W poniedziałek 2 października przyznana została Nagroda Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii. Instytut Karolinska tym razem doceniła i uhonorowała węgierską biochemiczkę Katalin Karikó oraz amerykańskiego biologa molekularnego Drew Weissmana. Wybór komentują: dr Mieszko Wilk z Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii UJ, prof. dr hab. Krzysztof Pyrć, dr hab. Sebastian Glatt oraz dr hab. Przemysław Grudnik z Małopolskiego Centrum Biotechnologii UJ i prof. dr hab. Marek Sanak z Wydziału Lekarskiego UJ CM.

Dr Mieszko Wilk - Zakład Immunologii UJ

Podstawowym odkryciem stojącym za przyznaną Nagrodą Nobla 2023 w dziedzinie medycyny lub fizjologii była odpowiednia modyfikacja cząsteczki mRNA (jednoniciowa cząsteczka przenosząca informację genetyczną dotyczącą budowy białka) w taki sposób, aby po wprowadzeniu do organizmu nie została ona rozpoznana jako ewentualne zagrożenie (np. jako infekcja patogenem), uruchamiając kaskadę reakcji prowadzącą do powstania stanu zapalnego. Tegoroczni nobliści, biochemiczka Katalin Karikó i immunolog Drew Weissman, znaleźli sposób na taką modyfikację mRNA, aby cząsteczka ta nie była rozpoznawana przez układ immunologiczny.

Dzięki temu odkryciu, mRNA kodujące sekwencję białka, może być dostarczone do komórki rozpoczynając proces translacji, czyli budowy białka na podstawie zakodowanej instrukcji. To właśnie otworzyło drogę do szerokiego zastosowania cząsteczek mRNA w celach terapeutycznych. Odkrycie stanowiące podstawę do przyznania tegorocznej Nagrody Nobla została opisane już w 2005 roku, ale początkowo nie uzyskało szerszego zainteresowania. Powodem tego był m.in. fakt, że „naga” cząsteczka mRNA jest łatwo degradowalna przez enzymy zawarte w komórce. Dopiero kolejny krok, czyli znalezienie odpowiedniego nośnika mRNA w postaci nanocząsteczek lipidowych, umożliwił skuteczne i efektywne dostarczanie informacji genetycznej do organizmu.  
Najbardziej spektakularnym efektem wykorzystania technologii mRNA w medycynie jest stworzenie szczepionki przeciwko wirusowi SARS-CoV-2.

Firmy takie jak Pfizer-BioNTech oraz Moderna wykorzystały mRNA, aby dostarczyć do komórek układu immunologicznego informację o białku wirusa, aby ten mógł wytworzyć specyficzną do danego białka odpowiedź immunologiczną. Inną dziedziną, w której wykorzystywana jest technologia oparta o mRNA, to immunoonkologia. Dzięki stosunkowo prostym metodom dostarczania mRNA do limfocytów typu T, odpowiednią cząsteczkę mRNA można użyć do wyciszenia lub nadprodukcji danego białka w komórkach układu immunologicznego, tak, aby wzmocnić ich właściwości do walki z nowotworem. Przykładem takich komórek są limfocyty T posiadające chimeryczny receptor antygenowy (limfocyty CAR-T; ang. chimeric antigen receptor). Podstawową zaletą tej technologii jest możliwość wyprodukowania przez organizm ludzki potencjalnie dowolnego funkcjonalnego białka lub jego części. To daje nadzieje na opracowanie nowych terapii chorób do tej pory uznawanych za nieuleczalne oraz znacznie obniżyć koszty już istniejących terapii.

Prof. dr hab. Krzysztof Pyrć - Małopolskie Centrum Biotechnologii UJ

Nagroda Nobla 2023 w dziedzinie medycyny i fizjologii została przyznana Katalin Karikó i Drew Weissmanowi za badania, które umożliwiły stworzenie szczepionek mRNA. Czyli krótka historia tego, jak badania podstawowe i ciekawość naukowa przepisują się na postęp technologiczny.

Chociaż szczepienia są z nami od wielu lat i ich skuteczność została już bezsprzecznie udowodniona, rok 2020 zapisał się na długo w annałach wirusologii i immunologii. Klasyczne szczepionki opierają się na bardzo prostej zasadzie - wprowadzamy do organizmu bardziej lub mniej osłabiony patogen lub jego fragmenty, dzięki czemu nasz układ odpornościowy jest w stanie nauczyć się wzorców sygnalizujących niebezpieczeństwo i wytwarza skuteczną ochronę, bez ryzyka lub ze znacznie mniejszym ryzkiem, niż przy chorobie. Skuteczność szczepionek jest niepodważalna, a najbardziej imponującym przykładem jest całkowita eradykacja ospy prawdziwej, która przez setki lat dziesiątkowała ludzkość. Jednak to podejście ma swoje wady - osłabianie patogenu, produkcja fragmentów patogenów, tworzenie cząstek wirusopodobnych to nie są trywialne kwestie. Ponadto, produkcja tradycyjnych szczepionek to skomplikowany proces, który musi zostać poddany optymalizacji dla każdej szczepionki - oczyszczenie, charakterystyka, dobranie dawki i sposobu podania zajmują czas i wymagają długich badań.

W latach 90. XX wieku pojawił się nowy koncept - dlaczego nie wykorzystać naturalnej maszynerii naszych komórek do produkcji białek patogenów, tak jak ma to miejsce w przypadku naturalnego zakażenia wirusowego? W żywych komórkach za przechowywanie informacji odpowiada DNA, ale to mRNA pełni rolę matrycy do produkcji białek. Postęp technologii w latach 80. pozwolił na produkcję mRNA poza organizmem w dużych ilościach i możliwe stało się ich dostarczanie do komórek zwierzęcych i ludzkich. Pierwsze próby zakończyły się jednak niepowodzeniem. Wszelkie próby podania RNA skutkowały nieproporcjonalną i szkodliwą reakcją zapalną. Nadzieje związane z nową technologią przygasły.

Przełom nadszedł kilka lat później. Węgierska biochemiczka Katalin Karikó i immunolog Drew Weissman, którzy pracowali razem na Uniwersytecie Pensylwanii, zauważyli, że komórki rozpoznają syntetyczne mRNA jako materiał obcy, co prowadzi do bardzo silnej reakcji odpornościowej. W swoich badaniach próbowali odpowiedzieć na pytanie, dlaczego nasze własne RNA wydaje się być „oswojone” i nie jest niszczone. Nasze RNA składa się z czterech rybonukleotydów, ale w naszych komórkach są one często modyfikowane, podczas gdy syntetyczne RNA jest "czyste". Naukowcy zbadali wpływ tych modyfikacji, a uzyskane wyniki były imponujące. Reakcja zapalna przy takim „naturalizowanym” RNA została niemal całkowicie wyeliminowana, co otworzyło drogę do wykorzystania mRNA w terapii.

W kolejnych badaniach naukowcy poszli krok dalej, ucząc się, jak zwiększyć wydajność procesu i wykorzystać naturalne systemy regulacyjne w naszych komórkach. W krótkim czasie firmy prywatne rozpoczęły prace nad wykorzystaniem mRNA w medycynie i zainicjowano badania nad zastosowaniem szczepionek mRNA w zapobieganiu chorobom zakaźnym (np. koronawirusy). W toku prac stworzono i zwalidowano uniwersalną platformę do produkcji szczepionek, umożliwiającą ich błyskawiczną optymalizację i dostosowanie do nowych zagrożeń. Dlatego też po wybuchu pandemii COVID-19 w 2020 roku możliwe było wyprodukowanie kandydatów na szczepionki w kilka tygodni, a następnie w ciągu kolejnych miesięcy przeprowadzenie pełnych badań klinicznych i dostarczenie efektywnych i bezpiecznych szczepionek w rekordowym tempie, niecały rok później. Jednak nasza podróż ze szczepionkami mRNA dopiero się rozpoczęła. Ich skuteczność i bezpieczeństwo zostały udowodnione w badaniach klinicznych, a liczba podanych dawek (ponad 13 miliardów) robi wrażenie i rodzi nadzieję. Dlaczego? Ponieważ mRNA to także szansa na leczenie chorób genetycznych, efektywną terapię genową i nowe leki przeciwnowotworowe.

Podsumowując, szczepionki mRNA nie zostały tak naprawdę wymyślone przez człowieka - zainspirowaliśmy się naturalną ewolucją - ale najbliżej do rodziców pomysłu mają właśnie Katalin Karikó i Drew Weissman.

Dr hab. Sebastian Glatt i dr hab. Przemysław Grudnik - Małopolskie Centrum Biotechnologii UJ

Tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny została przyznana węgierskiej biochemiczce Katalin Karikó i amerykańskiemu biologowi molekularnemu Drew Weissmanowi. Ich pionierskie badania umożliwiły opracowanie szczepionek mRNA, które stanowią dla nas nadzieję w walce z licznymi chorobami i które ocaliły miliony istnień ludzkich w czasie pandemii COVID-19. Wiadomość ta została ogłoszona przez Zgromadzenie Noblowskie Instytutu Karolinska w Sztokholmie w poniedziałkowe popołudnie.

Zgodnie z oficjalnym oświadczeniem Zgromadzenia, dwoje badaczy zostało uhonorowanych „za odkrycia dotyczące modyfikacji zasad nukleozydowych, które umożliwiły opracowanie skutecznych szczepionek mRNA przeciwko COVID-19”. W ciągu ostatnich dziesięcioleci Karikó i Weissman skupili swoje wysiłki  na uczynieniu przekaźnikowego RNA (ang. messenger RNA, mRNA) użytecznym w medycynie. mRNA, obecne w ludzkich komórkach, pełni funkcję przekaźnika kodu genetycznego niezbędnego do produkcji białek. W związku z tym pojawiło się pytanie, czy te niestabilne cząsteczki mogą zostać zmodyfikowane i wprowadzone do organizmu w taki sposób, by komórki same wytworzyły „szczepionkę” przeciwko wirusom lub innym materiałom mającym znaczenie terapeutyczne bez potrzeby modyfikacji naszego DNA.

Główną przeszkodą na drodze do uzyskania leków na bazie mRNA stanowił fakt, że wprowadzone do organizmu obce RNA nie było skuteczne, ponieważ nasze komórki są dobrze przygotowane na obronę przeciwko obcemu RNA (na przykład temu pochodzącemu od wirusów). Wstępne badania laureatów wykazały, że wprowadzenie do organizmu obcych cząsteczek mRNA wywoływało odpowiedź odpornościową i cząsteczki te ulegały degradacji zanim mogły odnieść jakikolwiek efekt. Co więcej, przez wiele lat społeczność naukowa w ogóle nie wierzyła, że wrażliwe cząsteczki RNA mogłyby zostać wykorzystane do opracowania szczepionek. Ponieważ klasyczne szczepionki DNA wyglądały znacznie bardziej obiecująco, badaczom trudno było znaleźć agencje finansujące wsparcie ich projektów, które obecnie doprowadziły do Nagrody Nobla w 2023 r.
Karikó i Weissman dokonali przełomu poprzez realizację prostego pomysłu. Nasze własne cząsteczki RNA posiadają różnorodne modyfikacje chemiczne, które odróżniają je od obcych RNA.  Pionierską inicjatywą naukowców było odnalezienie sposobu na modyfikację RNA w probówce, a następnie wykazanie, że te zmodyfikowane cząsteczki RNA rozpadają się znacznie wolniej w naszym organizmie i mogą być wprowadzone do naszych komórek bez wywoływania reakcji naszego układu odpornościowego. Ta nabyta stabilność umożliwia naszym komórkom wyprodukowanie wystarczającej ilości białek do wywołania pożądanej odpowiedzi immunologicznej. To odkrycie zaowocowało opracowaniem szczepionek opartych na mRNA, które w ciągu kilku dni zostają wyeliminowane z naszych organizmów i nie powodują modyfikacji naszego genomu.
Warto podkreślić, że wysiłki prowadzące do opracowania szczepionek opartych na mRNA przeciwko różnym chorobom zakaźnym, nowotworom oraz innym zmianom patologicznym, przynoszą coraz więcej rezultatów. Największą zaletą tej metody jest możliwość prostej adaptacji do nowych wariantów wirusów czy też konkretnego rodzaju nowotworu (lub jego mutacji) w organizmie konkretnego pacjenta. Zaledwie w ciągu ostatnich kilku miesięcy byliśmy świadkami obiecujących wyników zwłaszcza w kontekście terapii spersonalizowanych. 

W Małopolskim Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie od dawna pracujemy nad modyfikacjami RNA. Dlatego cieszy nas fakt, że Nagroda Nobla została przyznana kolegom pracującym w tej dziedzinie. Grupa badawcza Maxa Plancka pracuje nad konkretnymi modyfikacjami cząsteczek tRNA i mRNA, by zrozumieć, w jaki sposób nasze organizmy katalizują reakcje chemiczne prowadzące do tych modyfikacji. W szczególności wykorzystujemy metody biologii strukturalnej, by odkryć kształtowanie się mechanizmów, które przeprowadzają te złożone reakcje modyfikacyjne, a także zrozumieć konsekwencje tych modyfikacji dla funkcjonowania organizmu. Wyniki naszych badań pozwolą nam na lepsze zrozumienie, w jaki sposób nasze komórki oznaczają swoje własne RNA, co umożliwi opracowanie innowacyjnych strategii stabilizacji RNA do dalszych zastosowań terapeutycznych.

Prof. dr hab. Marek Sanak - Zakład Biologii Molekularnej i Genetyki Klinicznej UJ CM

W dniu 2 października bieżącego roku Komitet Noblowski w Sztokholmie ogłosił laureatów Nagrody Nobla z Fizjologii lub Medycyny za rok 2023. Są nimi Katalina Karikó i Drew Weissman. Oboje pracują w Szkole Medycznej imienia Perelmanów Uniwersytetu Pensylwanii w Filadelfii. W uzasadnieniu Nagrody wymienione zostało największe osiągnięcie laureatów, jakim było wyjaśnienie roli pospolitej modyfikacji nuklezydowej mRNA - zamianie urydyny na pseudourydynę. Taka zamiana nieznacznie modyfikuje rybosomalny proces translacji białka, natomiast w sposób zasadniczy wpływa na wrodzoną odpowiedź układu odpornościowego wyzwalaną przez RNA. Wśród komórkowych receptorów odpowiadających na molekularny wzorzec patogenów (PAMPs) są receptory Toll-like (TLR). Wewnątrzkomórkowy TLR-3 jest pobudzany przez dwuniciowe RNA wirusowe, podobnie jak obecny w endosomach TLR-7 wiążący jednoniciowe RNA. Również endosomalny TLR-8 aktywowany jest przez jednoniciowe RNA oraz oligonukleotydy RNA, w tym syntetyczne cząsteczki zawierające wiązania fosfotioestrowe co spowolnia ich rozpad pod wpływem rybonukleaz. Po wniknięciu RNA do wnętrza komórki, jeśli tylko cząsteczka zawiera sygnał lokalizacji rybosomalnej, może stać się matrycą do syntezy polipeptydu.

Główną przeszkodą w wykorzystaniu tego sposobu manipulacji komórkami organizmu powodującymi podjęcie syntezy nie kodowanych przez ich własny genom białek, jest silna ogólnoustrojowa reakcja zapalna. Jest ona spowodowana produkcją cytokin w szczególnym nasileniu przebiegającą w komórkach prezentujących antygen, np. dendrytycznych, a także w makrofagach. Przełomem w badaniach biomedycznych nad uzyskaniem ekspresji białek w organizmie po podaniu mRNA okazała się współpraca biochemiczki Kataliny Karikó i immunologa klinicznego Drew Weissmana. W 2005 roku na łamach Immunity opublikowali pracę, w której wykazali mechanizm jakim posługują się komórki by rozróżnić własne kodujące białka mRNA od inwazyjnych cząsteczek pochodzących od patogenów wirusowych. Natywne komórkowe RNA podlega silnym modyfikacjom tworzących je nukleotydów. Są to dodatkowe cząsteczki metylowe powodujące powstanie metylocytozyny, metyloadeniny i metylouracylu. Inny wariant tego ostatniego składnika RNA to pseudourydyna. Chemicznie to izomer nukleozydu urydyny powstały przez połączenie rybozy z pierścieniem pirymidynowym uracylu wiązaniem węgiel-węgiel zamiast węgiel-azot. Modyfikacje te zasadniczo nie zmieniają składu aminokwasowego kodowanego polipeptydu. Właśnie obecność pseudourydyny w natywnym mRNA komórki okazała się najsilniejszym hamulcem dla zapalnej odpowiedzi mediowanej przez receptory TLR. Odkrycie to umożliwiło zastosowanie syntetycznych cząsteczek RNA jako leków lub szczepionek. Czasowa synteza obcego białka w organizmie po wprowadzeniu syntetycznego mRNA prowadzi do wzbudzenia adaptatywnej reakcji odpornościowej, powodując syntezę przeciwciał oraz proliferację uczulonych limfocytów T. Otwiera tym samym drogę do nowoczesnego projektowania szczepionek, które wcześniej wymagały stosowania niezjadliwych szczepów wirusowych, zabitych wirusów lub ich białek, albo ekspresji białek wirusowych w innych wektorach szczepionkowych. 

Katalina Karikó urodziła się  w 1955 roku w Kisújszállás, niewielkim miasteczku we wschodnich Węgrzech. Studiowała biochemię na Uniwersytecie w Szeged. Obroniła tam doktorat i pracowała w Instytucie Biochemii do 1985 roku, kiedy to laboratorium zostało zlikwidowane. Wyemigrowała do USA, gdzie po kilkuletnim zatrudnieniu w Temple University i następnie w NIH w Bethesdzie otrzymała stanowisko badacza w Szkole Medycznej Uniwersytetu Pensylwanii. Jej badania dotyczyły możliwości zastosowania dwuniciowego RNA jako cząsteczki indukującej odpowiedź interferonową w przewlekłych zakażeniach wirusowych, np. HIV-1.

Drew Weissman urodził się w 1957 roku i wychował w Lexington, Massachussets. Studiował biochemię na Uniwersytecie Brandeisa w Waltham, MA. Doktorat z immunologii i mikrobiologii obronił na Uniwersytecie Bostońskim. Studia uzupełnił stażem klinicznym w Centrum Medycznym Beth Israel w Bostonie, a następnie był współpracownikiem Antoniego Fauci w NIH. W 1997 r. Weissman otrzymał własne laboratorium w Szkole Medycznej Uniwersytetu Pensylwanii, w którym, jak wieść niesie współpraca z Kataliną Karikó rozpoczęła się wspólnym narzekaniem na brak funduszy na badania RNA podczas czekania w kolejce do fotokopiarki. Nobliści w 2006 r. rozpoczęli trwającą 7 lat przygodę biznesową tworząc firmę RNARx, w nadziei wprowadzenia nowatorskich terapii RNA. Od 2013 r. Katalina Karikó jest wiceprezydentem firmy BioNTech RNA Pharmaceuticals, pozostając na stanowisku profesora w Uniwersytetu Pensylwanii w Filadelfii. Drew Weissman jest również profesorem i kierownikiem Zakładu tego uniwersytetu oraz dyrektorem Penn Institute for RNA Innovation. Jego obecne badania dotyczą rozwoju szczepionek przeciwko grypie, HIV-1, HCV, herpes, oraz możliwości terapii genowej in situ przez wprowadzanie mRNA kodującego enzymy edytujące DNA genomu.

Patenty autorstwa Karikó i Weissmana były źródłem nowych technologii, które doprowadziły do opracowania przez Pfizer-BioNTech i Modernę dwóch szczepionek, zarejestrowanych i dopuszczonych do stosowania w bezprecedensowym tempie w lutym 2021, czyli w 2 lata od wybucgu pandemii COVID-19. Łącznie na świecie podano do czerwca 2023 13,42 miliarda dawek szczepionek, przy czym statystyki uwzględniają również szczepionki wektorowe, jak Vaxzevria Oxford-Astra-Zeneca i rosyjski Sputnik V, oraz chińską CoronaVac zawierającą zabitego wirusa. Na podstawie oszacowania z połowy 2022 r. szczepienia przeciwko COVID-19 realizowane w 185 krajach zapobiegły śmierci od 14 do 18 milionów ludzi. Na koniec informacja dla przyszłych Noblistów oraz wielbicieli naukometrii. Katalina Karikó opublikowała 109 prac cytowanych prawie 15 tys. razy, jej współczynnik Hirscha to 52. Drew Weissman opublikował 201 prac cytowanych prawie 20 tys. razy, a jego współczynnik Hirscha wynosi 64 (Scopus, 3 października 2023).