Приостановка прогресса и счастливые случайности: Как создавались мРНК-вакцины (часть первая)

За тысячи миль от лаборатории доктора Барни Грэма в Бетесде, штат Мэриленд, новая пугающая разновидность коронавируса перешла от верблюдов к людям на Ближнем Востоке, убивая каждого третьего инфицированного. Эксперт по самым трудноизлечимым вирусам в мире, доктор Грэм уже несколько месяцев работал над созданием вакцины, но ни к чему не пришел.

Теперь он был в ужасе от того, что вирус, Ближневосточный респираторный синдром (БВРС), заразил одного из ученых его лаборатории, болевшего высокой температурой и кашлем осенью 2013 года после паломничества в священный город Мекку.

Мазок из носа дал положительный результат на коронавирус, казалось, подтверждая худшие опасения доктора Грэхема, но второй анализ принес облегчение. Это был легкая разновидность коронавируса, вызывающая обычную простуду, а не БВРС.

У доктора Грэхема случился проблеск интуиции: возможно, стоит повнимательнее присмотреться к этому обыденному вирусу простуды.

Это был импульс, порожденный скорее удобством и любопытством, нежели предвидением, без особых надежд на славу или прибыль. Однако решение изучить простуду коллеги привело к важнейшим открытиям. Вместе с другими случайными открытиями, которые в то время казались незначительными, они в конечном итоге привели к созданию мРНК-вакцин, которые сегодня защищают сотни миллионов людей от Covid-19.

Вакцины были разработаны с рекордной скоростью и появились чуть более чем через год после того, как в Китае появилась загадочная форма пневмонии, в то время как многое другое - политические распри, общественное недоверие и неудачное государственное планирование - пошло не так.

Они продолжают удивлять: даже сейчас, когда разновидность Омикрон подпитывает новую волну пандемии, вакцины оказались удивительно стойкими в защите от тяжелых заболеваний и смерти. А производители - компании Pfizer, BioNTech и Moderna - утверждают, что технология мРНК позволит им быстро адаптировать вакцины, чтобы противостоять любой новой опасной разновидности вируса, которую нам преподнесет эволюция в следующий раз.

Скептики воспользовались быстротой разработки вакцин - одного из самых впечатляющих подвигов современной медицины - чтобы подорвать доверие к ним со стороны общественности. Но прорывы, лежащие в основе вакцин, совершались на протяжении десятилетий, мало-помалу, пока ученые всего мира проводили исследования в разных областях, не представляя, что однажды их работа объединится, чтобы укротить пандемию века.

Фармацевтические компании использовали эти находки и разработали стабильный продукт, который можно было бы производить в больших масштабах, отчасти с помощью операции "Сверхсветовая Скорость" - многомиллиардной программы администрации Трампа по ускорению разработки и производства вакцин, лекарств и диагностических тестов для борьбы с новым вирусом.

Однако в течение многих лет ученые, которые сделали вакцины возможными, были вынуждены выклянчивать деньги и бороться с общественным безразличием. Их эксперименты часто заканчивались неудачей. Когда работа становилась слишком тяжелой, некоторые из них бросали ее. И все же на этом непредсказуемом, зигзагообразном пути наука медленно развивалась, извлекая знания из неудач.

Вакцины стали возможны только благодаря усилиям в трех областях. Первая началась более 60 лет назад с открытия мРНК - генетической молекулы, которая позволяет клеткам производить белки. Несколько десятилетий спустя двое ученых из Пенсильвании решили осуществить то, что казалось несбыточной мечтой: использовать эту молекулу для того, чтобы приказать клеткам создавать крошечные частицы вирусов, которые укрепили бы иммунную систему.

Вторая попытка была предпринята в частном секторе, когда канадские биотехнологические компании, работающие в зарождающейся области генной терапии - модификации или восстановления генов для лечения заболеваний - искали способ защитить хрупкие генетические молекулы, чтобы их можно было безопасно доставить в клетки человека.

Третье важнейшее направление исследований началось в 1990-х годах, когда правительство США запустило поиски вакцины для профилактики СПИДа стоимостью в несколько миллиардов долларов. Эти усилия финансировали группу ученых, которые пытались направленно воздействовать на "шипы" на Вирусах Иммунодефицита Человека, которые позволяют им вторгаться в клетки. Эта работа не привела к созданию успешной вакцины против ВИЧ-инфекции. Но некоторые из этих исследователей, включая доктора Грэма, отклонились от поставленной задачи и в конечном итоге раскрыли секреты, которые позволили выцелить шипы коронавирусов.

В начале 2020 года эти различные направления исследований объединились. Шип коронавируса был закодирован в молекулах мРНК. Эти молекулы были завернуты в защитный слой жира и разлиты в маленькие стеклянные пробирки. Когда менее чем через год были сделаны первые уколы, клетки пациентов ответили выработкой белков, похожих на шипы - и это обучило организм атаковать коронавирус.

Эта необыкновенная история подтвердила перспективность фундаментальных научных исследований: что время от времени старые открытия могут быть извлечены из безвестности и войти в историю.

"Все встало на свои места - я видела это своими глазами", - сказала доктор Элизабет Халлоран, специалист по биостатистике инфекционных заболеваний из Центра исследования рака Фреда Хатчинсона в Сиэтле, которая занималась исследованиями вакцин более 30 лет, но не принимала участия в разработке мРНК-вакцин. "Это было своего рода чудо".

Коварный вирус

В декабре 1996 года президент Билл Клинтон пригласил доктора Энтони С. Фаучи в Овальный кабинет, чтобы тот ознакомил его с тяжелой пандемией той эпохи - СПИДом, от которого к тому времени умерло более 350 000 человек в США и еще шесть миллионов по всему миру.

Доктор Фаучи, ведущий правительственный ученый, занимавшийся исследованием вируса, был на удивление оптимистичен. Впервые с момента появления вируса ежегодная смертность от СПИДа в стране снизилась благодаря нескольким новым препаратам, которые были испытаны и одобрены после нескольких лет интенсивного общественного давления со стороны активистов из числа пациентов.

Но в их арсенале по-прежнему отсутствовал самый ценный инструмент: вакцина. И президент был нетерпелив.

Когда они вышли в Розовый сад, вспоминает доктор Фаучи, президент повернулся к нему и сказал: "Вы знаете о СПИДе как о болезни с 1981 года. Почему же у вас до сих пор нет вакцины?".

Доктор Фаучи, опешив, сказал президенту, что до сих пор исследовательские усилия были в основном нескоординированными. Затем он сделал смелое предложение: создать исследовательский центр, где ученые разных специальностей могли бы общаться друг с другом и сотрудничать, с целью создания вакцин, а не доказывать, что их собственная дисциплина знает все ответы.

Г-н Клинтон обратился к своему руководителю администрации Леону Панетте. "Вы думаете, мы сможем это сделать?" - спросил он.

"Вы - президент Соединенных Штатов", - вспоминает свои слова г-н Панетта. "Вы можете делать все, что захотите".

Доктор Фаучи решил, что они ему льстят. Исследования вакцин вряд ли можно было назвать захватывающей наукой, и они давно отошли на второй план по сравнению с усилиями по лечению рака и сердечных заболеваний. Но пять месяцев спустя доктору Фаучи позвонил один из авторов речей президента. Клинтон собирался выступить с церемониальным обращением в Государственном университете Моргана в Балтиморе и хотел объявить о создании исследовательского центра вакцин. Доктора Фаучи спросили, не мог бы он предоставить описание. "Я был совершенно потрясен, - рассказывает доктор Фаучи.

Одним из первых ученых, привлеченных к новой работе, был доктор Грэм. Бородатый вирусолог со спокойным характером, который при росте 6 футов 5 дюймов (1.95 м) возвышался над большинством своих коллег в Университете Вандербильта в Нэшвилле, он начал свою карьеру в качестве врача. Но в 1982 году, когда он только начинал работать старшим ординатором в больнице, он пережил сокрушительный опыт.

В отделение неотложной помощи поступил бездомный мужчина в бреду, с поражениями кожи и множественными инфекциями в легких, печени и селезенке. Просмотрев его карту, доктор Грэм был ошеломлен разрушением иммунной системы этого человека и заподозрил новый вирус, который распространялся среди наркоманов и гомосексуалистов. Он оказался прав: у мужчины был СПИД.

Вскоре больницу заполнили пациенты с тем же набором симптомов - часто молодые мужчины, похожие на скелет и безнадежно больные, наполнявшие медперсонал отчаянием.

"Это было страшно, ужасно", - говорит доктор Грэм. Каким бы загадочным ни был вирус, он поклялся найти способ предотвратить его распространение. "Я хочу стать вирусологом", - сказал он заведующему отделением инфекционных заболеваний. "Что мне делать?"

Центр исследования вакцин открыл свои двери в 2000 году на территории кампуса Национальных институтов здоровья в Бетесде, штат Мэриленд, с годовым бюджетом в 43,9 миллиона в сегодняшних долларах США и штатом из 56 сотрудников. Среди них был доктор Грэм. Сейчас в центре работают 444 сотрудника, а его бюджет составляет около 180 миллионов долларов.

В дополнение к этим исследованиям НИЗ за тот же период потратили более 1,5 миллиарда долларов на сеть клинических испытаний экспериментальных вакцин против ВИЧ-инфекции по всей стране. Было испытано около 85 вакцин от ВИЧ. Ни одна из них не сработала.

Провалы с ВИЧ

Вакцины защищают людей, давая иммунной системе предварительную информацию о вторгающемся микробе, чтобы она могла подготовить надежную защиту против настоящего вторжения.

Но изготовить вакцину против ВИЧ оказалось невозможно по целому ряду причин. Другие вирусы могут использовать тот или иной защитный механизм, чтобы обойти иммунную систему. Но ВИЧ, похоже, использовал их все, сказал доктор Грэм: "Если бы мы смогли понять, как сделать вакцину против ВИЧ, все проблемы с другими вирусами были бы решены".

Некоторые исследователи центра решили попробовать новый, более теоретический подход, хотя его успех и был маловероятным. Они составили подробную модель атомной структуры шипа ВИЧ - выступающего белка, который позволяет вирусу вторгаться в клетки человека. Затем они пытались определить ту часть шипа, которая наиболее уязвима к антителам - компонентам иммунной системы, распознающим вирусы и способным блокировать проникновение шипа в другие клетки. В конечном итоге, целью было создание вакцины, которая показывала бы организму безвредную версию того же самого участка шипа.

Они знали, что это будет трудно. Шипы ВИЧ постоянно меняют форму, принимая одну форму перед вторжением в клетку и другую, когда вирус проникает внутрь. Вакцина в идеале должна была использовать только ту форму, которая вызывает появление мощных антител против начальной формы шипа, чтобы иметь наилучшие шансы не допустить проникновения вируса. Но ученые годами пытались определить, какую форму выбрать. Составление модели шипа было похоже на попытку схватить желе.

В 2008 году 27-летний Джейсон МакЛеллан из пригорода Детройта подал заявку на вступление в группу Исследовательского центра вакцин, работающую именно над этой проблемой. Когда он подрастал, его отец управлял продуктовым магазином, а мать вела домашнее хозяйство. Он учился в Государственном университете Уэйна на полной стипендии и стал первым в своей семье, кто получил высшее образование.

Он поступил в аспирантуру, чтобы изучать рентгеновскую кристаллографию - сложное и кропотливое искусство создания крошечных кристаллов белков, а затем облучения их рентгеновскими лучами для выяснения их трехмерной структуры.

Но к тому времени, когда его приняли на работу в центр, доктор МакЛеллан уже устал гоняться то за одной, то за другой формой молекулы, никогда не зная, что из этого получится. Он хотел работать над молекулами, которые будут иметь значение для здоровья людей, например, ВИЧ.

Однако уже через шесть месяцев доктор МакЛеллан был заведен ВИЧ-инфекцией в тупик и хотел применить полученные от нее уроки к другому патогену.

Поэтому он обратился к своему начальнику, Питеру Квонгу, с нестандартным предложением: начать работать над более управляемым вирусом.

Доктор Маклеллан сказал, что пришло время нацелиться на "нечто важное, но более разрешимое".

Доктору Квонгу не нравилась идея отказа от борьбы с ВИЧ. Учитывая, что вирус ежегодно убивал более миллиона человек по всему миру, доктор Квонг считал, что он обязан оставаться сконцентрированным.

Тем не менее, доктор Квонг вынес предложение своего протеже о поиске других целей на голосование всей своей команды, так же как он решал вопросы о том, кого нанять на работу и какое оборудование купить. Результат был почти единогласным, вспоминает д-р Квонг: "Попробовать другие цели".

Доктору МакЛеллану не пришлось долго искать. Он работал в смежной зоне на другом этаже от лаборатории доктора Квонга и сидел рядом с доктором Грэмом, который в течение многих лет изучал не только ВИЧ, но и респираторно-синцитиальный вирус (РСВ) - болезнь, способную убивать маленьких детей. Они разговорились, и доктор МакЛеллан начал изучать структуру белка, который помогает вирусу сливаться с клетками.

В последующие годы их успех в стабилизации этого белка открыл двери для нескольких РСВ-вакцин, которые сейчас проходят клинические испытания.

И хотя они никогда этого не ожидали, их случайное сотрудничество оказалось критически важным для понимания страшного нового вируса, который появится более десяти лет спустя.

Голубая мечта

В 1950-х годах молекула, лежащая в основе мРНК-вакцины, была окутана тайной. Биологи середины века знали, что чертежи для создания белков — ДНК — находятся в ядрах клеток, и что другие структуры внутри клеток, называемые рибосомами, фактически производят белки. Но они не знали, как генетические чертежи попали на клеточные фабрики.

5 апреля 1960 года на лихорадочном собрании в офисе Кембриджского университета полдюжины звезд зарождающейся области молекулярной биологии, в том числе будущие лауреаты Нобелевской премии Фрэнсис Крик и Сидни Бреннер, испытали прозрение. Его им принесла неуловимая молекула, известная как X (произносится как "икс" вместо английского "экс", потому что ее название было предложено французскими учеными).

Ученые выяснили, что X доставляет копии сегментов ДНК-кода рибосомам - клеточным машинам, которые могут считывать код и производить соответствующие белки. Ученые назвали эту молекулу РНК-мессенджером, или же просто мРНК.

Но при всем своем первоначальном воодушевлении, эти тяжеловесы в этой области не смогли добиться большего от мРНК. Молекулу было практически невозможно выделить из клеток, потому что она распадалась на части при удалении.

"Молекулярные биологи были гораздо больше увлечены ДНК и белками", - говорит Дуг Мелтон, биолог из Гарварда, который в 1984 году выяснил, как создать мРНК в лаборатории. "мРНК попросту раздражала, потому что она так легко разрушалась".

В течение десятилетий мало кто из ученых обращал внимание на эти хрупкие молекулы. Возможно, они никогда бы не попали в вакцины против коронавируса, если бы не случайная встреча двух ученых у копировального аппарата в Пенсильванском университете.

Доктор Дрю Вайсман, врач и вирусолог, настолько неразговорчивый, что его семья любила шутить, что у него есть ежедневный лимит слов, отчаянно искал новые подходы к созданию вакцины против ВИЧ-инфекции. В начале своей карьеры он провел годы в лаборатории доктора Фаучи в НИЗ, испытывая средство для лечения СПИДа, которое оказалось токсичным.

Однажды в 1998 году он сидел за копировальным аппаратом на медицинском факультете Пенсильванского университета, когда к нему подошла женщина. Каталин Карико, 44-летняя ученая из Венгрии, была настолько же жизнерадостной, насколько доктор Вайсман был замкнутым. Она приехала в США двадцать лет назад, когда у ее исследовательской программы в Университете Сегеда закончились деньги. Но в американских исследовательских лабораториях она была обделена - у нее не было постоянной должности, грантов и публикаций. Она искала точку опоры в Пенсильванском университете, зная, что ей разрешат остаться, только если ее примет другой ученый.

Ее навязчивой идеей была мРНК. Опровергая сложившуюся десятилетиями ортодоксальную точку зрения, что она непригодна для клинического применения, она верила, что она даст толчок многим медицинским инновациям. Теоретически, ученые могли заставить клетку производить любой тип белка, будь то шип вируса или лекарство, например, инсулин, если они знали ее генетический код.

"Я сказала: "Я - ученый по РНК. Я могу делать с РНК все, что угодно", - вспоминает доктор Карико свои слова доктору Вайсману. Он спросил ее: Можете ли вы сделать вакцину против ВИЧ-инфекции?

"О да, о да, я могу это сделать", - сказала Карико.

До этого момента коммерческие вакцины вводили в организм модифицированные вирусы или их части, чтобы обучить иммунную систему атаковать вторгшиеся микробы. Вакцина с использованием мРНК вместо этого должна была нести инструкции - закодированные в мРНК - которые позволили бы клеткам организма вырабатывать собственные вирусные белки. Такой подход, по мнению доктора Вайсмана, должен был лучше имитировать реальную инфекцию и вызывать более сильную, нежели у традиционных вакцин, реакцию иммунной системы.

Это была необычная идея и мало кто из ученых считал, что она сработает. Такая хрупкая молекула, как мРНК, казалась маловероятным кандидатом для вакцины. Рецензенты грантов тоже не были впечатлены. Его лаборатории пришлось работать на стартовые деньги, которые университет выделяет новым сотрудникам факультета для начала работы.

К тому времени в лаборатории можно было легко синтезировать мРНК для кодирования любого белка. Доктора Вайсман и Карико ввели молекулы мРНК в человеческие клетки, выращиваемые в чашках Петри, и, как и ожидалось, мРНК дала клеткам команду производить определенные белки. Но когда они ввели мРНК мышам, животные заболели.

"Их шерсть взъерошилась, они сгорбились, перестали есть, перестали бегать", - рассказывает доктор Вайсман. "Никто не знал, почему".

В течение семи лет эта пара ученых изучала работу мРНК. Бесчисленные эксперименты не увенчались успехом. Они блуждали от одного тупика к другому. Их проблема заключалась в том, что иммунная система воспринимает мРНК как часть вторгшегося патогена и атакует ее, в результате чего животные заболевают, а мРНК уничтожается.

В конце концов, они разгадали загадку. Исследователи обнаружили, что клетки защищают свою собственную мРНК с помощью определенной химической модификации. Поэтому ученые попробовали внести такое же изменение в мРНК, сделанную в лаборатории, прежде чем вводить ее в клетки. Это сработало: мРНК была принята клетками, не вызвав иммунной реакции.

По словам доктора Вайсмана, их работа, опубликованная в 2005 году, была отвергнута журналами Nature и Science. В итоге исследование было принято нишевым изданием под названием Immunity. Так же, как игнорировалась сама мРНК, никого не волновало, что они могут заставить клетки принимать мРНК. В лучшем случае это представляло академический интерес.