(Fragment artykułu)

Koronawirusy to duża rodzina wirusów zakażających ludzi i zwierzęta. Ze względu na łagodność infekcji koronawirusami u ludzi, wirusy te przez wiele lat nie były obiektem intensywnych badań naukowych. Zmieniło się to w 2002 roku, kiedy odzwierzęcy koronawirus SARS-CoV wywołał epidemię u ludzi, zakażając ponad 8 tysięcy osób, wywołując ciężki, ostry zespół oddechowy ze śmiertelnością ok. 10%.  Epidemię udało się wygasić w ciągu kilku miesięcy. 10 lat później, w 2012 roku, na Półwyspie Arabskim wykryto zakażenia wśród ludzi kolejnym groźnym koronawirusem – MERS – wywołującym tzw. bliskowschodni zespół oddechowy o śmiertelności ok. 35%. Wirus ten przenosi się na ludzi głównie przez bezpośredni kontakt ze zwierzętami i nie zdołał rozprzestrzenić się poza Półwysep Arabski.

W grudniu 2019 pojawił się raport o przypadkach zapalenia płuc o nieznanej etiologii w mieście Wuhan, w Chinach. Naukowcy identyfikowali kolejnego koronawirusa, który uzyskał zdolność zakażania ludzi, a także zdolność przenoszenia się z człowieka na człowieka. Nowy wirus o nazwie SARS-CoV-2, powodujący chorobę COVID-19, rozprzestrzenił się na cały świat, prowadząc do ponad pięciu milionów zgonów (dane na grudzień 2021), wywołując kryzys w opiece zdrowotnej i ekonomii [11].

Laboratoria badawcze na całym świecie natychmiast podjęły próbę opracowania szczepionki ochronnej przeciwko COVID-19. W ciągu kilkunastu miesięcy udało się opracować i zarejestrować skuteczne szczepionki, które obecnie używane są do masowych szczepień. Wszystkie szczepionki zarejestrowane w Unii Europejskiej i dostępne w Polsce to szczepionki genetyczne. Należą do nich 2 szczepionki zawierające kwas mRNA w nośnikach lipidowych oraz dwie szczepionki zawierające wektory adenowirusowe. Zadaniem tych szczepionek jest wprowadzenie do komórek pojedynczego genu wirusa SARS-CoV-2, a mianowicie genu kodującego białko kolca (z ang. spike, S) znajdujące się na powierzchni cząstek wirusowych. Białko kolca jest niezwykle ważne dla cyklu infekcyjnego wirusa SARS-CoV-2, gdyż wiąże się „jak klucz do zamka” do receptora komórkowego ACE-2 umożliwiając wniknięcie wirusa do komórki.

Po szczepieniu jedną z dostępnych szczepionek komórki produkują białko kolca, a układ immunologiczny uczy się rozpoznawać to białko. Jednocześnie komórki produkujące biało kolca są usuwane z organizmu przez cytotoksyczne komórki immunologiczne, tak jak podczas naturalnych infekcji wirusowych. Obecność białka kolca i kodującego je genu jest więc krótkotrwała. W przypadku wniknięcia wirusa SARS-CoV-2 do zaszczepionego organizmu, obecne w nim przeciwciała i komórki pamięci rozpoznają białko kolca na cząstkach wirusowych i wiążąc się do niego zablokują między innymi wiązanie z receptorem i wnikanie wirusa do komórek.

Czasem obawy osób spoza środowiska medycznego budzi fakt, że szczepionki przeciwko COVID-19 wprowadzają do organizmu obcy materiał genetyczny. Dobrze jest pamiętać, że w czasie każdej naturalnej infekcji wirusy wprowadzają swój materiał genetyczny do komórek w różnych tkankach organizmu. Po szczepieniu szczepionką wektorową lub mRNA do komórek wprowadzana jest tylko mała część materiału genetycznego wirusa SARS-CoV-2, kodująca wyłącznie białko kolca. Materiał genetyczny wnika do niewielkiej liczby komórek znajdujących w tkance mięśniowej w okolicy wkłucia oraz w lokalnych węzłach chłonnych i nie ma możliwości rozprzestrzeniania się jak w trakcie normalnego zakażenia wirusowego.

Ani szczepionki zawierające wektory, ani te zawierające mRNA nie mogą modyfikować materiału genetycznego gospodarza. Wprowadzony DNA lub mRNA nie łączy się z DNA genomowym człowieka, a jego obecność w komórkach jest krótkotrwała. Komórki, które na podstawie wprowadzonego genu produkują białko szczepionkowe są usuwane wskutek wzbudzonych reakcji cytotoksycznych organizmu, co jest normalnym procesem obrony organizmu przed infekcjami wirusowymi [12].

Dlaczego szczepionki przeciwko COVID-19 powstały tak szybko?

Jedną z obaw społeczeństwa wobec szczepionek przeciwko COVID-19 jest tempo ich powstania. Tymczasem, na rekordową szybkość wprowadzenia tych szczepionek na rynek miało wpływ wiele czynników. Proces opracowania i wprowadzenia na rynek klasycznych szczepionek trwa zwykle co najmniej kilka lat i obejmuje badania laboratoryjne (np. wybór optymalnego sposobu produkcji oczyszczania antygenu itp.), badania przedkliniczne na zwierzętach, a następnie próby kliniczne, czyli badania na ludziach.

 Zastosowanie szczepionek genetycznych zawierających mRNA lub wektory adenowirusowe pozwala na drastyczne skrócenie czasu produkcji szczepionki.  Do produkcji klasycznych szczepionek trzeba namnożyć duże ilości wirusa w wyspecjalizowanych laboratoriach o dużym rygorze bezpieczeństwa, co jest i długotrwałe, i kosztowne. Wytworzenie szczepionek genetycznych nie wymaga w ogóle pracy z zakaźnym wirusem SARS-CoV-2, do ich zaprojektowania i wytworzenia konieczna jest jedynie znajomość sekwencji genetycznej wirusa, czyli ciągu liter genetycznego alfabetu, „przepisu”, który może być przysłany zwykłym e-mailem.

Po zidentyfikowaniu wirusa SARS-CoV-2, jego sekwencja była znana naukowcom po rekordowym czasie 13 dni i tego samego dnia ruszyły prace nad szczepionką w wielu laboratoriach na całym świecie, wyspecjalizowanych w produkcji różnych typów szczepionek. Po kilkunastu kolejnych dniach pierwsze porcje szczepionek mRNA były gotowe. Co ważne, w opracowaniu szczepionek wykorzystano wiedzę zdobytą podczas epidemii wirusów SARS i MERS. Zastosowano dokładnie takie same konstrukty szczepionkowe, które najlepiej sprawdziły się w testach przedklinicznych przeciwko tym dwóm wirusom. Pozwoliło to praktycznie na eliminację konieczności prowadzenia badań wstępnych. Dodatkowo, w ostatnich latach nastąpił ogromny rozwój technik biologii molekularnej, a szczepionki wektorowe i mRNA były rozwijane szczególnie intensywnie jako narzędzie między innymi do immunoterapii nowotworów.

Badania bezpieczeństwa i skuteczności szczepionek nie mogą zostać pominięte przy wprowadzaniu jakiegokolwiek preparatu. W przypadku wprowadzania szczepionek przeciwko COVID-19, przeprowadzono wszystkie etapy badań klinicznych, jednak badania kolejnych faz rozpoczynały się zaraz po uzyskaniu wstępnych wyników fazy poprzedniej, co pozwoliło na prowadzenie badań na różnych etapach równolegle. Ponadto, producenci rozpoczęli produkcję kilku szczepionek jeszcze przed ukończeniem badań 3. fazy, co pozwoliło na wprowadzenie ich na rynek zaraz po uzyskaniu rejestracji. Nie bez znaczenia było wsparcie finansowe państw oraz współdziałanie instytucji naukowych i firm farmaceutycznych [9,13].

Skuteczność szczepionek przeciwko COVID-19

Europejska Agencja Leków dopuszcza szczepionki do obrotu na podstawie ich skuteczności klinicznej. Dla wszystkich dopuszczonych preparatów przeprowadzono kontrolowane randomizowane badania kliniczne z udziałem grupy otrzymującej preparat placebo. Oznacza to, że z dwóch grup jedna zostaje zaszczepiona preparatem ochronnym, a druga – placebo. Następnie porównuje się i analizuje statystycznie liczbę zachorowań w obu grupach. Wyniki tych badań, opublikowane w renomowanych czasopismach naukowych, pokazały 95% skuteczności przed objawami COVID-19 dla szczepionki mRNA BioNtech/Pfizer, 94,1% dla szczepionki Moderny, 62% dla szczepionki AstraZeneca/Oxford i 66,9% dla szczepionki Janssenn/Johnson&Johnson. Dla porównania, dla tej ostatniej skuteczność w ochronie przed hospitalizacją wyniosła 100% [14].

W niedawno opublikowanym badaniu populacji amerykańskiej zanalizowano skuteczność rzeczywistą trzech szczepionek zarejestrowanych w USA w ochronie przed hospitalizacją z powodu COVID-19 u dorosłych. Skuteczność rzeczywista szczepionek w zapobieganiu hospitalizacjom była bardzo duża i wyniosła 93% dla szczepionki mRNA Moderny, 88% dla szczepionki mRNA Pfizer/BioNTech i 71% dla szczepionki wektorowej Janssen/Johnson&Johnson [15].

Obawy wśród zaszczepionych budzi pojawienie się nowych wariantów wirusa SARS-CoV-2, co rodzi pytanie czy odporność nabyta po szczepieniu lub zakażeniu wirusem SARS-CoV-2 będzie chroniła przed pojawiającymi się wariantami. Według dotychczasowych badań odporność nabyta po szczepieniu dopuszczonymi w Polsce szczepionkami może dawać nieco mniejszą ochronę przed zakażeniem niektórymi wariantami, ale wciąż skutecznie chroni przez ciężką postacią COVID-19, w szczególności przed hospitalizacją oraz śmiercią. Co więcej, tylko masowe, globalne szczepienia, ograniczając namnażanie wirusa SARS-CoV-2 we wszystkich rejonach świata mogą zmniejszyć szansę pojawiania się nowych, niebezpiecznych wariantów [16].

Dzięki wysiłkowi badaczy i wykorzystaniu najnowszych technologii szczepionki przeciwko COVID-19 w niesamowicie krótkim czasie wprowadzono do globalnego użycia. Dało to nadzieję na odciążenie systemów zdrowotnych i szansę na powrót do życia sprzed pandemii.  Obecnie największym wyzwaniem jest przeprowadzenie masowych szczepień na całym świecie – nie tylko w krajach rozwiniętych, ale również w krajach rozwijających się.

Ze względu na prostotę i szybkość produkcji, szczepionki genetyczne są idealne w przypadku pojawiania się nowych patogenów i szybko rozprzestrzeniających się epidemii.  Najprawdopodobniej technologie wprowadzone do walki z COVID-19 będą stosowane w przyszłości do walki z wieloma innymi czynnikami infekcyjnymi. Ponadto, ich zastosowanie może być szersze, włączając terapie przeciwnowotworowe i terapie genowe.

Cały artykuł dr Alicji Chmielewskiej przeczytacie w najnowszym wydaniu 1/2022 „Chemii w Szkole”