Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny 2023 przyznano wspólnie Katalin Karikó i Drew Weissmanowi „za odkrycia dotyczące modyfikacji zasad nukleozydowych, które umożliwiły opracowanie skutecznych szczepionek mRNA przeciwko COVID-19”
Odkrycia dokonane przez dwóch laureatów Nagrody Nobla odegrały kluczową rolę w opracowaniu skutecznych szczepionek mRNA przeciwko Covid-19 podczas pandemii, która rozpoczęła się na początku 2020 r. Dzięki swoim przełomowym odkryciom, które zasadniczo zmieniły nasze rozumienie interakcji mRNA z naszym układem odpornościowym, laureaci wnieśli swój wkład z bezprecedensowym tempem rozwoju szczepionek w okresie jednego z największych zagrożeń dla zdrowia ludzkiego współczesności.
Szczepionki przed pandemią
Szczepienie stymuluje powstawanie odpowiedzi immunologicznej na konkretny patogen. Daje to organizmowi przewagę w walce z chorobą w przypadku późniejszego narażenia. Szczepionki oparte na zabitych lub osłabionych wirusach są dostępne od dawna, czego przykładem są szczepionki przeciwko polio, odrze i żółtej febrze. W 1951 roku Max Theiler otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny za opracowanie szczepionki przeciwko żółtej febrze.
Dzięki postępowi biologii molekularnej, jaki nastąpił w ostatnich dziesięcioleciach, opracowano szczepionki oparte na pojedynczych składnikach wirusa, a nie na całych wirusach. Części kodu genetycznego wirusa, zwykle kodujące białka znajdujące się na powierzchni wirusa, są wykorzystywane do wytwarzania białek stymulujących tworzenie przeciwciał blokujących wirusy. Przykładami są szczepionki przeciwko wirusowi zapalenia wątroby typu B i wirusowi brodawczaka ludzkiego. Alternatywnie, części kodu genetycznego wirusa można przenieść do nieszkodliwego wirusa nosiciela, „wektora”. Metodę tę stosuje się w szczepionkach przeciwko wirusowi Ebola. Po wstrzyknięciu szczepionek wektorowych w naszych komórkach wytwarzane jest wybrane białko wirusowe, stymulujące odpowiedź immunologiczną przeciwko docelowemu wirusowi.
Wytwarzanie szczepionek zawierających całe wirusy, białka i wektory wymaga hodowli komórkowej na dużą skalę. Ten proces wymagający dużych zasobów ogranicza możliwości szybkiej produkcji szczepionek w odpowiedzi na epidemie i pandemie. Dlatego badacze od dawna próbowali opracować technologie szczepionek niezależne od hodowli komórkowej, ale okazało się to trudne.
Szczepionki mRNA: obiecujący pomysł
W naszych komórkach informacja genetyczna zakodowana w DNA jest przekazywana do informacyjnego RNA (mRNA), który służy jako matryca do produkcji białka. W latach 80. wprowadzono wydajne metody wytwarzania mRNA bez hodowli komórkowej, zwane transkrypcją in vitro. Ten decydujący krok przyspieszył rozwój zastosowań biologii molekularnej w kilku dziedzinach. Pomysły wykorzystania technologii mRNA do celów szczepionkowych i terapeutycznych również pojawiły się, ale pojawiły się przeszkody. Uznano, że mRNA transkrybowany in vitro jest niestabilny i trudny do dostarczenia, co wymaga opracowania wyrafinowanych systemów lipidów nośnikowych do kapsułkowania mRNA. Co więcej, mRNA wytworzony in vitro powodował reakcje zapalne. Entuzjazm związany z rozwojem technologii mRNA do celów klinicznych był zatem początkowo ograniczony.
Te przeszkody nie zniechęciły węgierskiej biochemiczki Katalin Karikó, która poświęciła się opracowywaniu metod wykorzystania mRNA w terapii. Na początku lat 90., kiedy była adiunktem na Uniwersytecie Pensylwanii, pozostała wierna swojej wizji wykorzystania mRNA jako środka terapeutycznego, pomimo trudności w przekonaniu fundatorów badań o znaczeniu jej projektu. Nowym kolegą Karikó na jej uniwersytecie był immunolog Drew Weissman. Interesowały go komórki dendrytyczne, które pełnią ważne funkcje w nadzorze immunologicznym i aktywacji odpowiedzi immunologicznych wywołanych szczepionką. Zainspirowani nowymi pomysłami, wkrótce rozpoczęła się między nimi owocna współpraca, koncentrująca się na interakcji różnych typów RNA z układem odpornościowym.
Przełom
Karikó i Weissman zauważyli, że komórki dendrytyczne rozpoznają transkrybowany in vitro mRNA jako obcą substancję co prowadzi do ich aktywacji i uwolnienia cząsteczek sygnalizacyjnych stanu zapalnego. Zastanawiali się, dlaczego mRNA transkrybowany in vitro został rozpoznany jako obcy, podczas gdy mRNA z komórek ssaków nie wywołał tej samej reakcji. Karikó i Weissman zdali sobie sprawę, że niektóre krytyczne właściwości muszą rozróżniać różne typy mRNA.
RNA zawiera cztery zasady, w skrócie A, U, G i C, odpowiadające A, T, G i C w DNA, literach kodu genetycznego. Karikó i Weissman wiedzieli, że zasady w RNA z komórek ssaków są często modyfikowane chemicznie, w przeciwieństwie do mRNA transkrybowanego in vitro. Zastanawiali się, czy brak zmienionych zasad w RNA transkrybowanym in vitro może wyjaśnić niepożądaną reakcję zapalną. Aby to zbadać, wyprodukowali różne warianty mRNA, każdy z unikalnymi zmianami chemicznymi w zasadach, i dostarczyli je do komórek dendrytycznych. Wyniki były uderzające: odpowiedź zapalna została prawie zniesiona po włączeniu modyfikacji zasad do mRNA. Była to zmiana paradygmatu w naszym rozumieniu tego, jak komórki rozpoznają różne formy mRNA i reagują na nie. Karikó i Weissman natychmiast zrozumieli, że ich odkrycie miało ogromne znaczenie dla wykorzystania mRNA w terapii. Te przełomowe wyniki opublikowano w 2005 roku, piętnaście lat przed pandemią Covid-19.
W dalszych badaniach opublikowanych w latach 2008 i 2010 Karikó i Weissman wykazali, że dostarczanie mRNA generowanego z modyfikacjami zasad znacznie zwiększało produkcję białka w porównaniu z niezmodyfikowanym mRNA. Efekt był spowodowany zmniejszoną aktywacją enzymu regulującego produkcję białka. Dzięki odkryciom, że modyfikacje zasad zarówno zmniejszają reakcję zapalną, jak i zwiększają produkcję białek, Karikó i Weissman wyeliminowali krytyczne przeszkody na drodze do klinicznych zastosowań mRNA.
Szczepionki mRNA wykorzystały swój potencjał
Zainteresowanie technologią mRNA zaczęło rosnąć i w 2010 roku kilka firm pracowało nad opracowaniem tej metody. Kontynuowano prace nad szczepionkami przeciwko wirusowi Zika i MERS-CoV; ten ostatni jest ściśle powiązany z SARS-CoV-2. Po wybuchu pandemii COVID-19 w rekordowym tempie opracowano dwie szczepionki mRNA ze zmodyfikowanymi zasadami, kodujące białko powierzchniowe SARS-CoV-2. Zgłoszono działanie ochronne na poziomie około 95%, a obie szczepionki zostały zatwierdzone już w grudniu 2020 r.
Imponująca elastyczność i szybkość, z jaką można opracowywać szczepionki mRNA, otwierają drogę do wykorzystania nowej platformy także w przypadku szczepionek przeciwko innym chorobom zakaźnym. W przyszłości technologię tę można będzie wykorzystać także do dostarczania białek terapeutycznych i leczenia niektórych typów nowotworów.
Szybko wprowadzono także kilka innych szczepionek przeciwko SARS-CoV-2, opartych na różnych metodologiach, i łącznie na całym świecie podano ponad 13 miliardów dawek szczepionki przeciwko SARS-CoV-19. Szczepionki uratowały życie milionów ludzi i u wielu innych zapobiegły poważnym chorobom, umożliwiając społeczeństwom otwarcie się i powrót do normalnych warunków. Poprzez swoje fundamentalne odkrycia dotyczące znaczenia modyfikacji zasad w mRNA tegoroczni laureaci Nagrody Nobla w sposób krytyczny przyczynili się do tego transformacyjnego rozwoju podczas jednego z największych kryzysów zdrowotnych naszych czasów.
Nagrodzeni nobliści
Katalin Karikó urodziła się w 1955 roku w Szolnok na Węgrzech. Stopień doktora uzyskała na Uniwersytecie w Szeged w 1982 r. i do 1985 r. prowadziła badania podoktorskie w Węgierskiej Akademii Nauk w Szeged. Następnie prowadziła badania podoktorskie na Temple University w Filadelfii i Uniwersytecie Nauk o Zdrowiu w Bethesda. W 1989 roku została mianowana adiunktem na Uniwersytecie Pensylwanii, gdzie pozostała do 2013 roku. Następnie została wiceprezesem, a później starszym wiceprezesem w BioNTech RNA Pharmaceuticals. Od 2021 roku jest profesorem na Uniwersytecie Szeged oraz adiunktem w Perelman School of Medicine na Uniwersytecie Pensylwanii.
Drew Weissman urodził się w 1959 roku w Lexington w stanie Massachusetts w USA. Uzyskał tytuł doktora medycyny i doktora na Uniwersytecie Bostońskim w 1987 roku. Odbył szkolenie kliniczne w Beth Israel Deaconess Medical Center w Harvard Medical School oraz badania podoktorskie w National Institutes of Health. W 1997 roku Weissman założył grupę badawczą w Perelman School of Medicine na Uniwersytecie Pensylwanii. Jest profesorem rodziny Robertsów w dziedzinie badań nad szczepionkami i dyrektorem Penn Institute for RNA Innovations.
Liczba Nagród Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny
Od 1901 roku przyznano 113 Nagród Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny. Nie przyznano jej dziewięć razy: w 1915, 1916, 1917, 1918, 1921, 1925, 1940, 1941 i 1942 roku.
Czy wiedziałeś?
- Od 1901 roku przyznano 113 Nagród Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny.
- Nagrodę „lekarską” otrzymało dotychczas 12 kobiet.
- 32 lata miał najmłodszy w historii laureat medycyny, Frederick G. Banting, który w 1923 roku otrzymał tę nagrodę za odkrycie insuliny.
- Najstarszy w historii laureat medycyny, Peyton Rous, miał 87 lat, kiedy w 1966 roku otrzymał nagrodę za odkrycie wirusów wywołujących nowotwory.
- Jeden duet ojca i syna, Sune Bergström i Svante Pääbo, został uhonorowany tą nagrodą. Svante Pääbo został nagrodzony 40 lat po swoim ojcu.
Nagrody Nobla 2023. Terminarz
- Fizyka – wtorek, 3 października, o godzinie 11:45
- Chemia – środa, 4 października o 11:45
- Literatura – czwartek, 5 października o godzinie 13:00
- Pokojowa Nagroda Nobla – piątek, 6 października, godz. 11:00
- Nauki ekonomiczne – poniedziałek, 9 października o godz. 11:45
Kto wybiera laureatów Nagrody Nobla?
W swoim testamencie Alfred Nobel wyraźnie wskazał instytucje odpowiedzialne za nagrody, które pragnął ustanowić: Królewską Szwedzką Akademię Nauk w przypadku Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki i chemii, Karoliński Instytut w przypadku Nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny, Szwedzka Akademia ds. Literackiej Nagrody Nobla oraz pięcioosobowy komitet wybierany przez norweski parlament (Storting) do Pokojowej Nagrody Nobla.
W 1968 roku Sveriges Riksbank ustanowił Nagrodę Sveriges Riksbank w dziedzinie nauk ekonomicznych ku pamięci Alfreda Nobla. Od 1969 roku Królewska Szwedzka Akademia Nauk otrzymała zadanie wyłaniania Laureatów w dziedzinie nauk ekonomicznych.