Pages Menu
Categories Menu
„Czapeczka” (kap) szansą dla chorych na raka

„Czapeczka” (kap) szansą dla chorych na raka

Rozmowa z prof. Edwardem Darżynkiewiczem, kierownikiem Laboratorium Ekspresji Genu Wydziału Fizyki oraz Interdyscyplinarnego Laboratorium Biologii i Biofizyki Molekularnej w Centrum Nowych Technologii UW.

Prowadzone przez Pana i Pana zespół badania mają szansę doprowadzić do przełomu w medycynie i stworzenia skutecznych szczepionek przeciwnowotworowych. Jak do tego doszło? To przypadek czy żmudna praca?

Należy zacząć od wprowadzenia, a mianowicie od tego, że organizmy eukariotyczne cechują się tym, że ich informacyjny mRNA na jednym ze swoich końców, umownie oznaczonym jako 5’, ma dość nietypową dla całej reszty łańcucha RNA strukturę, tzw. czapeczkę, zamiennie zwaną kapem (od ang. cap). Istnienie struktury kapu zostało odkryte w 1975 roku przez prof. Aarona Shatkina (USA). Już w pierwszych latach po odkryciu kapu pokazano, że pełni on podstawową rolę w biosyntezie białka (translacji). Swoje prace nad czapeczką zainicjowałem na początku lat 80. ubiegłego wieku. W pierwszym okresie były to badania czysto podstawowe, nad funkcją biologiczną kapu. Miały one charakter interdyscyplinarny, aczkolwiek podstawą była chemia organiczna, w ramach której syntetyzowaliśmy chemiczne analogi kapu, a następnie poddawaliśmy je badaniom biochemicznym, biologicznym i biofizycznym. Badania te, prowadzone niejednokrotnie we współpracy z zagranicznymi laboratoriami, dostarczyły istotnych informacji o roli kapu w wielu procesach życiowych komórki eukariotycznej. Wówczas nikt z nas jeszcze nie zdawał sobie sprawy, że analogi te mogą mieć jakiekolwiek zastosowanie aplikacyjne.

Wracając do zadanego pytania. Aspekt badań, który doprowadził do stworzenia szczepionki, polegał na wykorzystaniu pewnej klasy związków chemicznych, a mianowicie analogów końca 5’ informacyjnego mRNA do modyfikacji mRNA w taki sposób, by w efekcie cechowało się ono wysoką aktywnością translacyjną, prowadząc do uzyskania in vitro dużych ilości białka. Czapeczka niejako warunkowała zmienioną aktywność mRNA. Badania nad wprowadzaniem syntetycznych analogów do mRNA rozpoczęliśmy niedługo po tym, jak w 1982 roku opublikowano metodę otrzymywania mRNA w drodze enzymatycznej in vitro. W latach 1985-95 prowadziliśmy badania nad wprowadzaniem zmodyfikowanych czapeczek do mRNA. Takie mRNA stosowaliśmy w dalszych badaniach naukowych, nie mając jeszcze wizji aplikacyjnej.

W tym miejscu znowu mała dygresja. O ile komórka potrafi bezbłędnie wbudowywać czapeczkę w sposób prawidłowy, wyłącznie we właściwym kierunku (sam kap jest dinukleotydem o strukturze niesymetrycznej), to, jak pokazano w 1995 roku, syntetyczne dinukleotydy wprowadzane na drodze transkrypcji in vitro wbudowywane są do RNA z obu stron, w proporcjach porównywalnych. W efekcie mieliśmy do czynienia z mieszaniną mRNA: prawidłowych i nieprawidłowych. Skutkiem było to, że aktywność biosyntezy białka na takich matrycach była stosunkowo niska. W 2001 roku opublikowaliśmy pracę, w której opisaliśmy, że dzięki zamianie jednego malutkiego atomu: wodoru, na stosunkowo również niewielką grupę metylową w jednej z reszt cukrowych (rybozy), uniemożliwiliśmy to „wadliwe” wbudowanie. Uzyskaliśmy wbudowanie tak zmodyfikowanej czapeczki do mRNA w sposób wyłącznie prawidłowy. To odkrycie:

Anti-Reverse Cap Analog (ARCA) zrewolucjonizowało biotechnologiczne otrzymywanie białka drogą syntezy mRNA in vitro. Aktywność takiego mRNA była co najmniej dwukrotnie wyższa niż przy stosowaniu konwencjonalnej czapeczki. Wraz z moim najbliższym współpracownikiem, dr. hab. Januszem Stępińskim, oraz prof. Robertem Rhoadsem z Louisiana State University (USA), który prowadził badania modyfikowanych mRNA w systemach komórkowych, uzyskaliśmy w 2006 roku patent amerykański nad otrzymywaniem i zastosowaniem analogu ARCA. Zaraz po opatentowaniu pięć firm biotechnologicznych wykupiło od nas licencję.

Nie myśleliście jeszcze wtedy o zastosowaniu ARCA w medycynie?

Jedna z firm, które wykupiły licencję, miała jakieś plany zastosowania medycznego, które jednak z przyczyn dla mnie niewiadomych nie zostały zrealizowane. Poza tym nie istniała jeszcze wtedy terapia genowa oparta na mRNA. ARCA znalazła natomiast szerokie zastosowanie jako odczynnik przy syntezie mRNA in vitro w laboratoriach na całym świecie.

W kolejnych latach prace skupiały się na modyfikacji ARCA?

Między innymi był to jeden z kilku tematów, którymi zajmowało się moje laboratorium w Zakładzie Biofizyki na Wydziale Fizyki UW. Gdy w 2001 roku dołączył do mojego zespołu dr Jacek Jemielity (dziś jest już profesorem UW i ma własny duży zespół badawczy), zajął się kolejnym aspektem analogów czapeczki, tym razem modyfikowanych w mostku trifosforanowym. To były bardzo szeroko zakrojone badania obejmujące serie analogów kapu z rozmaitymi modyfikacjami. Pierwowzorem był dinukleotyd ARCA, dający gwarancje prawidłowej inkorporacji do mRNA. Okazało się, że zamiana jednego atomu tlenu na atom siarki przy grupie fosforanowej w odpowiedniej pozycji spowodowała, że mRNA stał się bardziej stabilny w komórce oraz miał zwiększoną aktywność translacyjną. Należy zaznaczyć, że dominujący mechanizm degradacji mRNA w komórce rozpoczyna się od końca 5’, czyli właśnie od czapeczki. Wprowadzenie siarki spowodowało, że enzymy odpowiedzialne za hydrolizę czapeczki napotkały barierę, której nie potrafiły pokonać. Równocześnie analog kapu z siarką znacznie lepiej był rozpoznawany przez kompleks białkowy odpowiedzialny za inicjację translacji. Trzeba dodać, że wprowadzeniu siarki towarzyszyło pojawienie się centrum asymetrycznego na atomie fosforu, w związku z czym mieliśmy do czynienia z dwoma izomerycznymi diastereoizomerami, które należało rozdzielić. Nie wchodząc dalej w szczegóły, dzięki obydwu stosunkowo niewielkim zmianom chemicznym: ARCA (grupa metylowa) i beta-S-ARCA (atom siarki), kilkakrotnie zwiększyliśmy wypadkową efektywność translacyjną mRNA, zarówno in vitro, jak i in vivo. Wraz z partnerem amerykańskim, prof. Rhoadsem, zarówno syntezę, jak i zastosowanie serii analogów z siarką, zgłosiliśmy do opatentowania (PCT).

Wszystko to zbiegło się w czasie z pomysłem zastosowania mRNA w leczeniu. Jak wiadomo, koncepcja terapii genowej opartej na DNA nie osiągnęła zamierzonych celów. Po pierwsze, DNA trzeba wprowadzić do jądra, czyli pokonać barierę błony komórkowej, a następnie błony jądrowej. Po drugie, wprowadzony DNA wbudowuje się do genomu, może więc także ulegać mutacjom. Nie jest to więc metoda całkiem bezpieczna. Natomiast mRNA wystarczy wprowadzić do części cytoplazmatycznej komórki, gdzie odbywa się synteza białka. Tak więc, gdy w 2007 roku ukazała się nasza pierwsza publikacja opisująca analog beta-S-ARCA i jego zastosowanie w syntezie białka poprzez mRNA, kilka firm natychmiast zgłosiło się do nas z propozycją zakupu licencji. Bardzo aktywna była firma BioNTech w Moguncji (Mainz), która m.in. zobowiązała się wziąć na siebie wszystkie koszty związane z patentowaniem. Z tą też firmą oba uniwersytety (UW i LSU w Stanach) zawarły umowy licencyjne na wyłączność aplikacyjną naszych analogów. Jednocześnie, w ramach osobnych umów, zobowiązaliśmy się do dostarczania dla BioNTech-u niezbędnych ilości związku do badań pre-klinicznych, a następnie, do syntezy 4 gramów beta-S-ARCA (izomer D1) do wstępnych badań klinicznych w zastosowaniu mRNA jako szczepionki przeciwnowotworowej.
4 g to wydaje się niewiele…

To było dla nas ogromne wyzwanie. W laboratoriach naukowych otrzymuje się ilości miligramowe. Poza tym syntezy trzeba było prowadzić w sposób nie standardowy, na każdym kroku zważając, by produkty przejściowe były otrzymywane zgodnie z procedurami GMP. Tego wszystkiego sami musieliśmy uczyć się od początku. Joanna Kowalska (moja była doktorantka, obecnie doktor, samodzielny pracownik naukowy), pracująca wraz z dr. Jackiem Jemielitym i pod bezpośrednią jego opieką, poświęcili temu zadaniu ponad pół roku, pracując praktycznie od świtu do nocy, włączając w to weekendy.

Na czym polega działanie szczepionki antynowotworowej opartej o lecznicze mRNA?

Działanie szczepionki polega na dostarczeniu do chorego organizmu mRNA kodującego antygeny, które z kolei pobudzają na drodze immunologicznej wytwarzanie przeciwciał, zdolnych do walki z komórkami nowotworowymi. Tak to wygląda w lapidarnym skrócie. Obecne metody sekwencjonowania genomu ludzkiego pozwalają na stosunkowo szybkie i niezbyt kosztowne zsekwencjonowanie genomu w komórkach tkanek zdrowych oraz nowotworowych u konkretnego pacjenta. W ten sposób można wyselekcjonować mutacje charakterystyczne dla danego nowotworu. Mutacje genomów tych samych rodzajów nowotworów mogą się między sobą różnić pomiędzy pacjentami, stąd też takie szczepionki mają charakter spersonalizowany, tj. dla każdego pacjenta (ew. bardzo podobnej grupy pacjentów) należy wyprodukować ściśle określone mRNA.

Szczepionka jest obecnie na zaawansowanym etapie badań klinicznych w kilkunastu klinikach na świecie. Najbardziej zaawansowane są jej badania w czerniaku złośliwym. Jest też wykorzystywana w badaniach przeciwko nowotworowi piersi, prostaty, raka płuca. Wyniki są bardzo obiecujące, a dodatkowym plusem jest to, że praktycznie nie jest ona toksyczna.

Można ją zastosować w każdym nowotworze?

Właściwie tak. Jej działanie jest oparte na immunoterapii. Najważniejszym etapem jest wyselekcjonowanie najbardziej optymalnych wariantów antygenów, które potrafią wyzwolić maksymalny efekt w postaci odpowiedzi immunologicznej. Oczywiście istotne są same techniki podawania odpowiednio przygotowanych preparatów mRNA, tak aby jak najefektywniej zostały wchłonięte do węzłów chłonnych, a następnie procesowane do białek antygenowych w komórkach dendrytycznych, aby w końcu zostały zaprezentowane odpowiednim rodzajom limfocytów T, odpowiedzialnych za produkcję przeciwciał i walkę z nowotworem.

Rzadko się zdarza, że efektem badań podstawowych jest lek. W tym przypadku to się udało?

Dla mnie to ogromna satysfakcja. Zadziałała konsekwencja w prowadzeniu badań, które, jak wspomniałem na wstępie, prowadzę od około 40 lat. Niezwykle ważne było spotkanie na tej drodze wielu osób, które zaangażowane były na różnych etapach badań „kapologicznych”: fizyków, chemików, biologów. Również trzeba wspomnieć o wielu współpracach krajowych i zagranicznych. Musiałaby być w tym miejscu długa lista nazwisk, a i tak istnieje obawa pominięcia kogoś. Niewątpliwie dopisało też tzw. szczęście. Jednakże, pomimo bardzo obiecujących dotychczasowych wyników badań klinicznych, wstrzymałbym się od głoszenia tzw. zwycięstwa nad rakiem. Mamy wielką nadzieję, ale to jest ciągle jeszcze na etapie badań klinicznych.

Czy takie odkrycie mogłoby dokonać się tylko w Polsce?

W Polsce sami nie dalibyśmy rady. Poza tym u nas nikt nie rozwijał zastosowania mRNA w terapii. Należy podkreślić, że nasz zespół i nasze, wspólnie z partnerem amerykańskim, dokonania związane z zastosowaniem beta-S-ARCA w otrzymywaniu terapeutycznych mRNA, to jest „jedynie” bardzo istotny wkład w produkcję szczepionki, ale koncepcja jej zastosowania w terapii przeciwnowotworowej nie należy do nas.

Drugą sprawą jest fakt, że środki finansowe, obecnie inwestowane w badania kliniczne, są wielokrotnie wyższe aniżeli koszty badań naukowych. W grę wchodzą już nawet nie miliony, lecz miliardy dolarów. Firma BioNTech weszła w kooperację z dwoma potężnymi koncernami farmaceutycznymi: Sanofi i Roche, które współfinansują badania nad przeciwnowotworowymi szczepionkami spersonalizowanymi, inwestując w nie setki milionów dolarów.

To wydaje się trudne i skomplikowane, ale też bardzo drogie.

W efekcie finalnym terapia oparta na mRNA nie musi być nadzwyczaj droga. Natomiast sam etap badań klinicznych oraz ustawienie technologii produkcji szczepionek są niezwykle kosztowne. Pół roku temu w badaniach uczestniczyło kilkudziesięciu pacjentów, do końca tego roku planowane jest zrekrutowanie kilkuset chorych, a docelowo – tysiące. Niestety, nowotwory stanowią jedną z najliczniejszych, jeśli nie najliczniejszą i najgroźniejszą, grupę chorób.

Jeśli badania się powiodą, będzie Pan jednym z odkrywców zupełnie nowej metody leczenia nowotworów.

Nie, nie odkrywcą. Po pierwsze, nikt z naszego zespołu nie jest odkrywcą samej metody z zastosowaniem mRNA w terapii przeciwnowotworowej. My tylko dodaliśmy do tych prac istotną cegiełkę w postaci naszej czapeczki. Tylko tyle i aż tyle… „Small things are beautiful”: małe rzeczy są piękne. Rzeczywiście, to jest coś stosunkowo niewielkiego: atom węgla z trzema atomami wodoru zamiast jednego atomu wodoru oraz atom siarki zamiast atomu tlenu. Jeśli porówna się te zmiany z całym RNA, mającym ok. 100 tys. atomów, to uzyskany efekt jest rzeczywiście ogromny. Dopóki jednak szczepionka nie zostanie wprowadzona do leczenia, to nie wykluczam, że ktoś nas wyprzedzi. Chwała za to, jeśli zrobi coś lepszego, bardziej uniwersalnego. Nauka jest jedna. Niemniej trzeba się cieszyć, że Polacy wnieśli do niej coś istotnego.

Panie Profesorze, za modyfikację „czapeczek” otrzymał Pan nagrodę Prezydenta RP, ale w Pana gabinecie jest też złoty puchar dla „Króla Czapeczek”.

Otrzymałem medal Leona Marchlewskiego, przyznawany przez Polską Akademię Nauk. A moi najbliżsi współpracownicy podarowali mi z tej okazji puchar „Golden Cap for King of Caps” – złoty puchar dla „króla czapeczek”. Tak o mnie kiedyś powiedziano… Ja bym sam tak o sobie nie powiedział.

Natomiast Nagroda Gospodarcza Prezydenta RP miała charakter zespołowy, tj. przyznana została wszystkim twórcom ze strony polskiej, wymienię w kolejności: Jackowi Jemielitemu, Joannie Kowalskiej, Edwardowi Darżynkiewiczowi oraz dwójce naszych współpracowników, których badania weszły do jednego wspólnego patentu: Joannie Żuberek i Maciejowi Łukaszewiczowi.

Rozmawiała Katarzyna Pinkosz

„Czapeczka” (kap) szansą dla chorych na raka
Rate this post