Tylko 42 dni potrzebowała amerykańska firma Moderna na wyprodukowanie prototypowej szczepionki przeciw koronawirusowi SARS-CoV-2. 11 stycznia chińscy uczeni opublikowali sekwencję genomu nowego wirusa, a już 24 lutego partia preparatu była gotowa do podania ludziom. Pierwszy z kilkudziesięcioosobowej grupy zdrowych ochotników został zaszczepiony 16 marca. Wydawałoby się, że lada moment preparat będzie można kupić w każdej aptece, ale tak to wygląda tylko w mało rzetelnych filmach science-fiction. – W najlepszym przypadku badania zajmą rok – półtora. Dopiero wtedy szczepionka trafi na rynek, oczywiście pod warunkiem, że wszystkie próby wypadną pomyślnie. Trzeba też pamiętać, że Moderna do tej pory nie wprowadziła żadnej szczepionki do użytku. Ponadto żadna szczepionka oparta na matrycy mRNA – a nad takim preparatem pracuje firma – nie została do tej pory zatwierdzona do stosowania u ludzi – mówi dr hab. Ewelina Król, adiunkt z Zakładu Szczepionek Rekombinowanych Międzyuczelnianego Wydziału Biotechnologii Uniwersytetu Gdańskiego i Gdańskiego Uniwersytetu Medycznego.
COVID-19: WYŚCIG Z PANDEMIĄ
W przypadku koronawirusa naukowcom udało się pójść trochę na skróty. – Aby stworzyć szczepionkę rekombinowaną, najpierw wybieramy białka wirusowe, które są w stanie zmusić układ immunologiczny do wyprodukowania przeciwciał neutralizujących. Najlepiej do tego celu nadają się białka powierzchniowe – wyjaśnia dr Król. Wirus wywołujący COVID-19 ma bardzo podobną budowę do koronawirusów, które już wcześniej atakowały ludzi – SARS i MERS. Nad szczepionką przeciwko nim pracowało wcześniej wiele firm, w tym Moderna. – Dzięki tym badaniom wiadomo było, że dobrym kandydatem do wykorzystania w szczepionce jest tzw. białko powierzchniowe S, czyli spike, które wchodzi w skład „korony” wirusa – mówi dr Król.
Wykorzystywana do tej pory technologia produkcji szczepionek rekombinowanych wymagała, by takie białko wyprodukować w warunkach laboratoryjnych w komórkach ssaków lub drożdży, oczyścić, a następnie połączyć z substancjami dodatkowymi (tzw. adiuwantami). Jednak taki proces zajmuje wiele miesięcy. Moderna i kilka innych firm wykorzystują odmienny mechanizm. Zamiast podawać pacjentowi gotowe białko wirusowe, uczeni zmuszają jego komórki do produkcji tego białka. W tym celu stosują nić tzw. informacyjnego RNA (mRNA) – krótki odcinek kwasu nukleinowego, na którym zapisana jest „recepta” na białko.
Szczepionkę bazującą na RNA można wyprodukować bardzo szybko. Jeśli firma badała wcześniej podobny preparat na zwierzętach laboratoryjnych, możliwe jest też pominięcie tego etapu. Potem jednak zaczynają się badania kliniczne z udziałem ludzi. – Tego etapu nie można skrócić, bo to wtedy ustalamy, czy szczepionka jest bezpieczna dla ludzi i czy spełnia swoje zadanie, czyli badamy jej skuteczność – mówi dr Król. W standardowych warunkach trzy fazy badań klinicznych zajmują kilka lat. – W przypadku szczepionki przeciw SARS-CoV-2 pierwsza faza z udziałem zdrowych ochotników polega na tym, że dostają oni dwie dawki w odstępie 28 dni, a następnie są obserwowani przez 12 miesięcy pod kątem ewentualnych skutków ubocznych. Jeśli firma będzie widziała, że badania idą w dobrą stronę, może zacząć równolegle drugą fazę badań. Ale tak naprawdę wyniki pierwszej fazy będziemy znali dopiero za rok – mówi dr Król. W drugiej i trzeciej fazie badań biorą już udział setki i tysiące osób. I dopiero wówczas się sprawdza, czy preparat w ogóle działa.
Moderna nie jest jedyną firmą pracującą nad szczepionką przeciw COVID-19. Obecnie firmy testują ponad 40 różnych preparatów, w tym także klasyczne, oparte na białkach lub „zabitych” wirusach. Duże dofinansowanie otrzymały Moderna oraz Janssen (ta firma wykorzystuje zmodyfikowane nieszkodliwe wirusy). Nie wiadomo, które podejście okaże się najlepsze, więc uczeni próbują różnych dróg. – To dowodzi, że naukowcy są dobrze przygotowani do stawienia czoła nowym patogenom. Badania prowadzone są wyjątkowo szybko. Ale nie oznacza to, że uda się nam opracować gotową do użycia szczepionkę w tydzień czy miesiąc – podkreśla dr Król.
EBOLA: REKORD ŚWIATA
Nawet najszybciej opracowane szczepionki powstają dzięki wieloletnim przygotowaniom. – Oczywiście korzystamy z wcześniejszych badań, ale często też zaczynamy pracę naukową od zera. Zanim znajdziemy odpowiednie białka, wyprodukujemy je w odpowiednim systemie ekspresyjnym i oczyścimy, mija rok, dwa lata, a czasami nawet pięć lat – wyjaśnia dr Król.
Dobrym przykładem są tu prace nad szczepionką przeciwko wirusowi Ebola. Wywołuje on śmiertelnie groźną gorączkę krwotoczną – atakuje i niszczy m.in. białe krwinki, komórki wątroby oraz naczyń krwionośnych. Układ odpornościowy reaguje gwałtownie, produkując substancje, które jeszcze bardziej uszkadzają naczynia krwionośne. Chory umiera najczęściej wskutek sepsy, czyli wstrząsu septycznego. Śmiertelność wśród zainfekowanych sięga 90 proc. Choroba była znana medycynie od 1976 r., ale bardzo długo nie budziła zainteresowania firm farmaceutycznych. Chorowało i umierało stosunkowo niewiele osób w Afryce, a ogniska infekcji szybko wygasały. Dopiero wielka epidemia z 2014 r., która szerzyła się na niespotykaną wcześniej skalę, skłoniła decydentów do zmiany stanowiska. W sierpniu naukowcy z Kanady ogłosili, że mogą udostępnić prototypową szczepionkę do badań, w listopadzie ruszyły badania kliniczne z udziałem ludzi w Gwinei. Ich wyniki potwierdzające skuteczność preparatu opublikowano 31 lipca 2015 r.
FARMAKOLOGIA JAK UODPORNIĆ SIĘ NA WIRUSA
RODZAJE SZCZEPIONEK
Istnieje wiele sposobów na to, by organizm „oswoił się” z niebezpiecznym mikrobem. Szczepionki dzielimy zależnie od tego, jaki materiał jest podstawą ich składu
ŻYWE – zawierają wirusa, który został osłabiony tak, by nie mógł wywoływać objawów choroby, ale wciąż był zdolny do infekowania komórek i wywołania odpowiedzi układu odpornościowego,
INAKTYWOWANE – zawierają wirusy, które zostały „zabite” np. za pomocą substancji chemicznych lub wysokiej temperatury. Nie są one zdolne do infekowania komórek ani wywołania objawów choroby,
Z MODYFIKOWANYMI WIRUSAMI – zawierają wirusy, które nie są chorobotwórcze, ale potrafią infekować człowieka i zostały „wzbogacone” o elementy pochodzące z chorobotwórczego mikroba,
PODJEDNOSTKOWE – zawierają wyłącznie elementy chorobotwórczego wirusa, takie jak białka czy wielocukry, ale bez materiału genetycznego,
Z CZĄSTKAMI WIRUSOPODOBNYMI – odmiana szczepionek podjednostkowych, w której wiele połączonych ze sobą białek strukturalnych wirusa tworzy cząstkę przypominającą go (swoistą „wydmuszkę”),
DNA/RNA – zawierają niewielką ilość materiału genetycznego, która zmusza komórki organizmu do produkcji konkretnego wirusowego białka.
– To było rekordowe, niesamowite tempo. Wątpię jednak, czy coś takiego uda się powtórzyć w przypadku koronawirusa – zastanawia się prof. Gary Kobinger z kanadyjskiego Uniwersytetu Laval, który brał udział w pracach nad przygotowaniem szczepionki przeciwko eboli. Tamten preparat nie powstałby bowiem, gdyby nie prowadzone jeszcze w latach 90. XX wieku prace nad modyfikowaniem nieszkodliwego dla ludzi wirusa pęcherzykowego zapalenia jamy ustnej (VSV). Prowadzili je uczeni w USA i Niemczech, potem przeniosły się do Kanady. Tam w 2004 r. uczeni po raz pierwszy wykazali, że zwierzęta laboratoryjne nie chorują, jeśli poda im się wirusa VSV z „doczepionym” fragmentem pochodzącym z eboli. Jednak ten sukces nie został doceniony przez władze. – Prace postępowały powoli, ponieważ mieliśmy za mało pieniędzy. Co roku rząd próbował nam obciąć dotacje na badania nad ebolą argumentując, że to nie jest choroba groźna dla Kanadyjczyków – wspominał zmarły niedawno prof. Frank Plummer, który w tamtych czasach kierował kanadyjskim Narodowym Laboratorium Mikrobiologicznym.
Dopiero gdy uczeni dostali 2 mln dolarów od resortu obrony, zainteresowanego badaniami nad wirusami, które mogliby wykorzystać terroryści, prace nabrały tempa. Kluczową rolę odegrała w nich dr Judie Alimonti, która przez kilka lat dopracowywała szczepionkę tak, aby była gotowa do testów z udziałem ludzi. Dlatego badania mogły rozpocząć się tak szybko w 2014 r. Niestety, dr Alimonti nie doczekała się należnego jej uznania – zmarła na raka w 2017 r. Opracowana z jej udziałem szczepionka Ervebo została oficjalnie dopuszczona do użytku dopiero pod koniec 2019 r.
RSV, SARS: BOLESNA NAUCZKA
Kluczowy jest jednak sam fakt ukończenia badań klinicznych. W przypadku szczepionki na ebolę oznaczało to, że można ją było zastosować na większą skalę nawet przed urzędową decyzją o dopuszczeniu do obrotu. Tak było wiosną 2018 r., gdy choroba zaatakowała mieszkańców Demokratycznej Republiki Konga. Już po ośmiu dniach firma Merck, producent Ervebo, zaczęła szczepienia, które ostatecznie otrzymało ponad 260 tys. osób. Czy w przypadku COVID-19 będzie podobnie? Moderna twierdzi, że już jesienią mogłaby udostępnić pierwsze partie szczepionki na koronawirusa najbardziej zagrożonym grupom, np. pracownikom ochrony zdrowia. Firma Janssen mówi o początku 2021 r. – W przypadku pandemii można skrócić pewne procedury. Jednak dziś nie wiemy, czy to się uda. Wiele obiecujących szczepionek nie przeszło pierwszej fazy badań klinicznych – przypomina dr Król.
Jednym z bardziej tragicznych przykładów była próba opracowania szczepionki przeciwko syncytialnemu wirusowi oddechowemu (RSV). Bardzo łatwo zakaża on niemowlęta i dzieci, często prowadząc do zapalenia oskrzeli lub płuc, które czasami mają bardzo ciężki przebieg i mogą prowadzić do śmierci. W 1966 r. uczeni mieli do dyspozycji szczepionkę z „zabitym” RSV przetestowaną wcześniej na zwierzętach.
PROCEDURY DOPUSZCZANIE SZCZEPIONEK DO UŻYTKU – NA CZYM POLEGAJĄ BADANIA KLINICZNE?
Zanim nowa terapia zostanie dopuszczona do stosowania, musi przejść rygorystyczne testy. Są one niezbędne, by sprawdzić, czy np. szczepionka jest bezpieczna dla ludzi i zapewnia im skuteczną ochronę przed mikrobami
I FAZA – obejmuje grupę kilkudziesięciu zdrowych ochotników i służy sprawdzeniu, czy preparat jest bezpieczny dla ludzi i co się z nim dzieje po podaniu. Czas trwania: ok. 3 miesięcy.
II FAZA – bierze w niej udział kilkaset osób narażonych na infekcję. Ta faza pozwala dokładniej sprawdzić, czy preparat działa i jak powinien być dawkowany. Czas trwania: co najmniej 6 miesięcy.
III FAZA – preparat jest podawany kilku tysiącom osób, które mogą zostać zainfekowane przez patogen, a następnie naukowcy sprawdzają dokładnie, jaka jest skuteczność szczepionki. Czas trwania: co najmniej 6 miesięcy.
DOPUSZCZENIE DO UŻYTKU – decyzja urzędowa, na którą trzeba poczekać z reguły co najmniej kilka miesięcy.
IV FAZA – to badania prowadzone po dopuszczeniu preparatu do powszechnego stosowania, dzięki którym naukowcy mają więcej danych o jego skuteczności, skutkach ubocznych i ewentualnych nowych zastosowaniach.
Jednak gdy podano ją dzieciom, okazało się, że nie daje im wcale odporności na chorobę. Co gorsza, dwójka małych pacjentów ciężko zachorowała i zmarła. Okazało się, że akurat u nich szczepionka zadziałała zbyt dobrze. Układ odpornościowy „nauczył się” rozpoznawać RSV, a gdy został zainfekowany, zaatakował mikroby z taką siłą, że zniszczył przy tym płuca. Do dziś nie udało się opracować szczepionki na tę chorobę. Naukowcy wyciągnęli wnioski i nauczyli się wykrywać takie działania niepożądane na wcześniejszym etapie. Przydało się to podczas prac nad szczepionką na koronawirusa wywołującego SARS w 2003 r. Jej prototyp również powodował uszkodzenia płuc u zwierząt laboratoryjnych. Badacze zmienili strategię i wyprodukowali szczepionkę, ale wtedy epidemia SARS już wygasła i nikt nie był zainteresowany finansowaniem dalszych prac. – Krótko mówiąc, nie było popytu na taką szczepionkę.
Firmy farmaceutyczne koncentrują się głównie na tym, na czym można zarobić – wyjaśnia dr Król. Uczeni przez wiele lat trzymali swój preparat w zamrażarce. – Powinniśmy przeprowadzić badania kliniczne, by mieć szczepionkę na choroby wywoływane przez koronawirusy – apelował kierujący badaniami prof. Peter Hotez z Akademii Medycznej Baylor jeszcze w 2016 r. Wtedy jednak nikt go nie posłuchał.
BIOLOGIA ORGANIZM CZY MATERIA ORGANICZNA – CZY WIRUSY SĄ ŻYWE?
Wirus to bardzo prosta struktura – kawałek informacji genetycznej (zapisanej na nici DNA albo RNA) ukryty w białkowym „opakowaniu”.
Sam z siebie nie jest zdolny do poruszania się, rozmnażania itd. Wirusy nie mają własnego metabolizmu, a więc nie przyjmują żadnego pokarmu i nic nie wytwarzają. Dopiero gdy dostaną się do komórki – np. ludzkiej – potrafią zmusić ją do tego, by tworzyła nowe wirusy. Można więc uznać, że są specyficzną materią organiczną – białkowymi „strzykawkami” z materiałem genetycznym. Innymi słowy – są martwe. Z drugiej jednak strony trudno uznać je za obiekty nieożywione. W odpowiednich warunkach potrafią się nie tylko mnożyć tak jak inne znane nauce pasożyty, ale także mutują, wymieniają się materiałem genetycznym – czyli podlegają typowo biologicznej ewolucji.
W ramach kompromisu zaproponowano, by uznać wirusy za „organizmy znajdujące się na skraju życia”. Natomiast mikrobiolodzy mówią o „żywych” wirusach wtedy, gdy chodzi o mikroby zdolne do infekowania komórek. W niektórych szczepionkach wykorzystuje się takie właśnie żywe, ale osłabione – fachowo mówiąc: antenuowane – wirusy.
HIV, HCV: PASMO PORAŻEK
Nawet duży zastrzyk pieniędzy nie zawsze gwarantuje sukces w pracach nad szczepionką. Dobitnym tego przykładem jest walka z wirusem HIV. Od 1981 r. AIDS doprowadziło do śmierci łącznie 35 mln osób. 37 mln ludzi jest dziś zakażonych wirusem HIV i choć lekarze mają do dyspozycji leki, które potrafią trzymać go w szachu, nadal nie są w stanie całkowicie usunąć mikrobów z organizmu pacjenta. Niepowodzeniem kończyły się też wszystkie przeprowadzone dotąd próby opracowania szczepionki na tę chorobę. Najnowsze złe wieści pojawiły się w lutym, gdy uczeni przeanalizowali wyniki kosztujących ponad 100 mln dolarów badań klinicznych trzeciej fazy prowadzonych od 2016 r. w Republice Południowej Afryki. – Niestety, szczepionka ma zerową skuteczność. Jesteśmy bardzo rozczarowani, bo lata naszej pracy poszły na marne – ogłosiła kierująca pracami Glenda Gray, szefowa Południowoafrykańskiej Rady ds. Badań Medycznych.
Dlaczego tak się stało? HIV należy do tzw. wirusów RNA. – Są one bardzo zmienne. Do powielania się wykorzystują enzym zwany polimerazą zależną RNA, który często robi błędy. Dlatego praca nad opracowaniem szczepionek przeciwko wirusom RNA jest długa i często nieskuteczna. Wirusy takie często mutują – wyjaśnia dr Król. Na szczęście z badań wynika, że tempo mutacji koronawirusa SARS-CoV-2 jest dość wolne, więc jest większa szansa na to, że szczepionka będzie skuteczna. Zakład, w którym pracuje dr Król, prowadził badania również nad preparatami przeciw wirusowi HCV, wywołującemu zapalenie wątroby typu C (WZW C). Przenosi się on m.in. przez krew i źle wysterylizowane narzędzia chirurgiczne. Szacuje się, że HCV zainfekował już ponad 175 mln osób na świecie, a u części z nich w przyszłości doprowadzi do marskości lub raka wątroby. – HCV ma różne genotypy i podtypy w ich obrębie. Tempo jego mutacji jest jednak duże, co sprawia, że co jakiś czas identyfikujemy jego nową odmianę. Wobec tego wirusa jesteśmy niestety wciąż bezradni – przyznaje dr Król.
GRYPA, CHOROBA X: CZEKAJĄC NA PRZEŁOM
Podobnie wygląda sytuacja w przypadku innych chorób mogących wywołać tragiczną w skutkach pandemię. Na pierwszy plan wysuwa się grypa, która w XX wieku atakowała kilkakrotnie na globalną skalę. Hiszpanka w latach 1918–1919 zabiła 75 mln ludzi, grypa azjatycka w 1957 r. 2 mln ludzi, a odmiana Hongkong w 1968 r. – milion. Co roku na całym świecie liczba ofiar śmiertelnych tej choroby waha się od 250 do 500 tys. – Także i w tym przypadku mamy do czynienia z wirusem RNA, który szybko mutuje i do tego losowo „przetasowuje” swój genom. Dlatego niemal co roku
pojawiają się nowe szczepy – mówi dr Król. Co roku też trzeba przygotowywać nową szczepionkę, która nie zawsze okazuje się skuteczna. Przykładowo w sezonie chorobowym 2017/2018 zadziałała u zaledwie 10 proc. zaszczepionych Amerykanów.
BIOTECHNOLOGIA BADANIA, TESTY I PRODUKCJA – JAK POWSTAJE SZCZEPIONKA?
Od odkrycia nowego wirusa do masowej produkcji preparatu prowadzi długa droga. Czy w przypadku COVID-19 uda się ją skrócić?
Proces produkcji klasycz nej szczepionki opartejna białkach wirusa jest długi i wieloetapowy. W optymalnych warunkach zajmuje co najmniej 5–6 miesięcy. Nowe preparaty oparte na DNA czy RNA powstają szybciej, ponieważ ta technologia pozwala na pominięcie lub skrócenie części etapów. Oto jak wygląda najbardziej typowy proces produkcji z wykorzystaniem jaj, stosowany w przypadku szczepionek na grypę pandemiczną.
Od ponad 20 lat trwają intensywne prace nad szczepionką uniwersalną, która będzie zwalczać wszystkie odmiany grypy – także te, które jeszcze się nie pojawiły. Jest to możliwe, ponieważ część białek tworzących osłonkę wirusa prawie w ogóle się nie zmienia. Jednak do dziś nie udało się znaleźć sposobu na wykorzystanie tego zjawiska w praktyce. Część badaczy twierdzi, że firmom bardziej opłaca się niedoskonała, podawana co roku szczepionka przeciw grypie sezonowej, niż inwestowanie ogromnych pieniędzy w nowe badania. – Jeśli uda się opracować naprawdę uniwersalną szczepionkę, firmom farmaceutycznym będzie się ona opłacała. Ale nie będzie to proste. Uczestniczyliśmy w kilku projektach mających na celu znalezienie uniwersalnej szczepionki na grypę. Niektóre nasze wyniki były bardzo obiecujące, ale potem niestety zabrakło pieniędzy na dalsze badania kliniczne – mówi dr Król.
Z podobnymi problemami borykają się setki zespołów naukowych na całym świecie. Być może do przełomu w tej dziedzinie będzie potrzebna zmiana strategii. Część badaczy apeluje o stworzenie szczepionkowego Projektu Manhattan, nawiązując do amerykańskiego programu badań nad bronią jądrową. – Projekt ten szybko dał efekty dzięki międzynarodowej współpracy naukowców i finansowaniu ze środków publicznych. Podobne sukcesy ma na koncie Projekt Poznania Ludzkiego Genomu czy ośrodek badań jądrowych CERN – wylicza dr Seth Berkley, szef Globalnego Sojuszu na Rzecz Szczepionek i Szczepień (GAVI). Jego zdaniem choroby takie jak COVID-19 czy grypa wymagają podobnego podejścia. Pierwsze efekty już widać – uczeni dzielą się danymi dotyczącymi koronawirusa, badania sponsorują też filantropi tacy jak Bill Gates. Pieniędzy będzie jednak potrzeba znacznie więcej. – Kosztowne są nie tylko badania, ale i produkcja. Postawienie nowej fabryki szczepionek to inwestycja rzędu 500 mln dolarów. Potem trzeba jeszcze zorganizować dystrybucję, a to też kosztuje – mówi dr Berkley.
W ciągu najbliższych miesięcy przekonamy się, czy nasza cywilizacja podoła takiemu wyzwaniu. COVID-19 to choroba poważna, ale wciąż nie tak śmiercionośna jak pandemie z przeszłości. Jednak za kilka czy kilkanaście lat jakiś zabójczy wirus – nazwany kilka lat temu przez WHO chorobą X – znów nas zaatakuje. Teraz mamy ostatnią szansę, by się na to przygotować.