε μια πρωτεΐνη αφού αυτή «γραφτεί»- λίγο σαν να ζωγραφίζουμε μια καρδούλα αντί για τόνο όταν γράφουμε. Η διαδικασία «συγγραφής» των πρωτεϊνών ονομάζεται μετάφραση, κατά την οποία τα σύμπλοκα κατασκευής πρωτεϊνών που ονομάζεται ριβοσώματα, συνδέουν μεταξύ τους τα αμινοξέα (πρωτεϊνικά γράμματα) τα οποία καθορίζονται από τις «λέξεις» τριών γραμμάτων RNA- τα λεγόμενα κωδικόνια- τις οποίες «διαβάζουν» στο mRNA. Υπάρχουν 20 κοινά κωδικοποιούμενα αμινοξέα, καθένα με ένα γενικό «σκελετό» που τους επιτρέπει να συνδέονται μεταξύ τους, και μια «πλευρική αλυσία» (ομάδα R) που προεξέχει, σαν τη χάντρα σε ένα μπρασελέ. Αφού «μεταφραστεί» η πρωτεΐνη, δεν μπορείς να αλλάξεις τη σειρά από τις χάντρες, αλλά μπορείς να προσθέσεις «διακοσμήσεις» όπως ομάδες σακχάρων και φωσφορικές ομάδες σε κάποιες από αυτές, προσθέτοντας ένα επιπλέον επίπεδο ρύθμισης.

Συναγερμός ορολογίας 2: Πρακτικά μιλώντας, «ανασυνδυασμένα» σημαίνει «φτιαγμένα στο εργαστήριο». Με τεχνικούς όρους, σημαίνει ότι έχουμε εισάγει τις γενετικές οδηγίες παρασκευής της πρωτεΐνης σε ένα εύκολο στη χρήση τμήμα DNA που ονομάζεται φορέας το οποίο έχει οδηγίες ώστε αφού το εισάγουμε σε κύτταρα που είναι επίσης εύκολα στη χρήση (όπως βακτήρια ή κύτταρα εντόμων) αυτά μπορούν να τη φτιάξουν. Τα κύτταρα θα φτιάξουν αντίγραφα mRNA από το DNA που εισάγαμε (μια διαδικασία που ονομάζεται μεταγραφή) και στη συνέχεια θα «μεταφράσουν» τo mRNA για να φτιάξουν την πρωτεΐνη. Επειδή «συνδυάσαμε» τμήματα DNA (τις οδηγίες της ιικής πρωτεΐνης με το φορέα), ονομάζουμε την πρωτεΐνη που παράγεται από τα κύτταρα αυτά «ανασυνδυασμένη». http://bit.ly/t7rnap 

Η έκφραση ανασυνδυασμένων πρωτεϊνών είναι μια στρατηγική που χρησιμοποιώ συνέχεια για να φτιάξω πρωτεΐνες που θα καθαρίσω και θα μελετήσω- όμως τα κύτταρα έκφρασης που χρησιμοποιώ μπορεί να προσθέτουν διαφορετικές μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις, επειδή αυτές δεν «κωδικοποιούνται» από την αλληλουχία του mRNA και αντ΄γι’αυτό εξαρτώνται από τους κυτταρικούς μηχανισμούς και κατά πόσο «ξέρουν τι κάνουν». Διαφορετικά είδη κυττάρων έχουν διαφορετικούς τέτοιους μηχανισμούς- έτσι κύτταρα εντόμων μπορεί να μην προσθέτουν τις σωστές ομάδες σακχάρων, κλπ, κάτι που θα έκανε το ανσοποιητικό σύστημα να μάθει να αναγνωρίζει το λάθος πράγμα. https://bit.ly/sugarssci

Ένα άλλο μειονέκτημα της χρήσης ανασυνδυασμένων πρωτεϊνών ως στρατηγική εμβολίου είναι ότι καταλήγουμε μόνο με όσα αντίγραφα πρωτεΐνης φτιάξαμε και εισάγαμε στο εμβόλια. Από την άλλη, αν εισάγουμε ως εμβόλιο τις γενετικές οδηγίες, θα πάρουμε πολλά αντίγραφα πρωτεϊνών από κάθε αντίγραφο mRNA- ενώ χρειάζεται να απομονώσουμε μόνο το mRNA και όχι την πρωτεΐνη.

Το mRNA μπορεί να φτιαχτεί σε κλίμακα εμπορικής παραγωγής χρησιμοποιώντας μια διαδικασία που ονομάζεται in vitro μεταγραφή (περισσότερα για αυτήν εδώ: http://bit.ly/t7rnap)

Αλλά η βασική ιδέα είναι ότι χρησιμοποιούμε ανασυνδυασμένο DNA για να φτιάξουμε mRNA (να το μεταγράψουμε), αλλά «σταματάμε» πριν το βήμα της μετάφρασης (την κατασκευής πρωτεϊνών). “In vitro” σημαίνει απλά ότι όλα γίνονται «σε δοκιμαστικό σωλήνα» (ή δεξαμενή ή κάτι ανάλογο, πάντως όχι μέσα σε ζωντανό οργανισμό). Οπότε η «in vitro μεταγραφή», είναι ένας τρόπος να φτιάξουμε πολύ RNA από ένα «καλούπι» DNA, συχνά χρησιμοποιώντας την RNA πολυμεράση (αντιγραφέα RNA) ενός βακτηριοφάγου (ιού βακτηρίων) που ονομάζεται Τ7.

Όπως πολλές RNA πολυμεράσες, η RNA πολυμεράση (RNAP) του Τ7 «αναγνωρίζει» (μέσω ειδικής πρόσδεσης) συγκεκριμένες περιοχές του DNA που ονομάζονται υποκινητές οι οποίες βρίσκονται «ανοδικά» του γονιδίου που αντιγράφουν- σημείωση: για όσους, σαν κι εμένα, μπερδεύουν το μπρος πίσω, ανοδικά καθοδικά στα γονίδια, οι υποκινητές είναι μπροστά! Αν κολλήσεις τον υποκινητή του T7 μπροστά από μια συμπληρωματική εκδοχή DNA του RNA που θες να φτιάξεις (είτε ως δίκλωνο DNA όπως ένα γραμμικό πλασμίδιο είτε μονόκλωνο DNA με δίκλωνο υποκινητή) μπορείς να κάνεις τον T7 να φτιάξει πολύ από αυτό το RNA.

Το πρόβλημα είναι ότι το RNA είναι πολύ ασταθές. Οπότε χρειαζόμαστε έναν τρόπο για να το εισάγουμε στα κύτταρα με ασφάλεια- αλλά και να το εμποδίσουμε να αποικοδομηθεί πριν καν κάνουμε το εμβόλιο!

Αυτή είναι μια βασική πρακτική διαφορά ανάμεσα στα εμβόλια mRNA και τα «παραδοσιακά» εμβόλια που φτιάχνονται από αδρανοποιημένους ή εξασθενημένους ιούς. Σε αυτά τα παραδοσιακά εμβόλια, τα «καλούδια» του ιού απολαμβάνουν της προστασίας της λιπιδικής μεμβράνης του ιού. Όταν ο ιός «καταβροχθίζεται» από έναν τύπο κυττάρων του ανοσοποιητικού που ονομάζονται αντιγονοπαρουσιαστικά κύτταρα, τα κύτταρα αυτά κομματιάζουν τις ιικές πρωτεΐνες και εκθέτουν τα τμήματά τους στην επιφάνεια του κυττάρου, όπου λειτουργούν ως αντιγόνα- εναντίον των οποίων το ανοσοποιητικό σύστημα μπορεί να μάθει να φτιάχνει αντισώματα, μέσω μιας διαδικασίας «δοκιμής και σφάλματος» στην οποία δοκιμάζει αντισώματα μέχρι να βρει ποιό «κολλάει» στο αντιγόνο.

Στα εμβόλια mRNA, δεν έχουμε την λιπιδική μεμβράνη του ιού. Κι αν προσπαθούσαμε να εισάγουμε «γυμνό» RNA στον οργανισμό, αυτό γρήγορα θα «καταβροχθιζόταν» από μη ειδικούς «κόφτες» RNA, τα ένζυμα ριβονουκλεάσες (RNases). Αν έχετε δουλέψει σε εργαστήριο βιοχημείας ή μοριακής βιολογίας, μάλλον θα σας είναι γνωστές- είναι ανθεκτικές, βρίσκονται παντού, και μπορούν να καταστρέψουν κάποια από τα πειράματά σας! Οι ριβονουκλεάσες είναι τόσο «πανταχού παρούσες» διότι προσφέρουν μια εύκολη και γενική μέθοδο «επίθεσης» κατά των ιών. Τα κύτταρα, οι οργανισμοί, κλπ, μπορούν να προστατέψουν το RNA τους τοποθετώντας το σε περιοχές που προστατεύονται από λιπιδικές μεμβράνες, και στη συνέχεια να φτιάξουν και να εκκρίνουν ριβονουκλεάσες οι οποίες θα καταστρέψουν κάθε «ελεύθερο» RNA που πιθανώς προέρχεται από επίδοξους ιικούς εισβολείς: https://bit.ly/rnaseadepc

Μια άμυνα που οι επιστήμονες χρησιμοποιούν για να προστατεύουν γυμνό RNA είναι να το αποθηκεύουν σε πολύ, πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, στις οποίες οι ριβονουκλεάσες είναι αδρανείς και το RNA πιο δύσκολα «σπάει» για άλλους λόγους (όπως για παράδειγμα εάν το ένα του «πόδι» OH, επιτίθεται στο άλλο): https://bit.ly/rnafragility

Στο εργαστήριο, για παράδειγμα, αποθηκεύουμε το RNA στους -80°C, και αυτή είναι η θερμοκρασία που χρειάζεται το εμβόλιο της Pfizer. Κάτι που ίσως δημιουργήσει αρκετές δυσκολίες στη διανομή του εμβολίου σε απομακρυσμένες περιοχές, όπου, σε αντίθεση με το εργαστήριό μας, που διαθέτει τρεις μεγάλους καταψύκτες -80°C, ίσως θα πρέπει να γίνει χρήση «ξηρού πάγου» (-76oC)- ο οποίος θα είναι απαραίτητος για τη μεταφορά του εμβολίου ακόμα και σε μέρη που διαθέτουν καταψύκτες -80°C. Περισσότερα για τον ξηρό πάγο εδώ: http://bit.ly/sublimedryicescience

Έτσι, το πολύ πολύ κρύο μπορεί να προστατέψει το mRNA πριν μπει στα κύτταρα. Και μετά, όταν απελευθερωθεί στο εσωτερικό των κυττάρων, προστατεύεται από τους ίδιους μηχανισμούς που έχουν τα κυτταρικά mRNA (ένα 5’ κάλυμμα στο ένα άκρο και μια 3’ουρά πολυ-αδενίνης στο άλλο): http://bit.ly/mrnaprocessing.

Αλλά πώς βάζουμε το mRNA μέσα στα κύτταρα; Τα κύτταρά μας δεν αφήνουν ό,τι κυκλοφορεί να μπει μέσα, ειδικά αν είναι RNA, το οποίο, χάρη στις αρνητικά φορτισμένες φωσφορικές ομάδες (PO₄³⁻) του σκελετού του, δεν είναι συμβατό με την λιπιδική μεμβράνη του κυττάρου…

Οι κατασκευαστές των εμβολίων μπορούν να το περάσουν «λαθραία» μέσα στο κύτταρο, περιβάλλοντάς το με τις δικές του λιπιδικές μεμβράνες- στη μορφή αυτοσχηματιζόμενων σφαιριδίων που ονομάζονται Λιπιδικά Νανοσωματίδια (Lipid NanoParticles, LNPs) τα οποία περιβάλλουν το RNA με ένα μείγμα λιπιδίων. Ώρα για λίγη ακόμα ορολογία…

Έχουμε αναφέρει τα λιπίδια ως «ελαιώδη», και είναι- κατά βάση… Όταν μιλάω για κάτι «ελαιώδες», αυτό στο οποίο βασικά αναφέρομαι είναι η «υδροφοβικότητα»- όταν ένα μόριο «απωθείται» από το νερό. Το νερό είναι ισχυρά πολικό, που σημαίνει ότι, ενώ είναι συνολικά ουδέτερο, έχει μερικώς θετικά φορτισμένες (θετικά πολωμένες) περιοχές (τα υδρογόνα) και μια μερικώς αρνητικά φορτισμένη (αρνητικά πολωμένη) περιοχή (το οξυγόνο). Τα ετερώνυμα έλκονται, οπότε μόρια νερού μπορούν να σχηματίσουν εκτεταμμένα δίκτυα, επιτρέποντας μόνο σε άλλα πολικά ή φορτισμένα μόρια/ιόντα να «παίξουν» μαζί τους (τα λεγόμενα υδροφιλικά στοιχεία). Τα «έλαια» είναι φτιαγμένα από μακριές αλυσίδες υδρογονανθράκων (με βάση τον άνθρακα και το υδρογόνο), οι οποίες είναι μη φορτισμένες, μη πολικές, και επομένως μη ελκυστικές για το νερό (δηλαδή υδροφοβικές). Οπότε όταν προσθέτουμε λάδι σε νερό, δεν αναμειγνύονται: http://bit.ly/hydrophobesarenotafraid

Αλλά τα λιπίδια από τα οποία αποτελούνται οι μεμβράνες των κυττάρων μας είναι «φωσφολιπίδια»- έχουν «κεφαλές» φωσφορικών ομάδων πάνω στις ελαιώδεις (υδροφοβικές) ουρές τους. Και, όπως αναφέραμε, οι φωσφορικές ομάδες είναι αρνητικά φορτισμένες. Αφού τα φωσφολιπίδια έχουν τμήματα που «αρέσουν» στο νερό (τις υδροφιλικές κεφαλές) και τμήματα που το νερό δεν «συμπαθεί» (τις υδροφοβικές ουρές), τα ονομάζουμε «αμφιφιλικά».

Ως αποτέλεσμα, εάν τις βάλουμε στο νερό, θα σχηματίσουν μια «διπλοστιβάδα» φωσφολιπιδίων- σαν ένα σάντουιτς στο οποίο οι υδροφοβικές ουρές είναι η γέμιση, και οι υδροφιλικές κεφαλές σε κάθε πλευρά τα δύο κομμάτια από (βρεγμένο πλέον) ψωμί. Με αυτό τον τρόπο φτιάχνονται «διαμερίσματα» που περιέχουν νερό (όπως τα κύτταρα) μέσα σε σώματα που έχουν βάση το νερό (όπως το σώμα μας): https://bit.ly/lipidlove

εξωτερικό υδατικό περιβάλλον

*********

||||||||||||  λιπίδια

||||||||||||

*********

εξωτερικό υδατικό περιβάλλον

Μπορούμε επίσης να βρούμε μεμβρανικά «υπο-διαμερίσματα» μέσα στα κύτταρα, κι ένας τρόπος που αυτά δημιουργούνται είναι μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται ενδοκυττάρωση. Είναι κάπως σαν βιοχημική «ρουφήχτρα»- η μεμβράνη «ρουφάει» ένα τμήμα της (και ό,τι είναι δεμένο σε αυτό) και το κλείνει (μέσα στο κύτταρο), έτσι ώστε, παρ’όλο που ότι βρισκόταν πάνω στη μεμβράνη είναι τώρα στο εσωτερικό του κυττάρου, βρίσκεται στο εσωτερικό μιας μεμβράνης- ένα πακετάκι τυλιγμένο με μεμβράνη που ονομάζεται ενδόσωμα.

Εάν καταφέρουμε το LNP μας να προσδεθεί στη μεμβράνη του κυττάρου, μπορεί με αυτό τον τρόπο να «κάνει ωτοστόπ» για να μπει στο κύτταρο- και τότε τα λιπίδια του LNP θα αποσταθεροποιήσουμε τη μεμβράνη του ενδοσώματος, επιτρέποντας στο RNA να ξεχυθεί στο κύτταρο (ενδοσωμική απελευθέρωση).

Αλλά πρώτα το LNP πρέπει να προσδεθεί στη μεμβράνη, και απ’ότι φαίνεται υπάρχουν πολλοί τρόποι για να γίνει αυτό. Οι ακριβείς λεπτομέρειες εξαρτώνται από τις διάφορες χημικές συστάσεις και τους τύπους κυττάρων, αλλά τα LNPs είναι συχνά ένα μείγμα ουδέτερων, κατιονικών (θετικά φορτισμένων) ή/και ιοντιζόμενων λιπιδίων (λιπίδια που είναι ουδέτερα ή σχεδόν ουδέτερα σε κάποια pH αλλά φορτισμένα (ιονισμένα) σε άλλα). Η κατιονική ομάδα βοηθάει στην πρόσδεση για τον ίδιο λόγο που χρησιμοποιούμε κατιονικούς φορείς όπως η πολυαιθυλενιμίνη (polyethylenimine, PEI) όταν θέλουμε να κάνουμε διαμόλυνση (transfection) DNA στο εργαστήριο (δηλαδή να εισάγουμε σε κύτταρα ένα νουκλεϊκό οξύ-DNA ή RNA- με τον όρο αυτό το περιγράφουμε όταν δουλεύουμε στο εργαστήριο, αλλά βασικά το ίδιο πράγμα κάνουν τα εμβόλια στο σώμα! http://bit.ly/transfectionmethods

Ο λόγος που χρησιμοποιούμε κατιονικούς φορείς για να εισάγουμε το DNA/RNA είναι επειδή αυτά τα νουκλεϊκά οξέα έχουν αρνητικά φορτισμένους (ανιονικούς) σκελετούς). Οι κυτταρικές μεμβράνες έχουν αυτές τις αρνητικά φορτισμένες κεφαλές που αναφέραμε- και όπως ξέρουμε, τα ομώνυμα απωθούνται… Οπότε ένα «γυμνό» τμήμα RNA, ακόμα και αν κατάφερνε να αποφύγει τις ριβονουκλεάσες, δεν θα είχε καμία όρεξη να πλησιάσει την επιφάνεια του κυττάρου! Αλλά τα κατιονικά μόρια των λιποσωματιδίων μπορούν να «εξουδετερώσουν» το αρνητικό φορτίο, κάνοντας το συνολικό σωματίδιο λιγότερο απωθητικό- ίσως ακόμα και ελκυστικό! Μέσα στο σώμα μας, για παράδειγμα, το DNA & το RNA βρίσκονται γι’αυτό το λόγο συχνά παρέα με θετικά φορτισμένα ιόντα μαγνησίου, Mg²⁺.

Όταν εισάγουμε ένα νουκλεϊκό οξύ σε κύτταρο, επιτυγχάνουμε αυτή την εξουδετέρωση με μόρια που ονομάζονται κατιονικά λιπίδια. Είναι όμοια αλλά αντίθετα από τα φωσφολιπίδια- αντί για υδρόφιλη κεφαλή και υδρόφοβη ουρά, έχουν υδρόφοβη ουρά. Αυτό τους επιτρέπει να κολλάνε πάνω στο αρνητικά φορτισμένα RNA, εμποδίζοντάς την απώθηση της μεμβράνης, και βοηθώντας το να κολλήσει πάνω στα φωσφολιπίδια του κυττάρου. Αυτό δουλεύει πολύ καλά στο εργαστήριο, αλλά τα κατιονικά λιπίδια μπορούν να δημιουργήσουν προβλήματα στο σώμα, όπως με το να προσδένονται μη ειδικά σε πρωτεΐνες στο πλάσμα του αίματος (και να μένουν κολλημένα εκεί).

Έτσι, αντί να εξαρτώνται από τα «μονίμως θετικά» λιπίδια, τα LNPs που προορίζονται για χρήση μέσα στο σώμα έχουν στραφεί προς τα «κάποιες φορές θετικά» λιπίδια, που ονομάζονται ιονιζόμενα λιπίδια. Κατά πόσο είναι θετικά (ή/και πόσο θετικά) εξαρτάται από το pH. Χαμηλότερο pH (πιο όξινες συνθήκες) σημαίνει ότι υπάρχουν περισσότερα πρωτόνια ( H⁺) διαθέσιμα. Τα ιονιζόμενα λιπίδια έχουν ομάδες που μπορούν να «πρωτονιωθούν», δηλαδή να πάρουν κάποια πρωτόνια και να γίνουν θετικά φορτισμένες (κατιονικές). Αλλά σε υψηλότερο pH, όπου υπάρχουν λιγότερα διαθέσιμα πρωτόνια, οι ομάδες αυτές δεν πρωτονιώνονται και έτσι παραμένουν ουδέτερες και κολλάνε λιγότερο στις πρωτεΐνες του πλάσματος. Με αυτόν τον τρόπο, αν συναρμολογήσουμε τα LNPs σε χαμηλό pH, όταν τα λιπίδια είναι + φορτισμένα, και στη συνέχεια «ανεβάσουμε» το pH, καταλήγουμε με ένα σύνθετο σκεύασμα όπου έχουμε RNA να περιβάλλεται από μικρούς θύλακες ιονιζόμενων λιπιδίων, μέσα ένα ευρύτερο, ουδέτερο λιπιδικό περίβλημα. https://bit.ly/3f0Nwo7

Αυτά τα σωματίδια μπορούν να προσδεθούν στα κύτταρά μας με διάφορους τρόπους, κάποιοι από τους οποίους εξαρτώνται από λιπο-συνδεόμενες πρωτεΐνες υποδοχείς. Μόλις το κύτταρο τα «καταπιεί», αλλά όσο βρίσκονται ακόμα μέσα στο ενδόσωμα, τα ιοντιζόμενα λιπίδια αποκτούν ξανά σημαντικό ρόλο- ως μέρος της διαδικασίας ωρίμανσης του ενδοσώματος, αυτό γίνεται όξινο, οπότε τα ιοντιζόμενα λιπίδια πρωτονιώνονται και αποκτούν θετικό φορτίο ξανά. Αυτό τα βοηθά να αλληλεπιδράσουν με την ενδοσωμική μεμβράνη, και τελικά να τρυπώσουν μέσα της και να την αποσταθεροποιήσουν.

Αυτή τουλάχιστον είναι η βασική ιδέα, νομίζω…Είμαι ακόμα λίγο μπερδεμένη με τις ακριβείς λεπτομέρειες, και φαίνεται να υπάρχουν μικροδιαφορές ανάλογα με το συγκεκριμένο σκεύασμα που χρησιμοποιείται. https://bit.ly/3kyjJE6  DOI:10.1038/mt.2010.85

Το εμβόλιο mRNA της Pfizer χρησιμοποιεί μια σύνθεση LNP που παρασκευάζεται από μια καναδική εταιρεία, την Acuitas. https://acuitastx.com/technology/. Και, τουλάχιστον στη δημοσίευση που παραπέμπει η ιστοσελίδα τους, η σύνθεση αυτή «περιέχει ένα ιοντιζόμενο κατιονικό λιπίδιο (εμπορική ιδιοκτησία της Acuitas), φωσφατιδυλοχολίνη, χοληστερόλη και πολυαιθυλενογλυκο-λιπίδιο (PEG- λιπίδιο) DOI:10.1038/nature21428.

Η φωσφατιδυλοχολίνη και η χοληστερόλη είναι και τα δύο συστατικά των κυτταρικών μεμβρανών, και μπορούν να δράσουν ως «βοηθητικά λιπίδια», δημιουργώντας το εξωτερικό περίβλημα του σωματιδίου. Τα PEG-λιπίδια, είναι λιπίδια στα οποία έχει συνδεθεί μια ομάδα πολυαιθυλενογλυκόλης (PolyEthyleneGlycol, PEG). Η πολυαιθυλενογλυκόλη είναι ένας μακρύς υδρογονάνθρακας με πολλές υδροφιλικές ομάδες -ΟΗ, και η προσθήκη της γίνεται ως ένα έξτρα επίπεδο προστασίας, σταθερότητας, όγκου και για να βοηθήσει στην αποφυγή του ανοσοποιητικού συστήματος. https://bit.ly/3lvx2qg

Αλλά ανεξάρτητα από τη σύνθεση, το τελικό αποτέλεσμα είναι (ελπίζουμε) να απελευθερώσουμε το mRNA στο κύτταρο, τα ριβοσώματα να φτιάξουν πρωτεΐνη από αυτό (θυμηθείτε ότι μπορούμε να φτιάξουμε πολλά αντίγραφα πρωτεΐνης από το ίδιο αντίγραφο mRNA), και τελικά το ανοσοποιητικό σύστημα να φτιάξει αντισώματα εναντίον της πρωτεΐνης. Δεν θα μπω σε λεπτομέρειες για τη διαδικασία δημιουργίας αντισωμάτων σε αυτό το άρθρο, αλλά το προσπάθησα στο παρελθόν εδώ: https://bit.ly/coronavirusvaccinetypes

Εμβόλια mRNA δεν έχουν εγκριθεί στο παρελθόν για χρήση σε ανθρώπους από τον αμερικανικό Οργανισμό Τροφίμων και Φαρμάκων (FDA). Αλλά, προς υπεράσπισή τους, η τεχνολογία για την παρασκευή τους είναι αρκετά καινούρια. Τώρα που υπάρχει, όμως, η τεχνική δείχνει πολύ ελπιδοφόρα- όχι μόνο για τα εμβόλια κατά του νέου κορωνοϊού από τη Moderna και την Pfizer/BioNTech, αλλά και για ένα μεγάλο εύρος άλλον ιών. Έχουν αρκετά κρίσιμα πλεονεκτήματα: το mRNA είναι πολύ πιο εύκολο στην παρασκευή από άλλους τύπους εμβολίων, επιτρέποντας την επιτάχυνση της διαδικασίας- το μόνο που χρειάζεται να γνωρίζουμε είναι η γενετική αλληλουχία του ιού-τη σωστή συνταγή- και μπορείς να ξεκινήσεις. Χρειάζεται βέβαια να επιλέξουμε τη σωστή πρωτεΐνη και ίσως να την «πειράξουμε» λίγο, αλλά εξακολουθεί να είναι πολύ πιο εύκολο από το να χρειαζόταν να εκφράσουμε και να καθαρίσουμε την ίδια την πρωτεΐνη! Επιπρόσθετα, κάθε αντίγραφο mRNA μπορεί να χρησιμοποιηθεί αμέτρητες φορές από τα ριβοσώματα, οπότε έχουμε καλύτερη απόδοση ποιότητας-τιμής από το αν εισάγαμε στα κύτταρα την πρωτεΐνη προκατασκευασμένη.

Το πρόβλημα που έχουν (τουλάχιστον τα συγκεκριμένα εμβόλια) είναι αυτό της κατάψυξης. Το εμβόλιο της Pfizer χρειάζεται να αποθηκεύεται στους -70οC, θερμοκρασία πολύ χαμηλότερη από έναν «κανονικό» καταψύκτη. Το εμβόλιο της Moderna χρειάζεται «μόνο» -20°C, σαν τους καταψύκτες που έχουμε στο σπίτι, αλλά κι αυτό δεν είναι ιδανικό. https://bit.ly/2IE9oJw

Ευτυχώς, τα εμβόλια mRNA είναι ένας μόνο από τους πολλούς τύπους εμβολίων που βρίσκονται σε κλινικές δοκιμές, και μερικοί από τους άλλους τύπους δεν χρειάζονται τόσο χαμηλή θερμοκρασία! Η ανάπτυξη των εμβολίων αναφέρεται συχνά ως «κούρσα» (δεν βοήθησε ότι η Ρωσία κυριολεκτικά ονόμασε το εμβόλιο “Sputnik”), αλλά στην πραγματικότητα, όσο περισσότερα εμβόλια τόσο το καλύτερο! Διότι έχουμε πολλοοοοούς ανθρώπους να εμβολιάσουμε- σε όλο τον κόσμο- και με πολύ διαφορετικούς τρόπους ζωής και πρόσβαση σε υψηλής τεχνολογίας καταψύκτες. Ελπίζουμε ότι με την πάροδο του χρόνου η τεχνολογία θα καταστήσει τα εμβόλια mRNA πιο θερμοσταθερά, και τους καταψύκτες (και τις υπηρεσίες υγείας) πιο προσβάσιμες σε όλους.

Ελπίζω να σε βοήθησα με την ερώτησή σου, μπαμπά (και επίσης να κατάφερες να διαβάσεις όλο το άρθρο για να φτάσεις εδώ)- συγγνώμη (αλλά όχι στ’αλήθεια) για όλο αυτό το κατεβατό, παραπάνω απ’όσο ζήτησες!


Ένα μεγάλο ευχαριστώ στην Nefeli Boni-Kazantzidou. Η Νεφέλη είναι διδακτορική φοιτήτρια στο Πανεπιστήμιο του Λίβερπουλ


Leave a Reply

Your email address will not be published.