Opublikowano online 24 kwietnia 2019 r
Niniejszy przegląd zawiera porównanie zagadnień teoretycznych i wyników eksperymentalnych dotyczących technologii szczepionek plazmidowym DNA i mRNA. Chociaż oba są rozwijane od lat 90., w ostatnich latach, pomimo licencjonowania kilku weterynaryjnych szczepionek DNA, pojawiło się znaczne podekscytowanie związane z mRNA. Obydwa wymagały wysiłków w celu zwiększenia ich siły działania poprzez bezpośrednie manipulowanie plazmidowym DNA i mRNA lub poprzez dodanie adiuwantów lub immunomodulatorów, jak również systemów dostarczania i preparatów. Omówiono większy nieodłączny charakter zapalny szczepionek mRNA zarówno ze względu na ich potencjalną przydatność immunologiczną do szczepionek, jak i potencjalną toksyczność. Opisano stan badań klinicznych szczepionek mRNA wraz z porównaniem do szczepionek DNA,
Kontynuacja badań i rozwoju (R&D) w zakresie szczepionek mRNA.
• Stabilizacja/ochrona mRNA
• Celowanie mRNA w pożądane komórki (np. profesjonalne komórki prezentujące antygen, APC)
• Zwiększenie ucieczki mRNA z endosomu
• Dostarczanie mRNA bezpośrednio do komórek dendrytycznych
• Zwiększenie ilości transformowanego białka
• Zwiększenie czasu trwania produkcji białka (może nie być konieczne w przypadku szczepionek w porównaniu z zastosowaniem białka terapeutycznego)
• Optymalizowanie odpowiedzi immunologicznej dla antygenu (np. typ odpowiedzi T pomocniczej, podklasa przeciwciał)
• Zmniejszenie lub wybiórcze pożądane działanie zapalne mRNA
• Zoptymalizuowanie pod kątem siły działania, bezpieczeństwa, złożoności formuły, kosztów produkcji, stabilności produktu
8.1. Aktywacja immunologiczna
Chociaż zarówno szczepionki DNA, jak i mRNA są często uważane za po prostu system ekspresji pożądanego białka, żadna z nich nie jest immunologicznie obojętna.
Tabela 2
Kwestie, które należy rozwiązać, dotyczące skuteczności klinicznej i bezpieczeństwa mRNA związanego ze stanem zapalnym.
• Siła: Wpływ wrodzonej odpowiedzi immunologicznej mRNA (np. indukcja interferonu alfa, który spowalnia translację)
• Siła działania: Wpływ innych leków (antybiotyków i leków przeciwnowotworowych) na metabolizm mRNA i stopień translacji do białek.
• Potencjalna toksyczność mRNA ze względu na nieodłączną aktywność zapalną mRNA, zastosowanie nienaturalnego zmodyfikowanego nukleozydu i preparatów;
• Kilka szlaków zapalenia indukowanego przez RNA: TLR 3, 7, 8 oraz szlaki cytoplazmatyczne
• Znana toksyczność leków zawierających nienaturalnie zmodyfikowane nukleozydy
• Potencjalne złagodzenie lub wzmocnienie ze względu na formułowanie mRNA
• Sama formuła również najwyraźniej może wpływać na aktywację immunologiczną i rodzaje odporności (patrz poniżej, dyskusja Crigler-Najjar)
• Czy powstaną przeciwciała przeciwko własnemu RNA i będą odgrywać jakąkolwiek rolę w chorobach autoimmunologicznych?
• Projektowanie badań klinicznych w celu wykrycia stanu zapalnego/toksyczności spowodowanej mRNA
Toksyczność mRNA
Drugą stroną potencjalnie korzystnego zapalenia adiuwantowego jest jednak potencjalna toksyczność szczepionek mRNA. Toksyczność obserwuje się w przypadku leków przeciwwirusowych i przeciwnowotworowych zawierających nienaturalne analogi nukleozydów [ 56 , 57 , 58 ]. Takie działania toksyczne, których nie przewidywały badania przedkliniczne ze względu na różnice gatunkowe między ludźmi a zwierzętami wykorzystywanymi do przedklinicznych testów bezpieczeństwa, zaobserwowano w przypadku leków zawierających nienaturalnie zmodyfikowane nukleozydy. Kliniczne działania niepożądane obejmowały miopatię (spowodowaną toksycznością mitochondrialną), kwasicę mleczanową, zapalenie trzustki, lipodystrofię, stłuszczenie wątroby i uszkodzenie nerwów; niektóre były śmiertelne.
Rzeczywiście, przedklinicznie donoszono o pewnej toksyczności dla mRNA wraz z ograniczonymi zdarzeniami niepożądanymi u ludzi. Toksyczność wątroby została zaobserwowana w badaniach przedklinicznych z jednym potencjalnym lekiem mRNA dostarczonym w nanocząsteczkach lipidowych dla zespołu Criglera-Najjara, wybranym jako cel „najniżej wiszącego owocu”, ponieważ potrzebne były bardzo niskie dawki białka. Były one na tyle poważne, że najwyraźniej wstrzymały pracę z tym konkretnym bytem, a przynajmniej z tym sformułowaniem [ 59 ]. Uważano, że formuła mRNA potencjalnie odgrywa rolę w toksyczności [ 60] i stosowano dawki wielokrotne. Niemniej jednak ta obserwowana toksyczność może dotyczyć również szczepionek, ponieważ nawet żywe replikujące się wirusy i szczepionki zawierające wektory wirusowe (które na ogół są bardziej immunogenne niż szczepionki podjednostkowe) wymagają powtórnego dawkowania. Ponadto wydaje się, że większość szczepionek zawierających mRNA w badaniach klinicznych wymaga formułowania. Szczepionki mRNA w badaniach klinicznych przeciwko chorobom zakaźnym tej samej firmy są opisane jako sformułowane w nanocząsteczkach lipidowych, ale nie wiadomo, czy są to takie same preparaty, jak te stosowane w badaniu Criglera-Najjara.
Samoograniczające się miejscowe i ogólnoustrojowe zdarzenia niepożądane (AE) obserwowane w badaniu klinicznym na ludziach dla szczepionki mRNA przeciwko wściekliźnie, chociaż podsumowane jako nadal wskazujące, że szczepionka była ogólnie bezpieczna (opisane poniżej w części dotyczącej badań klinicznych), mogą również odzwierciedlać charakter zapalny mRNA
Kiedy szczepionki DNA początkowo weszły do badań klinicznych na ludziach, pojawiły się obawy dotyczące teoretycznej możliwości wywołania przez nie autoimmunizacji lub integracji DNA z genomem. Uzasadnieniem obaw związanych z autoimmunizacją było to, że przeciwciała anty-DNA są cechą charakterystyczną różnych chorób autoimmunologicznych. Do tej pory zarówno badania przedkliniczne, jak i uważne monitorowanie kliniczne wykazały, że szczepionki DNA nie indukują ani nie pogarszają autoimmunizacji, a w rzeczywistości badania kliniczne na ludziach wykorzystujące szczepionki DNA do leczenia dwóch chorób autoimmunologicznych (cukrzyca i stwardnienie rozsiane) dały zachęcające wyniki w badaniach klinicznych na ludziach dla korzyści terapeutycznych szczepionek DNA [ 47 , 62]. W przypadku mRNA, proponowany mechanizm możliwych odpowiedzi autoimmunologicznych polega na indukcji interferonu typu I [ 63 ], który może powodować zarówno stan zapalny, jak i prawdopodobnie odpowiedzi autoimmunologiczne [ 64 ]. Obejmuje to prace pokazujące, że odpowiedzi obserwowane u myszy były podobne do tych obserwowanych u ludzi na konstrukt szczepionki mRNA przeciwko grypie za pośrednictwem TLR7 i TLR8 u ludzi oraz za pośrednictwem cytoplazmatycznych czujników RNA zarówno u myszy, jak iu ludzi [ 65 ].
Szczepionki DNA nie musiały być oceniane przez Komitet Doradczy ds. Rekombinacji Narodowego Instytutu Zdrowia (NIH) USA przed badaniami klinicznymi na ludziach, w przeciwieństwie do wektorów wirusowych do terapii genowej. Niemniej jednak początkowo wymagane były znaczące badania bezpieczeństwa, aby ocenić możliwość integracji plazmidowego DNA z genomem gospodarza. W wyniku tych badań zarówno dla szczepionek dla ludzi [ 18 , 66 ] , jak i dla licencjonowanych szczepionek DNA dla ryb [ 67 ]], jak również wiele badań na ludziach ze szczepionkami DNA, które wykazały bezpieczeństwo, nie ma obecnie obaw związanych z integracją. Porównania wykazały, że mRNA oferuje przewagę, ponieważ sam RNA nie może integrować się z genomowym DNA bez obecności elementów wirusowych w retrowirusie, które umożliwiają taką integrację (odwrotna transkryptaza i integraza). Jednakże HERV [ 68 ] (ludzkie endogenne retrowirusy), których pozostałości są obecnie stałymi częściami ludzkich genomów jako sekwencje podobne do retrowirusów, stanowią do 8% ludzkiego genomu. Ponadto, niektórzy biorcy leków lub szczepionek zawierających mRNA mogą być już zakażeni retrowirusem (np. HIV), dostarczając w ten sposób teoretycznego sposobu na dostarczenie białek potrzebnych do integracji [ 69 , 70]. Niemniej jednak ryzyko integracji pozostaje w tym momencie niezwykle mało prawdopodobne dla mRNA, nawet z teoretycznego punktu widzenia, ani nie jest już istotnym problemem dla plazmidowego DNA. Oznacza to, że mRNA nie oferuje pod tym względem żadnej wyraźnej przewagi w porównaniu z plazmidowym DNA. Z perspektywy regulacyjnej, szczepionki profilaktyczne mRNA wydają się nie być uważane za produkty terapii genowej [ 71 ], podobne do wcześniejszych szczepionek DNA.
odsumowując, pomimo całego podekscytowania przedkliniczną skutecznością mRNA, należy pamiętać, że pod wieloma względami pole mRNA jest podsumowaniem tego, co miało miejsce z plazmidowym DNA 20+ lat temu, kiedy pozornie prawie każdej chorobie można było zapobiegać lub leczyć w przedkliniczne modele chorób zwierzęcych z podaniem niesformułowanego plazmidu kodującego kluczowy antygen [ 1]. Dlatego należy pamiętać, że immunogenność przedkliniczna, a nawet ochrona/terapia i immunogenność człowieka stanowią niewielkie przeszkody i nie pozwalają przewidzieć skuteczności leczenia u ludzi. Jednym z powodów, dla których jest to tak trudne, jest to, że w przypadku wielu ocenianych chorób naukowcy nie wiedzą, która odpowiedź immunologiczna lub kombinacja odpowiedzi immunologicznych i które cele antygenowe są kluczowymi elementami skuteczności; sama technologia szczepionek nie jest jedynym elementem układanki.Tabela 5 podsumowuje główne zalety i wady szczepionek mRNA w porównaniu ze szczepionkami DNA.
Zalety i wady szczepionek mRNA (oraz porównanie ze szczepionkami DNA).
Zalety:
• 1)
Szybka konstrukcja szczepionki (jak w przypadku szczepionek DNA)
• 2)
Ogólny proces produkcyjny (jak w przypadku szczepionek DNA)
• 3)
Produkcja nie wymaga komórek ani substratów zwierzęcych (przewaga z perspektywy regulacyjnej w porównaniu ze szczepionkami DNA)
• 4)
mRNA nie musi wchodzić do jądra (przewaga w porównaniu ze szczepionkami DNA)
• 5)
Amplifikacja — liczba cząsteczek antygenu białkowego wytworzonych na cząsteczkę dostarczonego mRNA w porównaniu z brakiem ekspansji antygenu dla tradycyjnych antygenów (białek, inaktywowanych cząstek wirusa), jednak mniejsza amplifikacja na cząsteczkę plazmidowego DNA w jądrze i prawdopodobnie mniejsza amplifikacja niż w przypadku żywych wirusów szczepionki)
• 6)
Efekty immunostymulujące mogą korzystnie wpływać na pożądane reakcje na szczepionkę (plazmidowe DNA ma również działanie immunostymulujące, ale słabsze i lepiej zdefiniowane)
• 7)
Teoretycznie nie powinno się integrować, jeśli nie ma endogennych retrowirusów lub retrowirusów z powodu infekcji. (Szczepionki DNA zostały szeroko przebadane przedklinicznie i klinicznie, co łagodzi obawy regulacyjne dotyczące integracji szczepionek DNA.)
Niedogodności:
• 1)
Amplifikacja do antygenu białkowego na cząsteczkę mRNA jest mniejsza niż na cząsteczkę plazmidowego DNA (chociaż wejście do cytozolu jest o jedną błonę mniej niż wymaga przejścia dla plazmidowego DNA)
• 2)
mRNA musi uciec z endosomu (ale nie wymaga wejścia do jądra, podczas gdy plazmidowy DNA tak)
• 3)
Efekty immunostymulujące mogą zmniejszać siłę działania na wiele sposobów:
a. Zmniejszona stabilność mRNA
b. Zmniejszona translacja na białko
c. Wpływ na pożądany rodzaj odporności
• 4)
Formuła może być nadal potrzebna (ta obserwacja opiera się na stosowaniu formulacji przez większość jednostek mRNA w badaniach klinicznych)
a. Znalezienie optymalnego preparatu/urządzenia do podawania dla ludzi może być wyzwaniem, biorąc pod uwagę nieznaną przewidywalność modeli zwierzęcych (podobnie jak w przypadku szczepionek DNA, chociaż szczepionki DNA są znacznie bardziej zaawansowane w badaniach klinicznych z różnymi preparatami i urządzeniami do podawania w przypadku wielu różnych chorób)
• 5)
Znana toksyczność leków opartych na RNA przy użyciu nienaturalnych zmodyfikowanych analogów nukleozydów; czy tak się stanie w przypadku szczepionek mRNA?
• 6)
Szczepionki mRNA transkrybowane in vitro mogą być drogie w oparciu o obecne procesy
• 7)
Jednoczesne podawanie innych leków może wpływać na metabolizm mRNA, a tym samym może zmniejszać siłę działania szczepionki mRNA
Zgłoszone wyniki badań klinicznych fazy I dla szczepionek mRNA są zachęcające, chociaż w recenzowanej literaturze opublikowano tylko wyniki pierwszej szczepionki mRNA przeciwko wściekliźnie. Wyniki badań nad ludzkim metapneumowirusem + wirusem paragrypy 3 oraz badaniami fazy I nad wirusem syncytium nabłonka oddechowego (RSV) zostały ogłoszone w komunikacie prasowym, dlatego szczegóły nie są dostępne. Cel dla mRNA szczepionki RSV nie został publicznie ujawniony w czasie, gdy rozpoczęto badanie fazy I i do tej pory wydaje się, że badanie to nie jest wymienione w witrynie clinicaltrials.gov. To, czy odpowiedzi immunologiczne są na wystarczającym poziomie, czy też mają rodzaje potrzebnych odpowiedzi immunologicznych i niezbędny czas trwania, aby uzyskać skuteczność ochronną, jest nieznane i niekoniecznie jest przewidywane w badaniach fazy I.
Nie należy również ignorować zgłoszonych działań toksycznych obserwowanych w przypadku szczepionki mRNA przeciwko wściekliźnie [ 55 ], która obejmowała ograniczone ogólnoustrojowe AE u większości pacjentów (78%), a nawet AE stopnia trzeciego u ~10% pacjentów po dawkach 80–400 μg mRNA różnymi drogami, chociaż wnioski były takie, że szczepionka była ogólnie bezpieczna. Nie wiadomo, czy przedkliniczna toksyczność wątrobowa, która okazała się wynikiem „nie można przejść” dla konkretnego kandydata na mRNA Criglera-Najjara, ma znaczenie dla badań nad szczepionkami mRNA w tej samej firmie, ponieważ pomimo stosowanych niskich dawek dawki i formuła mRNA do badań szczepionek mogą być różne. Jest to w porównaniu z badaniami klinicznymi szczepionek DNA, w których dawki 4 mg DNA im z dawkami przypominającymi były stosowane w różnych badaniach klinicznych z ograniczonymi objawami ogólnoustrojowymi [83 , 84 , 85 ], jednocześnie generując dobre odpowiedzi immunologiczne.
Tak jak szczepionki DNA, po ponad 25 latach od pierwszej publikacji przedklinicznej skuteczności ochronnej, wciąż są w toku w zakresie poprawy siły działania i znalezienia odpowiednich antygenów i celów, nadal istnieją wyzwania, aby mRNA stało się produktami klinicznymi. Zarówno w przypadku szczepionek DNA, jak i mRNA (a przed nimi przeciwciał monoklonalnych i przeciwciał bispecyficznych), prosta koncepcja może mieć trudną drogę do rzeczywistości, a technologia może nie być całkowicie ogólna. mRNA może być nawet bardziej złożony niż plazmidowy DNA ze względu na modyfikacje (zmodyfikowane nukleozydy) oraz formulacje potrzebne do stabilności, dostarczania i potrzeby kontrolowania wrodzonej aktywności immunostymulującej mRNA. Jednak oferuje również korzyści pod względem wytwarzania, co pozwala uniknąć konieczności stosowania jakichkolwiek produktów zwierzęcych lub komórkowych.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6631684/
