Современные методы генной терапии вселяют надежду на победу над многими ранее считавшимися неизлечимыми заболеваниями. В настоящее время применение этих методов крайне дорого и связано с риском развития тяжелых осложнений. Модификации матричной РНК (мРНК), предложенные учеными с Физического Факультета Варшавского Университета (Faculty of Physics, University of Warsaw) и их коллегами из Государственного Университета Луизианы (Louisiana State University), могут стать новым методом создания более безопасных и эффективных генных препаратов. Клинические испытания первой противораковой вакцины нового поколения на основе модифицированных мРНК начнутся в этом году.
Белки выполняют большинство жизненно важных функций в организме, обеспечивая нормальное функционирование клеток. Информация о структуре белков хранится в ДНК, содержащейся в ядре каждой клетки. Для того, чтобы на основании этих данных был синтезирован белок, в ядре клетки сначала должна быть синтезирована цепочка мРНК с РНК-копией гена, содержащего нужный белок. Процесс образования мРНК называется транскрипцией. Синтезированная мРНК транспортируется с помощью специальных белков через ядерную мембрану в цитоплазму клетки, где в процессе трансляции на ее основе синтезируется нужный белок.
Лечение больных методами традиционной медицины основано на регуляции активности белков в клетках с помощью фармакологических препаратов, которые поступают в организм извне. С 1970-х годов ученые предпринимают попытки создать другие методы лечения – генную терапию. Ее воздействие на транскрипцию или трансляцию таково, что белки с заданными лечебными свойствами синтезируются непосредственно в клетке.
Генная терапия может быть эффективным методом лечения больных различными заболеваниями, включая онкологические. В настоящее время методы генной терапии основывались главным образом на использовании модифицированной ДНК. Однако манипуляции с геномом – рискованное предприятие и может привести к самым неожиданным негативным последствиям для организма. Многие годы ученые из Варшавского Университета работали над безопасным решением этой проблемы, пытаясь модифицировать матричную РНК (мРНК).
Жизненный цикл мРНК очень короткий – это, как правило, несколько часов, нередко минут. Матричная РНК с лечебными свойствами, инъецированная в организм, будет разрушена ферментами до того, как сможет попасть внутрь клетки и с нее будет синтезирован спасительный белок. Именно поэтому до настоящего момента основное внимание ученых было сфокусировано на модификациях ДНК.
«Вмешательство в молекулу ДНК, спрятанную в ядре клетки – сложно, дорого и опасно. Вызванное в лечебных целях изменение навсегда остается в геноме, и его последствия бывает трудно предсказать. Мы можем вылечить одну болезнь, но возникнет другая. Именно поэтому несколько лет назад мы сосредоточили наше внимание на изучении мРНК, особенно на одном из концов ее цепочки», - говорит руководитель исследования, профессор Эдвард Даржинкевич (Edward Darzynkiewicz).
С точки зрения химии мРНК представляет собой длинный «монотонный» полимер, содержащий до 2000 нуклеозидов. Нуклеозиды – это структурные составляющие РНК, которых всего 4, а генетическая информация записывается при помощи их комбинаций. Однако на одном из концов мРНК можно обнаружить особую структуру – специальное химическое соединение, прикрепленное к цепочке рибонуклеозидов с помощью трифосфатного соединения. Эта структура называется кэпом (от англ. cap – шапочка) и защищает цепочку мРНК от разрушающих ее ферментов. Кэп распознается белком eIF4e, который запускает синтез белков в цитоплазме.
Ученые из Варшавского Университета разработали специальные методы, позволившие им модифицировать строение кэпа и исследовать свойства модифицированных вариантов. Особенно сильное влияние на стабильность кэпа оказывала замена атома кислорода в фосфатной группе на атом серы.
«В среднем молекула мРНК состоит из восьмидесяти тысяч атомов. Мы заменили только один. Эта незначительная модификация повлекла за собой неожиданные последствия», - рассказывает кандидат наук Иоганна Ковальска (Joanna Kowalska), принимавшая участие в работе.
«Совместно с учеными из Государственного Университета Луизианы мы разработали и запатентовали методы, повышающие стабильность мРНК и усиливающие ее продуктивность при синтезе лечебных белков. Мы обеспечиваем биологов универсальным инструментом, который поможет в создании эффективных противораковых вакцин», - говорит кандидат наук Ясек Йемиелити (Jacek Jemielity) из Варшавского Университета.
Группа исследователей под руководством профессора Роберты Роудс (Roberta E. Rhoads) из Государственного Университета Луизианы изучила свойства цепочек мРНК с измененными кэпами, предоставленные польскими учеными. Результаты исследований показали, что у модифицированных мРНК жизненный цикл увеличивается в три раза, а эффективность синтеза белка - в пять раз. Результаты экспериментов, выполненных на мышах сотрудниками компании BioNTech в Майнце и учеными из Университета Майнца имени Иоганна Гутенберга (Johannes Gutenberg-Universitaet Mainz), показали, что иммунный ответ у лабораторных животных на введенный белок был в три раза сильнее по сравнению с иммунным ответом при введении немодифицированной мРНК, то есть применять в качестве препарата мРНК существенно безопаснее для организма, чем непосредственно лечебный белок.
«Полученные результаты обнадеживают. Улучшения, происходящие после применения модифицированных аналогов кэпов, разработанных в Варшавском Университете, могут
сыграть решающую роль в разработке методов иммунотерапии, основанных на применении мРНК», - считает профессор из Университетского Медицинского Центра Майнца (University Medical Center Mainz) Югур Сахин (Ugur Sahin), который также работает в компании BioNTech.
Изобретение польских ученых позволяет использовать процесс трансляции, происходящий в цитопламе клетки, в медицинских целях. Новое поколение лекарственных препаратов будет иметь множество преимуществ перед традиционными лекарствами и современными генными препаратами на основе ДНК. Соединение, которое будут вводить в организм, не должно проникать в клеточное ядро. Отсутствие вмешательства в геном устранит риск развития неожиданных мутаций, а ограниченный жизненный цикл цепочек мРНК позволит врачу вызвать специфический ответ организма только в период необходимости.
«Разработанные нами методы модификации структуры кэпов прекрасно подходят для промышленного производства лекарственных препаратов», - добавляет Ясек Емиелити.
Шестнадцатого марта 2011 г. исследователи подписали с компанией BioNTech контракт, передающий ей право на лицензию по производству модифицированной мРНК. Фирма Ribological, являющаяся дочерней компанией компании BioNTech, уже сейчас разрабатывает иммуннотерапевтический метод лечения больных раком, основанный на применении мРНК. Уже в этом году компания Ribological планирует начать первую фазу клинических испытаний противоопухолевой вакцины нового поколения.
Источник: cbio.ru
По материалам:
University of Faculty of Physics Warsaw
