Szczepionka na COVID-19

Szczepionka na COVID-19 jest jedynym długofalowym rozwiązaniem na opanowanie pandemii koronawirusa. Z naukowego punktu widzenia, jest po prostu genialna! A dlaczego? 🙂

Nim przejdę do omawiania szczepionki na COVID-19 firmy Pfizer/BioNTech (tudzież szczepionek, bo właśnie EMA zatwierdziła do użytku w EU szczepionkę firmy Moderna), muszę poświęcić trochę czasu na wprowadzenie. Na początek kilka słów o samych szczepionkach!

Czy szczepienia działają? Infografika przedstawiająca skuteczność szczepień! Źródło: szczepienia.pzh.pl

Co to jest szczepionka?

Tak wygląda dziecko chore na ospę. Zdjęcie z 1973 roku z Bangladeszu. W 1977 roku WHO ogłosiła wyeliminowanie ospy z tego kraju po zastosowaniu szczepionki. Źródło: Health Image Library #3265.

Szczepionka to preparat biologiczny, który ma za zadanie nauczyć system odpornościowy walki przeciwko prawdziwej chorobie. Ma go przetrenować przed realną walką, czyli chorobą. A jak to robi?

Szczepionka imituje naturalną infekcję i prowadzi do rozwoju odporności takiej samej, jaką organizm uzyskuje po kontakcie z prawdziwym wirusem lub bakterią. W praktyce polega to na zaprezentowaniu komórkom odpornościowym czegoś charakterystycznego dla danego drobnoustroju tak, by te komórki mogły w przyszłości go rozpoznać i się przed nim bronić produkując specyficzne przeciwciała przeciwko temu drobnoustrojowi. Brzmi prosto, prawda? Ale tylko brzmi…

Dlaczego to tylko wydaje się takie proste? Dlatego, że nie wiemy, co jest charakterystyczne dla danego drobnoustroju, a więc nie wiemy, co wywoła trwałą odporność. Choćby dlatego, że on się zmienia z każdą kopią, jak np. wirusy. Ideałem jest wywołanie odporności, czyli pojawienie się przeciwciał klasy IgG przeciwko danemu drobnoustrojowi. Obecność przeciwciał klasy IgG oznacza obecność długotrwałej lub trwałej odporności.

Krótka historia szczepionek

Człowiek bardzo szybko zauważył, że osoby, które przechorowały daną chorobę zwykle już na nią nie chorują. Pierwsze próby wykorzystania tego faktu prawdopodobnie były już ok. 1000 roku n.e. w Indiach, gdzie próbowano się szczepić przeciwko ospie podając pacjentom starte na proszek strupy lub ropę pobrane od osób z łagodnym przebiegiem tej choroby. Jak się domyślacie, jej skuteczność nie była duża.

Skuteczną metodę wymyślił i opracował dopiero w 1796 roku brytyjski lekarz Edward Jenner. Od tamtej pory ospa prawdziwa była w odwrocie, a w 1980 roku WHO ogłosiła jej wyeliminowanie dzięki szczepionce opracowanej 200 lat wcześniej. Jako ciekawostkę można dodać, że szczepionka Jennera polegała na podawaniu wirusów żywej ospy krowiej, a pierwszym pacjentem był 8-letni chłopiec o nazwisku James Phipps. Jenner wykorzystał ludowe przekonanie, że przechorowanie ospy krowiej (tzw. krowianki), która jest chorobą łagodną i nie kończy się śmiercią, daje odporność na ospę prawdziwą, która jest chorobą wysoce śmiertelną.

dr Edward Jenner, brytyjski lekarz, któremu zawdzięczamy szczepionkę na ospie. Zastosował ją po raz pierwszy w 1796 na 8-letnim chłopcu, a następnie próbował zarazić go ospą prawdziwą. Dziecko nie zachorowało, a on udowodnił skuteczność swojej szczepionki. Uratował życie milionom dzieci. Źródło: wikipedia

Rodzaje szczepionek

Na przykładzie szczepionki na ospę wiemy, że szczepionki mogą być żywe. W tej sytuacji natura nam trochę pomogła: mieliśmy gotowego podobnego wirusa, ale znacznie łagodniejszego. Przy innych chorobach mieliśmy trochę mniej szczęścia, ale próbowaliśmy zrobić coś podobnego. Tak powstały szczepionki atenuowane, czyli zawierające żywe kopie wirusa, ale pozbawione zjadliwości, czyli niechorobotwórcze. Oczywiście, jak coś jest żywe, to nigdy nie wiadomo jak się zachowa albo proces unieszkodliwiania wirusa się nie uda. Tak było np. w początkach szczepionki na polio, kiedy podano dzieciom żywego zjadliwego wirusa. Stąd rozpoczęto pracę nad szczepionkami, które nie są „żywe” – nieco naciągając to pojęcie, gdyż wirus nie jest „żywy” w klasycznym tego pojęciu, czyli nie potrafi żyć samodzielnie, potrzebuje do tego komórki. Z tego samego powodu antybiotyki nie działają na wirusy, tylko na bakterie, które są żywe.

Kolejnym etapem było wymyślenie szczepionki „nieżywej” tj. zabitej, czyli składającej się z uszkodzonych fragmentów wirusa, czy bakterii. Sam proces trochę przypomina zmiksowanie obiadu…. Wciąż nieco toporny, ale już bezpieczniejszy.

Kolejne etapy rozwoju szczepionek polegają na bardziej precyzyjnym ich składzie. Już nie „zupa z fragmentów”, ale konkretny fragment, który wywołuje odporność, czyli produkcję przeciwciał typu IgG, które będą zabijać już całego, „żywego” wirusa podczas infekcji.

A gdzie jest szczepionka na COVID-19?

Szczepionka na koronawirusa to kolejny etap rozwoju szczepionek. Już nie jest to „żywy” wirus, nawet nie jest to fragment wirusa. Szczepionka na COVID-19 firmy Pfizer/BioNTech, podobnie jak firmy Moderna, zawiera mRNA konkretnego fragmentu wirusa, który wywołuje odporność. Jak duży jest to krok milowy i dlaczego ona jest genialna z naukowego punktu widzenia opowiem za chwilkę.

Tradycyjny podział szczepionek i ogólne zasady ich podawania. Źródło: szczepiania.pzh.gov.pl

Szczepionki a leki – jaka jest różnica?

Z medycznego punktu widzenia jest to istotna różnica, ale mam wrażenie, że gdzieś w rozważaniach nad pandemią koronawirusa nam to umyka. Pozwolę sobie to krótko i obrazowo wyjaśnić, gdyż ułatwi nam to zrozumienie jak doniosłą chwilą jest opracowanie szczepionki na COVID-19.

Powyżej wyjaśniłem, jak działa szczepionka. Zaznaczyłem też, że przechorowanie wielu chorób daje odporność, a badanie przeciwciał jest kluczowe w wielu sytuacjach, np. w ciąży toksoplazmoza lub CMV. Podsumowując:

Szczepienie daje odporność, a leczenie nie. Szczepionka zabezpiecza przed kolejną taką samą infekcją, a leki nie. Warto pamiętać o różnicy pomiędzy leczeniem a szczepieniem. Źródło: szczepienia.pzh.gov.pl

przechorowanie daje odporność na kolejne zakażenia
szczepionka daje odporność na przyszłe zakażenia
lek leczy aktualne zakażenie, jeśli taki lek mamy….

Lek nie daje odporności na kolejne zakażenia. Lek pomaga zwalczyć chorobę, jeśli leczy chorobę, jak np. antybiotyk infekcję bakteryjną. Jest to tzw. leczenie przyczynowe.

Ale leki mogą być stosowane do leczenia objawowego, czyli leczyć objawy danej choroby, a nie samą chorobę. Niekiedy takie wspomożenie wystarcza, by organizm zwalczył chorobę, np. leki przeciwgorączkowe jak m.in. paracetamol.

Dotychczas nie udało się znaleźć leczenia przyczynowego na COVID-19, a stosowane leczenie objawowe ma taką sobie skuteczność. Warto o tym pamiętać.

Pamiętacie dyskusję z wiosny i wakacji, że szczepionka na COVID-19 powstanie dopiero za kilka lat? Takie zdania pojawiały się na podstawie doświadczeń z produkcji dotychczasowych szczepionek.

Proces produkcyjny tradycyjnych szczepionek polegał na:

namnożeniu wirusa (pierwsza trudność, to znalezienie odpowiedniej pożywki, jak np. zarodki jaja kurzego…) – bardzo wąskie gardło!
w międzyczasie prowadzenie badań na tym, który fragment wirusa skutecznie wywołuje odporność
zabiciu wirusa i wyizolowanie odpowiedniego jego fragmentu, który wywołuje odporność
wyprodukowanie szczepionek w odpowiedniej ilości

Przy szczepionce na COVID-19 z tej listy pozostał tylko punkt o identyfikacji odpowiedniego fragmentu wirusa. Naukowcy poszli w pewnym sensie na skróty, ale udało im się to zrobić, gdyż nasze zrozumienie procesów biochemicznych w komórce jest coraz większe.

Jak powstała szczepionka na COVID-19?

To jest wizualizacja wiriona SARS-Co-2. Te czerwone rożki lub kolce to białko Spike, które jest podstawą szczepionki mRNA firmy Pfizer/BioNTech. Źródło: Public Health Image Library #23312

Naukowcy odkryli co wywołuje odporność na koronawirusa. W praktyce udało im się odkryć, który fragment wirusa powoduje pojawienie się przeciwciał klasy IgG u ozdrowieńców. To do tego fragmentu wirusa przyczepiają się nasze przeciwciała i go unieszkodliwiają. Ten fragment w szczepionce firmy Pfizer/BioNTech to słynny „rożek” lub „kolec” z osłonki wirusa – nazywa się białko Spike.

W tradycyjnych szczepionkach taki „kolec” byłby głównym składnikiem szczepionki. W tej naukowcy poszli krok dalej. Sprawdzili, który fragment kodu RNA wirusa odpowiada za budowę tego „rożka”. Koronawirusy to względnie proste struktury i posiadają w swym wnętrzu tylko RNA. Jeszcze nie dorobiły się kodowania DNA, które jest znacznie bardziej zaawansowane i można je spotkać u organizmów na wyższym poziomie rozwoju (to też jest pewne uproszczenie, ale na razie wystarczy; natura nie znosi takich uogólnień i lubi zaskakiwać).

Zidentyfikowano odpowiedni fragment RNA SARS-CoV-2, a następnie zaczęto go obrabiać. Poniżej w skrócie próbuję opisać ten skomplikowany proces, a więc co tak na prawdę zrobiono?

Po pierwsze wykorzystano rodzaj RNA nazywany mRNA, czyli tzw. matrycowy RNA, który służy do budowy białek. W ludzkiej komórce jest to matryca powstała z DNA, które jest w jądrze komórkowym, służąca za wzór do syntezy białka w strukturze nazywanej rybosomami (taka fabryczka białek), która jest umiejscowiona poza jądrem. mRNA nie zmienia nic w DNA, ona tylko kopiuje z niego niektóre jego fragmenty, coś jak kalka do kopiowania a dla młodszych czytelników skróty CTRL-C i CTRL-V. mRNA nie wraca do jądra komórkowego.

Po drugie odpowiednio zaadresowano to mRNA. Wykorzystano identyfikator białka, które replikuje się w komórce często i szybko. Zadbano, by mRNA było rozpoznawane jako swoje, a nie obce. Pomyślano nawet o tym, by dodać fragmenty składające ten „kolec” w odpowiednią strukturę przestrzenną białka (struktury I, II, III i IV-rzędowe białka). A następnie dodano odpowiedni „znaczek” temu białku, by zostało umieszczone tam, gdzie powinno, czyli w ścianie komórki, czyli tam gdzie może zostać rozpoznane i wykorzystane do produkcji przeciwciał. Fascynujące jest to, że to jest w pewnym sensie naturalny proces. Komórki złożonych, wielokomórkowych organizmów losowo trawią swoje białka i prezentują ich fragmenty komórkom odpornościowym. Jeśli dana komórka jest zainfekowana innym organizmem, jest szansa, że jego białka też zostaną tak potraktowane i komórki odpornościowe rozpoznają komórkę z intruzem.

Zdjęcie z mikroskopu skaningowego przedstawiające wirusy SARS-Co-2 (pomarańczowe) na tle hodowli komórkowej (zielone). Pacjent z USA. Źródło: NIAD

Po trzecie pomyślano o kontroli. Każde mRNA ze szczepionki ma wbudowany „licznik” z ustawionym maksymalnym limitem użycia. Jeśli licznik wybije na zero, takie mRNA jest niszczone w komórce.

Po czwarte, tak spreparowany mRNA należy odpowiednio zapakować, by dostał się do komórki. W szczepionce Pfizer/BioNTech zamknięto go w kulce lipofilnej, zresztą podobnie jak firmy Moderna. Takie kulki względnie łatwo przechodzą przez ściany komórki, które mają strukturę tłuszczową. Podobny mechanizm firmy kosmetyczne próbują wykorzystać w różnego rodzaju kremach 🙂

Szczepionka firmy Oxford/AstraZenaca idzie jeszcze o krok dalej. By usprawnić proces przekazywania mRNA do komórki po zastrzyku domięśniowym wykorzystano adenowirusy. Są to specjalne wirusy, w które można zapakować jakąś cząsteczkę (lek lub mRNA). Oczywiście najpierw się je odpowiednio przygotowuje, np. pozbawiając ich własnego materiału genetycznego, wykorzystując tylko biochemiczny mechanizm (można je porównać do strzykawki). Ich zadaniem jest wstrzyknięcie takiego pakunku do komórki, coś jak zastrzyk do komórki. Teoretycznie powinno to znacznie poprawić transport mRNA do komórki, a więc zmniejszyć dawkę szczepionki. Czy przełoży się to na siłę odpowiedzi odpornościowej, jeszcze nie wiadomo.

Szczepionki mRNA są nowe, ale nie są nieznane.

Bardzo podoba mi się ten śródtytuł, który znalazłem na stronie CDC. Oddaje w kilku słowach wszystko.

Technologia szczepionek mRNA była badana od dawna. Badania były prowadzone na wirusie grypy, ZIKA, wścieklizny i CMV (cytomegalowirus). Naukowcy mieli już gotowy „proces technologiczny” i wystarczające zrozumienie teoretyczne jej działania. Wystarczyło tylko znaleźć i wstawić odpowiedni fragment mRNA.

Amplifikacja (kopiowanie) mRNA to względnie prosty i tani proces. Technologia PCR (łańcuchowa reakcja polimerazy, PCR, ang. polymerase chain reaction) została opracowana jeszcze w roku 1983 przez Kary’ego Mullis’a, który otrzymał za to w 1993 roku nagrodę Nobla. Dlatego na szczepionkę mRNA nie trzeba było czekać miesiącami i latami.

A jeszcze przed szczepionkami, technologię mRNA badano i próbowano zastosować w leczeniu onkologicznym. Skuteczne jej zastosowanie w szczepionce w takiej skali jest ogromnym sukcesem nauki oraz ludzkiej pomysłowości i wyobraźni.

W dobie pandemii jej powstanie jest niesamowitym zetknięciem się nauki i wiedzy z najwyższej półki, która po prostu ratuje ludzkie życie. Nigdy dotychczas czas pomiędzy pomysłem a działaniem i wprowadzeniem do stosowania nigdy nie był tak krótki. I nigdy pod taką presją. Wcale bym się nie zdziwił, jeśli za kilka lat jej twórcy zostaną uhonorowani nagrodą Nobla.

Ciąża i karmienie piersią

Informacje o tym aspekcie szczepionki na COVID-19 znajdziesz w tym artykule: Ciąża, karmienie piersią a szczepionka na COVID-19.

Bibliografia

Zdjęcie z mikroskopu skaningowego przedstawiające SARS-CoV-2 wyizolowanego od pacjenta z USA. Widoczna charakterystyczna otoczka wokół wirusa, która dała mu jego nazwę zwyczajową: koronawirus. Źródło: NIAD RML