Nowoczesne terapie genowe budzą nadzieje na walkę z wieloma chorobami dotychczas uchodzącymi za nieuleczalne. Obecnie metody te są jednak drogie i mogą prowadzić u pacjentów do poważnych powikłań. Modyfikacje kwasu mRNA, opracowane przez naukowców z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego we współpracy z Louisiana State University, wytyczają drogę ku bezpieczniejszym i skuteczniejszym lekom genowym. Próby kliniczne pierwszej szczepionki antynowotworowej nowego typu, przygotowanej w Niemczech z wykorzystaniem polskiego wynalazku, rozpoczną się jeszcze w tym roku.

Terapie genowe mogą pomóc w skutecznym leczeniu wielu chorób, w tym najbardziej złośliwych nowotworów. Obecnie metody te koncentrują się na zmienianiu DNA. Manipulowanie genomem jest jednak ryzykowne. Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW) od lat pracują nad bezpieczniejszym sposobem: modyfikowaniem informacyjnego RNA.

„We współpracy z Louisiana State University opracowaliśmy i opatentowaliśmy metody wydłużania trwałości mRNA i zwiększania jego wydajności w produkcji terapeutycznych białek. Dajemy biologom uniwersalne narzędzie, które potencjalnie umożliwia opracowanie skutecznych szczepionek przeciwko każdej chorobie nowotworowej” – mówi dr Jacek Jemielity, FUW. 16 marca została podpisana umowa międzyUniwersytetem Warszawskim, LSU i niemiecką firmą BioNTech, przekazująca tej ostatniej licencję na produkcję zmodyfikowanego mRNA. Dzięki niej jeszcze w tym roku Ribological – oddział firmy BioNTech zajmujący się produkcją antyrakowych immunofarmaceutyków opartych o RNA, rozpocznie pierwszą fazę badań klinicznych nad szczepionką antynowotworową nowego typu.

Większość zadań w komórce, niezbędnych do jej poprawnego funkcjonowania, wykonują białka. Informacja o budowie białek jest zapisana w DNA znajdującym się w jądrze każdej komórki. Aby na podstawie tych danych wyprodukować potrzebne białko, w jądrze musi powstać łańcuch kwasu mRNA z kopią genu opisującego budowę danego białka. Produkcja takiego mRNA jest nazywana transkrypcją. Utworzone mRNA jest transportowane przez błonę jądra komórkowego do cytoplazmy i dopiero tutaj, w procesie translacji, białko może być wreszcie zsyntetyzowane.

Tradycyjna medycyna skupia się na walce z chorobami głównie poprzez regulowanie aktywności białek w komórkach dostarczanymi z zewnątrz środkami farmakologicznymi. Od lat 70. ubiegłego wieku trwają próby opracowania innych terapii – genowych. Ingerują one w transkrypcję lub translację w taki sposób, że białka o określonym działaniu terapeutycznym są produkowane bezpośrednio w komórkach.

Czas życia łańcuchów mRNA jest krótki: zazwyczaj są to godziny, nierzadko minuty. Zanim wstrzyknięte do organizmu terapeutyczne mRNA dotarłoby do komórek i wyprodukowało zbawienne dla pacjenta białko, zostałoby rozłożone przez enzymy. Z tego powodu dotychczas interesowano się głównie modyfikacjami DNA. Ingerencje w schowane w jądrze komórkowym DNA są jednak trudne, drogie i niebezpieczene. „Wprowadzona w celach terapeutycznych zmiana zostaje utrwalona w genomie na zawsze, a jej konsekwencje mogą być trudne do przewidzenia. Wyleczymy jedną chorobę, może pojawić się inna. Dlatego już wiele lat temu zainteresowaliśmy się mRNA, a szczególnie tym, co znajduje się na jednym z końców jego łańcucha” – mówi prof. dr hab. Edward Darżynkiewicz (FUW).

Dla chemika mRNA jest długim i monotonnym polimerem, zawierającym ok. 2000 nukleozydów – cegiełek występujących w zaledwie czterech odmianach. Jednak na jednym z końców mRNA znajduje się nietypowa struktura: specyficzny związek chemiczny, dołączony do reszty łańcucha za pomocą mostka trifosforanowego. Struktura ta, nazywana czapeczką lub kapem, zabezpiecza łańcuch mRNA przed działaniem destrukcyjnych enzymów, jest także rozpoznawana przez białko eIF4e, inicjujące produkcję białek w cytoplazmie.

Dzięki własnym metodom chemicznym, naukowcy z Zakładu Biofizyki FUW stworzyli i zbadali wiele sztucznych odmian kapu. Kilka grup tak znalezionych struktur zgłoszono do opatentowania. Szczególnie ważne okazały się związki, w których atom tlenu w mostku trifosforanowym podmieniono na atom siarki. „Przeciętna cząsteczka mRNA składa się z 80 tysięcy atomów, my zmieniliśmy tylko jeden. Ta drobna modyfikacja miała fascynujące konsekwencje” – mówi dr Joanna Kowalska (FUW). Przeprowadzone przez grupę prof. Roberta E. Rhoadsa (LSU) badania mRNA z nową końcówką dowiodły, że udało się trzykrotnie wydłużyć czas życia mRNA w komórce i pięciokrotnie zwiększyć jego wydajność w produkcji białek. Z kolei testy na myszach, wykonane w Mainz przez firmę BioNTech i tamtejszy uniwersytet, wykazały, że układ odpornościowy myszy reagował na wskazane białko trzykrotnie silniej niż po wstrzyknięciu niezmodyfikowanego mRNA. "Są to bardzo ekscytujace rezultaty. Postęp osiągnięty dzięki użyciu sztucznych kapów opracowanych na Uniwersytecie Warszawskim może okazać się kluczem do skutecznej immunoterapii opartej o RNA" ocenia profesor Ugur Sahin, dyrektor generalny BioNTech i wykładowca na Uniwersytecie Medycznym w Mainz.

Wynalazek polskich naukowców otwiera drogę do stosowania w celach leczniczych mechanizmu translacji zachodzącego w cytoplazmie. Leki nowego typu będą miały wiele zalet. Wprowadzony do organizmu związek nie musi wnikać do jądra komórkowego. Brak ingerencji w genom likwiduje ryzyko mutacji, a ograniczony czas życia łańcuchów mRNA pozwala lekarzowi wywołać określoną reakcję organizmu tylko wtedy, gdy jest potrzebna. Co więcej, reakcja obronna organizmu na obce mRNA jest znacznie bardziej specyficzna niż w przypadku dostarczania DNA. "Nasze metody modyfikowania i wytwarzania kapów świetnie działają w probówkach, co jest istotne dla każdego, kto myśli o przemysłowej produkcji leków" – podkreśla dr Jemielity.

Licencję na zastosowanie patentów dotyczących modyfikacji zakończenia mRNA właśnie wykupiła niemiecka firma BioNTech z Mainz. Jeszcze w tym roku zamierza ona rozpocząć pierwszą fazę badań klinicznych nowego leku antynowotworowego, w którym terapeutyczne sekwencje nukleotydów w mRNA są zakończone kapem zmodyfikowanym według przepisu polskich naukowców. Lek będzie wstrzykiwany do węzłów chłonnych pacjentów. Przedostanie się tam do komórek dendrytycznych, gdzie główne elementy naszego układu odpornościowego, limfocyty T, będą mogły wyspecjalizować się w niszczeniu wskazanego przez naukowców białka. Zgodnie z podpisaną umową, Wydział Fizyki UW wyprodukuje zmodyfikowane zakończenia mRNA w ilościach gwarantujących przeprowadzenie badań klinicznych.

Umowa licencyjna z firmą BioNTech jest pierwszą tego typu zawartą przez Uniwersytet Warszawski. Autorzy zgodnie podkreślają, że sukces nie byłby możliwy bez wcześniejszego opatentowania wynalazków, w czym istotny udział miała Maria Tomczak-Płanik, ówczesny rzecznik patentowy UW.

Informacja prasowa Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.