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

Жировые оболочки

Несмотря на критику, доктора Карико и Вайсман верили, что их открытие может изменить мир. Теперь они знали, как защитить мРНК, когда она находится внутри клетки. Но для использования в качестве вакцины или лекарства хрупкие молекулы должны были быть защищены в кровотоке, чтобы предотвратить их разрушение на пути к клеткам.

Как выяснилось, команда биохимиков из Ванкувера годами незаметно революционизировала способы доставки генетического материала в клетки. Это невероятное партнерство помогло создать мРНК-вакцины.

Главарем этой команды был долговязый мужчина по имени Питер Куллис, который намеревался стать физиком-экспериментатором, а не биохимиком. Но он почувствовал, что самые большие открытия в физике были сделаны десятилетиями ранее, и отправился на поиски более свободных научных пастбищ.

Он нашел такое пастбище в области биологических мембран: внешнего слоя жиров, называемых липидами, который покрывает триллионы клеток в организме, отделяя водянистую внешнюю среду от внутренней. Доктор Куллис задался вопросом, сможет ли он создать собственные липидные мембраны, в которые будут помещаться лекарства или генетический материал для их доставки в клетку.

В 1990-х годах лекарствам на основе мРНК почти никто не придавал значения, но генная терапия была в моде как метод изменения определенных генов для лечения или излечения болезней. Для того чтобы эти препараты успешно доставляли новый ген пациенту, им требовалась своего рода посылка FedEx. И компания Inex, соучредителем которой является доктор Куллис, взялась за поиски такой посылки.

Проект был очень сложным. Работать приходилось с жировыми пузырьками размером в одну сотую часть клетки. Клетки человека имеют систему сложнейших защитных механизмов, препятствующих проникновению чего-либо, кроме пищи. Некоторые версии его липидов были чрезвычайно токсичны и обладали электрическим зарядом, способным разорвать клеточные мембраны.

Большой прорыв произошел, когда он и его команда выяснили, как управлять положительным зарядом жировой оболочки, говорит Томас Мэдден, который работал с доктором Куллисом в компании Inex. Жировые пузырьки заряжались, когда ученые загружали в них ДНК, но заряд и токсичность исчезали, когда они вводились в кровь.

Но технические трудности сохранялись, и ванкуверские химики решили, что больше денег можно заработать на других видах лекарств. Доктор Куллис сместил акцент, передав лицензию на липидную технологию для некоторых ее способов применения новой компании под названием Protiva, главным научным руководителем которой был тихий биохимик по имени Ян МакЛахлан.

В 2004 году команда доктора МакЛахлана сделала еще один важный шаг вперед: он заключил генетический материал в жировую оболочку таким образом, что это позволило фармацевтическим компаниям увеличить производство, и изменил соотношение липидов, чтобы большее количество ценного груза не улетучивалось. Команда также работала над тем, чтобы клетки не просто разрушали генетический материал сразу после его поступления.

Рассматривая эти достижения как критически важные для создания лекарств на основе мРНК, доктор Карико дважды в течение последующих лет пыталась убедить доктора МакЛахлана работать вместе.

Но этому помешали деловые споры. В первый раз она загнала его в угол на конференции и умоляла отдать ей технологию липидов. Он отказался, потому что ее университет настаивал на получении прав на интеллектуальную собственность Protiva, сказала д-р МакЛахлан. Во второй раз, когда доктор Карико начала работать в BioNTech, доктор МакЛахлан полетел в их офис в Майнце, Германия, чтобы попытаться заключить сделку. Доктор Карико в свою очередь посетила Ванкувер. Но доктор МакЛахлан сказал, что предложение компании было несерьезным. "Наши акционеры распяли бы нас", - сказал он.

Protiva также вела борьбу за интеллектуальную собственность с новой фирмой, соучредителем которой был доктор Куллис. Разочарованный доктор МакЛахлан уволился из компании и купил дом на колесах, чтобы путешествовать со своей семьей.

В конечном итоге именно группы доктора Куллиса работали с производителями вакцин над упаковкой мРНК в липиды, что было большим отклонением от первоначальных целей ученых. "Мы совсем не собирались двигаться в этом направлении", - сказал доктор Куллис.

Изворотливые шипы

Работы над мРНК и липидными оболочками были двумя составляющими головоломки, которая сложилась воедино в 2020 году в вакцинах от коронавируса. Но третьим компонентом было выяснение точного кода мРНК, который бы направлял клетки на создание наиболее эффективной версии белка коронавирусного шипа.

И эта важнейшая информация была получена в результате длительного сотрудничества между докторами МакЛелланом и Грэмом, которые работали вместе еще с тех времен, когда они сидели рядом друг с другом в Исследовательском центре вакцин.

Когда доктор МакЛеллан готовился к открытию собственной лаборатории в Дартмуте в 2013 году, он и доктор Грэм обсуждали, на чем должна сосредоточиться новая лаборатория. У его наставника был неожиданный ответ: коронавирусы. Это был класс вирусов, которые обычно не вызывают ничего хуже простуды и вызывают скудный интерес со стороны финансирующих организаций. Посвятить им лабораторию было бы рискованно.

Но БВРС недавно начал распространяться в верблюжьих сараях и на скотобойнях на Ближнем Востоке. Всего 11 лет назад в Южном Китае появилась другая смертельная разновидность коронавируса - атипичная пневмония (SARS). А для молодого исследователя, пытающегося заявить о себе, отсутствие внимания к коронавирусам означало меньшую конкуренцию за гранты на проведение исследований и фирменные открытия.

"Когда мы говорили об этом, казалось, что до новых случаев распространения заболеваний оставалось лет 10", - сказал доктор Маклеллан.

БВРС, как и все коронавирусы, имеет любопытную особенность, напоминающую изменяющие форму белки ВИЧ: причудливые шипы на его поверхности, которые прикрепляются к клеткам человека. Они препятствовали всем попыткам создать вакцину. Шип БВРС был особенно грозным - настолько, что ученым не удавалось воспроизвести и выделить его в лаборатории. Он был большим, покрытым густым слоем сахаров и очень нестабильным.

"Это был настоящий кошмар", - говорит доктор МакЛеллан.

Все осложнялось тем, что доктору Грэму не удалось получить образцы от кого-либо, инфицированного БВРС на Ближнем Востоке.

После многих лет, когда западные ученые парашютировали в бедные страны для проведения исследований, в которых бы не участвовали местные исследователи (особенно во время кризиса СПИДа), правительства "стали очень бережно оберегать свои образцы", - сказал д-р Грэм.

Когда молодой американский исследователь гриппа ливанского происхождения Хади Яссине, работавший в его лаборатории, оправился от болезни после поездки в Мекку, доктор Грэм подумал, что он мог быть заражен БВРС. Но оказалось, что это был вирус простуды, известный как HKU1.

Именно тогда к доктору Грэхему пришло озарение: самые скучные коронавирусы в мире могут содержать критические сведения о самых опасных из них.

Как и другие коронавирусы, HKU1 имел устрашающий шип - и, с некоторыми изменениями, он держался устойчивее, чем шип вируса БВРС. Через несколько лет команда - в которую теперь входил Эндрю Уорд из Исследовательского института Скриппса, эксперт по заморозке белков для их неподвижного изучения под электронным микроскопом - опубликовала в журнале Nature замысловатые изображения шипа HKU1. Это был первый случай, когда ученые визуализировали шиповидный белок коронавируса человека в его первоначальной форме, которую он принимает перед тем, как прикрепиться к клеткам.

"Можно считать это удачей", - сказал недавно доктор Яссин о своей давней простуде, - "а можно считать это благословением".

Теперь команда решила использовать то, что они узнали о шипах вируса обычной простуды, для стабилизации белков их настоящего противника - вируса БВРС. От этого зависело создание вакцины.

Проблема заключалась в том, что шипы, которые они создавали в лаборатории - путем добавления генетических инструкций в клетки млекопитающих в колбе - редко были стабильными и постоянно меняли форму, что делало их гораздо менее эффективными для использования в вакцине.

Ученым нужно было зафиксировать шип на месте. Это была сложная задача, поэтому доктор МакЛеллан обратился за подсказками к модели, которую он построил для шипа вируса простуды.

Вместе с д-ром МакЛелланом над этой проблемой в дартмутской лаборатории работал Нианшуан Ванг, постдокторант из Китая, который считал, что атипичная пневмония и БВРС предвещают грядущие вспышки более серьезных коронавирусов.

Работа доктора Ванга, как и многих других младших ученых в американских исследовательских лабораториях, заключалась в том, чтобы проводить долгие часы в одиночестве за лабораторным столом, что было необходимо для реализации вряд ли осуществимых идей его начальника. Крупнейшие открытия часто зависят от таких ученых, многие из которых являются амбициозными студентами из-за пределов Соединенных Штатов, которые работают над началом собственной карьеры, даже если они играют второстепенные роли в чьей-то еще.

В данном случае доктор Ванг работал над хорошо знакомым ему вирусом. Будучи сыном крестьян из небольшой деревни на востоке Китая, он еще в детстве заинтересовался научными концепциями, лежащими в основе жизни животных, а позже помог китайской команде сделать важнейшие открытия в области БВРС. Прочитав об исследованиях доктора МакЛеллана в области РСВ, доктор Ванг подал заявление о приеме в его дартмутскую лабораторию, и вскоре ему было поручено удержать в неподвижном состоянии неприглядные шиповидные белки вируса БВРС.

Отчасти их склонность к изменению формы объяснялась тем, что у них имелись пустоты. Поэтому доктора МакЛеллан и Ванг сначала попробовали заполнить их молекулярным клеем - "заполнение полостей", назвал это доктор МакЛеллан. Затем они попробовали вставить две молекулы, которые, находясь достаточно близко, образовывали связь, прикрепляя подвижную часть шипа к более устойчивой. Но оба эти метода не сработали.

Отличные результаты дал третий подход. Используя модель HKU1 в качестве приблизительного ориентира, они остановились на особенно подвижном соединении шипа и добавили две жесткие аминокислоты. Эти изменения сделали всю конструкцию более жесткой.

Однако к тому времени, когда они усовершенствовали метод, эпидемия БВРС уже давно закончилась, а интерес к коронавирусам угас. Отклоненное пятью престижными научными журналами, исследование в итоге оказалось погребенным в малоизвестной публикации и патентной заявке 2017 года.

Это была единственная статья доктора Ванга в качестве ведущего автора, опубликованная в журнале за три года его работы - этого было определенно недостаточно для престижной академической работы в США, к которой он так стремился.

Доктор Ванг говорит, что отсутствие признания было очень болезненным: это была изнурительная, зачастую скучная работа, которая лишала его времени на общение с женой и маленькой дочерью и оставляла семью практически без денег.

Но все обиды исчезли, когда в начале 2020 года, за несколько месяцев до ухода из новой лаборатории доктора МакЛеллана в Техасском университете в Остине в фармацевтическую компанию, доктор Ванг помог раскопать его старые находки для создания вакцины против коронавируса.

"Одна маленькая вещь может изменить область и даже изменить мир", - говорит доктор Ванг. "Это была моя первая мысль".

"Снова в седле"

В 5:30 утра 31 декабря 2019 года доктор Грэм, который регулярно начинал свой день до рассвета, работал в кабинете у себя дома, когда увидел новостное сообщение от ProMed, информационной рассылки для экспертов по инфекционным заболеваниям по всему миру. В Ухане, Китай, распространялась новая разновидность пневмонии. В 5:54 он отправил электронное письмо своей лабораторной группе: "Мы должны следить за этим".

Через неделю он узнал, что новая устрашающая болезнь была вызвана коронавирусом - тем самым классом патогенов, на котором он сосредоточил свое внимание много лет назад, когда большинство других ученых игнорировали их.

Он позвонил своему старому коллеге доктору МакЛеллану, чья лаборатория делила время между коронавирусами и другими патогенами. Когда зазвонил его мобильный телефон, доктор МакЛеллан прогуливался по лыжному магазину в Парк-Сити, штат Юта, ожидая, пока его ботинки для сноуборда будут отформованы. Увидев определитель номера, он подумал, что доктор Грэм звонит, чтобы запоздало поздравить его с Рождеством.

Вместо этого доктор Грэм сообщил доктору МакЛеллану мрачные новости. "Нам нужно вернуться в седло", - сказал он. "Наше время настало".

Доктор МакЛеллан отправил сообщение в свою лабораторию, чтобы сообщить им новость. Несколько дней спустя, когда китайские исследователи опубликовали в Интернете генетическую последовательность вируса, они приступили к работе.

Используя то, чему они научились, работая над вирусом простуды доктора Яссина и БВРС, команда сосредоточилась на шипах и в течение нескольких дней разработала генетические последовательности, используя важнейшую технику цементирования, которую усовершенствовали доктора МакЛеллан и Ванг.

И уже 15 февраля доктор Грэм и доктор МакЛеллан опубликовали работу с подробным описанием структуры шипа на сайте для научных рукописей. Позже исследование было опубликовано в журнале Science.

"Это значило очень много", - сказал доктор МакЛеллан. "Поскольку мы опубликовали, куда поместить стабилизирующие мутации, другие компании могли это использовать".

Стабилизирующий метод, разработанный командой, имел решающее значение для мРНК-вакцин, производимых компаниями BioNTech (которая к тому времени заключила партнерство с Pfizer) и Moderna, а также для некоторых вакцин, не содержащих мРНК.

Как только ученые компаний Moderna и BioNTech получили генетические последовательности шипов, они синтезировали молекулы мРНК в своих лабораториях, применяя ту же химическую технологию, которую доктора Вайсман и Карико освоили 15 лет назад. Они завернули свой генетический груз в защитную жировую оболочку, подобную той, что впервые придумали канадцы. Они разлили полученную прозрачную жидкость в крошечные стеклянные пробирки и отправили их на первые испытания на людях.

Для проведения важнейших клинических испытаний компанией Moderna правительство снова полагалось на свои прошлые инвестиции в исследования ВИЧ. 3 марта 2020 года, когда коронавирус распространялся, доктор Фаучи позвонил доктору Ларри Кори, вирусологу из Онкологического исследовательского центра Фреда Хатчинсона и директору правительственной сети клинических испытаний вакцин против ВИЧ с 21-летним стажем. "Настал поворотный момент", - сказал доктор Фаучи.

Примерно на 100 участках в рамках программы одновременно были протестированы четыре вакцины: мРНК-вакцина от Moderna, а также не содержащие мРНК вакцины от Johnson & Johnson, AstraZeneca и Novavax. (Компания Pfizer решила самостоятельно испытать вакцину BioNTech).

"Мы хотели, чтобы все они добились успеха", - говорит доктор Кори.

Команда привлекла 30 000 добровольцев - задача не из легких. Для этого требовалось набирать по 2000 человек в день - по словам д-ра Кори, гораздо больше, чем когда-либо пытались привлечь для испытаний.

К ноябрю были получены первые результаты испытаний мРНК-вакцины компаний Pfizer и BioNTech.

Это была кульминацией десятилетий фундаментальных открытий, от которых раньше отмахивались как от неинтересных. Чтобы прийти к этому, сотни исследователей трудились, терпели неудачи, меняли курс и медленно добивались прогресса в различных областях, никогда не зная наверняка, что их усилия когда-нибудь окупятся.

Если эти вакцины против Covid сработают, знал доктор Грэм, они могут проложить путь к созданию других новых вакцин против таких разных заболеваний, как простуда, грипп и рак, и даже против самого неуловимого вируса - ВИЧ.

Днем 8 ноября он находился в кабинете у себя дома, когда ему позвонили и сообщили о результатах исследования: 95-процентная эффективность, гораздо лучше, чем кто-либо смел надеяться.

"Это работает!" - сказал он жене. Двое его внуков, 5 и 13 лет, подошли к его рабочему столу и обняли его спереди. Его жена и сын обняли его сзади. Вирусолог начал плакать.