Hiểu biết vaxcin thế hệ mới RNA/mRNA
I. Định nghĩa
Vắc-xin axit ribonucleic (RNA) hoặc vắc-xin RNA thông tin (mRNA) là một loại vắc-xin có sử dụng bản sao của một phân tử tự nhiên gọi là RNA thông tin (mRNA) để tạo ra một phản ứng miễn dịch của cơ thể.
II. Nguyên lý cơ bản
Khi vắc-xin phân tử RNA tổng hợp xâm nhập vào bên trong các tế bào miễn dịch, RNA của vắc-xin có chức năng như mRNA, khiến các tế bào tạo ra các “protein lạ” theo bản sao RNA của mầm bệnh (vi rút) hoặc của một tế bào ung thư trong cơ thể bệnh nhân. Các phân tử “protein lạ” này kích thích phản ứng miễn dịch thích ứng và “dạy” cơ thể cách xác định và tiêu diệt mầm bệnh (dự phòng bệnh) hoặc tiêu diệt tế bào ung thư tương ứng (điều trị bệnh). Việc phân phối mRNA vào cơ thể lại nhờ vào các hạt nano lipid, nó bao bọc các sợi RNA và giúp chúng dễ dàng hấp thụ vào tế bào.
III. Lịch sử
Năm 1989, các nhà nghiên cứu tại Viện Salk, Đại học California, San Diego và Vical đã công bố công trình chứng minh rằng mRNA, với việc sử dụng hạt nano liposomal để phân phối thuốc, có thể truyền mRNA vào nhiều tế bào nhân thực (eukaryotic cells) khác nhau. Năm 1990, Đại học Wisconsin báo cáo kết quả tương tự khi mRNA "trần" (không được bọc nano liposomal) được tiêm vào cơ của chuột. Những nghiên cứu này là bằng chứng đầu tiên cho thấy mRNA được giải mã trong ống nghiệm IVT (in vitro transcribed) có thể cung cấp thông tin di truyền để tạo ra các protein kháng nguyên trong mô tế bào cơ thể sống.
Việc sử dụng mRNA để tạo miễn dịch cho cơ thể đã được đề xuất ngay sau đó. Năm 1993, Martinon chứng minh rằng RNA được bọc trong liposome có thể kích thích tế bào T in vivo, và vào năm 1994, Zhou & Berglund đã công bố bằng chứng đầu tiên cho thấy RNA có thể được sử dụng như một loại vắc xin để kích thích cả 2 loại miễn dịch (dịch thể và tế bào) phản ứng chống lại mầm bệnh.
Vào những năm 90, Nhà hóa sinh người Hungary Katalin Karikó đã hợp tác với nhà miễn dịch học người Mỹ Drew Weissman cùng nhau giải quyết một số rào cản kỹ thuật quan trọng trong việc đưa mRNA vào tế bào cơ thể sống. Năm 2005, họ đã cùng nhau công bố một báo cáo khoa học mô tả việc sử dụng nucleoside được cải biên để lấy được mRNA bên trong tế bào. Karikó đã tập trung vào lý do tại sao RNA vận chuyển (transfer RNA) được sử dụng để làm chứng trong một thí nghiệm đã không gây ra phản ứng miễn dịch giống như RNA thông tin (messenger RNA). Nhà sinh học tế bào gốc của Đại học Harvard là Derrick Rossi đã đọc bài báo của Karikó và Weissman và nhận ra rằng công trình của họ là một "đột phá khoa học" và năm 2010 Moderna trên nền tảng công nghệ sinh học hướng vào mRNA, cùng với Robert Langer, người đã thấy tiềm năng đóng góp quan trọng của nó cho việc phát triển công nghệ vắc-xin mới. Năm 2013, DARPA, một tổ chức của chính phủ Hoa Kỳ chịu trách nhiệm về các công nghệ mới nổi dùng trong quân đội, đã nhìn thấy tiềm năng của công nghệ này cho việc phòng thủ chiến tranh sinh học và đã đầu tư 25 triệu đô la vào công ty Moderna. Sau đó cũng giống Moderna, BioNTech cũng đã cấp bản quyền cho công trình của Karikó và Weissman.
Thật ra cho đến năm 2020, các công ty sử dụng công nghệ sinh học mRNA này có rất ít thành công trên các mục tiêu nghiên cứu hướng đến ứng dụng mRNA cho một số loại thuốc điều trị cho các bệnh nhân tim mạch, chuyển hóa và thận, bệnh ung thư và một số bệnh hiếm gặp như hội chứng Crigler-Najjar, vì thường đi kèm các tác dụng phụ nghiêm trọng. Những nghiên cứu và thử nghiệm theo hướng sản xuất một số vắc xin mRNA dùng cho người lại có nhiều hứa hẹn, như với bệnh dại, Zika, cytomegalovirus và cúm. Tuy nhiên những vắc xin mRNA này chưa được cấp phép. Thậm chí, vào thời điểm bắt đầu đại dịch COVID-19, không có loại thuốc hoặc vắc-xin mRNA nào được cấp phép sử dụng cho người. Vì vậy nhiều công ty dược phẩm lớn đã từ bỏ công nghệ này.
Đến tháng 12 năm 2020 vắc-xin mRNA đã thu hút được sự quan tâm đáng kể, cả Moderna và Pfizer-BioNTech đều nhận được bản quyền cấp phép sử dụng khẩn cấp cho vắc xin COVID-19 dựa trên mRNA của họ, được tài trợ bởi chương trình Operation Warp Speed (trực tiếp trong trường hợp của Moderna và gián tiếp cho Pfizer-BioNTech). Ngày 2 tháng 12 năm 2020, 7 ngày sau đợt thử nghiệm cuối cùng kéo dài 8 tuần, Cơ quan quản lý các sản phẩm chăm sóc sức khỏe và thuốc của Vương quốc Anh (MHRA), đã trở thành cơ quan quản lý thuốc toàn cầu đầu tiên trong lịch sử phê duyệt vắc xin mRNA, cấp phép khẩn cấp cho Pfizer-Vắc xin BNT162b2 COVID-19 của BioNTech để sử dụng rộng rãi. Giám đốc điều hành MHRA, June Raine, cho biết "không có bất kỳ vướng mắc nào trong việc phê duyệt nó", và rằng "lợi ích vượt trội hơn bất kỳ rủi ro nào". Sau đó ngày 11 tháng 12 năm 2020, Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) đã ban hành EUA cho vắc-xin Pfizer-BioNTech COVID-19 và Trung tâm Kiểm soát và Phòng ngừa Dịch bệnh Hoa Kỳ (CDC) khuyến nghị sử dụng vắc-xin này ở những người từ 16 tuổi trở lên vào ngày 12 tháng 12 năm 2020. Ngày 19 tháng 12 năm 2020, CDC khuyến cáo việc sử dụng vắc xin Moderna COVID-19 ở người lớn sau khi FDA cấp EUA.
IV. Cơ chế
Mục tiêu của vắc xin là kích thích hệ thống miễn dịch thích ứng để tạo ra các kháng thể nhắm đích chính xác vào mầm bệnh cụ thể đó. Các dấu hiệu của mầm bệnh mà các kháng thể nhắm đến được gọi là kháng nguyên.
Vắc-xin mRNA hoạt động theo cách rất khác với vắc-xin truyền thống. Vắc-xin truyền thống kích thích phản ứng sinh kháng thể bằng cách tiêm kháng nguyên, virút giảm độc lực (vi rút suy yếu hoặc vô hại) hoặc vectơ vi rút mã hóa kháng nguyên tái tổ hợp (vi rút mang mầm bệnh được thiết kế để có kháng nguyên) vào bắp thịt. Các thành phần chứa kháng nguyên này đều được điều chế và hoàn thiện ở bên ngoài cơ thể.
Ngược lại, vắc-xin mRNA là dùng một đoạn ngắn RNA được tạo ra từ cách tổng hợp theo trình tự gen RNA của vi-rút và đưa vào cá thể được tiêm chủng. Các đoạn mRNA này được các tế bào đuôi gai (dendritic cells) - một loại tế bào của hệ miễn dịch - tiếp nhận rất dễ dàng bằng cách thực bào. Tế bào đuôi gai sử dụng bộ máy bên trong của chúng (ribosome) để đọc mRNA và sản xuất kháng nguyên virut mà mRNA mã hóa trước khi phá hủy mRNA. Một vấn đề đặt ra là các tế bào sống không thuộc hệ miễn dịch có thể hấp thụ mRNA của vắc xin không? Câu trả lời là có. Các tế bào đó vẫn sản xuất ra protein theo mã mRNA, nó hình thành các gai (spikes) và hiển thị các spikes trên bề mặt của các tế bào đã hấp thụ mRNA.
Một khi các kháng nguyên virus được tạo ra bởi tế bào chủ, các quá trình của hệ thống miễn dịch thích ứng bình thường sẽ được kích hoạt quá trình sản xuất kháng thể. Các kháng nguyên bị sẽ phân hủy bởi các proteasomes, sau đó các protein bề mặt tế bào được gọi là các phức hợp hòa hợp tổ chức chính MHC (major histocompatibility complex) lớp I và lớp II sẽ gắn vào kháng nguyên, sau đó vận chuyển kháng nguyên đến màng tế bào và "kích hoạt" tế bào đuôi gai (dendritic cells). Khi các tế bào đuôi gai được kích hoạt, chúng sẽ di chuyển đến các hạch bạch huyết, nơi mà các kháng nguyên được trình bày để các tế bào T và tế bào B nhận diện và tiếp theo là sản xuất các kháng thể nhắm đích đến một kháng nguyên cụ thể, nhằm tăng cường khả năng miễn dịch chống lại bệnh.
Lợi ích của việc sử dụng mRNA để dùng chính các tế bào cơ thể vật chủ tạo ra kháng nguyên là mRNA là một giải pháp tạo kháng nguyên dễ dàng hơn rất nhiều so với việc sản xuất các protein kháng nguyên hoặc sản xuất vi rút giảm độc lực. Một lợi ích khác là tốc độ thiết kế qui trình và sản xuất vắc xin rất ngắn. Moderna đã thiết kế vắc xin mRNA-1273 của họ cho COVID-19 chỉ trong 2 ngày. Một ưu điểm khác của vắc-xin RNA là do các kháng nguyên được tạo ra bên trong tế bào, nên chúng đồng thời kích thích 2 hệ miễn dịch là miễn dịch qua trung gian tế bào và miễn dịch dịch thể.
Vắc xin mRNA không làm ảnh hưởng và không có khả năng lập trình lại DNA của chính tế bào cơ thể vật chủ. Trong trường hợp vắc-xin mRNA coronavirus, đoạn mRNA tổng hợp đưa vào cơ thể là một bản sao của 1 đoạn cụ thể của RNA virus mang các chỉ dẫn để hình thành kháng nguyên của virus, hoàn toàn không liên quan đến DNA của con người. Đoạn mRNA sẽ bị phân hủy trong tế bào sau khi tạo ra protein kháng nguyên. Tuy nhiên, do công thức cụ thể của vắc xin (gồm cả thành phần chính xác của lớp phủ thuốc dạng hạt nano lipid) được các nhà sản xuất vắc-xin mRNA giữ bí mật nên vẫn chưa được giải mã chi tiết.
1. Tiêm mRNA trần (Naked mRNA injection)
Một mũi tiêm mRNA trần có nghĩa là cung cấp vắc-xin mRNA được giữ trong một dung môi đệm đơn giản. Phương thức cơ thể hấp thụ mRNA này đã được biết đến từ những năm 2000. Các nghiên cứu lâm sàng đầu tiên trên thế giới (Tübingen, Đức) đã sử dụng phương pháp tiêm trong da mRNA trần để làm vắc xin như chủng đậu.
Việc sử dụng RNA như một vắc-xin đã được bắt đầu vào những năm 1990 dưới dạng mRNA tự khuếch đại (self-amplifying mRNA). Có 2 loại vắc-xin mRNA chính là loại không khuếch đại (non-amplifying) và mRNA tự khuếch đại phân tử (molecular self-amplifiying). Khi mRNA được đưa vào cơ thể không do virus lan truyền, nó sẽ xâm nhập vào trong các tế bào và có thể tự khuếch đại việc sản xuất ra các protein kháng nguyên. Các đường tiêm khác nhau như tiêm trong da, máu hoặc vào cơ bắp, dẫn đến mức độ hấp thu mRNA khác nhau. Việc chọn đường vào cơ thể là vấn đề quan trọng, một nghiên cứu cho thấy, khi so sánh các tuyến đường khác nhau, đường tiêm vào hạch bạch huyết dẫn đến phản ứng miễn dịch tế bào T cao nhất.
2. Véc tơ Polyplex (Polyplex vector)
Các polyme cation được trộn với mRNA để tạo ra các lớp bao phủ bảo vệ được gọi là polyplexes. Những chất bảo vệ mRNA tái tổ hợp khỏi tác động của men ribonuclease và hỗ trợ sự xâm nhập của nó vào trong tế bào. Ribonuclease (thường được viết tắt là RNase) là một loại nuclease xúc tác sự phân hủy của RNA thành các thành phần nhỏ hơn. Protamine là một peptide cation tự nhiên và đã được sử dụng để bao bọc mRNA để làm vắc xin.
3. Véc tơ hạt nano lipid (Lipid nanoparticle vector)
Lần đầu tiên FDA chấp thuận việc sử dụng các hạt nano lipid làm hệ thống phân bố thuốc trong cơ thể vào năm 2018, khi cơ quan này lần đầu chấp nhận cấp phép cho thuốc RNA sợi ngắn (siRNA - Small interfering RNA), Onpattro. Đóng gói phân tử mRNA trong các hạt nano lipid là một bước đột phá quan trọng để sản xuất vắc-xin mRNA khả thi, nó khắc phục được một số rào cản kỹ thuật quan trọng trong việc đưa phân tử mRNA xâm nhập vào tế bào vật chủ. Người ta đã phát minh ra hạt nano lipid mới để bao bọc các sợi mRNA, dài hơn nhiều so với sợi siRNA. Các hạt nano lipid có thể được đưa vào cơ thể qua nhiều con đường, như tiêm tĩnh mạch hoặc qua hệ thống bạch huyết. Hạt nano lipid có nhiều ưu điểm của một chất mang dạng keo, nó dễ dung nạp khi kết hợp các thuốc ưa béo và ưa nước, không có độc tính sinh học của chất mang, tránh được dung môi hữu cơ, khả năng giải phóng thuốc được kiểm soát và nhắm đích tốt, tăng độ ổn định của thuốc và không có vấn đề khi sản xuất quy mô lớn.
4. Véc tơ virut (Viral vector)
Một vắc-xin vector virus là một vắc-xin sử dụng một vector virus để cung cấp vật liệu di truyền mã hóa kháng nguyên vào tế bào vật chủ của người nhận. Tính đến tháng 4 năm 2021, 6 loại vắc xin vectơ vi rút đã được cấp phép: 4 vắc xin COVID-19 và 2 vắc xin Ebola.
Vắc xin vectơ vi rút sử dụng một phiên bản đã sửa đổi của một loại vi rút làm vectơ để cung cấp cho tế bào một axit nucleic mã hóa kháng nguyên. Vắc xin vectơ virut không gây nhiễm bệnh của virut được sử dụng làm vectơ hoặc nguồn của kháng nguyên. Virus RNA đã được thiết kế để đạt được các đáp ứng miễn dịch tốt. Các virus RNA điển hình được sử dụng làm vector bao gồm retrovirus, lentivirus, alphavirus và rhabdovirus, mỗi loại có thể khác nhau về cấu trúc và chức năng.
V. Ưu điểm của vắc xin mRNA
Ưu điểm của vắc-xin RNA so với vắc-xin protein truyền thống là thiết kế qui trình và tổ chức sản xuất đạt tốc độ vượt trội, chi phí sản xuất thấp hơn và gây đáp ứng với cả hai loại miễn dịch tế bào cũng như miễn dịch dịch thể. Bảo quản vắc-xin COVID-19 Pfizer-BioNTech đòi hỏi lưu trữ cực lạnh trước khi phân phối, nhưng các vắc xin mRNA khác thì không, chẳng hạn như vắc xin COVID-19 của Moderna, CureVac và Walvax. Khả năng gây phản ứng của vắc-xin có thể tạo ra các phản ứng dị ứng bất lợi, tương tự như các vắc-xin thông thường không chứa RNA. Những người có cơ địa nhạy cảm với phản ứng tự miễn dịch có thể có phản ứng dị ứng với vắc xin RNA.
Vắc xin RNA mang lại những lợi thế cụ thể so với vắc xin protein truyền thống. Vì vắc-xin RNA không được cấu tạo từ mầm bệnh đang hoạt động (hoặc thậm chí là mầm bệnh bất hoạt) nên chúng không lây nhiễm. Ngược lại, vắc xin truyền thống yêu cầu sản xuất mầm bệnh, nếu thực hiện với số lượng lớn, có thể làm tăng nguy cơ bùng phát vi rút cục bộ tại cơ sở sản xuất. Vắc xin RNA có thể được sản xuất nhanh hơn, rẻ hơn và theo kiểu tiêu chuẩn hóa hơn (với tỷ lệ sai sót ít hơn trong quá trình sản xuất), có thể cải thiện khả năng đáp ứng với các đợt bùng phát nghiêm trọng. Ví dụ, vắc xin Pfizer-BioNTech ban đầu cần 110 ngày để sản xuất (trước khi Pfizer bắt đầu tối ưu hóa quy trình sản xuất chỉ còn 60 ngày), nhưng tốc độ này vẫn nhanh hơn nhiều so với vắc xin cúm và bại liệt truyền thống. Trong khung thời gian lớn hơn đó, thời gian sản xuất thực tế chỉ khoảng 22 ngày: 2 tuần để nhân bản phân tử DNA plasmid và tinh chế DNA, 4 ngày để phiên mã DNA-RNA và tinh sạch mRNA, và 4 ngày để đóng gói.
VI. Tác dụng phụ và rủi ro
Trước năm 2020, không có công nghệ mRNA (thuốc hoặc vắc-xin) nào được phép sử dụng trên người, do đó nguy cơ gây ra các tác dụng phụ là không xác định. Đại dịch coronavirus năm 2020 yêu cầu khả năng sản xuất vắc-xin mRNA nhanh hơn, khiến chúng trở nên hấp dẫn đối với các tổ chức y tế quốc gia và dẫn đến một số tranh luận về tác dụng phụ của loại vắc-xin mRNA đã được cấp phép.
Khả năng xuất hiện các phản ứng phụ tương tự như các vắc xin thông thường, không chứa RNA. Những người nhạy cảm với phản ứng tự miễn dịch có thể có phản ứng bất lợi với vắc xin mRNA. Các đoạn mRNA trong vắc xin có thể gây ra phản ứng miễn dịch ngoài ý muốn. Để giảm thiểu điều này, trình tự mRNA trong vắc-xin mRNA được thiết kế để giống trình tự gen do tế bào chủ tạo ra.
Các tác dụng gây phản ứng mạnh nhưng thoáng qua đã được báo cáo trong các thử nghiệm vắc xin ARN COVID-19 mới; hầu hết mọi người sẽ không gặp các tác dụng phụ nghiêm trọng bao gồm sốt và mệt mỏi. Các tác dụng phụ nghiêm trọng được định nghĩa là những tác dụng gây ngăn cản hoạt động hàng ngày.
VII. Bảo quản vắc xin
Bởi vì mRNA rất mỏng manh, một số vắc xin phải được giữ ở nhiệt độ rất thấp để tránh làm biến chất nguy cơ gây ra giảm hiệu quả miễn dịch cho người được tiêm. Vắc xin mRNA BNT162b2 của Pfizer – BioNTech phải được giữ trong khoảng từ −80 đến −60°C. Moderna cho biết vắc-xin mRNA-1273 của họ có thể được bảo quản trong khoảng từ −25 đến −15°C, có thể so sánh cấp đông của tủ đông gia đình và nó duy trì ổn định trong khoảng từ 2 đến 8°C trong tối đa 30 ngày.
Thông tin sai lệch về tác dụng phụ của vắc xin mRNA
Có thông tin sai lệch ngụ ý rằng vắc xin mRNA có thể làm thay đổi DNA trong nhân. Thật ra mRNA trong tế bào bị phân hủy rất nhanh trước khi nó có thời gian để xâm nhập vào nhân tế bào. (vắc xin mRNA phải được bảo quản ở nhiệt độ rất thấp để ngăn chặn sự phân hủy mRNA.) Retrovirus có thể là RNA sợi đơn (giống như vắc-xin SARS-CoV-2 là RNA sợi đơn) xâm nhập vào nhân tế bào và sử dụng men sao chép ngược để tạo ra DNA từ RNA trong nhân tế bào. Một retrovirus có các cơ chế để được nhập vào nhân, nhưng các mRNA khác lại thiếu các cơ chế này. Khi ở bên trong nhân, việc tạo DNA từ RNA không thể xảy ra nếu không có đoạn mồi, đi kèm với một retrovirus, nhưng sẽ không tồn tại đối với mRNA khác nếu được đặt trong nhân. Do đó, vắc-xin mRNA không thể thay đổi DNA vì chúng không thể xâm nhập vào nhân, và vì chúng không có mồi để kích hoạt enzym phiên mã ngược.
Hiệu quả của vắc xin mRNA đối với COVID-19
Vắc xin mRNA COVID-19 mới từ Moderna và Pfizer – BioNTech đã cho thấy tỷ lệ hiệu quả tiềm năng từ 90 đến 95% khi các thử nghiệm thuốc mRNA trên các mầm bệnh COVID-19.
Không giống như phân tử DNA, phân tử mRNA là một phân tử không bền vững, dễ bị phân hủy trong vòng vài phút trong môi trường thông thường, do đó vắc-xin mRNA cần được vận chuyển và bảo quản ở nhiệt độ rất thấp. Bên ngoài tế bào, hoặc hệ thống phân phối thuốc, phân tử mRNA cũng nhanh chóng bị phá vỡ. Sự mỏng manh này của phân tử mRNA là một trở ngại đối với hiệu quả của bất kỳ loại vắc xin mRNA nào do bị phân hủy hàng loạt trước khi nó xâm nhập vào tế bào.
RNA tự khuếch đại (Self-amplifying RNA)
RNA tự khuếch đại saRNA (Self-amplifying RNA) là một công nghệ tương tự như mRNA, ngoại trừ saRNA tạo ra nhiều bản sao của chính nó trong tế bào trước khi tạo ra các protein giống như mRNA. Điều này cho phép sử dụng số lượng nhỏ hơn và có những lợi thế tiềm năng khác. Thuốc chủng ngừa saRNA đang được nghiên cứu, bao gồm cả việc phát triển vắc-xin sốt rét./.
Bs Trần Duy Anh.